填埋气体的产生及其迁移规律浅析

摘要：填埋气是垃圾卫生填埋产生的主要副产物之一，它是一种易燃、易爆和温室性气体，对环境和人体健康具有潜在威胁；同时它又是一种可回收利用的能源。了解填埋气体的生成及迁移规律对我们有效地收集利用填埋气体这种资源提供了有力的支持。
关键词：填埋气 产生 迁移
随着社会经济的发展、城市规模的扩大以及人口数量的增加，城市生活垃圾的产量也在不断增加。目前，我国城市生活垃圾的处理方式仍以卫生填埋为主。和焚烧、堆肥工艺相比，卫生填埋工艺由于具有运行成本低、对科技含量的要求不高等优点，在大部分城市都得到了广泛的应用，约占我国垃圾处理总量的90%以上。填埋气(Landfill Gas，LFG)，是填埋场内垃圾中可生物降解有机物在微生物作用下产生的一种成分复杂的混合气体。这些填埋气体成分复杂，其中还可能含有对人体有毒害作用的气体成分，这些气体无序排放会对环境产生极大的危害。
1. 填埋气体的产生
可以将整个卫生填埋场看作是一个巨大的生化反应堆：固体废物和水是主要的反应物，气体和渗滤液是基本的生成物。生活垃圾中的有机组分会在微生物的分解代谢作用下，发生分解反应而产生填埋气体和渗滤液等物质。这是个非常复杂的过程，其中涉及到多种交替作用的菌群各要求不同的基质和反应条件，形成极为复杂的相互作用体系，因此其生物化学原理至今尚未完全清楚。目前被大多数业内的人士认可的垃圾填埋的产气过程大致可分为5个阶段，如图1.1所示：
 
图1.填埋气体产生阶段图
第Ⅰ阶段：好氧阶段：好氧阶段在最初垃圾进入填埋场就开始进行。微生物的胞外酶将复杂的有机物分解成简单有机物，简单有机物通过好氧分解转化成小分子物质和 CO2。好氧阶段往往在较短的时间内就能完成，好氧阶段微生物进行好氧呼吸，场内O2量明显降低，直至耗尽，并释放较多能量，产生大量的热量使场内温度升高 10～15℃。
第Ⅱ阶段：过渡阶段：第一阶段氧气被完全耗尽后，场内厌氧环境开始建立。复杂有机物如多糖、蛋白质等在微生物作用下水解、发酵，由不溶性物质变为可溶性物质，并迅速生成挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，简称 VFA)、CO2和少量 H2，历时不长。此阶段的特征是：填埋气体组成较好氧阶段复杂，但气体成分仍以 CO2为主，存在少量 H2、N2 和高分子有机气体，基本不含 CH4；有机酸的产生使渗滤液 PH 值呈下降趋势，生成的简单有机物溶于水使 COD 浓度呈升高趋势；蛋白质物质的水解和发酵使渗滤液含较高浓度的脂肪酸、钙、铁、重金属和氨。
第Ⅲ阶段：产酸阶段：微生物将第二阶段积累的溶于水的产物转化成含 1～5 个碳原子的酸(大部分为乙酸)和醇等，继而作为甲烷细菌的底物而转化成 CH4 和 CO2。该阶段的主要特征是：这一阶段产生的主要气体 CO2 前半段呈上升趋势，后半段上升趋势变慢或逐渐减少，还产生少量 H2；大量有机酸的积累使渗滤液 PH 值很低(4 左右)，同时，COD、BOD 浓度急剧升高；酸性渗滤液使无机物质，特别是重金属溶解，以离子形式存在于渗滤液中；渗滤液中含大量可产气的有机物和营养物质。
第Ⅳ阶段：产甲烷阶段：前几个阶段的产物如乙酸、氢气等在产甲烷菌的作用下，转化成 CH4和 CO2。主要特征是：甲烷气体产生率稳定，其浓度保持在 50％～65％；脂肪酸浓度随着有机物发酵分解而降低，渗滤液 COD、BOD 逐渐降低，PH 值逐渐升高(最后保持在 6.8～8 之间)；重金属离子浓度随渗滤液 PH 值升高而降低。此阶段是进行能源气体回收利用的黄金时期。
第Ⅴ阶段：填埋场稳定阶段：在垃圾中大部分可降解有机物转化成 CH4和 CO2后，填埋气产生速率显著减小，随着大气复氧的进行，填埋场系统缓慢转换成有氧状态。填埋场处于相对稳定阶段。该阶段主要特征是：几乎没有气体产生；渗滤液及垃圾的性质稳定；填埋场内微生物种类、数量较少。
填埋气产生的五个阶段并不是绝对孤立的，它们是一个连贯的过程，有时会相互重叠。由于垃圾和填埋条件的不同，各个阶段的持续时间也有差异。而且因为垃圾是在不同时期进行填埋，因此在填埋场的不同部位，各个阶段的反应同时存在。
2. 填埋气体的组成成分及其危害
2.1填埋气体组成成分
垃圾场填埋气体的主要成分为甲烷和二氧化碳，但由于垃圾成分的复杂性以及垃圾内部变化过程的多样性造成填埋气体成分也较为复杂.根据填埋气体中各成分的含量及存在的普遍性可分为以下三类：
(1) 主要成分：包括甲烷和二氧化碳，体积占填埋气体总量的95%-99%。其中甲烷的含量占45%-60%，二氧化碳占40%-60%。