全 文 ：不同填埋工艺对填埋气产生动态变化的影响 3
刘玉强　王　琪 3 3 　黄启飞　杨玉飞　董　路
(中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究室 ,北京 100012)
【摘要】　依据厌氧、准好氧填埋原理构建了填埋试验装置 ,对准好氧填埋 CH4 、O2 浓度的动态变化进行了
监测 ,并与厌氧填埋结构 CH4 的浓度变化进行了比较. 结果表明 ,准好氧填埋方式下、厌氧填埋方式下
CH4 的平均浓度变化范围分别为 7 %～13 %、35 %～50 % ;准好氧填埋结构有利于减少 CH4 气体的产生 ;
CH4 浓度在准好氧填埋、厌氧填埋方式下都表现出明显的空间层次效应 ,呈现出下层 > 中层 > 上层的规律
性 ;准好氧填埋结构的 O2 浓度呈现上层 > 中层 > 下层的规律性.
关键词 　准好氧填埋 　城市固体废物 　填埋气 　甲烷
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 12 - 2409 - 04 　中图分类号 　X075 　文献标识码 　A
Dynamic variation of landf ill gas production under different landf ill treatment. L IU Yuqiang , WAN G Qi ,
HUAN G Qifei , YAN G Yufei ,DON G Lu ( Research Institute of Solid W aste M anagement , Chinese Research A2
cademy of Envi ronmental Sciences , Beijing 100012 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . , 2005 , 16 (12) : 2409～
2412.
Based on the landfill principles ,large scale installations of anaerobic and semi2aerobic landfills were established ,
with the concentrations of CH4 ,O2 and CO2 detected regularly. The results showed that the average CH4 concen2
tration in semi2aerobic and anaerobic landfill installations was 7 %～13 % and 35 %～50 % ,respectively ,indicat2
ing the better effect of semi2aerobic landfill in reducing CH4 production. The CH4 and O2 concentrations in the
two landfill installations all presented obvious spatial layer effect , i . e. ,under2layer > middle layer > upper layer
for CH4 ,while upper layer > middle level > under2layer for O2 .
Key words 　Semi2aerobic , Municipal solid waste , Landfill gas , Methane.
3 国家“十五”863 计划资助项目 (2001AA644010) .3 3 通讯联系人. E2mail :wangqi @craes. org. cn
2004 - 10 - 02 收稿 ,2005 - 02 - 22 接受.
1 　引 　　言
卫生填埋按垃圾层中氧气的存在状况可分为厌
氧、好氧和准好氧 3 种填埋方式 ,相应分为厌氧、好
氧和准好氧 3 种填埋工艺. 好氧填埋是在垃圾体内
铺设通风管 ,通过动力装置向垃圾体内送入空气 ,垃
圾层内有充足的氧气 ,使好氧分解加速 ,垃圾性质很
快达到稳定[8 ,23 ] ;厌氧填埋是将垃圾填埋体独立于
周围环境 ,属于封闭容器式填埋 ,垃圾填埋体须经过
漫长的厌氧发酵才能实现最终稳定化、无害
化[5 ,11 ,20 ] ;准好氧填埋最早由花岛正孝提出 ,其设
计原理是不用动力供氧 ,而是利用渗滤液收集管道
的不满流设计 ,在垃圾堆体发酵产生温差的推动下
使空气自然通入 ,保证在填埋场内部存在一定的好
氧区域 ,特别是在渗滤液集排水管和导气管周围存
在好氧区域 ,抑制甲烷和硫化氢等气体的产生 ,加快
垃圾稳定化进程 ,降低渗滤液中污染物浓度[13 ,22 ] .
垃圾填埋气指在垃圾填埋场中 ,生活垃圾所含
的大量有机物被微生物降解所生成的气体 (L F G) .
据测算 ,1 t 垃圾在填埋场寿命期内大约可产生 39
～390 m3 的填埋气体[14 ,16 ,21 ] . 填埋气体的主要成
分为 CH4 和 CO2 ,此外还有一些其它成分如 H2 S
等. CH4 和 CO2 是重要的温室气体 ,CH4 对温室效
应的贡献仅次于 CO2 ,但其当量体积温室效应潜在
值却是 CO2 的 21 倍[9 ,12 ,18 ] . 此外 ,垃圾填埋气的随
意排放对垃圾场周边环境也会造成不利影响 ,其潜
在的燃爆危险对填埋场工作人员的健康和安全产生
极大威胁[1 ] .
2002 年我国清运城市生活垃圾 114 ×108 t ,实
际处理量为 714 ×107 t ,占总清运量的 5412 %. 其
中 , 填 埋 占 8913 %、焚 烧 占 3172 %、堆 肥 占
6198 %[6 ] . 因此 ,在相当长一段时期内 ,填埋仍将是
我国城市生活垃圾的主要处置方式. 由于资金和技
术的限制 ,大部分填埋场产生的填埋气处于无组织
排放 ,是重要的温室气体排放源. 目前 ,清洁发展机
制 (CDM)是世界各国特别是发达国家环境研究的
热点 ,其核心问题即是如何在发展中国家的领土上
实施能够减少温室气体的项目 ,并据此获得“经核证
的减排量”(CER) . 本研究探讨准好氧填埋工艺条件
应 用 生 态 学 报 　2005 年 12 月 　第 16 卷 　第 12 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY , Dec. 2005 ,16 (12)∶2409～2412
下甲烷气体的动态变化规律 ,对于开发适合我国的
CDM 甲烷减排技术具有重要意义[7 ] .
2 　材料与方法
211 　填埋装置的建立
填埋试验规模为 21 m ×318 m ×610 m ,准好氧填埋结
构为 :底部铺设 HDPE膜 ,膜上铺设直径为 012 m 渗滤液收
集主管道 ,主收集管周围铺设碎石用以保护覆盖 ,在收集管
的 3 个等分节点处铺设直径为 011 m 渗滤液收集支管和直
径为 0115 m 的竖直导气管 ,导气管周围用石笼保护 ;厌氧填
埋结构同样铺设 HDPE 膜及渗滤液收集主管道、支管 ,但不
设竖直导气管 ,并在渗滤液收集主管出口设球阀以控制渗滤
液 ,保持垃圾层处于厌氧状态.
在装填垃圾过程中 ,在垃圾倾倒至 115、310 和 415 m
时 ,压实并进行采气点的铺设 :沿着填埋堆体竖直方向设置
3 个剖面 ,每个剖面的面积为 2110 m ×318 m ,布有 27 个测
气点. 采气点位于填埋体的物理中心 ,避开穿孔导气管. 最后
在填至 515 m 高度时铺设模拟降雨管道 ,用塑料膜代替粘土
层覆盖 ,实现垃圾层密封. 图 1 为实验装置示意图.
图 1 　准好氧填埋实验装置示意图
Fig. 1 Sketch of semi2aerobic landfill.
212 　分析方法
填埋垃圾为江西省九江市生活垃圾 ,约 250 t ,其中厨余
占 50184 %、草木 2130 %、纸类 4156 %、布类 1120 %、塑料
8174 %、砖瓦 3183 %、玻 璃 1155 %、金 属 0118 %、灰 土
26177 % ;容重 0152 t·m - 3 . 12 d 后填埋结束. 采用人工控制
降雨来调节垃圾层内的水分 ,模拟降雨量按照九江的年均降
雨量计算为 1 m3·14 d - 1 ,填埋结束一周即开始对准好氧填
埋处理和厌氧填埋处理分别进行气体采样分析 ,分析仪器使
用便携式 4 组分气体红外分析仪[19 ] ,用于测定填埋气的成
分和浓度. 前期采样频率为 1 次/ 周 ,在垃圾层进入相对稳定
期后 ,每隔 2 周进行采样分析.
3 　结果与讨论
311 　不同填埋结构下甲烷浓度动态变化
在厌氧填埋结构中 ,其甲烷浓度变化随时间呈
上升趋势 (图 2) . 下层甲烷浓度变化分为 3 个阶段 :
1)最初浓度 1017 %到第 46 天时的 1819 % ,甲烷变
化较为平缓 ,上升速度为 0118 %·d - 1 ; 2) 47～108
d ,甲烷浓度由 1819 %上升到 4717 % , 其速率为
0147 %·d - 1 ;3) 108 d 以后 ,甲烷浓度稳定在 50 %左
右 . 中层甲烷浓度由填埋初期9 %到第46天时甲烷
　
图 2 　厌氧填埋 (a)和准好氧填埋 (b)甲烷浓度变化
Fig. 2 Variation of methane concentration in anaerobic landfill (a) and se2
mi2aerobic landfill (b) .
Ⅰ. 下层 Uder level ; Ⅱ. 中层 Middle level ; Ⅲ. 上层 Uper level. 下同
The same below.
浓度为 1815 % , 甲烷浓度增长速率较慢 , 约为
0121 %·d - 1 ,其后甲烷浓度从 1815 %到 5213 %经历
了 62 d ,上升速率达 0155 %·d - 1 . 上层甲烷浓度变
化大致也分为 2 个阶段 :从最初浓度为 614 %到浓
度为 1818 %经历了 64 d ,上升速率为 0119 %·d - 1 ;
65～94 d ,甲烷浓度上升到 40 % ,其上升速率为
0173 %·d - 1 ;此后甲烷浓度稳定在 40 %左右.
　　在填埋的最初阶段 ,垃圾层的微生物迅速将填
埋过程带入垃圾层中氧气消耗完毕 ,在经历酸化、水
解阶段后开始有少量的甲烷生成[15 ] . 图 2a 显示填
埋实验约进行到 56 d 即进入甲烷稳定的增长阶段.
因此在厌氧填埋中 ,CH4 的浓度变化随时间有明显
的上升趋势. 甲烷浓度的变化呈现一定的空间变异
特性 :下层和中层的浓度略大于上层 ,可能因为上层
的甲烷通过对流和扩散释放到大气中造成了该层的
浓度偏低 ,而且中下层垃圾较上层更为密实 ,孔隙度
小 ,易于形成厌氧环境 ,有利于产甲烷菌的生长.
在准好氧填埋结构中 ,下层的甲烷浓度随时间
呈缓慢上升趋势 (图 2b) . 大致可分为 3 个阶段 :在
填埋初期浓度的 611 %到 54 d 后甲烷的浓度为
20 % ,其上升速率为 0125 %·d - 1 ;54～120 d 甲烷浓
度为 25 % ,其上升速率为 0108 %·d - 1 ,从 120 d 开
始 ,甲烷浓度稳定在 25 %左右. 中层甲烷最初浓度
为 6 % ,填埋至 168 d 时其浓度只有 618 % ,在相当
长的时间内 ,该层的甲烷浓度稳定在 6 %左右. 上层
的甲烷浓度由最初的 613 %迅速下降到小于 1 % ,至
70 d 左右处于检不出阶段 ,此后随着实验时间进行
基本无甲烷产生.
0142 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
在准好氧填埋结构中甲烷浓度的层次效应更为
明显 ,下层 > 中层 > 上层. 由于甲烷是产甲烷菌在厌
氧环境中形成 ,这类菌种属于古细菌 ,能将有机化合
物或无机物厌氧发酵转化成甲烷[3 ] . 准好氧填埋结
构中出现了甲烷浓度明显的层次效应 ,应与氧气浓
度的空间层次特性有关[24 ] .
　　厌氧填埋结构中的甲烷平均浓度要远高于准好
氧填埋方式 (图 3) ,厌氧填埋方式下甲烷的平均浓
度变化范围 35 %～50 % ,略低于 Bagchi[2 ]对厌氧填
埋场长期进行监测所得到的典型值 50 %～70 %. 小
于廖利对深圳市玉龙坑垃圾填埋场 6115 %的现场
测定结果[10 ] . 究其原因 :1)试验规模较小 ,垃圾层的
高度不足 6 m ,在有限的高度内很难做到完全的密
封效果 ,对产甲烷菌的生长产生了不利影响 ;2)垃圾
层没有达到产甲烷的最佳条件 ,其中最重要的是填
埋层中水分的调节. Bogner [4 ]在对填埋样品进行试
验时 ,当含水率增到 200 %时 ,其甲烷平均产率比对
照样品 (含水率 60 %～70 %)高 1 倍.
图 3 　两种填埋结构甲烷平均浓度变化
Fig. 3 Methane average concentration variation between two landfill
structures.
a) 厌氧填埋 Anaerobic landfill ; b) 准好氧填埋 Semi2aerobic landfill
structures.
　　准好氧填埋方式下甲烷的平均浓度变化范围分
别为 7 %～13 % ,与 Takayuki Shimaoka 等[17 ]测得
的结果相近 (10 %～20 %) .
两种填埋结构中平均甲烷浓度差距在填埋初期
的 40 d 内不很明显 ,随着厌氧填埋和准好氧填埋环
境分别形成 ,二者甲烷平均浓度之间差异较大 ;70 d
后 ,厌氧填埋方式的甲烷平均浓度要比准好氧条件
下的浓度大 3～4 倍. 因此 ,厌填填埋的甲烷产生量
远大于准好氧填埋方式 ,表明准好氧填埋可以明显
减少甲烷的产生量. 这对于控制填埋气对大气所造
成的污染 ,特别是减少温室效应的影响卓有成效.
312 　准好氧填埋氧气含量动态变化
准好氧填埋结构上层氧气的含量变化大致经历
2 个阶段 (图 4) :从填埋初期浓度的 115 %到填埋 70
d 后的 1419 % ,其上升速率为 0119 %·d - 1 ;70 d 以
后 ,其浓度稳定在 1515 %. 中层氧气的浓度值比上
层要低 ,前期略有上升 ,40 d 后即稳定下来 ,以后其
值在 315 %左右变化. 下层氧气浓度值最低 ,稳定在
018 %左右. 出现这种现象是因为氧气在垃圾层中的
扩散与消耗造成的. 前期由于空气扩散充氧大于微
生物对氧气的消耗 ,造成了氧气浓度逐渐积累 ;随着
时间进行 ,垃圾沉降造成了空气在中下层扩散受阻 ,
微生物耗氧与空气扩散充氧两个过程达到平衡 ,因
此氧气浓度保持稳定.
图 4 　准好氧填埋氧气变化
Fig. 4 Variation of oxygen concentration in semi2aerobic landfill.
　　与甲烷浓度类似 ,准好氧填埋结构中氧气浓度
也表现出明显的层次效应 :氧气浓度上层 > 中层 >
下层. 这正是由于其特殊的填埋结构决定的. 在准好
氧填埋结构下 ,由于填埋层体内外的温度差造成空
气对流比较明显 ,从而将空气带入垃圾层 ,使得空气
在填埋层中扩散 ,进而在垃圾层中形成了局部的好
氧区域. 好氧区域由于垃圾层次不同而分布不一. 由
于垃圾的自然沉降 ,使得垃圾在上层处于相对比较
疏松的状态 ,而下层的垃圾层则比较紧密 ,从而造成
空气在下层的扩散比较困难. 因此 ,上层氧气平均浓
度 (1410 %)相对于中层 (315 %)和下层的 (018 %)要
高很多. Takayuki Shimaoka 等[17 ]在对准好氧填埋
的稳定化试验也发现 ,随着填埋高度的不同 ,上层的
氧气含量为 10 %～ 20 % ,而下部值很低 ,常小于
3 %.
综合图 3 和图 5 ,准好氧填埋结构上层氧气含
量高 ,因此不利于产甲烷菌的生存 ,造成上层甲烷浓
度低 ;中层存在一定的好氧区域 ,在厌氧区域内可以
产生一定量的甲烷 ;而下层处于缺氧区 ,有利于产甲
烷菌的存在 ,因此甲烷浓度较高.
313 　CO2 在填埋气主要成分 (CO2 + CH4) 中所占比
例
在填埋初期 ,二者之间的差别并不大 ,但是在
46 d 以后 ,准好氧填埋方式下 CO2 所占比例 (016～
017)要比厌氧填埋方式下 (014～0155) 高 (图 5) . 因
114212 期 　　　　　　　　　　　　　刘玉强等 :不同填埋工艺对填埋气产生动态变化的影响 　　　　　　　　　　　
此 ,在准好氧填埋方式中填埋气是以 CO2 为主. 这
一现象表明 ,准好氧填埋方式不仅可以减少甲烷的
产生 ,并且在有机物降解过程中产生的填埋气以
CO2 为主.
图 5 　两种填埋结构中 CO2 所占比例
Fig. 5 Percentage of carbon dioxide in landfill gas between two landfill
structures.
4 　结 　　论
准好氧填埋作为一种新型的填埋结构 ,其对于
填埋气的动态影响非常明显. 本试验条件下 ,传统厌
氧填埋甲烷产生的平均浓度变化范围为 35 %～
50 % ,准好氧填埋结构下甲烷的平均浓度变化范围
只有 7 %～13 %. 对于准好氧填埋结构氧气变化来
说 ,其上层的氧气在填埋实验进行到 70 d 后就稳定
在 1515 %左右 ,并形成了相当的好氧区域 ,这些好
氧区域的存在减少了甲烷的生成. 同时 ,在准好氧填
埋结构下 ,填埋气中成分以 CO2 为主. 因此 ,在中国
绝大多数没有设置填埋气回收装置的填埋场 ,采用
准好氧填埋结构对缓解填埋气中甲烷对大气所造成
的污染非常有效. 准好氧技术的推广对 CDM 项目
在中国的施行具有重要意义.
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作者简介 　刘玉强 ,男 ,1975 年出生 ,硕士生. 从事固体废弃
物处理研究. E2mail :liuyq @mails. gscas. ac. cn
2142 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷