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

0引言

我國近年來城鎮(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)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，我國2013年的城市生活垃圾清運量為17239萬t，城市生活垃圾主要有填埋、焚燒和堆肥三種處理方式，其中填埋法是我國以及世界上大多數(shù)國家固體廢物處理的主要方法。而垃圾填埋場已成為溫室氣體產(chǎn)生的重要來源，據(jù)美國環(huán)保局統(tǒng)計，1990—1997年，美國填埋場排放的溫室氣體等同于其余溫室氣體來源的排放量總和，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)性有機物(VOCs)，本文綜合國內(nèi)外垃圾填埋場對V上述四類填埋氣的產(chǎn)量估算及模型、檢測方法、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，以推動國內(nèi)相關研究的開展。

1溫室氣體簡述

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對全球環(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致CH4、CO2和N2O等溫室氣體產(chǎn)生高污染[2]。王偉等[3]預測我國CH4排放量占我國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(一階動力衰減法)、修正三角法、缺省法、ICM(原位密室法)、美國EPA填埋場氣體排放模型進行評價，并使用軟件LandGEM對3個填埋場溫室氣體排放進行評估，得出LandGEM(3.02版本)是估算垃圾填埋場溫室氣體排放潛力相對較好的模式[4]。CouthR等[5]用FOD模式計算非洲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140%。現(xiàn)今填埋氣溫室氣體的檢測方法見表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，對溫室效應的貢獻率大約為26%，近年來填埋場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率為15.25%。

1.1.1甲烷排放影響因素

垃圾在進入填埋場后，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間相關性。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):夏季填埋場的甲烷釋放速率明顯高于春季，降雨除導致溫度下降外，還會覆土層含水率增加從而導致甲烷排放速度下降。高志文等[16]則發(fā)現(xiàn)24h內(nèi)填埋場甲烷排放速率主要受大氣壓強的影響，溫度變化對其影響較小，不過對其他氣象條件因素(風速、空氣濕度等)的研究卻相對較少。

1.1.2甲烷排放量的估算模型

目前國內(nèi)外關于填埋場CH4排放量的計算模型大致分為動力學模型和統(tǒng)計模型兩種類型。其中，統(tǒng)計模型包括IPCC模型(包括質(zhì)量平衡、FOD法和缺省法等)、化學計量式模型;動力學模型包括Gardner動力學模型和Marticorena動力學模型[17]。而后，鐘衛(wèi)元補充說明動力學模型還包括SheldonArleta模型，統(tǒng)計模型也包括COD估算模型[18]。張潔等[19]利用LandGEM模型對北京市垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)生量進行估算，結果表明:2012年產(chǎn)生量為19653m3/h，產(chǎn)量高峰將在2016年達到24003m3/h，并且預測值和實際值吻合較好，表明該模型和參數(shù)的選擇具有較高準確性。在這些模型中，化學計量模型主要用來預測填埋氣的理論產(chǎn)氣量，動力學模型則主要用來預測填埋氣的產(chǎn)氣速率，而后者更有現(xiàn)實意義。我國許多學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。采用相同方法時，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，ChhayHoklis等[2]研究結果表明，由于省會城市固廢產(chǎn)量大、人口增長快、經(jīng)濟發(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，說明各模型方法的適用性不同。

1.1.3資源化利用

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

1.2CO2

垃圾填埋初期，產(chǎn)生的填埋氣主要是CO2，經(jīng)過一段時間以后，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]研究指出生物反應技術在中國固體廢物處理方面有著良好的應用前景。馬占云等[24]用靜態(tài)箱法監(jiān)測了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，并且日變化具有隨機性，11月份覆蓋層氧化作用相對較弱，對CO2的相對濃度擾動程度比7月份平穩(wěn)。馮凱等[25]從影響因素方面說明CO2釋放通量與土壤含水率呈顯著正相關(P<0.01)，與覆土溫度無相關性(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，其單分子潛在的增溫作用是CO2的296倍[27]，且N2O可以在大氣中長期存在，對臭氧層具有較強的破壞作用。據(jù)統(tǒng)計，生活垃圾填埋場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)，生活垃圾填埋場在理論上可能具有更強的氧化亞氮釋放能力，并分析比較了靜態(tài)箱法、渦度相關法等N2O通量測定方法在填埋場的適用性。對于影響因素的問題，曾遠等[28]研究概括了影響生活垃圾填埋場覆土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)性有機物(VOCs)

垃圾的成分非常復雜，在填埋場內(nèi)部填埋壓縮作用下會發(fā)生一系列復雜的生化反應，產(chǎn)生多種的次生物質(zhì)，目前已被發(fā)現(xiàn)的就達百種，其中體積分數(shù)小于1%的微量揮發(fā)性有機污染物(VOCs)是大氣中臭氧及二次有機氣溶膠(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大氣中共檢測出34種VOCs化合物，其中19種化合物屬于美國環(huán)保局重點控制的空氣有害污染物[30]。

2.1揮發(fā)性有機物的產(chǎn)生

VOCs可在大氣中形成光化學煙霧，對環(huán)境和人體造成極大危害。許多發(fā)達國家都頒布了相應的法令以限制排放，垃圾填埋場是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VOCs種類和濃度都遠遠高于冬季。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闊處高地，

夏季其種類和濃度都高于春季。宋釗[30]通過5年期間在上海的生活垃圾填埋場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)秋季VOCs種類多于春季，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檢測方法

目前對填埋場VOCs的檢測研究有很多，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、膜技術處理、化學法和在線檢測試驗艙等檢測方法的差異性。徐捷等[32]則采用USEPATO-15方法對某垃圾填埋場填埋作業(yè)區(qū)、填埋場邊界及周圍敏感點大氣中的揮發(fā)性有機物進行監(jiān)測。RodicaChiriac等[35]則采用過濾吸附法得出開放環(huán)境中含量最高的4種揮發(fā)性有機物分別為四氯化物、檸檬苯、間二甲苯、三氯乙烯，并對城市垃圾填埋場VOCs排放進行了許多研究，如采用含活性炭放射性擴散Radiello管進行兩個月的靜態(tài)取樣，并溶劑萃取進行GC-MS分析，結果表明VOCs的主要來源是開放式單元，與相鄰來源假設相悖[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程之前的VOCs排放，發(fā)現(xiàn)酸性條件對VOCs的排放有促進作用，當甲烷開始產(chǎn)生時，烷烴含量下降，烯烴含量上升[37]。

對填埋氣的研究還包括其他氣體，如DongbeiYue等[38]研究了中國北方不同地區(qū)城市固體廢物填埋場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結論

目前已有較多針對垃圾填埋場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系以及如何影響的研究相對較少，例如影響氣體排放的氣象條件如風速、濕度、光照等與氣體排放的相關性，各因素之間的交叉相關性還應予以考慮。根據(jù)以上綜述，針對填埋場排放氣體的研究主要集中在直接排放的氣體，關于LFG中各種氣體排放之間相關性以及交互作用的研究稍有欠缺。填埋場排放物資源化利用潛力較好，往后研究可稍加注意。揮發(fā)性有機物的排放種類較多，但因其容易與大氣中氣體反應產(chǎn)生次生污染物，故應針對填埋場大氣污染物的種類和數(shù)量以及和氣象條件的相關性進行研究。