1瑞安市环境保护局；2江西现代职业技术学院
摘要：CH4等温室气体引起的全球变暖已成为备注瞩目的环境问题之一。而垃圾填埋场是CH4的重要释放源，本文从垃圾填埋场覆盖层甲烷氧化的反应原理、影响因素等方面对当前研究现状进行总结，并分析了甲烷的资源化利用技术，为全面认识垃圾填埋场的甲烷减排提供参考。
关键词：垃圾填埋场；甲烷氧化；覆盖层；资源利用
随着气候变暖这一全球性的环境问题出现，引起这现象的温室气体成为重点研究的对象之一。由于甲烷的全球变暖潜势（GWP）为CO2的21倍，因此成为仅次于二氧化碳的长寿命温室气体。
人类活动中的CH4释放源主要有垃圾填埋、水库、煤炭开采、水稻田、石油与天然气开发等等。垃圾填埋场是CH4的重要释放源，全球甲烷支出在垃圾填埋和废弃物这一项呈逐年上升趋势。目前，我国城市生活垃圾年清运量巨大，国内绝大多数地方现仍采用垃圾填埋这一相对成熟的处理技术。因此研究填埋场覆盖土层的甲烷氧化行为、影响因素及如何实现资源化利用等等是极具应用前景的。
本文从垃圾填埋场覆盖层的甲烷氧化行为以及资源利用技术等方面对当前研究现状进行分析，为全面认识垃圾填埋场的甲烷减排提供参考。
1垃圾填埋场覆盖层甲烷氧化的原理及影响因素
垃圾填埋场中存在甲烷氧化菌，根据膜结构、生理特征、形态差异分为甲烷氧化菌I型、II型，分别属于α-变形菌纲（α-Proteobacteria）和β-变形菌纲（β-Proteobacteria）。其中Ⅰ型甲烷氧化菌对环境条件的改变反应灵敏[1]。
甲烷氧化菌利用甲烷单加氧酶催化氧化甲烷为甲醇，甲醇进一步在甲醇脱氢酶的作用下氧化成甲醛，甲醛又在甲醛脱氢酶的作用下氧化为甲酸，甲酸最终在甲酸脱氢酶的作用下氧化为CO2，即甲醇→甲醛→甲酸盐→CO2，在氧化过程中甲烷氧化菌获得生长所需的能量。
从反应原理可以看出，在垃圾填埋场中设置甲烷氧化菌的适宜或最佳生存条件是很有必要的。如覆盖层的温度、pH、含水率、覆盖层基质、植被、覆盖深度等均是影响甲烷氧化效率的主要参数。
1.1温度
CH4释放通量随CO2释放通量年变化规律波动，二者表现为显著正相关；在春、夏、秋季CH4释放通量变化较为平稳，冬季CH4释放通量随CO2释放通量年变化规律波动[2]。老覆盖土最大CH4氧化速率最佳温度为20~30℃[3]。Charlotte和Peter[4]认为甲烷氧化菌的最适宜温度约为30℃。邵立明等[5]研究证明，在无填埋气体主动收集的填埋场内，CH4释放通量分别与覆土温度和气温呈显著正相关。
1.2含水率
含水量对覆盖土的甲烷氧化能力有很大影响；覆盖时间为3年的覆盖黄土和堆肥掺量为3.0%的新鲜黄土甲烷氧化的最适宜含水量分别为25%和20%~30%；当含水量低于15%时，覆盖黄土的甲烷氧化能力较低[6]。CH4释放通量与填埋场覆土中含水率呈显著正相关[5]。低含水率（5%）下土壤的甲烷氧化几乎停止，而甲烷氧化最适含水率为15%[7]。由此可见，垃圾填埋场覆盖层的甲烷氧化作用的最佳含水量为15%~30%。
1.3 pH值
多数甲烷氧化菌为中性菌，因此在中性环境下氧化甲烷是最适宜的。覆盖层pH值过低或过高都可能是的甲烷氧化菌中毒，失去酶活性，使得甲烷氧化功能减弱或丧失。Charlotte和Peter[4]的研究提出最适宜pH的范围为6.5~7.5。
1.4覆盖层基质
不同土壤的甲烷氧化能力存在显著差异，这与土壤的理化性质及其覆盖龄有关[7]。张后虎等[3]研究表明不同覆盖土材料的CH4氧化速率由高到低依次为老黏性覆盖土、老砂性覆盖土、新黏性覆盖土和新砂性覆盖土。也有学者为提高覆盖土的甲烷氧化能力，在覆盖土中加入堆肥、污泥等有机质含量较高的材料形成生物覆盖层。赵玲等[8]的研究表明消化污泥和矿化垃圾对甲烷的氧化能力均大于黏土。
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在未做覆盖的新鲜黄土中掺入堆肥能有效提高新鲜黄土的甲烷氧化能力；且当堆肥掺量小于50%时，土样的最大甲烷氧化速率与堆肥掺量呈正比例关系；当堆肥掺量达到50%后，增加堆肥掺量已不能进一步提高黄土的甲烷氧化能力[6]。由此可见，堆肥掺量也是存在适宜范围，适当的堆肥掺量能提高甲烷氧化能力。
1.4其他因素
影响垃圾填埋场的甲烷氧化能力的因素还有植被、填埋龄、覆土深度、O2含量等。植被的覆被可促进甲烷氧化菌的繁殖和氧化。填埋龄与覆土深度对填埋场CH4的释放影响显著，填埋龄（10~15a）长、覆土深度（80~100cm）大且无填埋气收集系统的平台的CH4四季及昼夜释放通量均相对较小[9]。杨文静等[10]以陶粒和堆肥复合基质生物覆盖层为研究对象，结果表明不同厚度生物覆盖层的甲烷氧化速率以30cm厚度最佳。
龙焰等[11]研究结果表明：CH4、O2和NO3--N均显著影响填埋覆土中的CH4去除，CH4去除量随着初始CH4、O2体积分数的增大而增加，且与O2体积分数呈正相关关系。由此可见，在一定的甲烷浓度以及环境条件下，氧含量的增加能够提高甲烷去除效率。
3填埋场CH4资源化利用技术
填埋场甲烷的收集利用在我国起步相对较晚，主要利用技术包括收集填埋气用于发电、收集后热能利用和提纯代天然气。
3.2.1填埋气发电
其原理是将垃圾填埋场产生的填埋气通过手机系统集中，再通过预处理、稳压后送入燃气发电机组，发电后通过配电系统、控制系统，将发出的电能输送到电网。垃圾填埋气发电具有建设周期短、运营成本低、不新增和永久占地、无二次污染等优点。北京阿苏卫垃圾填埋气发电厂目前已经投用的4台发电机组年发电量约4000万度，全部上网向北京城区输送。
3.2.2热能利用
垃圾填埋气可以作为锅炉、窑炉的加热原料。而净化后与城市煤气混合则可以作为民用燃料。一般热值高时用作管道气，热值低时用作加热燃料。可通过真空变压吸附升级填埋气以符合管道气的要求。
3.2.3提纯代天然气
在提纯工艺中采取高温脱氧和变温吸附处理，将填埋气加热到200~400℃，在耐硫脱氧催化剂下发生脱氧反应，绝大部分的微量有机物和VOC被氧化成二氧化碳和水；经脱氧后的气体在40℃下再通过变温吸附工序，进一步脱出其中的硫化物等杂质。提纯工艺不会产生二次污染。提纯气可用于制作CNG燃料，具有较高的经济价值。
4结语
甲烷作为垃圾填埋场的主要气体之一，对温室效应贡献巨大，我国应结合我国国情解决甲烷减排技术体系，进一步研究影响甲烷氧化能力的因素，需要从技术、经济和管理层面上加强甲烷这一温室气体的管理。
参考文献：
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[2]马占云，李海玲，岳波，等.生活垃圾填埋场覆盖层温室气体CH4和CO2释放规律及其相关性研究[J].环境工程技术学报，2014，4（5）：399-405.
[3]张后虎，彭禹，蔡邦成，等.填埋场覆盖土CH4氧化及其影响因素[J].生态与农村环境学报，2015，2.
[4]CHARLOTTE S，PETER K.Environmental factors influencing atlernation of methane and hydrochlorofluorocarbons in landfill cover soils[J].Journal of Environmental Quality，2004，33：72-79.
[5]邵立明，仲跻胜，张后虎，等.生活垃圾填埋场春夏季CH4释放及影响因素[J].环境科学研究，2009，22（1）：83–88.
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[7]何品晶，瞿贤，杨琦，等.土壤因素对填埋场终场覆盖层甲烷氧化的影响.同济大学学报（自然科学版）.2007年06期.
[8]赵玲，王丹，尹平河，等.垃圾填埋场生物覆盖材料筛选及甲烷减排[J].环境工程学报.2012，6（10），3719-3724.
[9]冯凯；黄天寅；南京轿子山生活垃圾填埋场温室气体释放的变化规律，环境科学研究2014（12）.
[10]杨文静，董世魁，张相锋，等.不同生物覆盖层厚度对甲烷氧化的影响研究[J].环境污染与防治，2010，32（7）：20-24.
[11]龙焰，钟庄敏，尹华，等.垃圾填埋场覆土中的甲烷氧化与反硝化特性[J].农业工程学报.2013，29（15）：201~214.
论文作者:薛芳1,钟彩霞2
论文发表刊物:《基层建设》2015年12期
论文发表时间:2016/11/17
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