北方平原型垃圾填埋場(chǎng)硫化氫引起惡臭污染變化的成因

1、垃圾填埋場(chǎng)硫化氫惡臭污染變化的成因研究紀(jì) 華1，夏立江1*，王進(jìn)安2，劉學(xué)建2，杜巍2，董勇力2，李國(guó)學(xué)11. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100094；2. 北京市阿蘇衛(wèi)垃圾綜合處理廠，北京 100012摘要：通過(guò)對(duì)阿蘇衛(wèi)填埋場(chǎng)沼氣工程改造前期和后期污染狀況的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)分析北方平原型填埋場(chǎng)H2S產(chǎn)生原因和影響因素。結(jié)果表明，沼氣工程改造前期，填埋區(qū)內(nèi)新鮮垃圾年填埋高度為2 m時(shí), H2S質(zhì)量濃度隨季度有顯著的變化，其濃度峰值出現(xiàn)在9月，可達(dá)179.1 mg/m3；新鮮垃圾年填埋高度為0.5 m時(shí)，H2S質(zhì)量濃度的季度性變化不明顯，峰值僅為21.8 mg/m3；這是新鮮垃圾含水率的季

2、度性變化和年填埋高度共同作用的結(jié)果。沼氣工程改造后期（2003年67月），在滲濾液收集井內(nèi)，H2S的濃度變化趨勢(shì)與水面蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)有良好的相關(guān)性。平均38 的堆體內(nèi)部溫度和垃圾降解過(guò)程的pH值決定其濃度變化。填埋場(chǎng)H2S氣體主要在填埋區(qū)釋放。因此，控制新鮮垃圾年填埋高度，是控制H2S質(zhì)量濃度季節(jié)性變化和出現(xiàn)高峰值的關(guān)鍵。關(guān)鍵詞：惡臭；硫化氫；硫酸鹽；生活垃圾；填埋場(chǎng)中圖分類號(hào)：X512 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-2175（2004）02-0173-04惡臭作為大氣污染公害之一,在全球范圍內(nèi)受到了各國(guó)廣泛重視。因而國(guó)外有些國(guó)家較早地就開(kāi)始了該方面的研究, 1971年6月，日本首先對(duì)

3、惡臭實(shí)行專項(xiàng)立法1。氣味感覺(jué)是由于揮發(fā)性分子和臭味物質(zhì)相互作用，刺激人等哺乳動(dòng)物位于鼻腔上部嗅覺(jué)感覺(jué)神經(jīng)的結(jié)果2。氣味感覺(jué)是非常復(fù)雜的，它受心理因素、氣象因素、主觀感覺(jué)、遺傳因素等影響。對(duì)人類有惡臭嗅覺(jué)刺激的物質(zhì)有1萬(wàn)種左右3，4。我國(guó)惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 14554-93）中確定了8種惡臭污染物,它們分別是硫化氫(H2S)、甲硫醇(CH3SH)、甲硫醚(CH3)2S、二甲二硫(CH3)2S2、二硫化碳(CS2)、氨(NH3)、三甲胺(CH3)3N、苯乙烯(AR-CH=CH2)。其中，有5種污染物含硫氣體。H2S是具有臭雞蛋味的惡臭氣體，低濃度時(shí)，它能引起眼炎、眼部分泌物增多，角膜渾濁畏光

4、，易發(fā)生氣管炎、咳嗽甚至咽部水腫；如長(zhǎng)期吸入硫化氫會(huì)導(dǎo)致人體質(zhì)變?nèi)?、抵抗力下降，易發(fā)生腸炎、心臟衰弱、神經(jīng)紊亂、多發(fā)性神經(jīng)炎等。國(guó)內(nèi)的一些垃圾填埋場(chǎng)正逐漸被居民區(qū)包圍，而填埋場(chǎng)造成的惡臭污染范圍一般在2.0 km的區(qū)間內(nèi)，在不利的逆溫條件下惡臭范圍可達(dá)6.0 km以上5。我國(guó)329個(gè)城市生活垃圾處理場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果表明，主要的含硫惡臭氣體為H2S，各填埋場(chǎng)的無(wú)組織排放廢氣中H2S的超標(biāo)率為7.6%，超標(biāo)倍數(shù)為0.5246。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硫化氫的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并且最終達(dá)到控制垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)惡臭氣體的目的，研究它在填埋場(chǎng)的產(chǎn)生和變化機(jī)制成為當(dāng)今環(huán)境領(lǐng)域的重要課題。1 監(jiān)測(cè)與分析1.1 監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)阿蘇衛(wèi)垃

5、圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)地處北京昌平小湯山鎮(zhèn)西南3 km，于1994年12月正式投入運(yùn)行，日填埋垃圾2000 t，使用年限20 a以上。填埋場(chǎng)占地63 hm2，填埋區(qū)共40 hm2，分為一期和二期兩部分。一期占地26 hm2，現(xiàn)正在使用，已填埋距地面高度12 m，地面以下4 m；2003年3月沼氣集中收集工程改造完畢。二期占地14 hm2，尚未投入使用。垃圾主要來(lái)自東城區(qū)、西城區(qū)、海淀區(qū)、小湯山、百善鎮(zhèn)。1.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與點(diǎn)位工況選擇2001年監(jiān)測(cè)，選定沼氣排放管F3、G6，相鄰排放管間距50 m，點(diǎn)位布置圖如圖1(a)所示。選擇2003年4月7月連續(xù)監(jiān)測(cè)，沿填埋區(qū)沼氣收集管選擇采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為J3、J

6、4、H4、H5，其中，J3、J4間距50 m；J4、H4間距200 m；滲濾液收集井處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為填埋區(qū)東北側(cè)滲濾液收集井，點(diǎn)位布置圖如圖1(b)所示。填埋過(guò)程概況如圖2所示，整個(gè)工程從地面下4 m處填埋，至2003年7月已達(dá)到地面上12 m。2001年G6、F3水位高度分別為地面以上2 m、3 m；2003年H4、H5水位高度為地面以上7 m；2003年H4、H5水位高度為地面以上4 m。2 結(jié)果與討論1.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目水面蒸發(fā)量（mm）；氣溫（）；填埋場(chǎng)內(nèi)部溫度（）；CH4體積分?jǐn)?shù)（%）；H2S質(zhì)量濃度（mg·m-3）。1.4 分析方法SP-3420氣相色譜分析儀，北京分析儀器廠；C

7、OSMOS XP-302 E型氣體監(jiān)測(cè)儀（沼氣工程改造前期），日本；multiwarn, SP 8314040型氣體監(jiān)測(cè)儀（沼氣工程改造的后圖2 各點(diǎn)位填埋過(guò)程示意期），德國(guó)；TL型溫度傳感器；聚四氟乙烯采氣袋（2 L），化工部光明研究所。（1）CH4 ：氣相色譜法。操作條件：載氣N2，30 ml/min；進(jìn)樣口溫度，160 ；檢測(cè)器溫度，180 （TCD熱導(dǎo)檢測(cè)器）；柱溫，220 ；六通閥進(jìn)樣器，10 µl；填充柱，1.0 m×2.8 mm。（2）H2S：氣體監(jiān)測(cè)儀。(a)改造前期填埋場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置1234567891011填埋區(qū)G6F350 m50 mJ3J4H5H4(

8、b)改造后期填埋場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置填埋區(qū)滲濾液收集井50 m50 m200 m圖1 沼氣改造工程前期、后期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置（3）填埋場(chǎng)內(nèi)部溫度：TL型溫度傳感器。（4）垃圾成分分析：四分法取樣；風(fēng)干后，105 烘干分析。表1 阿蘇衛(wèi)20012003年新鮮垃圾平均組成（干基） w/10-2可農(nóng)用部分可回收部分殘余物物質(zhì)成分食物紙類木頭樹(shù)葉塑料玻璃金屬織物磚石電池其他夏、秋季9.610.366.050.8331.793.830.563.5310.780.1522.52冬、春季20.58.123.51020.644.440.964.817.99029.03表2 阿蘇衛(wèi)19942000年陳垃圾平均組成（干基）

9、 w/10-2可農(nóng)用部分可回收部分殘余物物質(zhì)成分食物紙類木頭樹(shù)葉塑料玻璃金屬織物磚石電池其他陳垃圾0.350.172.57013.821.400.62.034.750.0574.26圖3 F3、G6排氣管氣體變化2.1 沼氣改造工程前期H2S變化2001年選取填埋區(qū)F3、G6兩個(gè)垂直型沼氣排放管監(jiān)測(cè)H2S氣體，排放管直接取氣分析。結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，G6排氣管H2S氣體排放濃度隨季度變化較為顯著，H2S氣體峰值出現(xiàn)在第3季度的9月。F3排氣管H2S氣體排放濃度變化平緩，平均為5.48 mg/m3。從圖2可知，由于G6地區(qū)2001年112月新鮮垃圾填入總高度為2 m, 19942000年

10、填入速率約2 m/a；而F3地區(qū)2001年新鮮垃圾填入厚度為0.5 m，此前幾年的填埋量也較為平均，但只有G6地區(qū)填入高度的1/4。從表1可以看出新鮮垃圾夏季和秋季的可農(nóng)用部分占26.84%，冬季和春季的可農(nóng)用部分占32.13%；從表2可以看出陳垃圾的可農(nóng)用季的可農(nóng)部分僅占3.09%，因此F3地區(qū)H2S氣體變化較為平緩。新鮮垃圾可農(nóng)用部分夏季、秋季小于冬季、春季，而H2S氣體變化在夏季和秋季最為顯著。這是由于我國(guó)北方地區(qū)垃圾組成受季節(jié)影響明顯，秋季、夏季蔬菜和水果消耗量大，尤其夏季主要以西瓜等含水率很高的有機(jī)垃圾為主；而冬季、春季垃圾的含水率相對(duì)較低。19962001年阿蘇衛(wèi)填埋場(chǎng)新鮮生活垃圾

11、含水率變化，如表3所示。表3 阿蘇衛(wèi)新鮮生活垃圾含水率月 份13月46月79月1012月w(水分)/%34.07±2.7538.22±5.6352.66±3.4146.8±3.6379月新鮮生活垃圾含水率最高，可達(dá)52.66%±3.41%，同時(shí)H2S氣體濃度達(dá)到峰值；而13月含水率降到最低，為34.07%±2.75%，相應(yīng)的H2S氣體濃度最低。H2S氣體變化趨勢(shì)與含水率總體變化趨勢(shì)相一致。因此，G6排氣管出現(xiàn)H2S氣體變化隨季節(jié)變化較為顯著的原因與垃圾自身含水率有關(guān)。2.2 沼氣改造工程后期H2S變化填埋區(qū)共選取J3、J4、H4、H5

12、等4個(gè)垂直型沼氣收集管監(jiān)測(cè)H2S氣體。H2S取氣口直接取氣分析；CH4采用采氣袋取氣，氣相色譜分析。(a) J4收集管CH4、H2S變化 (b) J3、H4、H5集氣管H2S濃度變化(c) 滲濾液收集井H2S、蒸發(fā)量變化 (d) 滲濾液收集井H2S、CH4變化圖4 沼氣改造工程后期沼氣收集管和滲濾液收集井氣體變化（1）J4收集管CH4、H2S變化如圖4（a）所示。J4沼氣收集管5月10日前處于排空狀態(tài)，于5月10日封閉，甲烷體積分?jǐn)?shù)隨即達(dá)到63.0%，H2S質(zhì)量濃度大于140 mg/m3，而6月11日以后，H2S質(zhì)量濃度有明顯衰減趨勢(shì)，含硫垃圾降解已趨于穩(wěn)定。（4）J3、H4、H5集氣管H2S

13、氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4(b)。H4和H5質(zhì)量濃度變化基本一致，主要是兩者同處于同一填埋單元內(nèi)，即垃圾的基本組成、水分分布情況、壓實(shí)密度、覆土層厚度基本一致，圖2中2003年H4、H5地區(qū)填埋厚度僅為0.5 m，而從兩者總體的變化趨勢(shì)分析，H2S處于穩(wěn)定的衰減狀態(tài)；2003年J3地區(qū)填埋厚度為5 m，J3收集管H2S質(zhì)量濃度處于顯著上升階段，硫酸鹽降解反應(yīng)處于活躍期。2.3 東北側(cè)滲濾液收集井H2S變化2003年67月滲濾液收集井處監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)如圖4（c）、（d）所示。水位距井口6.57.0 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位位于液面上2 m處；井外設(shè)置1個(gè)參照點(diǎn)，位于井口外上風(fēng)向1 m處。圖4（c）中H2S的濃度變化趨

14、勢(shì)與水面蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)有良好的相關(guān)性。圖4（d）中滲濾液收集井處CH4體積分?jǐn)?shù)有逐漸升高的趨勢(shì)，而滲濾液從垃圾堆體流出后，H2S氣體分壓減小，使?jié)B濾液內(nèi)溶質(zhì)易向氣相轉(zhuǎn)移，氣體解吸釋放。從圖3、圖4（c）、（d）分析得出，2003年78月滲濾液收集井處H2S平均質(zhì)量濃度為3.58 mg/m3，填埋區(qū)F3處2001年78月平均質(zhì)量濃度為3.88 mg/m3，高于同期滲濾液收集井處的平均質(zhì)量濃度，因此，填埋場(chǎng)H2S惡臭氣體主要從填埋區(qū)釋放。2.4 討論下面對(duì)H2S氣體產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。垃圾中包含的各種可降解含硫有機(jī)物在微生物的作用下分解為可溶性硫酸鹽，我國(guó)城市垃圾填埋場(chǎng)的硫酸鹽變化范圍為62904

15、 mg/L7，水解作用為硫酸鹽的生成提供了良好場(chǎng)所，之后硫酸鹽作為電子受體被硫酸鹽厭氧菌降解成硫化物。H2S的產(chǎn)生與硫化物在水體的濃度密切相關(guān)8。pH值與各種形式的硫化物關(guān)系如圖5所示。新鮮垃圾降解過(guò)程pH值先降低，顯示弱酸性，新鮮垃圾降解過(guò)程pH值先降低，顯示弱酸性，之后進(jìn)一步酸化（pH5），再升高（pH值上升到78），而水解發(fā)酵階段和酸化階段良好的水溶性和酸性條件為硫化氫氣體生成創(chuàng)造了條件，主要反應(yīng)方程為：HS-+H+= H2S 陳垃圾堆體內(nèi)部pH介于7.88.4，硫化物主要以HS-形式存在。填埋區(qū)內(nèi)良好的厭樣環(huán)境、水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)34%53%、垃圾自身的營(yíng)養(yǎng)成分，為厭氧微生物的生長(zhǎng)提供了合適

16、的碳源、水分和載體，微生物頻繁的活動(dòng)釋放出熱量，此填埋區(qū)垃圾堆體內(nèi)部溫度從表面27.8 逐漸升高至42.3 （堆體表面以下6 m）之后緩慢下降到41.5 （堆體表面以下10 m），平均溫度可達(dá)38 ，堆體溫度升高，H2S氣體在水中的溶解度進(jìn)一步降低，亨利常數(shù)增大，使得氣體分壓減小，H2S解析釋放。因此，垃圾降解過(guò)程的pH和堆體內(nèi)部溫度對(duì)H2S產(chǎn)生有決定性作用。3 小結(jié)（1）北方平原型填埋場(chǎng)填埋區(qū)內(nèi)年新鮮垃圾填入高度為2 m時(shí)，H2S濃度隨季度有顯著的變化，9月份達(dá)到峰值。圖5 pH對(duì)各種硫化物的影響（2）填埋區(qū)H2S氣體濃度變化主要與垃圾自身含水率、內(nèi)部厭氧環(huán)境、堆體內(nèi)部溫度等因素有關(guān)。而陳垃

17、圾的H2S濃度小于有新鮮垃圾填入時(shí)的濃度。（3）滲濾液收集井處H2S氣體質(zhì)量濃度變化與水面蒸發(fā)量相關(guān)，隨著水面蒸發(fā)量的升高，H2S濃度有上升趨勢(shì)。（4）填埋區(qū)陳垃圾沼氣收集管內(nèi)H2S氣體濃度高于滲濾液提升井處的濃度，填埋場(chǎng)H2S惡臭氣體主要在填埋區(qū)釋放。（5）當(dāng)新鮮垃圾年填埋高度為2 m時(shí)，H2S濃度季節(jié)性變化和峰值變化較年填埋高度0.5 m時(shí)顯著，因此，控制填埋區(qū)H2S惡臭氣體關(guān)鍵在于控制新鮮垃圾的年填埋高度。參考文獻(xiàn)：1 張榮賢. 惡臭的測(cè)定與評(píng)價(jià)J. 化工環(huán)保, 1996, 16(5): 269-275.2 DAVOLI E, GANGAIM L, MORSELLI L, et al.

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20、 WANG Jin-an2, LIU Xue-jian2, DU Wei2, DONG Yong-li2, LI Guo-xue11. Department of Environmental Science and Engineering, China Agricultural University, Beijing 100094, China; 2. Asuwei Municipal Landfill, Beijing 100012, ChinaAbstract: Based on the pollution monitoring during the pre-period and post

21、-period of the methane reformation project in Asuwei municipal landfill, the causes of H2S and the influence on it were analyzed in the northern plain landfill. The result shows that during the pre-period, when a fresh filled municipal garbage reaches 2 m, H2S quantity density changed greatly in different quarters, and its peak density of H2S appearing in September, is 179.1 mg/m3; when a fresh filled municipal garbage is 0.5 m high, H2S de