生活垃圾填埋場(chǎng)惡臭污染膜阻隔效果

2018年全國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理量為22565.4萬(wàn)t，其中，衛(wèi)生填埋占51.9%，仍是我國(guó)目前生活垃圾主要的無(wú)害化處理處置方式。填埋處置過(guò)程會(huì)產(chǎn)生占填埋氣體積比<1%的微量氣體，包括氨氣和硫化氫等無(wú)機(jī)化合物及成分復(fù)雜的各類揮發(fā)性有機(jī)物(volatileorganiccompounds，VOCs)。這些組分會(huì)形成惡臭污染，導(dǎo)致鄰避效應(yīng)，加劇了周邊居民與填埋場(chǎng)的矛盾。2019年，惡臭污染占生態(tài)環(huán)境部“12369”環(huán)境污染舉報(bào)總數(shù)的20.83%，超過(guò)了各類水污染和固體廢物污染舉報(bào)的總和；且眾多案例顯示，填埋場(chǎng)周邊居民惡臭投訴主要集中在夜間至凌晨的非填埋作業(yè)時(shí)段。因此，生活垃圾填埋場(chǎng)惡臭時(shí)空變化規(guī)律是其污染控制亟待解決的問(wèn)題。

填埋場(chǎng)惡臭污染研究主要針對(duì)污染物質(zhì)和環(huán)境影響這2個(gè)方面。惡臭污染物質(zhì)方面，Allen等的研究檢測(cè)了英國(guó)7處填埋場(chǎng)的VOCs，共檢測(cè)出140種化合物。Chiriac等的研究表明接近敞開(kāi)作業(yè)面的區(qū)域排放源強(qiáng)最大，按物質(zhì)濃度計(jì)算得有機(jī)氯化物和芳香烴是主導(dǎo)污染物。Nicolas等的研究采用嗅探法計(jì)算填埋場(chǎng)惡臭釋放速率，認(rèn)為惡臭物質(zhì)主要來(lái)源于新鮮填埋的生活垃圾，部分來(lái)源于不完全密閉的抽氣井。惡臭污染的環(huán)境影響方面，Parker等研究了英國(guó)97座填埋場(chǎng)數(shù)據(jù)，認(rèn)為含硫化合物是主要的惡臭污染物。有研究則認(rèn)為H2S是硫系物及揮發(fā)性惡臭污染物中的主要貢獻(xiàn)者。何品晶等的研究發(fā)現(xiàn)生活垃圾初期降解階段的惡臭物質(zhì)合計(jì)濃度中酮類占70%~80%，但硫醚類物質(zhì)是主要的惡臭組分。Ding等的研究顯示杭州市填埋場(chǎng)的H2S濃度占各類惡臭物質(zhì)合計(jì)濃度83%以上。Han等的研究表明硫化氫、氨和二甲基硫醚是填埋覆膜區(qū)域的主要臭氣成分。Fang等的研究用嗅閾值換算了填埋場(chǎng)5類化合物的理論惡臭濃度，分析發(fā)現(xiàn)物質(zhì)濃度值最高的氨和芳香族化合物不是主導(dǎo)者，而濃度較低，但嗅閾值極低的甲硫醇和二甲基硫等硫系物是主要惡臭物質(zhì)。Cheng等的研究發(fā)現(xiàn)硫化氫、苯和氨是填埋場(chǎng)的主要惡臭物質(zhì)。目前填埋場(chǎng)普遍采用土工膜覆蓋以減少雨水滲入和惡臭氣體釋放，但Yao等的研究發(fā)現(xiàn)填埋覆蓋膜破裂處揮發(fā)性化合物排放量最高，硫系物占主導(dǎo)地位。

以上研究揭示了填埋場(chǎng)惡臭污染釋放因填埋時(shí)間、晝夜循環(huán)和覆蓋條件等因素，呈現(xiàn)明顯的時(shí)空變化；但是，其結(jié)果仍難以系統(tǒng)歸納填埋場(chǎng)惡臭污染的時(shí)空變化規(guī)律，也不能說(shuō)明非填埋作業(yè)時(shí)段惡臭影響更甚的原由。

為此，本文以東部沿海某填埋場(chǎng)作為研究對(duì)象，在冬夏兩季代表性氣候下，晝夜間采集不同填埋時(shí)段、覆蓋狀態(tài)的氣體樣品，檢測(cè)惡臭物質(zhì)組成，分析比較不同季節(jié)和晝夜間的惡臭污染狀況，通過(guò)揭示生活垃圾填埋場(chǎng)惡臭污染的時(shí)空變化特征，以期為污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

1、材料與方法

1.1 填埋場(chǎng)基本情況

本研究選取的東部沿海某生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)總面積約15.3km2.采樣時(shí)，該場(chǎng)正在運(yùn)營(yíng)中的有Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)兩個(gè)填埋場(chǎng)區(qū)，其中，Ⅰ號(hào)場(chǎng)區(qū)日處理量4000t?d-1；Ⅱ號(hào)場(chǎng)區(qū)日處理量7000t?d-1.該場(chǎng)處置未分類原生生活垃圾，入場(chǎng)垃圾組成可參見(jiàn)賈悅等的研究。

1.2 采樣方法與方案設(shè)計(jì)

本研究采用低吸附和高惰性的特氟龍(Teflon)涂層的氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)采樣袋(FEV31-10型，10L，大連海德科技有限公司)，聯(lián)合真空箱式采樣器采集氣體樣品，減少氣體樣品的接觸污染。

該填埋場(chǎng)分單元作業(yè)，每日作業(yè)后用1.5mm的高密度聚乙烯(HDPE)膜進(jìn)行覆蓋，根據(jù)單元填埋后時(shí)間的長(zhǎng)短可分為填埋作業(yè)單元、臨時(shí)覆蓋單元和中間覆蓋單元。填埋作業(yè)單元填入時(shí)卷膜敞開(kāi)，而夜間采用搭接方式蓋膜為臨時(shí)覆蓋單元；中間覆蓋單元的覆膜搭接處焊接密閉，并配置填埋氣收集系統(tǒng)，根據(jù)其是否運(yùn)行又可分為未抽氣區(qū)和抽氣區(qū)。

本研究對(duì)該填埋場(chǎng)Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)兩個(gè)場(chǎng)區(qū)的填埋作業(yè)單元、臨時(shí)覆蓋單元、中間覆蓋未抽氣區(qū)和中間覆蓋抽氣區(qū)4類區(qū)域分別布設(shè)13個(gè)采樣點(diǎn)，各樣品點(diǎn)位分別采集膜上空氣、膜搭接處氣體和膜下氣體，采樣方法見(jiàn)表1.采樣時(shí)期為冬(12月至次年1月)和夏(6~7月)2季，采樣時(shí)間晝間為09:00~15:00，夜間為20:00~22:00，共采集樣品48個(gè)(具體見(jiàn)表2)。

1.3 檢測(cè)方法

針對(duì)惡臭物質(zhì)低嗅閾值、低濃度、多組分混合的特點(diǎn)，本研究采用三級(jí)冷阱預(yù)濃縮處理聯(lián)合氣相色譜法檢測(cè)氣體樣品中的惡臭污染物，該方法可檢出的惡臭物質(zhì)及檢出限參見(jiàn)文獻(xiàn)。樣品采用三級(jí)冷阱濃縮儀(Model7100A，Entech，USA)進(jìn)行預(yù)處理，參數(shù)參照美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)署TO-15方法。預(yù)濃縮后進(jìn)入氣相色譜儀(GC450，Varian，USA)進(jìn)行分析，含硫化合物使用脈沖火焰光度檢測(cè)器(PFPD，Varian，USA)，色譜柱為毛細(xì)柱(CP-Sil5CB，Varian，USA)，尺寸：30m×0.32mmID×4μm；含氧化合物與芳香烴類化合物使用氫火焰離子化檢測(cè)器(FID，Varian，USA)，色譜柱為毛細(xì)柱(CP-Wax52CB，Varian，USA)，尺寸：60m×0.32mmID×1.2μm。

2、結(jié)果與討論

2.1 填埋場(chǎng)惡臭污染的季節(jié)變化

表3列出了本研究各氣體樣品惡臭物質(zhì)檢出情況，共檢出27種惡臭物質(zhì)，按類別劃分，有硫系物13種，含氧化合物7種，芳香族化合物7種?？梢钥闯?，除了對(duì)-二甲苯等芳香族化合物，其余物質(zhì)的夏季檢出率均高于冬季，尤其是含硫化合物，硫化氫和甲硫醚等強(qiáng)致臭(低嗅閾值)物質(zhì)的檢出率顯著提高，最高達(dá)到100%。說(shuō)明填埋堆體內(nèi)的微生物活動(dòng)在夏季更強(qiáng)，促進(jìn)了生活垃圾的降解，從而產(chǎn)生了更多的惡臭污染物。

表4列出了冬夏兩季填埋場(chǎng)各取樣點(diǎn)位氣體樣品檢出的各類惡臭物質(zhì)的平均濃度，同一點(diǎn)位3類惡臭污染物濃度和總濃度的夏冬季之比見(jiàn)表5.可見(jiàn)，夏季惡臭污染物的總濃度也顯著增加。相比于冬季，夏季填埋場(chǎng)氣體樣品中惡臭物質(zhì)總濃度提高了30~300倍，硫系物、含氧化合物和芳香族化合物均有1~2個(gè)數(shù)量級(jí)的顯著提高。其中，低嗅閾值的硫系物平均濃度提高了4.7~136.8倍，表明夏季出現(xiàn)惡臭污染的可能性急劇上升。這體現(xiàn)了夏季高溫加速垃圾降解和惡臭物質(zhì)的產(chǎn)生，同時(shí)促進(jìn)惡臭物質(zhì)揮發(fā)釋放。

2.2 填埋場(chǎng)惡臭污染的晝夜變化

比較表4中同一填埋區(qū)域晝夜的惡臭物質(zhì)濃度，夜間濃度普遍高于白天。除了夏季Ⅰ號(hào)填埋區(qū)因含氧化合物白天濃度占比較高而夜間顯著大幅下降，導(dǎo)致白天總濃度高于夜間外，其它各類惡臭物質(zhì)夜間濃度均高于白天，Ⅱ號(hào)填埋區(qū)冬季夜間和白天的比值最高可達(dá)24.3倍。同時(shí)，比較3類惡臭污染物中，硫系物和芳香族化合物的夜間提升倍率高于含氧化合物。其中，夜間低嗅閾值的硫系物占比上升和濃度增加，應(yīng)是填埋場(chǎng)夜間惡臭影響更甚的重要原因。

2.3 關(guān)鍵惡臭物質(zhì)的識(shí)別

惡臭污染物濃度并不直接決定臭氣影響強(qiáng)度，以惡臭組分物質(zhì)濃度與其嗅閾值(表3)之比定義的無(wú)量綱理論惡臭濃度是評(píng)估臭氣影響的指示性量化方法。

以惡臭物質(zhì)總濃度最高的夏天夜間填埋場(chǎng)為例，Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)填埋區(qū)該時(shí)段各采樣點(diǎn)檢測(cè)所得的各類惡臭物質(zhì)和理論惡臭物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖1.從中可知，從物質(zhì)濃度看，硫系物平均的物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%，并不占主導(dǎo)地位；含氧化合物與芳香烴類的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。而量化后的理論惡臭濃度顯示，因?yàn)榱蛳滴飿O低的嗅閾值，硫系物質(zhì)的濃度貢獻(xiàn)率超過(guò)了90%，是關(guān)鍵的惡臭污染物質(zhì)。

夏天夜間填埋場(chǎng)采集的各個(gè)樣品(共17個(gè))中，在單一樣品中理論惡臭貢獻(xiàn)率>30%的物質(zhì)見(jiàn)表6.從中可知，甲硫醇、乙硫醇和丙硫醇等硫醇類物質(zhì)成為高貢獻(xiàn)率惡臭物質(zhì)的頻率較高，其中，丙硫醇貢獻(xiàn)率超過(guò)30%的頻率最高(0.76)，而單一樣品中貢獻(xiàn)率最高的為甲硫醇(87.1%)和丙硫醇(79.0%)。可知，硫醇類為硫系物中最關(guān)鍵的惡臭污染物。

2.4 填埋惡臭的重點(diǎn)釋放位置

夏季填埋區(qū)各點(diǎn)位晝夜的理論惡臭濃度如圖2，排列順序?qū)?yīng)填埋齡為:作業(yè)面、臨時(shí)覆蓋區(qū)、中間覆蓋未抽氣區(qū)和中間覆蓋抽氣區(qū)。

由圖2可見(jiàn)，日處理量更大的Ⅱ號(hào)填埋區(qū)各位置的理論惡臭濃度基本均高于Ⅰ號(hào)填埋區(qū)。為此，重點(diǎn)討論Ⅱ號(hào)填埋區(qū)的惡臭重點(diǎn)釋放位置。在白天，Ⅱ號(hào)填埋區(qū)理論惡臭濃度最大值出現(xiàn)在已啟動(dòng)抽氣的膜接縫處和膜下，理論惡臭濃度(無(wú)量綱)分別為69424和48809，其次為臨時(shí)覆蓋區(qū)膜下、未抽氣區(qū)膜下及接縫和作業(yè)面及臨時(shí)覆蓋接縫；夜間同樣以已抽氣單元為最高，理論惡臭濃度尚高于白天，其它各點(diǎn)則與白天明顯不同，臨時(shí)覆蓋區(qū)膜下濃度高于白天約8倍，該接縫處次之，未抽氣膜下和接縫則與白天接近，膜上(作業(yè)面)惡臭濃度是白天的5倍以上。中間覆蓋抽氣區(qū)膜下惡臭濃度高，應(yīng)是集氣井影響范圍呈球形存在死角，導(dǎo)致堆體表層抽氣效果不佳之故；中間覆蓋未抽氣區(qū)膜下惡臭濃度較低是因?yàn)樵搮^(qū)覆蓋時(shí)間短，惡臭物質(zhì)積累量較低。臨時(shí)覆蓋區(qū)膜下濃度夜間急劇升高則是相鄰作業(yè)面覆蓋后，膜下厭氧程度加深所致。

為分析上述各潛在釋放點(diǎn)對(duì)夜間填埋場(chǎng)惡臭釋放的貢獻(xiàn)，采用夾角余弦法對(duì)Ⅱ號(hào)填埋區(qū)夏天夜間各可能釋放點(diǎn)的理論惡臭濃度進(jìn)行相似性分析，結(jié)果如表7所示。從中可知，與膜上氣體(代表填埋場(chǎng)可自由釋放的臭氣濃度水平)相似度最高的為中間覆蓋未抽氣區(qū)膜下(1.000)、接縫(0.998)和臨時(shí)覆蓋區(qū)接縫(0.988)；這些位置應(yīng)是填埋場(chǎng)夜間惡臭的主要釋放點(diǎn)。其中，未抽氣區(qū)內(nèi)部氣壓較高，惡臭物質(zhì)易從覆膜的缺陷(虛焊和破損等)處逸出；臨時(shí)覆蓋接縫非氣密，氣體易于釋放，該區(qū)膜下與接縫惡臭差異稍大(0.890)，則與接縫處積液有濾除效應(yīng)有關(guān)。比較而言，臨時(shí)覆膜區(qū)惡臭濃度高，中間覆蓋未抽氣區(qū)則面積更廣，二者均應(yīng)是填埋場(chǎng)夜間的主要惡臭釋放位置。而中間覆蓋已抽氣區(qū)，盡管膜下惡臭濃度高，但是堆體氣壓較低，釋放的貢獻(xiàn)較小。

3、結(jié)論

(1)填埋場(chǎng)夏季檢出的惡臭物質(zhì)數(shù)量和濃度均高于冬季，尤其是硫系物的檢出率顯著提高；同時(shí)，夏季各惡臭物質(zhì)合計(jì)濃度高于冬季30~300倍，表明夏季填埋場(chǎng)發(fā)生惡臭污染的可能性急劇上升。填埋場(chǎng)各夜間氣體樣品的惡臭物質(zhì)濃度顯著高于白天，總濃度最高提升24.3倍。

(2)硫系物在所有惡臭物質(zhì)中的平均物質(zhì)分?jǐn)?shù)<10%，低于含氧化合物，但因?yàn)榱蛳滴飿O低的嗅閾值，在絕大部分樣品中的理論惡臭貢獻(xiàn)率超過(guò)了90%；其中，甲硫醇、丙硫醇等硫醇類物質(zhì)是填埋場(chǎng)惡臭的關(guān)鍵污染物。

(3)填埋單元覆膜后，因厭氧代謝，膜下氣體惡臭物質(zhì)和理論惡臭濃度呈現(xiàn)隨填埋齡上升的趨勢(shì)，表明填埋單元覆膜后在一段時(shí)間內(nèi)仍有較大的惡臭釋放潛力。其中，填埋后1~2d和未抽氣區(qū)的覆膜單元，因填埋堆體代謝產(chǎn)氣的推動(dòng)，膜下累積的惡臭污染物易通過(guò)膜搭接縫隙、膜破裂處等散發(fā)至環(huán)境，這是夜間填埋場(chǎng)惡臭物質(zhì)和理論惡臭總濃度高于白天作業(yè)時(shí)段的主要原由。

(4)垂直抽氣井抽氣，作用半徑不易達(dá)到填埋單元表層，宜補(bǔ)充膜下負(fù)壓抽氣方式，控制膜下氣體釋放造成填埋場(chǎng)惡臭環(huán)境影響。（來(lái)源：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海污染控制與生態(tài)安全研究院）