摘要：隨著城市垃圾填埋量的增加,填埋氣體造成的環(huán)境問(wèn)題被愈加重視,國(guó)內(nèi)外對(duì)填埋氣的產(chǎn)生和排放也進(jìn)行了大量研究,以溫室氣體和揮發(fā)性有機(jī)物為主要研究對(duì)象。綜述了最近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)填埋場(chǎng)垃圾和填埋氣中3種重要溫室氣體和揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)的產(chǎn)生模型、產(chǎn)量估計(jì)及其監(jiān)測(cè)方法優(yōu)劣、減排和資源化利用等領(lǐng)域進(jìn)行的研究成果,特別是VOCs排放的研究，指出后續(xù)對(duì)填埋氣間的相關(guān)性和由此產(chǎn)生的次生污染物進(jìn)行適當(dāng)研究的必要性,與填埋氣產(chǎn)生排放相關(guān)的氣象條件監(jiān)測(cè)也應(yīng)加強(qiáng),旨在為填埋氣體的相關(guān)研究提供參考。

0引言

我國(guó)近年來(lái)城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城鎮(zhèn)人口不斷增加，生活垃圾的產(chǎn)量也日益升高。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2013年的城市生活垃圾清運(yùn)量為17239萬(wàn)t，城市生活垃圾主要有填埋、焚燒和堆肥三種處理方式，其中填埋法是我國(guó)以及世界上大多數(shù)國(guó)家固體廢物處理的主要方法。而垃圾填埋場(chǎng)已成為溫室氣體產(chǎn)生的重要來(lái)源，據(jù)美國(guó)環(huán)保局統(tǒng)計(jì)，1990—1997年，美國(guó)填埋場(chǎng)排放的溫室氣體等同于其余溫室氣體來(lái)源的排放量總和，占總溫室氣體排放量的40%～50%。

有研究表明，填埋氣主要由CH4和CO2組成，其溫室氣體占絕大部分[1]。目前關(guān)于填埋氣(LFG)中溫室氣體的研究主要包括CH4、CO2和N2O，還有臭氧的前體物揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)，本文綜合國(guó)內(nèi)外垃圾填埋場(chǎng)對(duì)V上述四類(lèi)填埋氣的產(chǎn)量估算及模型、檢測(cè)方法、產(chǎn)氣規(guī)律特征、減排和資源化利用等研究方向的重要成果，以推動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的開(kāi)展。

1溫室氣體簡(jiǎn)述

填埋氣體中溫室氣體和其他惡臭物質(zhì)的排放所造成的溫室效應(yīng)對(duì)全球環(huán)境將造成很大影響。有研究表明，城市固體廢物處理水平低可導(dǎo)致CH4、CO2和N2O等溫室氣體產(chǎn)生高污染[2]。王偉等[3]預(yù)測(cè)我國(guó)CH4排放量占我國(guó)溫室氣體排放總量的份額將從2000年的3.83%增加到2020年的7.19%。也有研究對(duì)城市垃圾和溫室氣體排放的幾種分析估算方法如FOD(一階動(dòng)力衰減法)、修正三角法、缺省法、ICM(原位密室法)、美國(guó)EPA填埋場(chǎng)氣體排放模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，并使用軟件LandGEM對(duì)3個(gè)填埋場(chǎng)溫室氣體排放進(jìn)行評(píng)估，得出LandGEM(3.02版本)是估算垃圾填埋場(chǎng)溫室氣體排放潛力相對(duì)較好的模式[4]。CouthR等[5]用FOD模式計(jì)算非洲2010年由城市固體廢物處理排放的溫室氣體占總排放量的8.1%，和2004年發(fā)表的數(shù)據(jù)(6.8%)相似，并估算非洲溫室氣體排放量由2010—2019年將增長(zhǎng)140%。現(xiàn)今填埋氣溫室氣體的檢測(cè)方法見(jiàn)表1，其中靜態(tài)箱使用較為普遍。


1.1CH4

大氣中的CH4是僅次于CO2的一種重要溫室氣體，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率大約為26%，近年來(lái)填埋場(chǎng)排放的甲烷量日益升高，鄭思偉等[12]估算杭州市2005—2010年甲烷排放年均增長(zhǎng)率為15.25%。

1.1.1甲烷排放影響因素

垃圾在進(jìn)入填埋場(chǎng)后，分解產(chǎn)氣周期可持續(xù)數(shù)十年至上百年。Tecle等[13]的研究表明甲烷排放與土壤溫度顯示出良好的時(shí)間相關(guān)性。Nikiema等[14]研究表明最適于填埋氣產(chǎn)生的pH值為6.8～7.2，超出此范圍則會(huì)出現(xiàn)不同程度的抑制。在氣象條件方面，劉鴻霆等[15]研究發(fā)現(xiàn):夏季填埋場(chǎng)的甲烷釋放速率明顯高于春季，降雨除導(dǎo)致溫度下降外，還會(huì)覆土層含水率增加從而導(dǎo)致甲烷排放速度下降。高志文等[16]則發(fā)現(xiàn)24h內(nèi)填埋場(chǎng)甲烷排放速率主要受大氣壓強(qiáng)的影響，溫度變化對(duì)其影響較小，不過(guò)對(duì)其他氣象條件因素(風(fēng)速、空氣濕度等)的研究卻相對(duì)較少。

1.1.2甲烷排放量的估算模型

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于填埋場(chǎng)CH4排放量的計(jì)算模型大致分為動(dòng)力學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)模型兩種類(lèi)型。其中，統(tǒng)計(jì)模型包括IPCC模型(包括質(zhì)量平衡、FOD法和缺省法等)、化學(xué)計(jì)量式模型;動(dòng)力學(xué)模型包括Gardner動(dòng)力學(xué)模型和Marticorena動(dòng)力學(xué)模型[17]。而后，鐘衛(wèi)元補(bǔ)充說(shuō)明動(dòng)力學(xué)模型還包括SheldonArleta模型，統(tǒng)計(jì)模型也包括COD估算模型[18]。張潔等[19]利用LandGEM模型對(duì)北京市垃圾填埋場(chǎng)填埋氣產(chǎn)生量進(jìn)行估算，結(jié)果表明:2012年產(chǎn)生量為19653m3/h，產(chǎn)量高峰將在2016年達(dá)到24003m3/h，并且預(yù)測(cè)值和實(shí)際值吻合較好，表明該模型和參數(shù)的選擇具有較高準(zhǔn)確性。在這些模型中，化學(xué)計(jì)量模型主要用來(lái)預(yù)測(cè)填埋氣的理論產(chǎn)氣量，動(dòng)力學(xué)模型則主要用來(lái)預(yù)測(cè)填埋氣的產(chǎn)氣速率，而后者更有現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)許多學(xué)者利用上述模型估算得到不同城市多年度甲烷排放量，詳見(jiàn)表2。


由表2可知:隨著年份的推移，甲烷估算排放量大致呈上升趨勢(shì)。采用相同方法時(shí)，不同城市的估算量差異較大，這可能和城市化水平、人口數(shù)量和垃圾處理程度有關(guān)，ChhayHoklis等[2]研究結(jié)果表明，由于省會(huì)城市固廢產(chǎn)量大、人口增長(zhǎng)快、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化水平高，其溫室氣體釋放量高于農(nóng)村。相同城市采用不同的估算方法也存在差異，說(shuō)明各模型方法的適用性不同。

1.1.3資源化利用

填埋場(chǎng)的資源化利用方法很多，鍋爐供熱或并網(wǎng)發(fā)電是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的溫室氣體減排技術(shù)[1]，此外還有甲烷氧化技術(shù)、甲烷菌抑制技術(shù)、準(zhǔn)好氧填埋技術(shù)。制備性能卓越的管道氣、生物覆蓋層、可持續(xù)填埋技術(shù)、生物反應(yīng)器填埋技術(shù)也可減少甲烷排放。若能利用較低成本的填埋氣分類(lèi)使填埋氣中各類(lèi)氣體能得到較好的資源化分類(lèi)利用，不僅能減少不利影響，還能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，其中填埋場(chǎng)滲濾液的生物發(fā)酵技術(shù)有較好的商業(yè)利用前景。據(jù)中國(guó)科技部報(bào)告，韓國(guó)利用垃圾填埋場(chǎng)的可燃性氣體生產(chǎn)出氫燃料，并為氫能源汽車(chē)建設(shè)了氫能供應(yīng)站。

1.2CO2

垃圾填埋初期，產(chǎn)生的填埋氣主要是CO2，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，排放氣體中的甲烷含量逐漸上升。產(chǎn)氣高峰一般要在垃圾填埋3～5年后才出現(xiàn)，氣體成分和濃度隨填埋年限和垃圾成分的不同而變化[7]。XuQiyong等[23]研究指出生物反應(yīng)技術(shù)在中國(guó)固體廢物處理方面有著良好的應(yīng)用前景。馬占云等[24]用靜態(tài)箱法監(jiān)測(cè)了CH4和CO2釋放通量，指出春、夏、秋季釋放通量變化較為平穩(wěn)，二者表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，并且日變化具有隨機(jī)性，11月份覆蓋層氧化作用相對(duì)較弱，對(duì)CO2的相對(duì)濃度擾動(dòng)程度比7月份平穩(wěn)。馮凱等[25]從影響因素方面說(shuō)明CO2釋放通量與土壤含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，與覆土溫度無(wú)相關(guān)性(P>0.05)。

1.3N2O

氧化亞氮(N2O)是三大溫室氣體之一，作為一種高效痕量的溫室氣體，N2O具有極高的潛在增溫效應(yīng)，其單分子潛在的增溫作用是CO2的296倍[27]，且N2O可以在大氣中長(zhǎng)期存在，對(duì)臭氧層具有較強(qiáng)的破壞作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生活垃圾填埋場(chǎng)N2O排放量占其溫室氣體總排放量的3%[26]。賈明升等[27]研究指出了相比森林、濕地、草原等自然生態(tài)系統(tǒng)，生活垃圾填埋場(chǎng)在理論上可能具有更強(qiáng)的氧化亞氮釋放能力，并分析比較了靜態(tài)箱法、渦度相關(guān)法等N2O通量測(cè)定方法在填埋場(chǎng)的適用性。對(duì)于影響因素的問(wèn)題，曾遠(yuǎn)等[28]研究概括了影響生活垃圾填埋場(chǎng)覆土N2O釋放

主要因素包括土壤的溫度、含水率、pH、質(zhì)地、碳氮含量和植被狀況等;SunYingjie等[29]研究表明各影響因素在垃圾填埋的不同階段影響不同，并且后期N2O排放量較大。

2揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)

垃圾的成分非常復(fù)雜，在填埋場(chǎng)內(nèi)部填埋壓縮作用下會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，產(chǎn)生多種的次生物質(zhì)，目前已被發(fā)現(xiàn)的就達(dá)百種，其中體積分?jǐn)?shù)小于1%的微量揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)是大氣中臭氧及二次有機(jī)氣溶膠(SOA)的重要前體物，主要包括烷烴、環(huán)烷烴、芳烴和鹵代化合物等，有研究在垃圾填埋場(chǎng)大氣中共檢測(cè)出34種VOCs化合物，其中19種化合物屬于美國(guó)環(huán)保局重點(diǎn)控制的空氣有害污染物[30]。

2.1揮發(fā)性有機(jī)物的產(chǎn)生

VOCs可在大氣中形成光化學(xué)煙霧，對(duì)環(huán)境和人體造成極大危害。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都頒布了相應(yīng)的法令以限制排放，垃圾填埋場(chǎng)是VOCs的重要排放源。隨著垃圾填埋年限的增加，揮發(fā)性有機(jī)物的產(chǎn)生和排放量從填埋伊始逐年增加。黃丹丹等[31]研究得出:VOCs的釋放表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性及區(qū)域性變化，夏季垃圾填埋場(chǎng)VOCs種類(lèi)和濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于冬季。徐捷等[32]研究表明:填埋區(qū)空氣中VOCs濃度明顯高于周邊環(huán)境，近地面低洼處明顯高于開(kāi)闊處高地，

夏季其種類(lèi)和濃度都高于春季。宋釗[30]通過(guò)5年期間在上海的生活垃圾填埋場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)秋季VOCs種類(lèi)多于春季，總體上以單環(huán)芳烴、甲基乙基酮、鹵代脂肪烴為主。MohammadAlAhmad等[33]通過(guò)比較不同填埋年限垃圾VOCs的釋放，得出原位好氧穩(wěn)定法更適用于減少VOCs排放濃度。

2.2檢測(cè)方法

目前對(duì)填埋場(chǎng)VOCs的檢測(cè)研究有很多，現(xiàn)今普遍使用的是氣質(zhì)聯(lián)用法。王黎明等[34]分析比較了氣相色譜法、高效液相色譜法、膜技術(shù)處理、化學(xué)法和在線檢測(cè)試驗(yàn)艙等檢測(cè)方法的差異性。徐捷等[32]則采用USEPATO-15方法對(duì)某垃圾填埋場(chǎng)填埋作業(yè)區(qū)、填埋場(chǎng)邊界及周?chē)舾悬c(diǎn)大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。RodicaChiriac等[35]則采用過(guò)濾吸附法得出開(kāi)放環(huán)境中含量最高的4種揮發(fā)性有機(jī)物分別為四氯化物、檸檬苯、間二甲苯、三氯乙烯，并對(duì)城市垃圾填埋場(chǎng)VOCs排放進(jìn)行了許多研究，如采用含活性炭放射性擴(kuò)散Radiello管進(jìn)行兩個(gè)月的靜態(tài)取樣，并溶劑萃取進(jìn)行GC-MS分析，結(jié)果表明VOCs的主要來(lái)源是開(kāi)放式單元，與相鄰來(lái)源假設(shè)相悖[36]，也在中試規(guī)模含6.4t固體廢棄物的空間利用相同方法研究甲烷化過(guò)程之前的VOCs排放，發(fā)現(xiàn)酸性條件對(duì)VOCs的排放有促進(jìn)作用，當(dāng)甲烷開(kāi)始產(chǎn)生時(shí)，烷烴含量下降，烯烴含量上升[37]。

對(duì)填埋氣的研究還包括其他氣體，如DongbeiYue等[38]研究了中國(guó)北方不同地區(qū)城市固體廢物填埋場(chǎng)的含硫化合物排放規(guī)律，發(fā)現(xiàn)所排放的含硫化合物中二甲基二硫含量最多，硫化物在地表和土壤覆蓋兩種情況下排放速率相似。

3結(jié)論

目前已有較多針對(duì)垃圾填埋場(chǎng)填埋氣排放影響因素的研究，但是具體因素與氣體排放的關(guān)系以及如何影響的研究相對(duì)較少，例如影響氣體排放的氣象條件如風(fēng)速、濕度、光照等與氣體排放的相關(guān)性，各因素之間的交叉相關(guān)性還應(yīng)予以考慮。根據(jù)以上綜述，針對(duì)填埋場(chǎng)排放氣體的研究主要集中在直接排放的氣體，關(guān)于LFG中各種氣體排放之間相關(guān)性以及交互作用的研究稍有欠缺。填埋場(chǎng)排放物資源化利用潛力較好，往后研究可稍加注意。揮發(fā)性有機(jī)物的排放種類(lèi)較多，但因其容易與大氣中氣體反應(yīng)產(chǎn)生次生污染物，故應(yīng)針對(duì)填埋場(chǎng)大氣污染物的種類(lèi)和數(shù)量以及和氣象條件的相關(guān)性進(jìn)行研究。