亚热带卫生填埋场不同阶段产气对比研究：中国武汉的一个案例

本次研究是针对陈家冲卫生填埋场两个大尺度的区域垃圾填埋气的组成及一年内的变化。共收集并测量了建成正在使用的66口井的垃圾填埋气。调查显示了两个区的垃圾填埋气的成分异同以及变化情况。周围环境温度和降雨与两个区域产气成分都有很大的相关性。两个场中甲烷成分都和CO₂显示出了较好的相关性。只在不稳定的沼气相中观测到H₂S和主要成分（CH₄和ＣＯ_２）显著的相关性。特别的是，ＣＨ_４／ＣＯ_２体积比可以用来作为判断厌氧反应各阶段变化的良好指标。本研究有利于垃圾填埋气收集系统更有效率的运行，并且阐明了垃圾填埋气的纯化及利用。

启示：这篇论文的结论提供了给垃圾填埋场运营者有用的信息。特别是，ＣＨ_４／ＣＯ_２体积比可以用来作为判断厌氧反应各阶段变化的良好指标。本研究有利于垃圾填埋气收集系统更有效率的运行，并且阐明了垃圾填埋气的纯化及利用。

简介

卫生填埋场在大多数国家都是城市固体废物最主要的处理方法。然而，最近的研究表明由于填埋场的使用年限和渗滤液，可能会对环境和人体健康带来威胁。填埋场的城市固体废物会分解产生甲烷和二氧化碳气体以及痕量的有毒物质，除此之外还包括分解所释放的臭味。垃圾填埋场产气是全球第三大甲烷人工释放源，可靠数据显示在2005年大概占了9-12% 。值得一提的是，甲烷对全球变暖潜在贡献是二氧化碳的21倍。由于二氧化碳和甲烷排放量增加，碳减排已经变成了一个全球问题。近年来，有四种处理甲烷的方法。第一种，用改性泥土覆盖层来促进甲烷的氧化，同时通风以减少甲烷的产生。第二种，在填埋之前分开收集有机质可以有效地减少填埋场甲烷的释放。第三种，经证实，机械生物预处理可以减少产气量和残渣的渗滤液的强度。另外，垃圾填埋气可以有效地收集后作为生物能来发电。 总之，用于发电的垃圾填埋气作为一种潜在的清洁能源，更加具有环境友好性和可持续性。

尽管有在来自垃圾填埋场的潜在可利用能源方面，有很多估计模型，但是尤其是对一些大型大型垃圾填埋场，必须承认城市固体废物降解必不可少。垃圾填埋气收集系统的效率随着所安装系统的配置和经营管理方法变化。使用模拟实验来研究城市固体废物厌氧降解。在模拟实验和现场研究之间还存在些许组成成分和收集效率的差异。本篇论文主要是研究垃圾填埋气各种成分（CH₄、CO₂、H₂S、H₂和O₂）一年内的变化情况及其特征。同时气象条件因素也会影响到产气情况。研究重点在于两个片区厌氧降解时各相气体的异同

材料和方法

区域描述

陈家冲卫生填埋场（30^o43rsquo;37.03rsquo;rsquo;N,114^o32rsquo;35.09rsquo;rsquo;E）位于中国中部城市武汉。它建于2007年，主要处理MSW，是中国中部最大的高密度聚乙烯（HDPE）覆盖膜的卫生填埋场。在垃圾填埋期间，HDPE膜（1.5mm）被用作是中间的覆盖物。每个填埋单元完成之后，都要铺设中间的覆盖物以防止恶臭和飞蝇。此填埋场的平均每天的处理量可以达到2400t/d。这个填埋场有六个区，由于填埋气的处理效率，选取其中的其中两个区作为研究对象（A-1，A-2）。（见图1）刚开始的垃圾的有机物含量大概是31~47%,平均含水量可以达到53%。自从2009年开始，利用A-1和A-2的沼气发电的火力火电站开始运营。在2010年的研究中A—1(从2007年4月到2008年7月)的填埋年限是1.5-3.5年，A-2（从2008年8月到2009年9月）是1-2年。两个片区的具体细节见表1.

表1 两研究区域的细节

图1陈家冲卫生填埋场研究区域和LFG收集系统

Table 2.Correlation matrix between different parameters at site A-1

数据收集和模式

A-1和A-2分别有30以及46口LFG收集井。在每个井里装上传感器，以此来监视气体成分（CH₄、CO₂、H₂、H₂S、O₂）。把数据传输到控制系统并且储存在数据库。每口井的抽气压力是恒定的。收集沼气并且用泵输送萃取净化系统。同时收集气候数据（周围气温和降雨量）来分析其对LFG产生的影响。周围的气温每天都要测，而每个月降雨量从武汉气象局获得。2010年周围气温和降雨量数据如图2a所示。

数据分析

测量释放出的LFG的一些气相组分，并且通过数据分析来调查不同区域的气体排放特征。相关性分析使用软件SPSS，以此来分析各个气体成分（CH₄、CO₂、H₂、H₂S、O₂）和气象因素（温度和降雨量）之间的关系。同时也要研究分析各个组分之间的关系。其差异符合95%-99%置信度的t检验。

结果与讨论

LFG组分分配对比

MSW在填埋之后不久，有机组分开始经历一系列的生化反应。卫生填埋场中最先进行的生化反应是厌氧分解，这个阶段有三个主要过程（水解阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段），会分解生成其他一些气相物质，如figure 2b中所示。研究的填埋场中，在同一个填埋单元中的LFG浓度与固废的异质化程度呈正相关。这一部分分析比较了两个不同年限填埋场的LFG成分（CH₄、CO₂、H₂、H₂S、O₂）。

CH₄和CO₂含量的变化

A-1、A-2的甲烷和二氧化碳含量的变化如figure2c所示。A-1中甲烷含量在45.48%-62.91%的范围内，而A-2则是14.54%-65.59%。A-1和A-2中的甲烷含量都与figure 2b中相一致，并且都呈增长的势态。此外，2010年还观测到A-2中甲烷含量增长率是A-1的3.51倍高，达到了36.96%。至于二氧化碳的含量，A-1是在21.74%-31.60%的变化范围内，A-2则是22.29-31.62%。A-1和A-2中二氧化碳的含量都表现出稍微增长的趋势。A-1表现出一个具有更小波动值的更稳定曲线（26.03plusmn;4.29%）。

在此，可能会有一些潜在原因能够解释A-1和A-2中甲烷、二氧化碳变化的差异。可以观测到许多由于场区地质条件和填埋方法（开放式填埋和卫生填埋）而导致的LFG释放变化。Chen等人发现甲烷和二氧化碳的排放率和以下这些因素相关：泥土pH，水分含量，压力，总有机碳，填埋废物的年龄和类型，覆盖土壤的类型和深度，以及甲烷氧化。另外，据报道，当填埋场有2-3年龄时，有最高的甲烷和二氧化碳释放率，而在5年时最低。而对于陈家冲填埋场而言，A-1和A-2的水文地质条件、压力废弃物组成以及填埋方式都几乎相同。用HDPE作为临时及最终覆盖层，然而有效的甲烷氧化只发生在传统泥土中。因此泥土特征不大可能是关键影响因素。故填埋场的年龄可以解释以上的现象，而那些不同点可能是因为厌氧反应的不同阶段。氧气浓度的不同也可以解释上面的现象。我们发现从1月到6月A-2的CH₄/CO₂比A-1更低（figure 2c）。A-2中MSW更高的氧气浓度可能是由于它更短的填埋场年龄。Powell等人发现喷气可以造成CH₄/CO₂的降低，换句话说，更低的氧气浓度可以使CH₄/CO₂更高。另外，没有发现降雨量与CH₄/CO₂变化之间的相似之处，这可能是由于HDPE膜覆层的隔离作用。总之，可以推测出A-1处于稳定甲烷阶段，A-2大概处于不稳定甲烷阶段（figure 2b）。另外，CH₄/CO₂显示出了A-1和A-2不同的敏感性。据capaccioni等人报告，总释放速率与CH₄/CO₂体积比有很好的相关性。确切的说，CH₄/CO₂体积比增加到成熟LFG的典型值。在本研究中，A-1的CH₄/CO₂保持在一个较稳定的值，大概是2.00,。然而A-2则是一直增长到2.00左右之后维持稳定，如figure 2c所示。Figure 2c所观察到的现象和相关文献中所描述的一致。因此CH₄/CO₂体积比可以作为一个很好的LFG产气特征指示。

H₂S，H₂，O₂含量的变化

A-1和A-2中H₂S，H₂，O₂的变化如figure 2d中所描述的。A-1中H₂S的浓度范围为47.08-120.01ppm，而A-2则是81.22-215.27ppm。据观测，从1月到6月A-2中的硫化氢浓度比A-1中更低，7月到12月则反之。总体来看A-2中H₂S呈现出增长的趋势，A-1则反之。因为H₂S的浓度显著高于其他硫化物，因此在本次研究中选它作为一种典型的LFG成分。H₂S产生于微生物在中性或弱碱性时硫酸盐还原，将硫酸盐离子作为最终受体。如figure 2d中所述，A-2中H₂S在氧气浓度很低时又增加的趋势，这是由于H₂S是在厌氧条件下生成的。此外，MSW填埋年龄也会影响H₂S产生。Kim比较了新的和旧的填埋场设施减少的硫化物排放，结果表明H₂S产生于填埋年龄有明显的相关性。

再说H₂，A-1和A-2中H₂浓度都呈现出下降的趋势。很明显，全年A-2中的浓度比A-1中的要高。如figure 2b所示，氢气是酸化阶段的水解过程最典型的产物，并且形成了甲烷、水和二氧化碳，换而言之，氢气是在不产甲烷阶段生成而在产甲烷阶段被消耗。这就可以解释A-1和A-2为什么呈下降趋势。A-1和A-2的H₂浓度的差别可能是有填埋场的年龄和厌氧反应阶段所致。

另外，从一月到六月O₂的浓度A-2区更高，剩下的月份则反之。如figure 2b所示，O₂随着时间的过去而被消耗，因此在两个区域中O₂浓度都呈现下降的趋势。一月到六月A-2更高的O₂浓度可能是由于它的填埋时间更短，而从七月到十二月浓度更低是由于A-1部分密闭性能造成的空气泄漏。Chen等人研究中国宁波的一个填埋场发现HDPE层的密闭性能会影响到实验结果。通常HDPE泄露会随时间恶化，而A-1填埋时间更长。因此HDPE的维护来保障长时间的密闭性能很有必要。

LFG成分与外部因素的关系

用一种简单的方法来调查LFG的影响因子，同时对LFG成分和其他测量的因素进行相关性分析。A-1和A-2的分析结果分别如table2所示。观察了A-1和A-2的异同。气候条件（周围气温和降雨量）的A-1和A-2都有很强的相关性（所有的p值都超过了0.05）。这里有一些关于气候对LFG排放的影响的文献。研究了大气压力对土壤覆盖的填埋场甲烷排气的影响，一些研究者指出了了其中有显著的影响。降雨后的36小时，CH₄和N₂O排放和两个没有HDPE膜覆盖的填埋场的泥土适度有显著的相关性。然而在本次研究中LFG成分与气候的相关性并不怎样，这有可能是由于HDPE的隔离作用。这很重要，因为HDPE会减少热量散失、雨水浸入以及氧气渗入。Chen等人发现在将填埋场一个更大区域的HDPE膜焊接在一起形成一个完整的密闭的一层之后，管道中的气流与没将防渗膜焊接在一起的相比增加了25%，这意味着提气能力提高了。此外，两个区CH₄和CO₂都表现出了很好的相关性（r=0.952，r=0.727）。类似的现象在其他填埋场也出现过。厌氧分解反应释放出少量的热量以及一些气体，气体的主要成分是54%的甲烷和46%的二氧化碳，这就可以合理地解释以上观察到的如此强的相关性。两个区域厌氧过程中氧气和主要成分（CH₄和CO2）的相关性很明显。在厌氧环境下填埋的有机废物会降解释放出LFG。

然而，两个区域的成分变化依旧有一些差异。第一，H₂S和H₂的变化在A-1中是正相关，在A-2中则是负相关。氢气在产甲烷阶段被消耗，在两个区中都呈现出下降的趋势（figure 2b）。在产甲烷阶段生成了H₂S，并在某时刻浓度达到了峰值，之后就城下储下降的趋势。Kim发现填埋时间较短的的填埋场中H₂S平均浓度是139.07ppm，然而相应填埋时间较长的为3.86ppb。这表明研究期间H₂S在A-1逐渐下降，A--2中逐渐上升。第二，A-2中H₂S和主要成分成分的相关性

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