垃圾填埋场的甲烷释放及其减排

摘要： 垃圾填埋场是重要的甲烷(CH4) 释放源，对全球气候变暖影响巨大。本文通过分析影响垃圾填埋气释放的主要因素，提出了减少垃圾填埋场甲烷释放的技术措施，并结合国情指出清洁发展机制是我国温室气体减排及垃圾填埋场环境卫生状况改善的良好契机。
关键词： 垃圾填埋场； 甲烷减排； 清洁发展机制
1 前言
自1750 年工业革命以来，人类活动排放的温室，气体(如二氧化碳、甲烷等) 不断增加所导致的全球，变暖已成为世界关注的重大环境问题。分析冰芯资，料表明，二氧化碳(CO2) 的含量在工业革命前为280ppmV ，2000 年为367 ppmV (增加了约31 %) ；甲烷(CH4) 从工业革命前的0.6～0.8 ppmV 增加到1992年的1.72 ppmV ，增加了大约145 %[1 ] 。如果没有减，少温室气体排放的特殊政策措施，到2100 年全球表，面平均温度将上升0.9～3.5 ℃[1 ] 。为此，联合国气候变化框架公约缔约方于1997 年12 月在京都召开了第三次大会(COP3) ，并于会上通过了《京都议定书》，规定发达国家同意在2008～2012 年期间将温室气体的排放量在1990 年排放水平上至少削减5.2%[2 ] 。为实现议定书的减排约定，《京都议定书》引入了清洁发展机制(CDM) 、排放贸易( ET) 和联合履行(J I) 三种机制，允许发达国家以成本有效方式在全球减排温室气体：如果一国的温室气体排放量低于条约规定的标准，则可将剩余排放额度卖给完不成履约义务的国家，以冲抵后者的减排义务。在所有的温室气体中，CO2、CH4 和CFCs 构成了最主要的附加温室效应。CO2 的附加温室效应最大，但其在全球变暖中的贡献率逐渐降低；CFCs 的贡献率虽然较高，但蒙特利尔议定书已经要求在2006 年以前全球禁止生产，其附加温室效应将逐渐减弱和消失；而CH4 在近200 年内呈加速上升态势，预计到2030 年大气中CH4 浓度将达2.34 ppmV ，有可能成为温室效应的主要原因；同时，CH4 在大气中的寿命约为12年，与控制其他温室气体相比，CH4 的减排控制将起到立竿见影的效果[3 ] 。
CH4 的人类活动释放源主要是水稻田、反刍动物、垃圾堆填等。其中，垃圾填埋场是CH4 最大的人类活动释放源，垃圾填埋场内的有机物在厌氧微生物的作用下分解将产生含有大量CO2 和CH4 的垃圾填埋气(Landfill gas ，LFG) ，据估计全球每年垃圾填埋场释放的甲烷为10～70 Tg[4 ] (1 Tg = 109 g) 。
2 垃圾填埋场气体释放的影响因素
垃圾在进入填埋场后，将依次经历好氧分解、水解、产酸、产甲烷和最终的好氧稳定化(引文如此) 共五个阶段，整个周期可达数十年甚至上百年[5 ] 。随着垃圾的不断进场，填埋场内的存量垃圾处于不同的年龄和环境状态，使得LFG 的准确预测十分困难。垃圾填埋气释放的主要影响因素有：
(1) 垃圾组分。微生物靠分解垃圾中的有机物繁殖，同时释放出LFG。垃圾中可降解有机物的含量，以及可降解有机物中多糖、纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质、脂肪的构成比例，对填埋气的潜在最大产生量起着决定性的作用[6 ] 。其中，易降解有机物含量越高，填埋场产气越快。
(2) 填埋场水分状况。水分是垃圾填埋场中废物降解的基本限制性因子[7 ] 。填埋场水分状况取决于多种因素，如垃圾自身含水率、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。传统的填埋场倾向于把垃圾封闭起来，形成“干炸弹”，从而限制了LFG的释放速率。近来提出的生物反应器填埋技术通过填埋场水分管理加速填埋场产气，从而加速填埋场稳定化，减少后，期的维护[8 ] 。
(3) 垃圾温度。填埋垃圾的温度状况决定了填，埋场内微生物群落的空间分布，从而决定了LFG产气速率的高低。影响填埋垃圾温度的主要因素有垃圾埋深、垃圾密度、周围环境温度、微生物活性、垃圾含水率等。最佳的厌氧微生物繁殖温度为30～41℃，温度降低10 ℃，微生物产甲烷能力迅速下降[9 ] 。
(4) pH 值。pH 值在6～8 之间时均可产生甲烷，微生物产甲烷的最佳pH 值为(6.7～7.5) [9 ] ，接近中性条件。大部分填埋场初始pH 呈酸性，随着水解酸化阶段的完成，在碳酸盐缓冲体系的作用下，产甲烷阶段的pH 值保持在7～8 之间。
(5) 气象条件。气象条件对填埋气释放的影响
主要表现在温度、大气压和降雨三方面[10 ] 。寒冷的天气降低表层垃圾中的微生物活性，减少了LFG的释放。大气压的变化可能导致空气进入填埋场或者填埋气从填埋场释放出去；空气的流动会加剧填埋气的对流及扩散效应。降雨向填埋场内补充水分，加速填埋场气产生，然而过大的降雨可能导致垃圾内孔隙减少从而阻碍填埋气的释放。在填埋场表层有土工膜(在填埋气回收工程中，为减少填埋气的泄漏，有的填埋场覆盖层设计中使用土工膜，如HDPE膜等) 密封的条件下，气象条件对LFG产气的影响将大大降低。
(6) 垃圾年龄。在垃圾进入填埋场的初始阶段，垃圾处于填埋场表面，垃圾密度低，孔隙率大，废物与空气有一定接触；同时，好氧降解速度比厌氧快，所产生的LFG中二氧化碳含量高；随着填埋年龄增加，垃圾进入水解酸化阶段，LFG产气量降低；待水解酸化完成后，垃圾进入产甲烷阶段，产气量增加，甲烷浓度逐渐升高，可达60 %以上；随着有机物的逐渐消耗，垃圾进入稳定化阶段，产气速率和甲烷浓度又开始下降，直至最后稳定[10 ] 。