劉彥君，楊惠媛，劉 宏，劉玉強，徐 亞

1.中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院，北京 100083 2.天津市生態(tài)環(huán)境科學研究院，國家環(huán)保惡臭污染控制重點實驗室，天津 300191 3.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 4.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215163 5.昆明市政科學研究院(集團)有限公司，云南 昆明 650100

中國生活垃圾具有含水率高(40%～60%)和有機質(zhì)含量高(50%～70%)等特點[1-2]，導致填埋場甲烷的產(chǎn)生和排放量較大[3-5]。據(jù)估算，截至2012年中國已有1 955座生活垃圾填埋場，甲烷年排放量約為1.48萬t[6]；到2030年，生活垃圾填埋場將達到2 450座，預(yù)計甲烷年排放量將達到1.79萬t。習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出“中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。而隨著生活垃圾填埋量的持續(xù)增長，填埋場甲烷的產(chǎn)生與排放將加劇中國溫室氣體減排的壓力。

填埋場產(chǎn)生的甲烷主要通過垃圾堆體表面釋放進入大氣環(huán)境[7]。中國的填埋場目前多采用高密度聚乙烯膜(HDPE)取代覆土的方式進行覆蓋。由于填埋場在建設(shè)、運營和后期管理過程中缺乏針對填埋場覆蓋膜完整性的監(jiān)管，導致覆蓋膜破損情況較為嚴重[8-10]。填埋場覆蓋膜的破損會造成填埋氣泄漏，向大氣環(huán)境持續(xù)釋放甲烷和惡臭氣體，導致填埋場爆炸隱患、能源損失、溫室效應(yīng)、惡臭擾民等問題突出[11]。與此同時，中國未來將有大量填埋場面臨封場，封場后的填埋場仍將不斷產(chǎn)生填埋氣，一般需要30～50年才能達到穩(wěn)定，而封場覆蓋是控制填埋氣無組織釋放的關(guān)鍵。當前，眾多填埋場面臨著運行、封場和治理等工作，而填埋氣污染控制的相關(guān)規(guī)范、導則、技術(shù)指南等并不完善，填埋場的覆蓋膜破損問題尚缺乏相關(guān)規(guī)范和指南等技術(shù)文件的支撐。

針對填埋場覆蓋膜破損檢測的技術(shù)主要包括火焰離子化檢測器(FID)分析技術(shù)、移動激光技術(shù)和甲烷敏感紅外攝像頭技術(shù)。其中，火焰離子化檢測器分析技術(shù)精確度較高，但無法完全覆蓋整個檢測范圍[12]；移動激光技術(shù)可測量垃圾填埋場的釋放量，但無法識別破損點位置[13]。填埋氣泄漏可視化檢測技術(shù)基于光子探測器的工作原理，利用紅外線攝像機和內(nèi)置甲烷檢測器，可在識別現(xiàn)場破損點位的同時估測甲烷氣體釋放速率。筆者以生活垃圾填埋場覆蓋區(qū)域為研究對象，采用填埋氣泄漏可視化檢測技術(shù)，對中國東部某大型生活垃圾填埋場覆蓋膜開展完整性檢測，揭示覆蓋膜破損成因，評估破損點甲烷泄漏特征及其溫室效應(yīng)影響。為生活垃圾填埋場的監(jiān)管和填埋氣污染控制提供科學參考。

1 實驗部分

1.1 填埋場基本信息

該填埋場位于中國東部地區(qū)，是典型的山谷型厭氧生活垃圾填埋場，處理規(guī)模為2 500 t/d，累計填埋量已超過780萬t。該填埋場于2006年開始利用填埋氣發(fā)電，采用場區(qū)內(nèi)設(shè)置的導氣收集系統(tǒng)對產(chǎn)生的填埋氣進行收集和利用，沼氣年發(fā)電量約為1 100萬kW·h。2015年開始，該場實施全場HDPE膜覆蓋，現(xiàn)有覆蓋面積已達30萬m2。

1.2 破損點檢測條件及方法

采用填埋氣泄漏可視化檢測技術(shù)(Esders Gascam SG)檢測覆蓋膜完整性，該設(shè)備由遠紅外攝像機及內(nèi)置甲烷檢測器組成。檢測技術(shù)基于遠紅外攝像原理，利用低溫運行的高敏感檢測器，標定已知釋放速率的甲烷氣體影像，分析內(nèi)置甲烷氣體影像與甲烷釋放速率的相關(guān)關(guān)系，評估甲烷釋放速率。Esders Gascam SG檢測圖像如圖1所示。

圖1 Esders Gascam SG可視化檢測圖像Fig.1 Visual image by using Esders Gascam SG

覆蓋膜完整性檢測采用路線穿越法設(shè)計檢測路線，該法能利用較少的點位對檢測區(qū)域進行較全面的檢測。具體為每隔20～30 m設(shè)置一個攝像點，在攝像點上對覆蓋膜進行360°水平掃描，利用Esders Gascam SG影像識別是否有甲烷排放。在有甲烷排放的位置檢查覆蓋膜，勘測破損情況。該次檢測共設(shè)置15個攝像點，具體點位如圖2所示，檢測面積約為4 700 m2。

圖2 典型填埋場檢測點示意圖Fig.2 The schematic view of landfill detection point

2 結(jié)果與討論

2.1 覆蓋膜破損特征及成因分析

檢測填埋場已覆蓋區(qū)域的完整性發(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測范圍內(nèi)共有35個破損點，約合每公頃覆蓋膜有73個破損點，破損點類型及數(shù)量如表1所示。覆蓋膜破損類型主要包括尖銳物體應(yīng)力損傷、覆蓋膜焊接點破損、覆蓋膜與填埋場其他構(gòu)件連接不完整。其中，尖銳物體應(yīng)力損傷和覆蓋膜焊接點破損是最主要的破損類型。

表1 覆蓋膜破損類型及其數(shù)量Table 1 The type and quantity of landfill film leakages

尖銳物體應(yīng)力損傷是造成填埋場覆蓋膜破損的重要類型。膜下尖銳物與膜上壓膜重物會增加覆蓋膜的局部應(yīng)力，導致覆蓋膜破損。研究中共發(fā)現(xiàn)21個由尖銳物體應(yīng)力損傷導致的破損點，約占檢測破損點總量的60.0%，破損尺寸為1.0～12.0 cm。造成這類破損的原因主要是操作過程中工人粗放施工(在膜上搬運機械、使用水泥磚壓膜等)導致覆蓋膜上表面被刺穿或磨損。

覆蓋膜焊接點破損是由覆蓋膜焊接處焊接不完整或焊接操作不當導致的，這類破損點占檢出破損點總量的31.4%，破損尺寸較小(0.5～5.0 cm)。研究中發(fā)現(xiàn)，填埋場堆體斜坡區(qū)域由于坡度較大、現(xiàn)場條件復(fù)雜，存在覆蓋膜焊接不完整的現(xiàn)象。填埋場覆蓋膜焊接對精密度要求較高，焊接處屬于整個覆蓋層的薄弱點，若施工和運營中監(jiān)管不到位，極易導致覆蓋膜出現(xiàn)此類破損。

覆蓋膜與填埋場其他構(gòu)件連接不完整主要包括膜與錨固壩連接處不密封，覆蓋膜與導氣管連接處不完整等。雖然此類破損點數(shù)量較少(<10%)，但破損尺寸較大(1.0～15.0 cm)。尤其是錨固壩連接處不密封的破損點，由于其在填埋操作前已完成鋪設(shè)，很難被修補。

2.2 破損點甲烷泄漏特征

Esders Gascam SG可將甲烷泄漏速率按照小(小于100 L/h)、中(100～1 000 L/h)、大(大于1 000 L/h)3個等級梯度進行統(tǒng)計，結(jié)果見表2。破損點的甲烷泄漏速率以大于1 000 L/h 為主，日泄漏量約為817.2 m3。其中，因尖銳物應(yīng)力損傷導致的破損點甲烷泄漏速率最高，單個破損點泄漏速率達26.9 m3/d；覆蓋膜焊接點破損的單個破損點甲烷泄漏速率相對較小(17.6 m3/d)，但由于破損點數(shù)量較多，其泄漏量達193.2 m3/d；因覆蓋膜與填埋場其他構(gòu)件連接不完整造成的單個破損點甲烷泄漏速率為19.7 m3/d，此類破損點個數(shù)較少，甲烷日泄漏量僅為35.0 m3。因此，在填埋場運行和維護管理過程中，除了對尖銳物應(yīng)力損傷類破損進行檢查外，還應(yīng)加大對覆蓋膜焊接點破損和覆蓋膜與填埋場其他構(gòu)件連接不完整的關(guān)注。

表2 破損點甲烷泄漏速率及泄漏量估算Table 2 The release rate and quantity of methane from landfill film leakages

破損點甲烷泄漏不僅會導致溫室效應(yīng)，也會造成大量能源損失。從溫室效應(yīng)角度分析，研究中填埋場覆蓋層破損點甲烷泄漏量約合向大氣釋放溫室氣體13.58 t CO2-eq/d，每年釋放的溫室氣體超過4 900 t CO2-eq。同時，甲烷作為清潔能源可用于發(fā)電，以每立方米甲烷發(fā)電3.59 kW·h，發(fā)電電價為0.45 元/(kW·h)計，該研究填埋場已檢測出的破損點每年泄漏甲烷的發(fā)電量約為1.07×106kW·h，折合損失發(fā)電金額約為48.18 萬元?？刂铺盥駡龈采w層的破損，不僅可以大大降低填埋場釋放甲烷對溫室氣體排放的貢獻，還可以提高填埋場能源利用效率。

2.3 填埋場覆蓋膜完整性監(jiān)管分析

由于填埋區(qū)域較廣，常規(guī)的氣體檢測設(shè)備很難實現(xiàn)對填埋場覆蓋區(qū)域的全面檢測，技術(shù)手段不足導致了填埋場覆蓋膜完整性監(jiān)管和檢測的缺失?；诖耍P者在該研究實際調(diào)研的基礎(chǔ)上，梳理了國內(nèi)外填埋場覆蓋層監(jiān)管相關(guān)管理規(guī)定及措施。

在法律層面，為從源頭控制填埋場甲烷的產(chǎn)生，歐盟制定了《歐盟垃圾填埋指令》，確定了將生物可降解垃圾從填埋場中清除的目標，旨在盡可能防止或減少垃圾填埋場帶來的負面環(huán)境影響及其對人類健康造成的潛在危害。同時，歐洲各國也通過立法推進填埋場甲烷減排，如英國的《廢棄物與碳排放交易法案 (2008)》和德國的《可再生能源法 (2017)》。目前，中國尚未形成針對垃圾填埋場甲烷控制和減排的相應(yīng)法律規(guī)定。

在管理體系方面，國際上通常借助完善的管理制度全面控制填埋場的規(guī)劃、建設(shè)和運行。對于填埋場覆蓋層，美國環(huán)保署對其設(shè)計結(jié)構(gòu)、厚度及覆蓋材料的性能明確提出要求，并出臺了《最終覆蓋技術(shù)指南》。盡管中國已有《生活垃圾填埋場處理技術(shù)規(guī)范》(GB 50869—2013)和《生活垃圾填埋場污染控制標準》(GB 16889—2008)，但尚缺乏關(guān)于填埋場覆蓋層監(jiān)管方面詳細的規(guī)定和要求。填埋氣污染控制的相關(guān)規(guī)范、導則和技術(shù)指南等文件還不完善。

在檢測維護方面，填埋場覆蓋層破損點往往較為隱蔽，僅依靠人力進行泄漏排查難度較大。德國采用FID進行檢測，檢測頻率為1年2次，并規(guī)定如檢測區(qū)域10年內(nèi)未超標則可停止檢測。英國則針對臨時覆蓋區(qū)及最終覆蓋區(qū)實施2個階段為期3個月以上的檢測，其中第一階段使用FID進行場調(diào)，第二階段在代表性區(qū)域測量氣體泄漏量，如泄漏量超出限制，則進行相應(yīng)補救并再次檢測泄漏情況，若未超相應(yīng)限制則只進行場調(diào)。當前，中國僅有部分城市自行開展了生活垃圾填埋場覆蓋膜完整性檢測及排查工作，關(guān)于修復(fù)環(huán)節(jié)的監(jiān)管要求尚不明晰。

綜上，針對中國填埋場覆蓋膜破損、填埋氣泄漏的現(xiàn)狀，應(yīng)盡快形成切實可行的填埋場覆蓋膜完整性檢測指導方法，建立覆蓋膜填埋氣泄漏環(huán)境風險評估方法和評價指標體系，完善填埋場污染控制相關(guān)標準和技術(shù)規(guī)范，保證覆蓋膜鋪設(shè)和填埋場運行過程中覆蓋膜功能完好，開展填埋場覆蓋層完整性定期檢測工作，降低覆蓋膜破損機率，這樣才能更好地限制填埋場污染物排放，助力實現(xiàn)2060年碳中和目標。

3 結(jié)論

1)填埋場覆蓋膜破損點類型主要包括尖銳物體應(yīng)力損傷、覆蓋膜焊接點破損及覆蓋膜與填埋場其他構(gòu)件連接不完整等，粗放施工、監(jiān)管機制不足、維護管理不到位是造成填埋場覆蓋膜破損的主要原因。

2)該研究覆蓋膜破損點甲烷的泄漏量約為817.2 m3/d，其中尖銳物應(yīng)力損傷導致的破損點甲烷泄漏速率最高，單個破損點的泄漏速率達到26.9 m3/d。

3)該研究填埋場由于覆蓋膜破損向大氣釋放的溫室氣體達13.58 t CO2-eq/d，約合每年釋放4 900 t CO2-eq。

4)針對填埋場覆蓋膜破損導致填埋氣泄漏的問題，應(yīng)完善填埋場污染控制標準和技術(shù)規(guī)范，加強填埋場覆蓋膜完整性的監(jiān)管，定期開展覆蓋膜完整性檢測，保證覆蓋膜在鋪設(shè)和運行中功能完好。