岳 波,晏卓逸,黃啟飛,吳小卉,高 紅

(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；2.昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650500)

準好氧填埋場中間覆蓋層CH4釋放及減排潛力

岳 波1*,晏卓逸2,黃啟飛1,吳小卉1,高 紅2

(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；2.昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650500)

針對河北省某準好氧垃圾填埋場進行了CH4釋放通量測定,同時測驗了中間覆蓋材料的CH4氧化性能,并在此基礎上分析了準好氧垃圾填埋場作業(yè)過程中的CH4減排潛力.結果表明,作業(yè)臺階表面中午和下午的CH4釋放通量相對較大,填埋齡為4、8、12、16個月的CH4平均釋放通量分別為4.79,21.16,81.04,7.44g/(m2·d).CH4氧化材料的氧化能力大小為:厭氧填埋陳腐垃圾＞準好氧填埋陳腐垃圾＞老覆蓋土＞陳腐垃圾:新土(1:10,m/m)＞禽畜糞便堆肥＞生活垃圾堆肥＞新覆蓋土.填埋齡為4、8、16個月填埋堆體選用厭氧填埋陳腐垃圾、準好氧填埋陳腐垃圾、老覆蓋土、陳腐垃圾:新土(1:10,m/m)為覆蓋層,理論上可以完全氧化作業(yè)臺階表面釋放的CH4氣體;填埋齡為12個月填埋堆體采用陳腐垃圾和老覆土作為覆蓋層,理論上可以氧化去除填埋堆體導氣管周邊5～15m范圍內(nèi)釋放CH4氣體,但不能完全去除導氣管5m范圍內(nèi)釋放的CH4.

準好氧填埋；CH4氧化材料；CH4釋放通量；CH4氧化性能；CH4減排潛力

目前,我國城市垃圾年產(chǎn)生量約為1.5億t,且每年以約10%的速度迅速增長[1],其中絕大部分垃圾都采用了填埋的方式進行處置.生活垃圾填埋產(chǎn)生的CH4成為全球變暖和氣候變化的重要排放源之一[2].在生活垃圾填埋場運行過程中作業(yè)臺階表面通常會持續(xù)1～2年,在此過程中不斷會有CH4氣體釋放出來,期間若不對CH4氣體的釋放加以控制,將會有大量的CH4氣體以無組織的形式釋放.在降低生活垃圾填埋場CH4氣體產(chǎn)生與釋放方面,準好氧生活垃圾填埋工藝具有明顯的優(yōu)勢.

國內(nèi)外對填埋場甲烷釋放通量的研究成果表明[9-14],生活垃圾填埋場的CH4釋放通量在0.0041～89.787g/(m2·d)之間,其變化范圍較大,主要受到填埋垃圾特性、填埋工藝、填埋時間和填埋層厚度等因素影響.根據(jù)填埋體中含氧量進行區(qū)分,準好氧填埋場介于好氧填埋場與厭氧填埋場之間,準好氧填埋工藝可以顯著加速填埋場的穩(wěn)定化進程,實現(xiàn)溫室氣體減排[3];根據(jù)垃圾堆體填埋齡的不同而使得表層CH4釋放量不同,采取覆蓋CH4氧化材料對釋放出來的CH4進行氧化[4-8],取得了相關CH4氧化材料的配比參數(shù)以及影響氧化材料處理CH4的能力.通過垃圾填埋場CH4釋放通量的研究表明:現(xiàn)存生活垃圾填埋場的CH4釋放量可觀,需要對垃圾填埋所產(chǎn)生的CH4控制措施進行深入研究以滿足工程上CH4減排的需求.

目前我國開展了大量生活垃圾準好氧填埋甲烷減排的相關研究,同時2000年后全國范圍內(nèi)也逐步建設運行了數(shù)10座生活垃圾準好氧填埋場,但是目前針對生活垃圾準好氧填埋場作業(yè)過程的CH4減排及減排潛力研究還未見報道.本文以生活垃圾準好氧填埋場作業(yè)臺階為研究對象,采取靜態(tài)通量箱技術對準好氧填埋場表面的CH4溫室氣體的釋放通量進行了研究,結合實驗室模擬研究獲得的覆蓋層材料的理論甲烷氧化能力,對準好氧填埋工藝甲烷氧化潛力進行系統(tǒng)分析,以期為生活垃圾準好氧填埋工藝作業(yè)過程中的甲烷減排提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 準好氧垃圾填埋場作業(yè)臺階面CH4氧化通量研究

1.1.1 采樣點設計 實驗采樣點位于河北省某生活垃圾準好氧填埋場,其填埋場的填埋高度為7m.填埋氣釋放通量試驗采用靜態(tài)采樣分析法對填埋場表面釋放的填埋氣進行采樣,填埋氣靜態(tài)通量箱的結構示意圖如圖1所示.其中,為了保證足夠的采樣面積和樣品的代表性,通量箱的設計尺寸為50cm×50cm×30cm(長×寬×高).填埋氣通量的采樣點分布如圖2所示,其中1#、2#、3#、4#準好氧填埋體的填埋齡分別為4、8、12、16個月,填埋氣通量采樣點以填埋場內(nèi)所布置的導氣管為中心,在半徑方向為0,5,10,15m處設置采樣點并安裝靜態(tài)通量采樣箱.

圖1 填埋氣靜態(tài)通量箱的結構示意Fig.1 The diagramof static-landfill-gas-flux-box’s structure

圖2 采樣點分布示意Fig.2 The diagramof sampling points

1.1.2 CH4樣品采集 采樣前先按照圖2所示安裝好靜態(tài)通量箱采樣系統(tǒng),分別在0,10,20,40,60min時,用100mL注射器先對通量箱中的氣體進行混勻,然后打開氣壓平衡裝置,緩緩向外抽動注射器的活塞進行采樣,并將注射器針孔端封閉和關閉氣壓平衡裝置,注射器編號后裝入采樣袋中作為一組樣品放置于陰涼處進行儲存,采樣同時記錄相應采樣時刻填埋氣靜態(tài)通量箱中的溫度.每個采樣點設置3個采樣時段,以反映該處全天的填埋氣通量,采樣時段分別為:A.M. (10:00～11:00)、N.(13:00～14:00)、P.M.(16:00～ 17:00).其中,各個采樣點處每次采氣體積為90mL左右(注射器容量為100mL).

1.2 CH4氧化覆蓋材料氧化量及氧化通量研究

1.2.1 CH4氧化材料 供試物料包括陳腐垃圾1(準好氧填埋)、陳腐垃圾2(厭氧填埋)、堆肥殘渣1(城市生活垃圾)、堆肥殘渣2(畜禽糞便)、填埋場覆土(新覆蓋土和老覆蓋土,其中老覆蓋土是指填埋齡在1a以上).厭氧填埋和準好氧填埋陳腐垃圾的填埋齡均在5a左右,城市生活垃圾堆肥殘渣的堆肥時間為1個月,畜禽糞便堆肥殘渣的腐熟期在1a以上,填埋場老覆蓋土的填埋覆蓋時間為2a左右,新覆蓋土的覆蓋時間在半年以內(nèi).不同覆蓋材料的基本理化性質(zhì)見表1.

表1 不同覆蓋材料的基本理化性質(zhì)Table 1 The basic physical and chemical properties of different covering materials

1.2.2 CH4氧化材料氧化量實驗方案設計 采用血清瓶進行室內(nèi)培養(yǎng)實驗,定期采集血清瓶中的氣體,并采用氣相色譜分析其CH4的濃度.其中,每批實驗設定空白對照,每一實驗處理設置3個重復.具體的實驗設計如下:將CH4氧化覆蓋層材料取回實驗室后進行風干,同時需要測定物料的含水率并調(diào)節(jié)其含水量在14%～16%之間.實驗時稱取10g物料裝進200mL的血清瓶中并密封,用注射器注入等體積99.99%的CH4后放入25℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)[15-16].

1.2.3 CH4氧化覆蓋層氧化通量實驗方案設計 實驗模擬添加CH4氧化覆蓋材料進行CH4氧化通量測定試驗,類似于填埋柱實驗,以CH4氧化速率為變量,CH4氧化材料覆蓋層體積、容重、覆蓋層重量為定量測定CH4氧化材料的氧化通量,其具體設計參數(shù)為:覆蓋層體積為0.3m3(尺寸1×1×0.3m),覆蓋層重量為150kg/m3,重量為450g. 1.2.4 CH4樣品采集 CH4氧化通量測定時CH4氣體的采集:與準好氧垃圾填埋場作業(yè)臺階面CH4氧化通量研究中的CH4采樣方法一致.

CH4氧化量測定時CH4氣體的采集:將血清瓶放入29℃恒溫培養(yǎng)箱中保持30min左右后用注射器進行取樣,此時測定得到的CH4濃度為C0,此后每24h抽樣測定一次,且為保證整個取樣過程中血清瓶內(nèi)的壓力大致保持在一個水平內(nèi),須在每次取樣之后向瓶內(nèi)注射等體積的空氣.

1.3 CH4樣品的測定與計算

1.3.1 CH4的測定 CH4樣品的測定采用Agilent 7890A型氣象色譜儀,配有TCD檢測器.進樣口溫度為200,℃檢測器溫度為250,℃柱溫30,℃保留時間4.8min,采集樣品氣體進氣量為10mL.CH4色譜分析條件如下:色譜柱,Col1: SS-2m×2mm13XMS(60/80目);載氣為高純氮氣,30cm3/min;柱箱溫度,55℃;使用FID檢測器,檢測器溫度為250℃;空氣,400cm3/min,氫氣,30cm3/min.

1.3.2 計算及數(shù)據(jù)處理工具

(1)填埋場CH4釋放通量的計算式如下:

式中:F(CH4)為氣體通量,g/(m2·d); ρ(CH4)為氣體在相應溫度下的密度,kg/m3;mΔ和CΔ分別是tΔ時間內(nèi)的通量箱中變化的CH4氣體質(zhì)量增量與CH4濃度百分比增量(CH4百分比減小,CΔ為正,反之則為負);A和V分別為通量箱的底面積和體積,m2和m3.F(CH4)為正值時表示填埋場表面向大氣釋放氣體,為負值時表示填埋場表面向大氣中吸收氣體.

(2)不同覆蓋材料CH4氧化量的計算為單位質(zhì)量覆蓋材料的CH4氧化量,計算式如下:

式中:f(CH4)為氧化量,mg/(g·d);ρ(CH4)為CH4在標況下的密度,kg/m3;V0為向血清瓶容積中充入CH4的體積,m3;C0為放入29℃中溫培養(yǎng)箱后30min左右時取樣的CH4濃度百分比;24iC為第i個24h采樣時的CH4濃度百分比;m物料為供試覆蓋材料的質(zhì)量,kg;24iT為時間間隔24h的第i次采樣時間,d.

其中4(CH)f為氧化量,表示氧化消耗CH4本身帶負號含義,若實驗過程中后續(xù)檢測得到的CH4濃度百分比大于前面的實驗測定項,表明在試驗的過程中體系內(nèi)產(chǎn)CH4,則此時需在4(CH)f前添加負號表示CH4氧化量為負.

(3)不同覆蓋材料CH4氧化通量計算按照(1)式進行計算.

數(shù)據(jù)的處理工具有:Microsoft Excel 2013, Microsoft Visio 2007和Origin 9.0,盒子圖最下和最上的橫線分別代表百分位數(shù)5和95時的值,超出盒子下上橫線的值為離群值,盒子從百分位數(shù)25到75.

2 結果與討論

2.1 生活垃圾準好氧填埋場作業(yè)臺階CH4釋放通量研究

2.1.1 ΔCi/Δ ti值的計算 根據(jù)各靜態(tài)通量采樣箱的采樣時間與相對應的樣品測量值進行作圖,擬合成一條直線,形如ci= k· ti,( ti為自變量,取值為0,10,20,40,60min; ci為因變量,是對應時刻靜態(tài)采樣箱中的濃度,%.k為常數(shù)).ΔCi/Δ ti為靜態(tài)通量箱在單位時間內(nèi)采樣濃度的變化值,可用點擬合得到的線性函數(shù)系數(shù)k值替代ΔCi/Δ ti.ΔCi/Δ ti值大小反映了靜態(tài)通量箱內(nèi)CH4氣體釋放速度的快慢.各填埋區(qū)實驗點處的ΔCi/Δ ti數(shù)據(jù)統(tǒng)計值見表2.

表2 1#、2#、3#、4#填埋區(qū)的ΔCi/Δ ti值 (min-1)Table 2 The values of ΔCi/Δ tiin 1#, 2#, 3# and 4# landfill

分析表2可知,4個填埋齡之間存在相似之處:距離導氣管的遠近對于CH4釋放存在一定差異,也就是距離越近則CH4的ΔCi/Δ ti值越大;對于相同采樣點,采樣時間段的不同對于CH4釋放通量也存在一定差異,即中午和下午CH4的ΔCi/Δ ti均高于上午.引入溫度對CH4釋放通量的影響,便可計算得到釋放通量值.

2.1.2 作業(yè)臺階面CH4釋放通量研究 ρ(CH4)為溫度的函數(shù),當溫度為特定值時ρ(CH4)為常數(shù),r(CH4)氣體密度通過采樣溫度和標準大氣壓(101.325kPa)計算或查表獲得;本實驗搭建的所有靜態(tài)通量采樣箱的底面積A和體積V分別為0.25m2和0.025m3;其中,ΔCi/Δ ti數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得;根據(jù)(1)式便可求得F(CH4),垃圾填埋齡分別為4、8、12、16個月的填埋區(qū)表面CH4釋放通量統(tǒng)計見圖3.

圖3(a)顯示實驗準好氧填埋區(qū)表面CH4釋放通量表現(xiàn)為:中午、下午的CH4氣體通量要大于上午的趨勢;靜態(tài)采樣箱內(nèi)溫度變化符合一天當中中午時段高于上午和下午,且下午略高于上午,與此關聯(lián)的CH4釋放通量與箱內(nèi)環(huán)境溫度的變化存在一定相關性,可知外界環(huán)境環(huán)境溫度的變化影響著覆蓋層的CH4氧化效果,在中午與下午時間段覆蓋層的溫度升高,CH4氧化能力減弱,表現(xiàn)為測定得到的CH4通量大于上午的CH4通量測定值.辛丹慧等[17]研究填埋場CH4抑制工藝得出CH4菌對溫度極為敏感,多數(shù)CH4菌是中溫菌,在15～30℃時保持較高的活度.這在實際工程上的指導體現(xiàn)在垃圾填埋場封場之后繼續(xù)進行的綠化管理時,在環(huán)境溫度高于30℃時,需對綠化層進行噴淋適量水降低表面層溫度以保障CH4氧化菌的活度.圖3(b)中顯示了不同填埋齡在檢測點處CH4的平均釋放通量,且在同一檢測點處,F12＞F8＞F16＞F4.4個填埋齡的CH4釋放通量見圖4.

圖3 不同填埋齡的填埋區(qū)表面不同位置的CH4釋放通量Fig.3 The CH4emission fluxes of different locations and different landfill ages

圖4 不同填埋齡的CH4釋放通量Fig.4 The CH4emission fluxes of different landfill ages

圖4中,填埋齡為4、8、12、16個月的CH4平均釋放通量分別為4.79、21.155、81.04、7.44g/(m2·d),其中填埋齡為8個月的填埋區(qū)CH4釋放通量較高,12個月的填埋區(qū)CH4氣體釋放通量最高,按照填埋齡的推移,CH4釋放通量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,對比可以發(fā)現(xiàn),垃圾穩(wěn)定化進行8個月與12個月的CH4釋放量較4個月與16個月的高,這也說明了垃圾進入到填埋區(qū)后進行發(fā)酵降解的劇烈程度表現(xiàn)為先增大后減小直至穩(wěn)定的趨勢.導氣管半徑方向的CH4釋放通量情況見圖5.

圖5 導氣管半徑方向上CH4釋放通量Fig.5 Radius directions’ CH4emission fluxes

圖5中呈現(xiàn)的是整個填埋場中,沿著半徑方向上的檢測箱檢測得到的CH4釋放通量情況,位于導氣管處(0m檢測點)的CH4平均釋放通量為69.64g/(m2·d),變化范圍為10.66～215.51g/(m2·d),其中0,5,10,15m處CH4總的釋放通量分別為835.69,265.28,178.70,93.38g/(m2·d).

2.1.3 作業(yè)臺階面導氣管半徑方向上CH4釋放通量研究 準好氧填埋場內(nèi)不同填埋齡作業(yè)區(qū)域表面的CH4釋放通量隨著距離導氣管的距離增加程指數(shù)函數(shù)遞減[17].本研究得到的各填埋區(qū)CH4平均釋放通量與距離關系如圖6所示.

如圖6所示,各填埋齡均有隨著距離導氣管距離的增加,準好氧填埋場表面CH4釋放通量呈指數(shù)函數(shù)減小,且CH4釋放通量主要集中在導氣管附近.處于填埋齡為8個月與12個月的填埋區(qū),CH4釋放通量與距離導氣管越遠,其釋放量減少程度越大,且處于穩(wěn)定化階段時期時,在導氣管半徑方向CH4釋放通量減小速率最快.對實驗遠近檢測點的CH4釋放通量進行比較,相同檢測距離處填埋中期較填埋初期及后期的CH4氣體釋放通量要高3～10倍.填埋齡為16個月之后,CH4主要集中于導氣管及其附近5m范圍內(nèi)的填埋表層進行釋放,其余區(qū)域的釋放量趨于均衡.

圖6 CH4平均釋放通量與距離導氣管距離的關系Fig.6 The relationship between average CH4emission fluxes and the distance fromairway

圖6中顯示各填埋齡的填埋區(qū)導氣管半徑方向CH4釋放通量呈現(xiàn)指數(shù)減小趨勢,與厭氧垃圾填埋場表面CH4釋放通量趨于一致性有顯著的差異,這是由于準好氧填埋工藝向垃圾填埋堆體提供好養(yǎng)環(huán)境進而減小厭氧發(fā)酵的產(chǎn)生及氧化厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的CH4,需要對填埋場表層覆土作業(yè)進行特殊施工迫使遠離導氣管處垃圾堆體內(nèi)產(chǎn)生的CH4氣體向?qū)夤芴幰萆?在逸散至導氣管附近好養(yǎng)環(huán)境時CH4在甲烷氧化菌的作用下進行消耗.準好養(yǎng)填埋場是否能達到此效果,需對導氣管一定間隔距離處的CH4釋放通量進行檢測是否符合要求,圖6中恰好模擬得出的曲線符合要求.

2.2 CH4氧化覆蓋材料的氧化性能

2.2.1 CH4氧化材料的氧化量 血清瓶培養(yǎng)實驗得到不同CH4氧化材料的濃度百分比變化趨勢見圖7.得到的CH4氧化量見表3.

如圖7所示,陳腐垃圾CH4具有較好的CH4氧化效果但隨著時間的順延存在一定的波動性,堆肥殘渣的CH4氧化效果較陳腐垃圾差.

經(jīng)血清瓶實驗得出8種CH4氧化材料的氧化效果分別為厭氧填埋陳腐垃圾＞準好氧填埋陳腐垃圾＞老覆蓋土＞陳腐垃圾:新覆蓋土(1:10, m/m)＞糞便堆肥殘渣＞生活垃圾堆肥殘渣＞新覆蓋土.李海玲等[20]研究表明,覆蓋材料的CH4氧化速率與其理化性質(zhì)之間無明顯相關性,而是與覆蓋材料本身的CH4氧化菌含量顯著相關.陳腐垃圾與老覆土等材料在垃圾填埋場內(nèi)經(jīng)過較長時間的馴化,已經(jīng)有一定量的CH4菌接種,所以具備一定的CH4氧化能力.堆肥殘渣及新鮮土壤或者厭氧填埋場垃圾堆體內(nèi)部垃圾,由于CH4菌的缺失而使得CH4氧化效果不顯著.

圖7 CH4氧化材料血清瓶實驗過程中CH4濃度百分比變化趨勢Fig.7 The trend of CH4concentration percentage in serumbottle CH4oxidation material experiment process

表3 CH4氧化材料的平均氧化量[mg/(g2·d)]Table 3 The average oxidation amount of CH4oxidation material [mg/(g2·d)]

表4 CH4氧化材料的平均氧化通量[g/(m2·d)]Table 4 The average oxidation fluxes of CH4oxidation material [g/(m2·d)]

表4中CH4氧化通量數(shù)據(jù)顯示,CH4覆蓋材料中陳腐垃圾及老覆土的CH4氧化效果較其余效果好,其氧化通量處于60～70g/(m2·d)之間;糞便堆肥殘渣、生活垃圾堆肥殘渣和新土的CH4氧化效果較差;實驗選取的陳腐垃圾與新土進行拌合得到混合材料,其CH4氧化效果較單一的新土有所提高,但達不到陳腐垃圾的氧化效果.

2.3 準好氧填埋場CH4減排潛力分析

目前,實驗場地的準好氧填埋場填埋作業(yè)臺階表面大多僅采用土壤表土進行覆蓋,沒有相關CH4排放的控制措施.選出具有高效CH4氧化效率的覆蓋層材料,設計合適的填埋場中間覆蓋層對通過作業(yè)臺階表面釋放出來的CH4進行控制,見圖8.本研究通過在填埋場作業(yè)臺階表面鋪設具有較高CH4氧化能力的表面覆蓋層,并對其CH4減排效果進行估算,從而達到有效控制準好氧填埋場填埋作業(yè)臺階表面CH4減排的目的.

圖8 作業(yè)臺階表面增加CH4氧化覆蓋層示意Fig.8 The diagramof increase CH4oxidation covering material on the surface of landfill

垃圾進入到填埋場后發(fā)酵產(chǎn)CH4,可采取在垃圾堆體表層覆蓋具有CH4氧化能力的材料對垃圾堆體釋放出來的CH4進行氧化消耗.根據(jù)前面研究得到的準好氧填埋表層CH4氣體釋放通量以及不同覆蓋層材料的CH4氣體氧化通量進行數(shù)據(jù)比對,比較垃圾填埋場作業(yè)臺階面CH4釋放通量與CH4氧化材料的氧化通量間的關系.若CH4氧化材料的氧化通量大于垃圾填埋場作業(yè)臺階面CH4釋放通量,則表示可采取CH4氧化材料覆蓋進行CH4氧化以達到末端控制的效果,具體關系見圖9.

針對不同準好氧填埋區(qū)填埋作業(yè)臺階表面CH4釋放與氧化平衡,圖9(a)、(b)顯示,對填埋齡為4、8個月的最大CH4釋放通量分別為14.95g/(m2·d)和25.44g/(m2·d),垃圾堆體采用厭氧填埋陳腐垃圾、準好氧填埋陳腐垃圾、老覆蓋土、陳腐垃圾:新土(1:10,m/m)這4種材料的覆蓋層,可實現(xiàn)完全氧化期間最大CH4釋放通量;圖10(c)顯示,填埋齡為12個月的垃圾堆體CH4釋放通量大于所研究覆蓋材料的CH4氧化通量,采用陳腐垃圾和老覆土等材料的覆蓋層可以基本氧化消耗距離導氣管5～15m范圍內(nèi)釋放的CH4,但不能滿足距離導氣管5m范圍內(nèi)的CH4氧化要求,其處理率最高為39%;在填埋齡為16個月的4#填埋區(qū)采用陳腐垃圾和老覆蓋土等材料的覆蓋層可以有效控制通過作業(yè)臺階表層向環(huán)境釋放的CH4.根據(jù)前面研究導氣管輻射半徑上CH4釋放通量的研究,針對填埋齡為12個月的3#填埋區(qū)距離導氣管5m范圍內(nèi)則建議采用壓實和增加覆蓋層厚度等措施,以減少該區(qū)域的CH4釋放通量和提高對于該區(qū)域的CH4氧化能力,進而達到控制CH4釋放的目的.準好氧填埋場垃圾穩(wěn)定化速度不及強制好氧填埋場的速度快,但運用半陳腐垃圾與新鮮垃圾進行混合,能夠加速垃圾的穩(wěn)定化速度[21],減小從覆蓋層逃逸出去的CH4量,半陳腐垃圾中存在一定的CH4氧化菌,對半陳腐垃圾與新鮮垃圾進行拌合,在二者的協(xié)同作用下加速了拌合垃圾的穩(wěn)定化.

圖9 不同覆蓋層材料的CH4氧化通量Fig.9 The CH4oxidation fluxes of different covering materials

綜上,填埋場覆蓋層提供大空隙以及大比表面積的含有少量腐殖質(zhì)的混合粘土,有利于CH4氧化菌的附著生長,對于新土、城市生活垃圾堆肥殘渣及畜禽糞便堆肥殘渣中的腐殖質(zhì)含量少,不適于CH4氧化菌的生存而使得其CH4氧化通量較小.同時,為了保證CH4氧化覆蓋層具有較高的CH4氧化性能,需要采取相應措施保證覆蓋層含水量(約20%)和孔隙率等到達最佳條件,覆蓋層保持一定的持水能力以保持較小的導熱系數(shù),減小外界溫度變化對垃圾堆體內(nèi)溫度的影響[22].通過中試現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模擬結果可知,通過合理的CH4氧化覆蓋層材料選擇和設計,有效調(diào)節(jié)覆蓋層的水氣等條件,可以有效控制準好氧填埋場填埋作業(yè)臺階表面的CH4釋放,使CH4排放滿足新修訂的《生活垃圾填埋場污染控制標準(GB16889-2008)》[23]中CH4排放要求:填埋工作面上2m以下高度范圍內(nèi)CH4的體積百分比應不大于0.1%.

3 結論

3.1 準好氧填埋場表面甲烷氧化覆蓋層易受溫度的影響,當環(huán)境溫度超過30℃時需采取降溫措施.準好氧填埋場表面的導氣管半徑方向上CH4通量隨距離的增加呈指數(shù)函數(shù)減小趨勢,同時CH4通量的主要釋放源集中于導氣管附近5m內(nèi).垃圾填埋齡CH4釋放通量呈現(xiàn)為:填埋12個月＞填埋8個月＞填埋16個月＞填埋4個月.

3.2 血清瓶實驗及CH4氧化通量實驗得到CH4氧化材料的氧化性能表現(xiàn)為:厭氧填埋陳腐垃圾＞準好氧填埋陳腐垃圾＞老覆蓋土＞陳腐垃圾:新土(1:10,m/m)＞糞便堆肥殘渣＞生活垃圾堆肥殘渣＞新覆蓋土.即厭氧填埋陳腐垃圾、準好氧填埋陳腐垃圾、老覆蓋土、糞便堆肥殘渣和陳腐垃圾:新土(1:10,m/m)具有較好的CH4氧化效果.

3.3 根據(jù)準好氧填埋區(qū)作業(yè)臺階面CH4釋放通量與CH4氧化材料的CH4氧化量進行平衡分析,采用陳腐垃圾、老覆土、陳腐垃圾:新土(1:10,m/m)等材料的覆蓋層可以有效控制作業(yè)臺階表層向環(huán)境釋放的CH4,達到新修訂的《生活垃圾填埋場污染控制標準(GB16889-2008)》中CH4排放要求.對于填埋齡為8～12個月的中期階段,CH4氣體釋放通量較高,采取陳腐垃圾進行CH4氣體氧化的最大效率在39%左右,所以針對產(chǎn)氣高峰期,可沿導氣管半徑方向?qū)嵤簩嵑驮黾痈采w層厚度等措施以控制CH4釋放.

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CH4emission and CH4emission reduction potential of intermed iate cover layer in semi-aerobic land fills.

YUE Bo1*,YAN Zhuo-yi2, HUANG Qi-fei1, WU Xiao-hui1, GAO Hong2
(1.Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Faculty of Civil Engineering and Architectural, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China). China Environmental Science, 2017,37(2)：636～645

The CH4emission fluxes of a MSW semi-aerobic landfill located in Hebei Province were determined; meanwhile the CH4oxidation capacities of the intermediate cover material. Based on the above research, the CH4emission reduction potential of intermediate cover layer were analyses in semi-aerobic land fill. The surface CH4emission flux of intermediate cover layer is relatively large at noon and afternoon, and the average CH4emission fluxes for the landfill age of 4, 8, 12, and 16months were 4.79, 21.16, 81.04 and 7.44g/(m2·d), respectively. Moreover, the CH4oxidation capacities of intermediate cover material were: aged-refuse in anaerobic landfill ＞ aged-refuse in semi-aerobic landfill ＞ aged-cover soil ＞ the mixture of aged-refuse and newcover soil (1:10, weight/weight) ＞ animal manure compost ＞ MSW composting＞ newcover soil. Theoretically, for the MSW landfill bodies with the age of 4, 8 and 16months, the CH4gas emissions can be completely oxidized by covering layer of the aged-refuse in anaerobic landfill, aged-refuse in semi-aerobic land fill, aged cover soil and stale garbage, or the mixture of aged-refuse and newcover soil (1:10, weight/weight). In addition, for the MSW landfill bodies with the age of 12months, the CH4gas emissions in area around 5 ～ 15mof air pipe can be theoretically oxidized by the cover layer of the aged-refuse or aged cover soil, but in area around 0 ～ 5mof air pipe cannot be completely eliminated by the cover materials.

semi-aerobic landfill；CH4oxidation materials；CH4emission fluxes；CH4oxidation performance；CH4emission reduction potential

X705,X513

A

1000-6923(2017)02-0636-10

岳 波(1980-),男,重慶市九龍坡區(qū)人,副研究員,博士,主要從事固體廢物污染控制與資源化技術研究.發(fā)表論文50余篇.

2016-06-14

國家科技支撐計劃項目(2014BAL02B01)

* 責任作者, 副研究員, yuebo@craes.org.cn