郭祥信

填埋氣體是生活垃圾填埋場的主要?dú)怏w污染源。填埋氣體既是一種可以利用的能源，又是填埋場主要的臭味源和大氣溫室氣體的排放源。提高填埋氣體收集率和利用率對于節(jié)約能源、控制填埋場臭味、減小溫室氣體排放具有重要意義。本文通過對填埋氣體產(chǎn)生規(guī)律和影響因素的論述以及對氣體收集率影響因素的分析，提出了提高填埋氣體收集率的方法。

一、概述

填埋氣體是生活垃圾填埋場的主要?dú)怏w污染源。填埋氣體的主要成分是甲烷（體積濃度約55%-65%）、二氧化碳（體積濃度約35%-45%CO2），另外還有一些少量的氣體，如氮?dú)?、氫氣、一氧化碳、硫化氫、氨和硫醇等，其中硫化氫、氨和硫醇等氣體具有很強(qiáng)的臭味。因此填埋氣體既是一種可以利用的能源，又是填埋場主要的臭味源和大氣溫室氣體的排放源。提高填埋氣體收集率和利用率對節(jié)約能源、控制填埋場臭味、減小溫室氣體排放具有重要意義。

填埋氣體是垃圾中有機(jī)物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體，其產(chǎn)氣周期比較長，且產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量隨時間變化較大，另外垃圾填埋場內(nèi)的情況比較復(fù)雜，管理難度大，因此填埋氣體的收集和利用難度也非常大，因此如何提高填埋氣體的收集率是一個值得探討的問題。以下，本文從幾個方面對填埋氣體收集率的提高方法進(jìn)行了探討和論證。

二、國內(nèi)垃圾填埋場氣體收集現(xiàn)狀分析

填埋是我國生活垃圾處理的主要方式。上世紀(jì)90年代以前，國內(nèi)大部分城市采用簡易填埋方式，填埋氣體均是自然排放，基本沒有什么控制措施。90年代以來，國內(nèi)逐步建設(shè)了一些衛(wèi)生填埋場，簡易的填埋場逐步被封場。這些衛(wèi)生填埋場均設(shè)有填埋氣體導(dǎo)排設(shè)施，大部分填埋場是將導(dǎo)出的填埋氣體直接排空，只有少數(shù)填埋場在運(yùn)行幾年后建設(shè)了填埋氣體利用設(shè)施或火炬燃燒系統(tǒng)。對于建設(shè)填埋氣體利用或燃燒設(shè)施的填埋場，填埋氣體的收集率和利用率（燃燒率）非常小，據(jù)估計氣體收集率不到40%，沒有被收集到的氣體則通過不同渠道遷移至垃圾堆體以外，最后被排放到空氣中。

三、垃圾填埋場填埋氣體的產(chǎn)生規(guī)律

（一）有機(jī)物的厭氧分解過程

有機(jī)物的厭氧發(fā)酵包括有機(jī)酸發(fā)酵、甲烷發(fā)酵、氫發(fā)酵和甘醇發(fā)酵。在固體廢棄物分解的過程中，主要是有機(jī)酸發(fā)酵和甲烷發(fā)酵，它們分階段進(jìn)行，發(fā)酵過程中產(chǎn)生甲烷和二氧化碳。

在第一階段里，碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等高分子有機(jī)物受到加水分解，進(jìn)行低分子化，然后通過酶反應(yīng)，利用這些有機(jī)單體中的氧生成甲酸、醋酸、酪酸之類的揮發(fā)性有機(jī)酸和乳酸、琥珀酸、a-katoyluaricacid酸之類的不揮發(fā)有機(jī)酸、乙醇等醇類、氨、氫、二氧化碳、硫化物等物質(zhì)。參加這一發(fā)酵過程的菌群是共性厭氧細(xì)菌和絕對厭氧細(xì)菌，雖然會因菌種的不同，所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物也不同，但一般在偏性厭氧菌的有機(jī)酸發(fā)酵過程中，多數(shù)是生成揮發(fā)性脂肪酸。通常在此過程中，所產(chǎn)生的有機(jī)酸和二氧化碳被水溶解，使系統(tǒng)內(nèi)的PH達(dá)到5-6，呈酸性，因此這一過程也稱為酸性發(fā)酵過程。

當(dāng)發(fā)酵進(jìn)入第二階段后，屬于偏性厭氧菌的甲烷生成菌，代謝前一階段生成的低分子有機(jī)物等，生成甲烷和二氧化碳。甲烷生成菌目前已被確認(rèn)的有22菌株、菌的種類和可以利用的基質(zhì)，種類比有機(jī)酸發(fā)酵過程要少得多，甲烷可利用的基質(zhì)只有氧、二氧化碳、甲酸、醋酸、甲醇、甲基胺和三甲胺幾種，其它的低級有機(jī)物一旦被可生成氫的醋酸鹽轉(zhuǎn)換成醋酸，就會被甲烷菌轉(zhuǎn)化成甲烷。綜上所述，甲烷菌可大致分為兩類：一種是把二氧化碳還原，生成甲烷的；另一種是使醋酸酯羧化，生成二氧化碳和甲烷氣體的。

（二）填埋氣體產(chǎn)生的幾個階段

根據(jù)有機(jī)物的厭氧分解過程，填埋場內(nèi)垃圾填埋氣體的產(chǎn)生可分為四個階段：

第一階段為好氧階段，該階段發(fā)生于固體垃圾填埋的初期。該階段的特點(diǎn)是：原存垃圾中氧氣逐漸被耗盡，并伴隨有CO2產(chǎn)生。當(dāng)垃圾中無氧氣存在時，垃圾發(fā)酵過程進(jìn)入第二階段，這一階段是厭氧發(fā)酵，伴有H2和CO2產(chǎn)生并逐漸達(dá)到最大濃度，但無甲烷產(chǎn)生。在第二階段之后，甲烷開始產(chǎn)生，并且濃度逐漸增大，甲烷菌活性有所提高，并耗盡垃圾中產(chǎn)生的H2，該階段CO2的濃度逐漸下降，并逐漸趨于穩(wěn)定值，這一階段是第三階段。隨后，當(dāng)甲烷和CO2趨于穩(wěn)定后，垃圾發(fā)酵即進(jìn)入了第四階段，這一階段中產(chǎn)氣成分基本穩(wěn)定。（圖1）用氣體成分的變化表示填埋氣體產(chǎn)生的四個階段。

實(shí)際上，以上所述的垃圾分解的四個過程，在填埋場內(nèi)不是統(tǒng)一的按順序進(jìn)行的，而是基于垃圾所處周圍環(huán)境條件相互交叉進(jìn)行。例如，當(dāng)有氧氣侵入時，第Ⅲ、Ⅳ階段的厭氧發(fā)酵就會停止，而第一階段的好氧發(fā)酵就會重新進(jìn)行，另外各個階段所持續(xù)時間的長短也因填埋場環(huán)境狀況、垃圾成分的不同而有所差異。一般來講，前三個過程所用時間不大于一年，而第四個過程可持續(xù)十幾年甚至幾十年，因此通常所講的垃圾填埋氣體，指的是垃圾分解處在厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)生穩(wěn)定階段時所產(chǎn)生的氣體。

四、填埋氣體產(chǎn)生的影響因素

（一）溫度

一般填埋氣體產(chǎn)生的最佳溫度為30-40℃，雖然這一參數(shù)在垃圾填埋場不易被控制，但是由于土壤和垃圾周圍產(chǎn)生隔熱的條件，仍可以獲得較適合的溫度。

（二）濕度

填埋氣體產(chǎn)生的垃圾最佳濕度為50-80%，濕度小于50%和大于80%時，填埋氣體的產(chǎn)生速率均減小。

（三）碳氮比

垃圾的碳氮比代表著厭氧消化中兩種元素的比例，碳元素（碳水化合物的形式）和氮元素（為蛋白質(zhì)、硝酸鹽、銨等）是厭氧菌的兩種主要營養(yǎng)成分。實(shí)驗表明，在其它條件都適合的條件下，20-30：1的碳氮比率對厭氧發(fā)酵過程是最適合的比率，若此比率大則二氧化碳產(chǎn)生量增加。據(jù)計算，我國城市生活垃圾C/N比值多在25/1左右，發(fā)達(dá)國家城市垃圾C/N比典型值為49/1，顯然我國以食品垃圾含量較高的城市生活垃圾的C/N比值比較接近填埋氣體產(chǎn)生的最佳值，因此有利于填埋氣體的產(chǎn)生。

（四）pH值

一般填埋氣體產(chǎn)生的最佳pH值為6.7-7，pH值過高和過低都不利于填埋氣體的產(chǎn)生。

（五）填埋條件

由于甲烷菌為厭氧菌，厭氧狀態(tài)保持的好壞是影響填埋氣體產(chǎn)生的重要因素。一般厭氧狀態(tài)取決于覆蓋土透氣性、壓實(shí)密度和填埋深度。為了提高填埋氣體的產(chǎn)氣量，填埋覆蓋土一般用透氣性差的優(yōu)質(zhì)粘土，垃圾壓實(shí)密度應(yīng)大于0.8t/m3。填埋深度對填埋氣體的產(chǎn)生量也有影響。填埋深度大的填埋場厭氧環(huán)境容易保持，且垃圾體內(nèi)溫度較穩(wěn)定，因此有利于填埋氣體的產(chǎn)生。

（六）垃圾成分

填埋氣體的產(chǎn)生量和產(chǎn)生速率與垃圾成分也有很大關(guān)系，如垃圾中易腐垃圾（菜葉、果皮、食品等）多，則垃圾產(chǎn)氣速度快，產(chǎn)氣量大；若垃圾中含有有毒物質(zhì)，這些有毒物質(zhì)會抑制甲烷產(chǎn)生菌從而阻礙厭氧分解，則產(chǎn)氣速度慢，產(chǎn)氣量小。

五、影響填埋氣體收集的因素

影響填埋氣體收集的因素主要有：

（一）每天的垃圾都有不同的產(chǎn)氣歷程

由于垃圾填埋場內(nèi)的垃圾是一天一天填進(jìn)去的，因此垃圾堆體內(nèi)的垃圾產(chǎn)氣歷程對每天的垃圾都是不同的。填埋場垃圾堆體內(nèi)同時存在處于各種不同厭氧產(chǎn)氣階段的垃圾，使得填埋氣體產(chǎn)氣速率隨時間的變化規(guī)律很難預(yù)測，進(jìn)而加大了根據(jù)此變化規(guī)律調(diào)節(jié)抽氣量的難度。

（二）垃圾填埋作業(yè)

垃圾填埋作業(yè)每天都在進(jìn)行，作業(yè)面始終處于敞開狀態(tài)，最多是在夜晚停止作業(yè)后臨時覆蓋一段時間，因此填埋作業(yè)面對于穩(wěn)定垃圾堆體內(nèi)的厭氧環(huán)境不利。另外，填埋作業(yè)對填埋作業(yè)面及其周圍導(dǎo)氣設(shè)施的正常工作也有較大影響。

（三）氣體導(dǎo)排設(shè)施的設(shè)計

氣體導(dǎo)排設(shè)施包括垂直導(dǎo)排井和水平導(dǎo)排盲溝，兩種氣體導(dǎo)排設(shè)施均有一定的作用范圍，如果氣體導(dǎo)排設(shè)施的布置使所有導(dǎo)排設(shè)施的作用范圍覆蓋垃圾堆體的全部面積，則可獲得較高的氣體收集率；如果氣體導(dǎo)排設(shè)施的布置不能覆蓋垃圾堆體的全部面積，則將影響氣體收集率。

（四）垃圾堆體覆蓋層的氣密性

垃圾堆體覆蓋層的氣密性對填埋氣體的收集率也有較大影響。氣密性好，氣體不易穿過覆蓋層跑掉，因此可有利于提高氣體收集率，反之則不利于提高氣體收集率。

六、提高氣體收集率的方法

提高氣體收集率不應(yīng)只從填埋場運(yùn)行管理角度考慮，應(yīng)綜合考慮填埋場設(shè)計、建設(shè)和運(yùn)行管理的多個方面，通過以上對氣體收集率的影響因素分析，本文提出以下提高氣體收集率的方法。

（一）做好垃圾填埋區(qū)的分區(qū)分單元設(shè)計

由于垃圾填埋場一般都有很長的使用年限，而不同的填埋時間，垃圾的氣體產(chǎn)生速率不同。填埋區(qū)實(shí)行分區(qū)分單元設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)將同一時期的垃圾集中填入一個區(qū)域，那么該區(qū)域就可以根據(jù)垃圾填埋時間，比較準(zhǔn)確地預(yù)測氣體產(chǎn)生速率，進(jìn)而根據(jù)氣體產(chǎn)生速率，調(diào)整氣體收集系統(tǒng)的抽氣速度，最大限度地做到“產(chǎn)多少氣抽多少氣”，也就有利于提高氣體收集率。

垃圾填埋區(qū)的分區(qū)分單元設(shè)計可以根據(jù)填埋場的地形選擇不同的做法。（圖2）是針對平地型填埋場的做法，圖中的1 - 6是單元編號和單元填埋的順序。

（二）按分單元設(shè)計，做好垃圾分單元填埋規(guī)劃，并按規(guī)劃進(jìn)行填埋作業(yè)

垃圾填埋場啟用前應(yīng)先做好垃圾的填埋規(guī)劃，規(guī)劃應(yīng)按照填埋區(qū)分區(qū)分單元設(shè)計進(jìn)行，要盡可能做到垃圾從一邊的填埋單元填起，并在這個單元盡可能堆高，當(dāng)垃圾堆至一定高度即對該單元及時實(shí)施抽氣，隨后采用同樣方法進(jìn)行第二單元的填埋，并對第二填埋單元設(shè)立獨(dú)立的抽氣系統(tǒng)，填埋結(jié)束后及時實(shí)施抽氣。對于每一個填埋單元均設(shè)置獨(dú)立的抽氣系統(tǒng)，在抽氣時可以對各填埋單元進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，以使每一個單元的抽氣量最接近該單元的氣體產(chǎn)生量。

（三）控制垃圾填埋作業(yè)面

垃圾填埋作業(yè)面敞開時間較長，作業(yè)機(jī)械影響氣體導(dǎo)排設(shè)施工作，因此填埋作業(yè)面越大對氣體的收集影響越大。為了提高氣體收集率，應(yīng)嚴(yán)格控制垃圾填埋作業(yè)面。垃圾填埋作業(yè)面的大小與填埋量有關(guān)，填埋量大，傾卸垃圾的車輛和填埋作業(yè)機(jī)械數(shù)量多，需要的填埋作業(yè)面就大；填埋量小，傾卸垃圾的車輛和填埋作業(yè)機(jī)械數(shù)量少，需要的填埋作業(yè)面就小。

（四）做好垃圾堆體覆蓋，減少氣體無序遷移

垃圾填埋堆體可分三種情況進(jìn)行覆蓋：最終覆蓋、中間覆蓋和臨時覆蓋（日覆蓋）。垃圾堆體到達(dá)設(shè)計終場標(biāo)高的區(qū)域及時實(shí)施最終覆蓋，最終覆蓋的材料可采用防滲透性強(qiáng)的GCL或LDPE等材料，既可以防水也可以防氣。在完成一個填埋單元的填埋后，填埋作業(yè)要轉(zhuǎn)入另一個單元的填埋，完成填埋的單元要等待較長的時間才能再進(jìn)行填埋，因此該單元應(yīng)進(jìn)行中間覆蓋，以減小雨水滲入垃圾體內(nèi)。中間覆蓋通常用土，為了節(jié)省填埋空間、減少雨水下滲，也可以臨時采用覆蓋膜，在重新填埋垃圾前將覆蓋膜掀開。這種做法也是一種提高氣體收集率的方法。

（五）合理設(shè)計和布置氣體導(dǎo)排設(shè)施

合理布置氣體導(dǎo)排設(shè)施，使全場的氣體導(dǎo)排設(shè)施的作用范圍覆蓋全部垃圾堆體。對于垂直導(dǎo)排井，首先應(yīng)確定每個導(dǎo)排井的作用半徑，然后根據(jù)作用半徑確定導(dǎo)排井的間距和布置方式。如果每個導(dǎo)排井的作用半徑為R，則導(dǎo)排井的間距應(yīng)為L=2R·COS30°=1.73R，其布置方式（圖3）所示。

（圖3）所示的情況是理想情況下的。在實(shí)際工程中，氣體導(dǎo)排井的作用范圍不是一個規(guī)則的圓柱，作用半徑也不是一個固定的值。由于垃圾堆體內(nèi)部空隙率是不均勻的，因此在各個方向上導(dǎo)排井的作用距離是不一樣的，按照導(dǎo)排井作用范圍經(jīng)驗數(shù)值或試驗數(shù)值均勻布置的氣體導(dǎo)排井的作用范圍就不可能完全覆蓋整個垃圾堆體，因此為了提高氣體收集率，可采用以下方法：

1.減小氣體導(dǎo)排井的間距。一般情況下，氣體導(dǎo)排井的間距為50m，如果將氣體導(dǎo)排井的間距縮小到30-35m，則可有效提高氣體收集率。

2.在主導(dǎo)排井之間加設(shè)副導(dǎo)排井，將主導(dǎo)排井作用范圍覆蓋不到的區(qū)域用副導(dǎo)排井承擔(dān)抽氣。這種方法成本較高，需要多設(shè)很多導(dǎo)排井。

3.在導(dǎo)排井上設(shè)置放射狀的碎石盲溝，每層垃圾設(shè)置一圈放射狀碎石盲溝，碎石盲溝中心鋪設(shè)塑料花管，兩導(dǎo)排井之間由碎石盲溝聯(lián)通（圖4）所示。

（六）做好氣體導(dǎo)排設(shè)施調(diào)節(jié)

一般的填埋場垃圾堆體內(nèi)垃圾填埋時間、密度、垃圾成分、含水率、酸堿度等極不均勻，每個氣體導(dǎo)排設(shè)施作用范圍內(nèi)垃圾的產(chǎn)氣量均不相同，因此每個氣體導(dǎo)排設(shè)施的抽氣量也應(yīng)不同。這就需要對每個氣體導(dǎo)排設(shè)施具有不同的調(diào)節(jié)方案和規(guī)律，需要對每一個氣體導(dǎo)排設(shè)施進(jìn)行細(xì)致調(diào)節(jié)，才能最大限度做到“產(chǎn)多少氣抽多少氣”，進(jìn)而做到最大限度地提高氣體收集率。

（七）有效排除氣體導(dǎo)排設(shè)施內(nèi)積水

我國生活垃圾含水量高，特別是在雨季時節(jié)，如果做不好覆蓋，雨水會大量進(jìn)入垃圾堆體，造成垃圾堆體內(nèi)含有大量雨水，在滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)不能及時將水導(dǎo)出時，垃圾堆體內(nèi)就會形成很高的水位，導(dǎo)致垂直氣體導(dǎo)排井大部分被雨水淹沒，垃圾堆體下部的水平導(dǎo)排盲溝也被雨水淹沒，造成氣體導(dǎo)排設(shè)施無法收集氣體。因此要提高氣體收集率，需要對被雨水淹沒的氣體導(dǎo)排設(shè)施進(jìn)行排水，為安全起見，排水只能采用壓縮空氣泵進(jìn)行。

七、結(jié)論

對垃圾填埋場進(jìn)行填埋氣體導(dǎo)排、收集、利用或處理是非常重要的，應(yīng)用提高氣體收集率方法、有效提高填埋氣體收集率，對于有效控制填埋場臭氣污染、減少溫室氣體排放、節(jié)能非常重要。本文通過分析論證，提出如下提高氣體收集率的方法：

做好垃圾填埋區(qū)的分區(qū)分單元設(shè)計；按分單元設(shè)計做好垃圾的分單元填埋規(guī)劃并按規(guī)劃進(jìn)行填埋作業(yè)；控制垃圾填埋作業(yè)面；做好垃圾堆體的覆蓋，減少氣體的無序遷移；合理設(shè)計和布置氣體導(dǎo)排設(shè)施；做好氣體導(dǎo)排設(shè)施的調(diào)節(jié)；有效排除氣體導(dǎo)排設(shè)施內(nèi)積水。