朱 虹 李婷婷 柴曉利 趙由才 趙風斌

(同濟大學環(huán)境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

填埋是我國垃圾處理處置的主要方式之一[1]，由于經濟技術的限制，粗放型、敞開式的填埋作業(yè)方式導致生活垃圾在填埋作業(yè)和穩(wěn)定化降解過程中產生大量惡臭污染物，對城市的大氣環(huán)境和群眾身體健康造成了重大影響[2]。目前，群眾環(huán)保意識日益增強，對環(huán)境質量的要求也越來越高，對因惡臭所帶來的污染也更加敏感。我國大部分填埋場污染源的惡臭污染物濃度削減能力相對不足，無法滿足《惡臭污染物排放標準》(GB 14554—93)要求。填埋場惡臭問題帶來的擾民現象時有發(fā)生，居民反應強烈，負面影響較大。

大型填埋場作業(yè)面較大，覆蓋不及時會導致大量惡臭污染物無序擴散；填埋場作業(yè)面是惡臭污染物的主要釋放源，惡臭污染物組成及比例隨季節(jié)變化明顯，春秋兩季中秋季濃度高于春季；而夏季高溫高濕的天氣以及高含量的易生物降解的蔬菜水果等垃圾，會增加產氣量，從而造成夏季惡臭污染物產生強度大[3]。此外我國部分填埋場沒有完善的垃圾填埋氣收集和處理設施，導致填埋氣不能及時有效收集利用，部分填埋氣直接釋放在大氣中，成為填埋場重要的污染排放源和風險源。此外，氣象條件是影響填埋場惡臭污染物擴散的重要因素，填埋場惡臭污染物組成及濃度隨季節(jié)變化存在顯著差異。一般情況下，氣象因子風速、氣溫和氣壓與惡臭污染物中的H2S和NH3濃度顯著相關，在高溫、高濕和低氣壓條件下惡臭污染會進一步加劇。

江村溝垃圾填埋場是目前西安唯一一座城市生活垃圾填埋場，是集城市生活垃圾衛(wèi)生填埋、垃圾滲濾液處理、垃圾填埋氣發(fā)電三位一體的超大型生活垃圾填埋場[4]，每日生活垃圾處理量接近1萬t，最大堆體高度達130 m。由于運行負荷巨大，加之填埋氣收集利用率過低，填埋場大量填埋氣排空，周邊大氣污染嚴重。垃圾填埋封場后，在排水溝渠及低洼區(qū)域會有垃圾滲濾液滲出，形成大小不等的地表淺層垃圾滲濾液暴露區(qū)，滲濾液暴露區(qū)中的惡臭氣體以及垃圾厭氧發(fā)酵產生的惡臭氣體從該區(qū)域排出，直接進入大氣。雖然，垃圾滲濾液暴露區(qū)面積不大，但由于同時有厭氧填埋惡臭氣體從這些區(qū)域釋放，其惡臭氣體釋放強度往往較大。填埋過程中，堆體導排管排出的滲濾液匯集在堆體西北方向設置的滲濾液池中，由于池體是露天設置，形成匯集雨水和垃圾滲濾液等污水的水庫(以下簡稱為滲濾液貯存池)，水體表面及水體中產生的惡臭污染物釋放到周圍大氣中，對周圍大氣環(huán)境造成嚴重影響。本研究以西安江村溝垃圾填埋場為代表，開展了填埋場不同惡臭源(填埋場作業(yè)面、滲濾液暴露區(qū)和滲濾液貯存池)的惡臭污染物釋放強度研究，并解析了填埋場惡臭氣體的主要組分，闡明了填埋場惡臭氣體的發(fā)生、擴散及釋放規(guī)律，為有效控制填埋場惡臭氣體擴散提供了理論支撐。

1 方 法

1.1 氣象條件

本研究對填埋場主要惡臭源(填埋場作業(yè)面、滲濾液貯存池、滲濾液暴露區(qū))的氣象參數進行監(jiān)測，溫度、氣壓和濕度由可移動式微型氣象站(PH-1型)監(jiān)測，具體氣象條件見表1。

1.2 監(jiān)測分析方法

本研究前期針對大氣污染面源源強估算設計開發(fā)了一套采樣裝置，該裝置在待采樣垃圾表面設置風洞，通過變頻風機和壓差式流量計組合可即時調節(jié)面源表面的吹掃風速(V,0～7 m/s)，可采集不同吹掃風速條件下的樣品，從而更好地表征面源在不同表面風速條件下的排放情況。采樣風洞為狹長形的矩形結構，通過控制連接管道與矩形風洞的通風截面積之比、底部排氣采樣口的長寬比及在入口擴散段設置阻力不小于100 Pa的均流板后，整體結構具有較好的空氣動力學性能，可實現面源表面吹掃氣流的均勻性并保證一定的氣、固面?zhèn)髻|時間。風洞采樣器示意圖見圖1。

表1 氣象條件Table 1 Meteorological data

圖1 風洞采樣器Fig.1 Wind tunnel sampler

根據吹掃氣體流量及測定的污染物濃度可得到風洞排氣采樣口面積對應的垃圾表面的污染物釋放強度，計算見式(1)。

ER=Q×C/S

(1)

式中：ER為面源表面污染物釋放強度，mg/(m2·s)；Q為氣體流量，m3/s；C為風洞排氣采樣口污染氣體質量濃度，mg/m3；S為風洞排氣采樣口面積，m2。

各組分分析方法：采用氣相色譜法分析H2S，參考《空氣質量 硫化氫、甲硫醇、甲硫醚和二甲二硫的測定 氣相色譜法》(GB/T 14678—93)；利用SK-600-NH3檢測儀測定NH3)；采用氣相色譜—質譜聯用法[5]分析總揮發(fā)性有機物(TVOC)及惡臭氣體的主要組分。將從現場采集的氣體儲存在5 L的氣體采樣袋內，24 h內進行測定。

1.3 監(jiān)測位點

在填埋場作業(yè)面(a1～a3)、滲濾液暴露區(qū)(b1～b3)和滲濾液貯存池(c1～c3)分別設置3處監(jiān)測位點，具體如圖2所示。為考察1 d內惡臭污染物的變化規(guī)律，每隔2 h取樣測定一次。

2 結果與討論

2.1 填埋場作業(yè)面惡臭污染物釋放規(guī)律

典型惡臭污染物(TVOC、H2S、NH3)的濃度和釋放強度在不同季節(jié)下隨吹掃風速的變化情況如圖3所示，TVOC、H2S、NH3的濃度隨著吹掃風速的增加整體呈減小的趨勢，這是由于高吹掃風速導致單位時間的風量增加，而垃圾堆體釋放的惡臭氣體量是一定的，惡臭污染物被稀釋，故隨著吹掃風速增加，惡臭污染物濃度減小[6]。然而，不同惡臭污染物的釋放強度隨吹掃風速呈現不同的變化趨勢。當吹掃風速≤2 m/s時，垃圾堆體TVOC、H2S和NH3釋放強度隨吹掃風速的增加而增加，當吹掃風速≥3 m/s時，垃圾堆體TVOC釋放強度隨吹掃風速的增加基本保持不變或略微增加，而H2S和NH3釋放強度隨吹掃風速的增加或有減小。

圖2 監(jiān)測位點示意圖Fig.2 Schematic diagram of monitoring sites

圖3 填埋場作業(yè)面典型惡臭污染物釋放變化Fig.3 Typical odorous pollutants release changes on the operation surface of landfill

惡臭污染物的釋放強度與填埋氣的產生、釋放過程有關，填埋場中TVOC的來源包括物質降解后的新產物及附著在垃圾中的原有物質[7]，而含硫有機物和含氧有機物主要來源于物質的分解[8]，因此隨著吹掃風速增加，在垃圾上附著的TVOC釋放也增加，其釋放強度也略微增加，而H2S和NH3的產生速率不變，故惡臭氣體釋放強度反而可能減小。

惡臭污染物在垃圾內部通過復雜的生化過程產生，它們從垃圾表面擴散到周圍大氣環(huán)境中可簡單分為3個階段，第1階段從垃圾表面產生擴散進入垃圾孔隙中，第2階段從垃圾孔隙擴散到垃圾堆體表面，第3階段從垃圾堆體表面擴散到大氣中。對于TVOC、H2S(以夏季為例)，當吹掃風速從0 m/s增加到2 m/s時，垃圾堆體TVOC釋放強度顯著增加，這說明當垃圾表面風速≤2 m/s時，垃圾堆體表面TVOC擴散到大氣為主要限速步驟。隨著吹掃風速進一步增加，TVOC釋放強度在5 m/s時達到最大，但此階段的TVOC釋放強度增加幅度減小，說明當吹掃風速≥3 m/s時，TVOC從垃圾孔隙到垃圾表面的擴散過程成為TVOC釋放的限速步驟。然而，H2S釋放強度隨著吹掃風速增加(吹掃風速≥ 3m/s)時逐漸下降，表明第2階段H2S垃圾孔隙擴散到垃圾堆體表面足夠快，但第1階段H2S從垃圾表面產生擴散進入垃圾孔隙為限速步驟[9]。

典型惡臭污染物的釋放強度在不同季節(jié)下也呈現顯著差異[10]。TVOC在春、夏、秋、冬的釋放強度(吹掃風速為2 m/s時)分別為62、635、290、32 mg/(m2·s)(見圖3(b))，TVOC在夏季的釋放強度約為冬季的20倍。相似地，H2S和NH3在夏季的釋放強度最大，吹掃風速為2 m/s時分別為0.003 5、2 200 mg/(m2·s)(見圖3(d)和圖3(f))。垃圾填埋場夏季的惡臭污染物濃度大多高于春季，原因除了夏季高溫高濕使得垃圾降解較快之外，還有夏季垃圾成分中多為蔬果垃圾，有機物含量增大，造成生物降解過程活躍，產氣較多[11]。此外，在惡臭污染物的擴散過程中伴隨著一系列的吸附、解吸等物理化學過程，隨著氣溫升高，分子由于無規(guī)則熱運動而形成的氣體擴散加快[12]。因此，夏季是填埋場惡臭污染控制的重點時段。

2.2 滲濾液暴露區(qū)惡臭污染物釋放規(guī)律

垃圾填埋封場后，在排水溝渠及低洼區(qū)域會有垃圾滲濾液滲出，形成大小不等的地表淺層垃圾滲濾液暴露區(qū)，滲濾液發(fā)酵以及垃圾厭氧產生的惡臭污染物從該區(qū)域冒出，直接進入大氣。雖然垃圾滲濾液暴露區(qū)面積不大，但由于同時有厭氧填埋惡臭污染物從這些區(qū)域釋放，其惡臭污染物釋放強度往往較大，故本研究針對垃圾滲濾液暴露區(qū)惡臭污染物釋放、擴散情況進行分析研究。

圖4顯示不同季節(jié)垃圾滲濾液暴露區(qū)的TVOC、H2S、NH3濃度和釋放強度隨吹掃風速的變化情況。與填埋場作業(yè)面相似，3種惡臭污染物濃度總體隨著吹掃風速增加而降低，且在所有的吹掃風速下，惡臭污染物濃度按照夏季>秋季>春季>冬季的順序分布。在高氣溫條件下，微生物活性相應增強，短時間內產生較多的有機代謝產物[13]。比較春、秋季監(jiān)測的氣溫(春季14.7～24.3 ℃，秋季7.4～16.2 ℃)，發(fā)現春季較秋季的氣溫高，但惡臭污染物的釋放強度反而小。垃圾滲濾液暴露區(qū)的惡臭污染物釋放源雖位于淺地表區(qū)，但部分惡臭污染物來源于填埋區(qū)內部，這些釋放源的溫度變化總是滯后于氣溫的改變，因而造成惡臭污染物釋放強度與氣溫的逆向變化現象。垃圾滲濾液導流管表面裸露，易受氣溫、濕度、風力等環(huán)境條件影響[14]，春季氣溫逐漸升高，但滲濾液暴露區(qū)惡臭釋放源的溫度還較低。秋季雖然氣溫已經顯著下降，但滲濾液暴露區(qū)惡臭污染物釋放源的溫度還較高。冬季氣溫最低，相應地，微生物的活性也較弱[15]，因此，TVOC、H2S、NH3的釋放強度在4個季節(jié)中也最低。

相比于填埋場作業(yè)面，垃圾滲濾液暴露區(qū)H2S的釋放強度更大，在不同季節(jié)H2S釋放強度(吹掃風速為2 m/s時)按冬、春、秋、夏季的順序遞增，分別為25、28、420、700 mg/(m2·s)。垃圾滲濾液中氮多以氨氮的形式存在[16]，而氣溫和pH的升高會促使?jié)B濾液中的氮以NH3的形式從滲濾液中釋放[17]。由圖4可見，在不同季節(jié)隨著吹掃風速的增加，NH3的釋放強度變化趨勢有所減緩。夏季垃圾滲濾液暴露區(qū)NH3的釋放強度(吹掃風速3 m/s時)達3.5 g/(m2·s)，秋季則維持在1.9 g/(m2·s)左右，春季在1.3 g/(m2·s)左右，冬季最低，約為0.9 g/(m2·s)。

圖4 滲濾液暴露區(qū)典型惡臭污染物釋放變化Fig.4 Typical odorous pollutants release changes in the leachate exposure area

2.3 滲濾液貯存池惡臭污染物釋放規(guī)律

滲濾液貯存池在不同季節(jié)的TVOC、H2S、NH3濃度隨吹掃風速的變化趨勢和填埋場作業(yè)面以及滲濾液暴露區(qū)一致，惡臭污染物濃度隨吹掃風速的增加而降低，且在所有吹掃風速下，惡臭污染物濃度按照夏季>秋季>春季>冬季的順序分布。如圖5所示，當吹掃風速增加到2～3 m/s時，TVOC的釋放強度基本達到穩(wěn)定值。春、夏、秋、冬季滲濾液貯存池TVOC的釋放強度(吹掃風速為2 m/s時)分別為44、156、88、22 mg/(m2·s)。夏季滲濾液貯存池NH3的釋放強度(吹掃風速為2 m/s時)高達0.7 mg/(m2·s)，秋季則維持在0.4 mg/(m2·s)左右，春季低至在0.3 mg/(m2·s)左右，冬季最低，在0.1 mg/(m2·s)左右。另外，在不同季節(jié)H2S釋放強度(吹掃風速為2 m/s時)按冬、春、秋、夏季的順序遞增，釋放強度分別為0.002 3、0.007 5、0.015 0、0.030 0 mg/(m2·s)。

2.4 惡臭污染物日變化分析

不同季節(jié)惡臭污染物在1 d內的釋放規(guī)律如圖6所示，監(jiān)測選擇在晴天進行，采用固定吹掃風速2 m/s，從6:00開始，每隔2 h監(jiān)測代表性指標TVOC和H2S的釋放強度，至22:00監(jiān)測結束，結果見圖6。

如圖6(a)和圖6(b)所示，垃圾填埋場作業(yè)面的惡臭污染物釋放強度的日變化較為顯著，TVOC和H2S一般表現為夜晚降低、白天升高，總體在14：00—16：00達到最高值。尤其在夏季，H2S釋放強度在18：00后逐漸下降，而TVOC釋放強度仍然維持在較高水平，顯然，氣溫是決定垃圾填埋場惡臭污染物釋放強度的主要因素。滲濾液暴露區(qū)和滲濾液貯存池的H2S的釋放強度相較TVOC在1 d內的波動較大，從早上開始隨著時間的推移，氣溫逐漸增加(見圖7)，惡臭氣體釋放強度開始增加；14:00—16:00，惡臭污染物釋放強度較高，因此，應在此時段前采取相應的惡臭預防控制措施。之后氣溫逐漸下降，惡臭污染物釋放強度也開始降低；20:00時，惡臭污染物釋放強度明顯減小。填埋場作業(yè)面、滲濾液暴露區(qū)和滲濾液貯存池TVOC和H2S釋放強度的日變化波動不一致，這是由于各個區(qū)域的惡臭污染物釋放強度與填埋時間、氣候條件以及覆蓋條件不同，填埋場有植被覆蓋，可有效改善覆蓋土微生物的生長條件，改變惡臭污染物產生效率[18]。此外，填埋場植被覆蓋特征為氣象條件的綜合反應，植被生長又受太陽輻射、氣溫、降雨量與風速等各種氣象因素影響[19]。晝間惡臭污染物釋放強度平均大于夜間，且太陽輻射增強時惡臭污染物釋放強度也增大，說明植物光合作用對填埋氣釋放強度有重要影響。一方面，太陽輻射強度升高使填埋氣釋放機制轉換為對流，促進了積累在覆蓋層底部的惡臭污染物釋放；另一方面，植物通過內部氣體傳輸系統將光合作用產生的氧氣輸送至根組織，小部分用于根呼吸，絕大部分擴散至根際周圍提高了惡臭污染物氧化比例[20-21]，使得部分惡臭污染物轉化降解為非惡臭物質，因而夏季晝間是惡臭預防控制的關鍵時期。

圖5 滲濾液貯存池典型惡臭污染物釋放變化Fig.5 Typical odorous pollutants release changes in the leachate storage tank

圖6 不同季節(jié)TVOC和H2S釋放強度的日變化Fig.6 The daily variation of the release intensity of TVOC and H2S in different seasons

圖7 不同季節(jié)在1 d內的溫度變化Fig.7 Temperature changes within 1 day in different seasons

2.5 惡臭氣體主要組分分析

TVOC組分包括苯系物、有機氯化物、氟里昂系列、有機酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烴化合物等，主要組分是烴類、鹵代烴、氧烴和氮烴。TVOC有嗅味和刺激性，某些化合物還具有基因毒性，因此本研究針對夏季午后不同污染源(填埋場作業(yè)面、滲濾液暴露區(qū)及滲濾液貯存池)采集的惡臭氣體進行組分分析，結果如表2所示。

表2 惡臭氣體主要組分Table 2 Main components of odorous gas mg/m3

由表2可以看出，共檢測出38種化合物，氣體組分非常復雜，其中揮發(fā)性有機物主要是苯系物、氯代烴、烯烴類、醇類、酯類等[22]。含量較高的物質主要有乙醇、異丙醇等醇類物質，丙烯等烯烴類，丙酮、2-己酮等酮類物質，乙苯、間二甲苯、對二甲苯等苯系物，二氯甲烷、1,3-二氯苯、1,4-二氯苯等氯代烴以及乙酸乙酯等酯類物質。而苯系物占惡臭氣體全組分的比重較大，參考《大氣污染物綜合排放標準》(GB 16297—1996)，可知各苯系物組分濃度均低于標準限值，苯質量濃度為標準限值的0.95%～2.71%，甲苯質量濃度為標準限值的0.76%～1.50%，二甲苯質量濃度為標準限值的2.41%～11.50%，苯乙烯質量濃度為標準限值的0.09%～0.31%，而氯苯類質量濃度為標準限值的0.25%～40.41%，因此，氯苯類為主要的污染因子。

比較分析惡臭氣體組分，可以看出填埋場作業(yè)面以TVOC為主，主要包括芳香族化合物、醛酮、低極性芳香烴和烷烴等，主要原因是垃圾初期降解、好氧水解和初步的厭氧水解酸化過程產生芳烴、烴類及有機酸等含氧化合物。對比國內各典型填埋場的芳烴(以及烴)含量[23-24]，這些物質所占比例都比較大，作業(yè)面惡臭氣體污染特征較為一致。滲濾液暴露區(qū)則以芳香族化合物、含硫化合物和萜烯等物質為主，特別是萜烯類和含硫化合物較多[25]，這是由于在滲濾液暴露區(qū)惡臭氣體主要在垃圾填埋底部區(qū)域產生，在厭氧發(fā)酵過程產生的含硫化合物和萜烯類組分更多[26]。

3 結 論

(1) 垃圾填埋場的惡臭污染物釋放呈現明顯的時空變化，氣溫是影響惡臭污染物釋放的關鍵因素。主要代表惡臭污染物(TVOC、H2S、NH3)的釋放強度在四季的順序為夏季>秋季>春季>冬季，夏季是惡臭預防控制的關鍵時期。

(2) 滲濾液暴露區(qū)的惡臭污染物釋放是填埋場作業(yè)面的數倍，相比填埋場作業(yè)面和滲濾液貯存池，滲濾液暴露區(qū)H2S在春、夏、秋和冬季釋放強度(吹掃風速為 2 m/s時)分別為28、700、420、25 mg/(m2·s)，這表明滲濾液暴露區(qū)是惡臭污染物的重要釋放源。

(3) 垃圾填埋場的惡臭污染物濃度的日變化較為顯著，TVOC和H2S釋放強度一般表現為夜晚降低、白天升高，總體在14：00—16：00達到最高值，應在此時段前采取相應的惡臭預防控制措施。

(4) 定量識別出38種惡臭微量化合物，氣體組分復雜，其中苯系物占比較大，其次是氯代烴、烯烴類、醇類、酯類等。