垃圾填埋場(chǎng)硫化氫惡臭污染變化的成因研究
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)家較早地就開始了該方面的研究,1971年6月,日本首先對(duì)惡臭實(shí)行專項(xiàng)立法 [1]。氣味感覺是由于揮發(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感覺神經(jīng)的結(jié)果[2]。氣味感覺是非常復(fù)雜的,它受心理因素、氣象因素、主觀感覺、遺傳因素等影響。對(duì)人類有惡臭嗅覺刺激的物質(zhì)有1萬種左右[3,4]。我國(guó)《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB14554-93)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,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2.0km的區(qū)間內(nèi),在不利的逆溫條件下惡臭范圍可達(dá)6.0km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)的無組織排放廢氣中H2S的超標(biāo)率為7.6%,超標(biāo)倍數(shù)為 0.5~24[6]。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)垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)地處北京昌平小湯山鎮(zhèn)西南3km,于1994年12月正式投入運(yùn)行,日填埋垃圾2000t,使用年限20a以上。填埋場(chǎng)占地 63hm2,填埋區(qū)共40hm2,分為一期和二期兩部分。一期占地26hm2,現(xiàn)正在使用,已填埋距地面高度12m,地面以下4m;2003年3月沼氣集中收集工程改造完畢。二期占地14hm2,尚未投入使用。垃圾主要來自東城區(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
1.2.1沼氣改造工程前期點(diǎn)位布置
選擇2001年監(jiān)測(cè),選定沼氣排放管F3、G6,相鄰排放管間距50m,點(diǎn)位布置圖如圖1(a)所示。
1.2.2沼氣改造工程后期點(diǎn)位布置
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、J4、H4、H5,其中,J3、J4間距50m;J4、H4間距200m;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。
1.2.3各點(diǎn)位填埋工程概況
填埋過程概況如圖2所示,整個(gè)工程從地面下4m處填埋,至2003年7月已達(dá)到地面上12m。2001年G6、F3水位高度分別為地面以上2m、3m;2003年H4、H5水位高度為地面以上7m;2003年H4、H5水位高度為地面以上4m。
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
1.4.1主要監(jiān)測(cè)分析儀器
SP-3420氣相色譜分析儀,北京分析儀器廠;COSMOSXP-302ⅡE型氣體監(jiān)測(cè)儀(沼氣工程改造前期),日本;multiwarn Ⅱ,SP8314040型氣體監(jiān)測(cè)儀(沼氣工程改造的后期),德國(guó);TL型溫度傳感器;聚四氟乙烯采氣袋(2L),化工部光明研究所。
圖1沼氣改造工程前期、后期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位設(shè)置
圖2各點(diǎn)位填埋過程示意
1.4.2分析方法與條件
(1)CH4:氣相色譜法。操作條件:載氣N2,30ml/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,10μl;填充柱,1.0m×2.8mm。
(2)H2S:氣體監(jiān)測(cè)儀。
(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。
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。
圖3F3、G6排氣管氣體變化
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 5.48mg/m3。從圖2可知,由于G6地區(qū)2001年1~12月新鮮垃圾填入總高度為2m,1994~2000年填入速率約2m/a;而F3地區(qū) 2001年新鮮垃圾填入厚度為0.5m,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。1996~2001年阿蘇衛(wèi)填埋場(chǎng)新鮮生活垃圾含水率變化,如表3所示。
表1阿蘇衛(wèi)2001~2003年新鮮垃圾平均組成(干基)w/10-2
表2阿蘇衛(wèi)1994~2000年陳垃圾平均組成(干基)w/10-2
表3阿蘇衛(wèi)新鮮生活垃圾含水率
7~9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1~3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。
(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140mg/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0.5m,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5m,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6~7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6.5~7.0m,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位位于液面上2m處;井外設(shè)置1個(gè)參照點(diǎn),位于井口外上風(fēng)向1m處。圖4(c)中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。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7~8月滲濾液收集井處H2S平均質(zhì)量濃度為3.58mg/m3,填埋區(qū)F3處2001年7~8月平均質(zhì)量濃度為3.88mg/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。
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
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6~2904mg/L[7],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。
圖5pH對(duì)各種硫化物的影響
新鮮垃圾降解過程pH值先降低,顯示弱酸性,新鮮垃圾降解過程pH值先降低,顯示弱酸性,之后進(jìn)一步酸化(pH≤5),再升高(pH值上升到7~8),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7.8~8.4,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 6m)之后緩慢下降到41.5℃(堆體表面以下10m),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2m時(shí),H2S濃度隨季度有顯著的變化,9月份達(dá)到峰值。 (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2m時(shí),H2S濃度季節(jié)性變化和峰值變化較年填埋高度0.5m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。
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