（环境工程专业论文）某垃圾填埋场甲烷释放速率研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 填埋气体的主要成份为甲烷和二氧化碳。与二氧化碳相比，甲烷会带来 更大的温室效应。近年来随着我国城市垃圾产量的快速增长，垃圾填埋场填 埋气体对环境的危害日益突出，已成为一个亟待解决的环境问题。而另一方 面，填埋气体中的甲烷含量较高，且具有较高的热值，是一种利用价值较高 的清洁燃料，如产量较大，加以回收利用，既可以达到温室气体减排目的， 又可减缓社会能源需求压力。因此，必须对填埋气进行处理和利用，但是得 首先研究清楚填埋气的产量和产气速率。 填埋气的产生受到很多因素的影响：垃圾组分、垃圾含水率、垃圾温度、 气象条件( 温度、大气压强、降雨) 、p h 值、垃圾填埋时间、填埋场构造和 环境地质条件。 本研究采用静态箱法对某垃圾填埋场产生的甲烷气进行现场监测，计算 其释放速率，分析不同填埋时间、气象条件( 温度、大气压强、降雨) 、不 同季节等对甲烷释放速率的影响，了解该生活垃圾填埋场甲烷释放速率的变 化规律。 研究结果表明： ( 1 ) 填埋时间对垃圾的产甲烷速率具有明显影响。垃圾填埋后，甲烷释放 速率逐渐增加，到2 年时达最大值，随后甲烷释放速率又开始下降； ( 2 ) 由于季节气象条件变化的影响，夏季填埋场的甲烷释放速率高于春、 秋、冬三季，主要受到温度、含水量的影响。 ( 3 ) 运用阿伦尼乌斯公式建立一个测点甲烷释放速率与绝对温度的 表达关系式为： l nk = 3 2 2 4 4 一8 2 7 0 7 2 。 并求出其表观活化能e a 为6 8 7 6 2 6 0 k j m o l 。 ( 4 ) 一天内填埋场的甲烷释放速率变化较大。中午甲烷释放速率最大，下 午甲烷释放速率逐渐下降，夜间到凌晨甲烷释放速率最低； ( 5 ) 由于降雨导致温度下降和覆土层含水率增加，填埋场甲烷释放速率明 显下降。 关键字：垃圾填埋场静态箱法甲烷释放速率影响因素 a b s t r a c t t h em a i nc o m p o n e n t so fl a n d f i l l g a sa r em e t h a n ea n dc a r b o nd i o x i d e c o m p a r e dw i t hc a r b o nd i o x i d e ，m e t h a n eh a sm o r eg r e e n h o u s ep o t e n t i a l a st h e f a s tg r o w t ho fc h i n a sm s w ，t h et h r e a to fl f gt oe n v i r o n m e n th a sb e c o m i n ga l l u r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d m e a n w h i l e ，w i t hh i g hh e a tv a l u ea n dh i g hm e t h a n e c o n c e n t r a t i o n ，l f gi sak i n do fh i g h v a l u ec l e a nf u e l i fl f gg e n e r a t e di nl a r g e a m o u n ti nl a n d f i l l ，i tc o u l db er e c y c l e df o rf u r t h e ru t i l i z a t i o n t o r e a c ht h e p u r p o s eo fg r e e n h o u s eg a sr e d u c t i o na n de a s et h ep r e s s u r ef r o ms o c i a ln e e d sf o r e n e r g y i no r d e rt or e c o v e rl f g ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ep r o d u c t i o na n d g e n e r a t i o nr a t eo fl f g t h ep r o c e s so fl f gg e n e r a t i o ni s v e r yc o m p l i c a t e d ：w a s t ec o m p o n e n t s ， w a s t em o i s t u r e ，w a s t et e m p e r a t u r e ，w e a t h e r c o n d i t i o n s ( t e m p e r a t u r e ，a t m o s p h e r i c p r e s s u r e ，r a i n f a l l ) ，p hv a l u e ，t h et i m eo fl a n d f i l l t h em e t h a n er e l e a s er a t eo fal a n d f i l lw a ss t u d i e d b yu s i n gt h es t a t i c c h a m b e rt e c h n i q u e c a l c u l a t i n gt h em e t h a n er e l e a s er a t e ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c e f a c t o ro ft h em e t h a n er e l e a s er a t ea b o u td i f f e r e n tt h et i m eo fl a n d f i l l d i f f e r e n t w e a t h e r c o n d i t i o n s ( t e m p e r a t u r e ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，r a i n f a l l ) a n dd i f f e r e n t s e a s o n f i n do u tt h er e l a t i o n s h i po fm e t h a n er e l e a s er a t ea b o u tt h i sl a n d f i l l t h er e s u l ts h o w st h a t ： ( 1 ) t h et i m eo fl a n d f i l lo b v i o u s l yi m p a c t st h em e t h a n er e l e a s er a t eo ft h e w a s t e ，w h i c hr e a c h e st h ep e a k2y e a r sa f t e rt h eg a r b a g eh a sb e e nf i l l e d ，t h e n b e g i n st od e c l i n e ( 2 ) d u et ot h ei m p a c to ft h es e a s o n a lc h a n g e si nt e m p e r a t u r e ，t h em e t h a n e r e l e a s er a t ei ns u m m e ri so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a ti ns p r i n g a u t u m n w i n t e r , t h e m a i ni n f l u e n c ef a c t o ri st e m p e r a t u r ea n dw a s t em o i s t u r e ( 3 ) h a n d lea r r h e n i u sf o r n m u l ae s t a b l i s hae q u a t i o na b o u tr e l e a s er a t eo f t h ew a s t ea n da b s o l u t et e m p e r a t u r e ： i nk = 3 2 2 4 4 一8 2 7 0 7 r t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yw a s6 8 7 6 2 6 0 k j m 0 1 ( 4 ) t h em e t h a n er e l e a s er a t ea l s oc h a n g e sg r e a t l yd u r i n ga d a y , r e a c h i n gt h e _ - i i i _ _ l _ l _ - _ _ _ i _ _ _ _ _ - _ _ _ _ i l - _ _ - l - - - _ - i _ l l - _ l _ _ l i - l _ _ - - _ _ _ i l _ _ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 p e a ka r o u n d 1 1 a m ，d e c l i n i n gg r a d u a l l yi nt h ea f t e r n o o na n dr e a c h i n gt h e m i n i m u md u r i n gt h em i d n i g h tt ot h ee a r l ym o r n i n g ( 5 ) b e c a u s eo ft h et e m p e r a t u r ed r o p p i n ga n dt h em o i s t u r ei n c r e a s i n gi ns o i l a f t e rt h er a i n ，t h em e t h a n er e l e a s er a t ei sd e c r e a s i n gg r e a t l y k e yw o r d s ：l a n d f i l l ；t h es t a t i cc h a m b e rt e c h n i q u e ；t h em e t h a n er e l e a s er a t e ； i 1 1 f l u e n c ef a c t o r 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：专1 艘 日期：茄吖弘2 - 7 ， 指导老师签名：毫二小 日期：俨7 歹+ 刁 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 通过对某垃圾填埋场产生的甲烷气体的排放进行现场监测和相应的实验， 计算其释放速率，研究该垃圾填埋场甲烷释放速率与不同填埋时间、不同气象 条件( 温度、大气压强、降雨) 、不同季节等之间的关系，分析各个因素对甲 烷释放速率的影响程度，了解该垃圾填埋场甲烷释放速率的变化规律。 亩f 螋 j 加叮一z 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 本问题的提出 1 1 1 垃圾填埋法的地位 随着我国社会经济的发展，城市数量、城市人口的增加以及人民生活水 平的提高，作为城市公害的城市生活垃圾( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e 简称m s w ) ， 的产量也迅速地增加。垃圾的污染问题已成为一个十分严峻的问题，它和大 气污染，水污染成为当今最主要的三种污染形式。如何处理和处置城市生活 垃圾，实现减量化、资源化和无害化是我国城市社会经济发展中急待解决的 重大社会与环境问题。 垃圾处理处置的方法主要包括卫生填埋( s a n i t a r yl a n d f i l l ) 、堆肥 ( c o m p o s t i n g ) 、焚烧( i n c i n e r a t i o n ) 和资源回收( r e c y c l e ) 等。不同的处理处置方法 各有优缺点。焚烧法减量化好，处理彻底，但是它一次性投资大，运行费用 也很高，对管理水平和设备维修要求高，而且焚烧过程中产生的烟气含有很 多的有毒有害物质，若处理不当，所产生的二次污染对环境产生很大的危害， 由于受到垃圾组分和经济条件的限制，焚烧技术在我国城市生活垃圾处理中 应用较少；堆肥法存在着堆肥肥效低，产品出路不佳，与化肥等同类产品相 比竞争力差的缺点，而且长期使用易造成土壤板结和地下水变质变坏，加之 受到生活垃圾缺乏有效分类收集的影响，堆肥法在我国城市生活垃圾处理中 受到一定的限制；资源回收是一个很好的方法，它从源头上削减垃圾产量， 而且还能变废为宝，但是它只是一种垃圾减量化的途径，并不能代替垃圾的 最终的处置；尽管卫生填埋法也有其自身的缺点，如选址困难、占地面积大、 产生的渗滤液与填埋气污染地下水与大气等，但是填埋法具有投资省、处理 费用低、处理量大、所需设备少、操作简便且能回收沼气等优点，而且如果 设计运行得当，可以避免二次污染，因此垃圾卫生填埋法成为了世界上许多 国家的垃圾处理的主要方式，我国几乎9 0 以上是采用填埋法处理城市生活 垃圾的。三种城市生活垃圾处理处置方式的特点见表1 1 。 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 。o 。o 。_ _ l - _ _ _ l i _ _ _ _ l l i _ _ l - _ l _ - _ i _ _ _ _ - i -l _ _ _ ：_ _ ；_ 表1 1三种城市生活垃圾处理处置方式的特点 我国作为发展中国家，和其他发达国家相比，资金紧缺，而卫生填埋法 最大的优点是投资省、处理量大，因此卫生填埋法是垃圾处理必不可少的最 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 终处理手段，也是现阶段我国垃圾处理的主要方式。 1 1 2 垃圾填埋气成分和特点 填埋气( 1 a n d f i l lg a s ) 简称( l f g ) 是填埋场内的有机物质通过微生物厌 氧降解，挥发和化学反应而产生的一种混合气体，作为垃圾填埋的副产物，它 主要由c h 4 、c 0 2 、0 2 、n 2 、h 2 和多种微量气体组成。其中，主要成分包括 c h 4 和c 0 2 ，体积占填埋气体总量的9 5 9 9 ；常见成分主要是指垃圾在生 物降解过程中产生的除c h 4 和c 0 2 外的其它常见的气体，包括h 2 s 、n h 3 和 h 2 等气体，这些气体的含量较小，占填埋气体总体积的不到5 ，h 2 s 和n h 3 分别是含硫和含氮有机物降解产生的，h 2 则是有机物在厌氧降解的产酸阶段 产生而未被甲烷菌消耗的那一部分；微量成分是指填埋气体中还含有总量低 于1 的一些气体，这些微量气体虽然数量很少，但其中一部分可能有毒， 且种类多成分复杂，主要是包括烷烃，环烷烃，芳烃，卤代化合物等在内的 挥发性有机物( v o c ) 。它们主要来源于垃圾中油漆、洗涤剂、干洗剂、空 气清新剂等化学物质及其残留物的挥发和生物降解。典型的填埋气成分和含 量如表1 2 所示【2 】： 表1 2典型的填埋气成分及其含量 成 分 c 地 c 0 2 n 2 硫化物 0 2 n h 3 c o h 2 其他微量气体 填埋气具有以下特点： ( 1 ) 污染和破坏大气环境。填埋气是一种温室气体，其中的主要成分c h 4 、 c 0 2 ，能导致温室效应，特别是c h 4 气体，它的温室效应是c 0 2 的2 0 倍以上 【3 1 。据估算，垃圾填埋气对于全球变暖所做的贡献为3 【4 1 ，仅次于稻田的贡 o o 1 i 2 2 铷 铷 。 引 枷 枷 舵 舵 枷 钙 加 2 队 们 ，l、，、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 献。 ( 2 ) 存在燃烧、爆炸等安全隐患。填埋气是爆炸性的气体，当空气中的 c h 4 浓度在5 1 5 时，有爆炸的可能性。甲烷比空气轻，它的密度约为空 气的0 5 5 倍，在填埋场中会向上运动，并在不渗透的封闭空间积聚，容易造 成爆炸事故，填埋气中含有大量的痕量气体，这些气体大多是非甲烷有机物， 它们总量虽然很小，但是对环境和人体健康却具有很大的危害性。邹世春【5 】 等通过对广州填埋场的研究发现了包括苯、甲苯、氯乙烯、氯仿等被美国国 家环保局( u s e p a ) 列为优先控制物的痕量气体，y o u n g 等【6 】人测定了英国 3 个不同的垃圾填埋场周围空气中微量挥发性有机物，共检测出1 5 4 种化合 物，其中，在各个填埋场中检验出的1 1 6 种化合物均属于可回收利用的能源， 一般成熟的垃圾填埋场中c h 4 的体积含量在5 5 左右，c 0 2 的体积含量在 4 5 左右【7 1 。 ( 3 ) 对人体健康和动植物有毒害作用。填埋气中含有大量的痕量气体，统 称为非甲烷有机物( n o nm e t h a n eo r g a n i cc o m p o u n d s ，n m o c ) ，这些气体虽 然总量很小，但对环境和人体健康却具有很大的危害性，对人的肝、肾等器 官有毒害作用，而且很多还是“三致”有机物【黏9 1 。填埋场工作人员和周围居民 长期接触填埋气，其健康将受到严重威胁。 ( 4 ) 填埋气具有可利用的热值。填埋气的高位热值在1 5 6 3 0 1 9 5 3 7k j m 弓 f l o 】，经过一定的处理后，是一种很好的能源，资料表明 1 1 , 1 2 1 ，每吨垃圾在填埋 场寿命期内大约可产生1 0 0 2 0 0 m 3 的沼气，其热值一般为7 4 5 0 2 2 3 5 0 k j m 一， 脱水后热值可提高1 0 ，除去c 0 2 ，h 2 s 及其它杂质组分后，又可将热值提高到 2 2 3 6 0 - 2 6 0 0 0 k j m 。3 ( 天然气的热值为3 7 2 6 0 k j m 3 ) ，因此它又是一种潜在的清 洁能源。 1 1 3 课题的提出 随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，国家对市政和环 卫基础设施的投入也在不断地增加，因此一批大型的卫生填埋场正在规划建 设中或者已经开始运行，由于垃圾填埋气是爆炸性的气体、又是温室气体， 其中的微量气体对环境和人体健康有很大的破坏作用。但是它又是一种可以 回收利用的资源，因此为了保护环境与人体健康，同时取得较好的经济效益， 研究结果表明对于有利用价值的填埋场，要对填埋气进行收集处理与利用， 以达到社会效益、环境效益和经济效益的统一。而一些发达国家则从保护环 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 境保护角度考虑，其环境标准更是要求对填埋气进行强制性的收集处理。 但是，要对填埋气进行收集处理和利用，分析其利用规模及经济效益， 一个最基本的问题就是垃圾填埋气的产量和产气速率的问题。确定一个垃圾 填埋场的填埋气是否具有利用价值和利用规模要依赖于填埋气的产量和产气 速率，尤其是产气速率更是个关键的参数。因此填埋气的产量和产气速率是 填埋气利用的最基本参数，必须首先确定这一参数值，才能很好地进行回收 利用。 、 同时，垃圾填埋场产气速率的研究为垃圾填埋场的环境影响评价提供理 论依据。工程项目都应当进行环境影响评价，垃圾填埋场对环境造成的影响 主要包括几个方面，其中一个方面就是填埋气，由于其温室效应爆炸性以及 有毒有害性，已经对环境造成了较大的影响。要评价填埋气对环境的影响， 一个最基本的参数便是产气量和产气速率。 因此，为了达到垃圾填埋场的社会效益、环境效益和经济效益的统一， 上规模的填埋场都应当进行填埋气的收集处理和利用，那么垃圾填埋场产气 量和产气速率是相当重要的数据。 基于上述，本论文具有较重要的研究意义。 1 2 研究意义和目的 本研究的目的在于通过对某垃圾填埋场产生的填埋气中的甲烷排放现场 监测和相应的实验，计算其释放速率，并分析不同气象条件( 温度、大气压 强、降雨) 、不同季节、不同填埋时间对甲烷释放速率的影响程度，了解该 生活垃圾填埋场甲烷释放速率的变化规律。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外目前确定填埋场的产气量和产气速率的方法主要有三种：一是现场 抽气实验，二是实验室模拟实验，三是模型估算法。需要指出的是这三种方 法并不是孤立的，三者往往结合在一起。确定产气量产气速率经常要用到两 种或三种方法。虽然我国的垃圾特性和填埋场条件与国外的情况差异较大， 一些模型不能直接利用，但是这些模型对国内的填埋气利用有较好的借鉴和 指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 国外对填埋气的产气模型的研究始于二十世纪七十年代，当时一些学者 合理地总结了一些试验性的数据来描述填埋产气的情况【1 3 1 。填埋场产气模型 有两种不同的分类方法。根据研究对象分类，可分为产气速率模型和产气量 模型。根据对系统的认识程度，可分为经验模型、化学计量模型、动力学模 型和生态模型【l4 1 。其中，动力学模型和生态模型则主要用来预测填埋气的产 气速率，而这种预测更有现实意义。 动力学模型 一般，填埋气产生速率表示见式1 1 ： i d c = 儿，c ”) ( 1 1 ) 式中，t 为时间；c 为甲烷产量或可生物降解的有机物的量；指数n 称为 动力学级数。当n = o 时，为零级反应；当n = l 时，为一级反应。零级模型表 明甲烷产生速率与垃圾量、已产生的甲烷量无关。h a m 等认为【l6 1 ，一些填埋 场产气服从零级动力学规律，尤其是在产气活跃的阶段。c o s s u 则认为【1 4 】， 零级动力学是由于填埋场没有形成有利于甲烷产生的条件，如含水率低、营 养物短缺，导致了相对恒定的气体产生速率。 下面介绍几个国外的一级动力学模型： s c h o l lc a n y o n 模型假设经历一段可以忽略的时间后【1 5 】，填埋气的产生 速率迅速地达到它的最大值，随后产气速率随可降解的有机物的减少而降低。 模型把填埋场中的垃圾按年划分，总的产气速率是每年填入垃圾的产气速率 之和。s c h o l lc a n y o n 模型的优点是模型简单，需要的参数较少。 p a l o s v e r d e s 模型【1 5 1 ，认为甲烷产生经历两个阶段，在第一阶段中，甲 烷产生速度正比于已经产生的甲烷的体积，第二阶段中，余下的产甲烷潜能 减少速度正比于剩余的产气潜能。并且假设最大的产气速率和半衰期t l 2 ( t l 2 指填埋场中一半的产甲烷潜能转化为甲烷的时间、) 都发生在两个阶段的连接 点处。模型将可降解的有机垃圾分为三类：快速降解的( 食品等) 、中等程度 降解的( 纸张、木材、织物等) 和难降解的( 橡胶、塑料等) ，总的产气速率 是三者之和。 m g m e m c o n 模型形象地描述了填埋气的产生过程【1 4 1 ，有典型的滞留 期、增长期和下降期。该模型需要确定滞留时间、最大速率时间和转化时间( 可 降解的物质转化为沼气所需的时间) 等参数，可降解有机物的理论产甲烷量， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 填埋场总的产气速率是每层产气速率之和。 以上模型结构比较简单，使用起来较为方便。但是也存在很多不足，如 s c h o l lc a n y o n 模型忽略了垃圾降解自开始产气到产气速率达到最大这段时 间：p a l o sv e r d e s 模型假设最大的产气速率发生在半衰期处，而实际上最大的 产气速率往往在半衰期之前就已经到达；m g me m c o n 则依赖经验选择 t l a g , t p e a k 等参数。 生态模型 前面讨论的动力学模型均是由有机物直接转化为c h 4 ，忽略了所经历的 中间过程，一些学者根据垃圾厌氧降解经历的不同阶段，结合微生物生长情 况，提出了较为精确的模型。 e 1 一f a d e l 等认为由h 2 还原c 0 2 生成的c h 4 可以忽略不计【1 6 】，将可降解 的垃圾分为碳水化合物、脂肪和蛋白质等三类，并且认为经水解后三类液态 碳有相同的降解速率，按照垃圾厌氧降解的四个阶段，将有机碳的存在形式 以碳链表示，其存在形式有7 种，如图1 1 所示。按照每一阶段反应，根据 m o n o d 模式和质量守恒关系，得出c h 4 的产气速率见式1 2 ： 了d c h 4 ：1 学* c a c ( k 跗+ c 4 c ) + d 跏| c 删( 1 2 ) “ l 1 m j 式中，d c h 4 d t 为c 地的净产生速率( k g m 3 - d ) ；y m 为利用单位质量的乙 酸所形成的产甲烷菌碳的质量( k g k g ) ； 2 m 为产甲烷菌的最大比增长速率 ( 1 a ) ；k s m 为产甲烷菌的半速率常数( 蚝m 3 ) ；为产甲烷菌的衰减速率常数 ( 1 a ) ；c a c 为乙酸含碳浓度( k g m 3 ) ；c x m 为甲烷茵含碳浓度( k g m 3 ) ；y c l q 4 为 甲烷菌的产率系数( k g k g ) 。 此后不少学者对此模型做了进一步修改与完善。s p a r e c k 等认为不能忽 略硫酸盐还原菌( s r b ) 与产甲烷菌的竞争【1 7 】，同样按照m o n o d 方程得出每一 步的反应式，得到较上面模型更为复杂的模型。j j l e e 等将h 2 还原c 0 2 反 应生成的c h 4 也算在内【l 引，因此所得的模型表达式也更复杂些。 e 1 f a d e l 本人也对上述的模型进行了改进【1 9 1 ，他考虑了填埋场中温度作 用于产甲烷效应，将热量产生与气体生成模型结合起来，模拟出填埋场中的 气体和热量在时间和空间上的分布。由于这一模型考虑了热量对于产甲烷的 效应，因此更好的模拟除了填埋场得产气过程，但是却更为复杂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 1垃圾填埋产气转化示意图 表1 3 列出了国外报道的由上述三种方法得到的填埋气的比较典型的产 量和产气速率的数据。 表1 3国外出现的填埋气产量和速率的典型值 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 w i s e 等2 7 ( 19 8 7 ) b a r l a z 等【2 8 1 ( 19 8 7 ) b a r l a z 等1 2 9 ( 19 8 9 ) 10 0 4 0 0l k g 7 7 - 1 0 7l k g 干垃圾 圾- a 3 9 1 3 0l k g a 2 0 0l k g a 4 5 5 - 8 2 2l k g 干垃 圾a 实验模拟 实验模拟 实验模拟 g a r d n e r t 3 0 1 ( 1 9 9 3 ) 4 8 1 k g 5 8 士3 2l k g a模型估算 需要指出的是，填埋气的产量和产气速率受很多条件因素影响，如垃圾 成分、含水率、温度、营养物质、微生物种群等等。因此填埋气的产量与产 气速率千差万别，同时填埋气在填埋场的迁移运动十分的复杂，土壤覆盖层 中的微生物对甲烷具有一定的氧化能力，因此十分准确定量地预测和收集填 埋气比较困难。 由表2 可知，国外在这一领域已经做了很多的研究，但是由于各个研究 的条件各不一样，所得出的数据相差较大。 虽然国外在这方面已做出了大量的工作，有很多的经验及研究成果可以 借鉴，但是由于填埋气的产量和产气速率与垃圾的成分和其他的一些条件如： 含水率、温度、p h 等有着密切的关系，而我国的垃圾成分及其他有些参数与 发达国家差别较大，因此不能完全照搬国外的研究成果。 这些差别主要表现在： 垃圾中有机物含量和国外的相比虽低，但食品垃圾的含量较高，食品垃 圾较易生物降解因此产气速率会较快【4 1 1 。 垃圾中的碳氮比较低国外垃圾c n 典型值为4 9 1 ，而我国垃圾c n 约为 2 0 1 ，实践证明2 0 1 3 0 1 的c n 为细菌厌氧发酵的最佳c n 比【3 1 】。 垃圾含水率相差较大，我国垃圾含水率一般在4 0 6 0 ，甚至更高，而 国外在2 0 4 0 左右【4 引。 同时国外的相关研究也存在这样那样的缺陷，难以完全照搬。因此必须 结合我国垃圾的特点进行现场研究。 1 3 2 国内研究现状 与发达国家相比，我国在城市垃圾填埋处置方面的研究起步较晚，对填 埋气的产量和产气速率的研究就更晚，并且研究也相当有限。但是近年来随 着我国城市垃圾填埋场气体问题的日益突出，对这方面的研究已开始引起热 来热多的关注【3 1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 余国泰【32 j 采用q r l i c h ( 1 9 9 0 ) 年提出的全球c i - h 排放量经验估算方法， 分别对1 9 9 0 年和1 9 9 2 年全国4 6 个主要城市生活垃圾的c h 4 排放量进行了 初步的探索性研究。 黎青松等 3 3 】，【3 4 1 人通过对深圳市玉龙坑填埋场的现场打井抽气实验，监测 得到玉龙坑垃圾填埋场气体成分为c h 4 6 2 2 ，0 2 1 o ，c 0 2 3 4 7 ，其余气 体2 1 ：该填埋场的垃圾理论产生量为18 8 7 m 3 t ，产气率数学模型为 r i = 2 1 5 e 0 圯1 ；监测后得出该填埋场当时正处于产气高峰期，整个产气过程约 持续3 0 a 填埋才能达到稳定化、无害化。 焦学军等 3 5 1 针对上海市老港垃圾填埋场结合实验室研究应用 m g m e m c o n 模型得出理论上的甲烷产量为5 2 9 7 k g 。l f g 中的主要成分为 c h 4 和c 0 2 ，两者的体积分数( 浓度) 变化范围分别为5 5 6 5 和2 5 3 5 。 这两种主要成份的浓度在垃圾填埋几周或数月后达到稳定状态，认为不受填 埋时间的影响。而填埋时间是影响填埋气体产生速率的重要影响因素。根据 实验室实验，在填埋后的l 5 年内产气速率随时间的增加而减少，波动范围 为1 7 2 4 7 2 m l k g d 。现场实验填埋两年的垃圾实际的产气速率为4 6 m l k g d 。 说明填埋后，前2 a 内的产气速率下降较快，从第3 a 开始将逐渐趋于稳定。 李雁等【3 6 】，【3 7 】也对五峰垃圾填埋场的填埋气进行了一年多的现场监测，在 五峰垃圾填埋场，监测数据表明，c h 4 浓度最高值出现在距离开始填埋时的 第2 1 个月，然后浓度逐渐下降，在第3 8 个月后，c h 4 浓度为1 1 1 2 。这说明 在五峰垃圾填埋场内部，垃圾发酵过程的主要阶段在第3 8 个月之前已经发 生。并且发现在该填埋场未封场区c h 4 和c 0 2 的浓度要比封场区高很多。填 埋场内部平均气温为2 5 ，他还根据监测的数据由线形回归的方法导出了五 峰垃圾填埋场甲烷气体浓度变化的关系式。由于此关系式是由试验数据的统 计分析得出的，不是由填埋场内部的反应机理导出，因此它不能适用于其他 填埋场。 李军1 3 划在对影响填埋气甲烷含量的因子进行了实验，结果表明垃圾成分 对填埋气甲烷含量有显著影响；对渗滤液回灌无显著影响。调节填埋物含水 率在5 0 6 0 ，p h 6 8 7 2 ，同时注意保温，增加培养基和细菌数量，提高 填埋场的作业水平，将有利于填埋气的产生。 向武等1 3 9 j 将二妃山与流芳垃圾填埋场分析结果对比后可以发现，c h 4 释 放通量的大小随采样点的不同存在较大的差异，规律为随填埋层封闭时限由 老到新( i _ i i _ i i i ) c h 4 释放通量呈数量级次递减。相关研究表明，典型卫生 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 填埋场单元封闭3 0 3 6 个月后c i - h 产量将达到高峰，流芳填埋场于2 0 0 3 年9 月彻底封闭，二妃山处理场随后开始运行，采样当时各填埋层封闭时限均未超 过3 0 3 6 个月，故填埋层封闭越久c h 4 产量越高。垃圾填埋场作为重要的 c h 4 释放源，由于地域的不同、或是具有不同的填埋性质，其c h 4 通量值也 会呈现较大的差异，同一研究者得到的数据c h 4 通量值波动范围甚至可以达 到6 个数量级次的变化区间。研究还表明垃圾填埋场除了表现为c h 4 释放源 以外，某些情况下还会扮演，c h 4 吸收汇的角色。这同时也表明，相对其它 c h 4 排放源来说，填埋场c h 4 通量变化规律更为复杂，因此结合各填埋场具 体情况进行研究，所得到的结果方能更接近于实际。 高志文、何品晶【4 0 】等在杭州市天子岭垃圾填埋场以静态箱法测试了该垃 圾填埋场封场后的甲烷排放情况。2 4 h 周期内，2 个测试点甲烷释放速率均值 的变化范围为3 6 7 3 6 6 5m m o l ( m 2 h ) 。2 个测试点甲烷释放速率的最大比 值为6 2 5 ，其差异可以根据覆土层厚度的不同得到解释。单点甲烷释放速率 显示与大气压强和覆土层含水率的相关性，逐次回归结果分别为r 2 = o 8 9 ( 测 试点1 )和r 2 = 0 7 6 ( 测试点2 ) 。4 0 d内甲烷释放速率为 0 2 3 0 3 2 m m o l ( m 2 - h ) _ ( 覆土层厚度相同点的均值) ，甲烷释放速率和大气压 强无明显线性关系( r 2 = o 1 5 ) 。在某时段甲烷释放速率和覆土层含水率或温度 具有显著的相关性，但在整个时段关系却不明显( r 2 含水率 温度。n h 4 + 的添加对c h 4 氧化的影响更大是由于硝化作用和c h 4 氧化作用间相互竞争0 2 ，而不是n i - h + 浓度本身；土壤最佳含水率为1 5 6 1 8 8 ，大约为土壤最大持水力的5 0 ， 低于该范围微生物生长的水分因子受限，高于该范围c h 4 和0 2 的分子扩散 受限，均不利于c h 4 氧化微生物的生长；最佳温度随土壤含水率的升高 ( 5 3 0 ) 呈下降( 3 0 0 c 2 0 0 c ) 趋势。b o g n e r 等i 5 5 j 利用填埋场c h 4 能源回收设 备停机检修的空挡利用静态箱技术开展了c h 4 氧化动力学的现场试验研究， 表明：在低浓度c h 4 和高浓度c h 4 排放条件下，存在不同的c h 4 氧化微生物 种群。b r j e s s o n 等【5 6 j 指出，肥沃土壤的营养丰富、持水力强，更有利于c h 4 氧化过程的进行。v i s s c h e r 等【5 7 】发现在填埋场覆盖层条件下，氧气的传输往 往受到限制，c h 4 氧化主要发生在表面3 0 c m 以内。v i s s c h e r c l e e m p u t 钵j 发现 在低浓度c h 4 条件下，n h 4 + 供应过多，会抑制c h 4 的氧化，而在高浓度c h 4 条件下，添加n h 4 + 可补充氮源，反而能刺激c h 4 的氧化。b r - j e s s o n 等垆刿研 究了季节变化对新旧填埋场排放c h 4 氧化的影响，夏季新填埋场的c h 4 氧化 率在4 1 - 5 0 ，旧填埋场的c h 4 氧化率在6 0 9 4 ；冬季，特别是温度低 于零度，填埋场的c h 4 氧化几乎停止。b r j e s s o n 等【6 0 1 的研究表明，不同温度 条件下的嗜甲烷菌种群各不相同，i 型嗜甲烷菌在低温条件( 5 0 c 1 0 0 c ) 下生 长迅速，而i i 型嗜甲烷菌在2 0 0 c 以上才开始快速生长。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 强化利用填埋场终场覆盖层土壤的c 出氧化能力是控制c i - h 释放的一种 经济和高效的手段。国外对于填埋场终场覆盖层c h 4 氧化行为的研究表明， 填埋场终场覆盖层作为大气中0 2 与垃圾填埋气体的动态混合区域，c i - h 氧化 菌可以在适当的环境条件下有效地将c h 4 转化成c 0 2 ，h 2 0 和生物质，利用 土壤覆盖层的c f l 4 氧化菌进行c i - h 的氧化来降低c h 4 的排放，从而减少甚至 完全消除填埋场的c 出释放。 4 2 季节对甲烷释放速率的影响 为了研究季节变化对甲烷释放速率的影响，在一年时间内就不同季节对 各个测点进行了监测，各个测点甲烷释放速率随季节变化监测数据结果见表 4 3 。图4 3 表示的是1 撑、2 拌、3 撑、6 撑四个测点甲烷释放速率随季节变化趋 势。 表4 3 各测点甲烷释放速率随季节变化 3 3 0 0 毒2 5 0 孚 l 2 嚣1 5 0 疆 篓1 0 0 3 月( 謇)7 月( 夏)1 1 月( 歉)1 月( 冬 监涮月份，季节 图4 3l # 、甜、3 群、6 群测点甲烷释放速率随季节变化趋势图 从图4 - 3 中可以直观的看出该填埋场夏季甲烷释放速率最大，明显高于 春、秋、冬三季。从表4 - 3 的数据结果对比中我们可以看出季节对甲烷释放 速率影响变化最小的是群测点，其甲烷释放速率为3 2 2 8 m m o l - ( m 2 m ) 1 9 5 6 4 m m o l - ( m 2 h ) ；而变化最大的是5 群测点，其甲烷释放速 率为5 1 3 3 9m m o l ( m l h ) 一- - 2 5 5 4 1 2r n m o l ( m 2 h ) 。现场测得温度为春季( 3 月份) 各监测点的平均温度为1 8 3 。c 、夏季( 7 月份) 为3 6 8 。c 、秋季( 1 1 月份) 为1 8 9 。c 、冬季( 1 月份) 为1 0 4 0 c 。 季节性差异即是气象条件的差异，包括了温度、降雨和大气压。分析影 响甲烷释放速率季节性差异的原因，主要应该是由于温度和含水量的改变所 造成的。 季节气候变化一个最明显的差异就是温度的变化。填埋场气体的产生与 甲烷菌的活跃程度有关，在不同温度条件下，甲烷的产生速率差异很大，甲 烷菌活跃的适宜温度在3 0 6 5 。c 之间过低或过高的温度都会使填埋气的产 生明显下降”。s c h u t z 等【6 2 】发现产c m 最低、最佳和最高的温度分别是1 5 。c 、 3 5 。c 和大于4 0 。c 。k e n n c t h e 等以】和b a r l a z 等“】对填埋场产气的最佳温度进 行了探讨，研究结果表明，产甲烷的最适宜温度为4 1 0 c 。m a t a - a l v a r e z 和 v i t u r i a 【6 卅研究发现，最大甲烷产生速率在4 2 0 c ，但累积最大甲烷产量出现在 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 3 4 3 8 。c 之间。b o b e r th a m 等矧认为，垃圾填埋场中3 0 4 0 。c 是最适合微生 物产气的温度。从监测数据结果对比中我们也可以看出，当监测时间7 月份 ( 夏季) 温度在3 3 4 3 7 8 0 c 时各个监测点甲烷的释放速率也最大。 图4 4 和图4 5 分别是监测点3 撑和监测点6 群的甲烷释放速率随季节温度 变化趋势图。 3 月7 月1 1 月1 月 监测月份月 4 0 3 5 3 0 2 5 芝 2 0 篓 1 5 翥 1 0 a o 图4 4测点3 群甲烷释放速率随季节温度的变化趋势图 h j 2 蠢 3 h o 吕 昌 错 潮 餐 涎 褒 旺 2 5 0 5 0 o 3 月7 月1 1 月1 月 监测月9 月 4 0 3 5 3 0 2 5 芝 2 0 筵 1 5 蚕 l o 0 o 图4 5测点6 桴甲烷释放速率随季节温度的变化趋势图 从图4 4 、4 5 中我们可以清楚的看出，在7 月份( 夏季) 当监测温度分 别为3 6 5 0 c 、3 7 6 0 c 时这两点的甲烷释放速率明显高于其他三个季节，而当 o o o 0 o 0 o 0 拈 历 屿 加 5 h-(乎n5io蜃瓣捌罄涎退融 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 冬季气温降至1 0 9 0 c 、1 1 1 0 c 时两测点的甲烷释放速率达到较小值。彭绪亚 【6 3 】等也通过实验室模拟实验得出，提高垃圾体温度能显著增加填埋气的产生 量。在其实验中，由a 、b 两填埋柱组成，a 、b 两柱除了垃圾体温度其他的 参数均大致相同，a 柱平均温度为2 6 3 0 c ，b 柱为3 2 6 0 c ，单位质量有机质 产气量b 柱是a 柱的2 0 4 倍；最大产气速率b 柱是a 柱的4 3 倍，且比a 柱更快达到产气高峰。 季节气候的变化同样的可以改变填埋场垃圾含水量或湿度，这主要是由 于降雨使得填埋场内垃圾体含水量增加。填埋场垃圾的含水量或湿度也是影 响甲烷释放的重要因素，同时水是影响填埋场内部细菌新陈代谢的中心环节 1 6 4 1 。填埋场水分状况取决于多种因素，如垃圾自身含水量、填埋区降雨、填 埋层覆盖、场底防渗设施以及填埋工艺( 如渗滤液回灌、压实作业) 等。含 水量高时，各生化反应组成成分间接触程度大，可促进细菌的新陈代谢，气 体释放速率提高。甲烷的产量随湿度的高低呈曲线变化，含水量为5 5 时甲 烷气的产生明显高于含水量为3 3