刘彦君，杨惠媛，刘 宏，刘玉强，徐 亚

1.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院，北京 100083 2.天津市生态环境科学研究院，国家环保恶臭污染控制重点实验室，天津 300191 3.中国环境科学研究院，北京 100012 4.清华苏州环境创新研究院，江苏 苏州 215163 5.昆明市政科学研究院(集团)有限公司，云南 昆明 650100

中国生活垃圾具有含水率高(40%～60%)和有机质含量高(50%～70%)等特点[1-2]，导致填埋场甲烷的产生和排放量较大[3-5]。据估算，截至2012年中国已有1 955座生活垃圾填埋场，甲烷年排放量约为1.48万t[6]；
到2030年，生活垃圾填埋场将达到2 450座，预计甲烷年排放量将达到1.79万t。习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出“中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。而随着生活垃圾填埋量的持续增长，填埋场甲烷的产生与排放将加剧中国温室气体减排的压力。

填埋场产生的甲烷主要通过垃圾堆体表面释放进入大气环境[7]。中国的填埋场目前多采用高密度聚乙烯膜(HDPE)取代覆土的方式进行覆盖。由于填埋场在建设、运营和后期管理过程中缺乏针对填埋场覆盖膜完整性的监管，导致覆盖膜破损情况较为严重[8-10]。填埋场覆盖膜的破损会造成填埋气泄漏，向大气环境持续释放甲烷和恶臭气体，导致填埋场爆炸隐患、能源损失、温室效应、恶臭扰民等问题突出[11]。与此同时，中国未来将有大量填埋场面临封场，封场后的填埋场仍将不断产生填埋气，一般需要30～50年才能达到稳定，而封场覆盖是控制填埋气无组织释放的关键。当前，众多填埋场面临着运行、封场和治理等工作，而填埋气污染控制的相关规范、导则、技术指南等并不完善，填埋场的覆盖膜破损问题尚缺乏相关规范和指南等技术文件的支撑。

针对填埋场覆盖膜破损检测的技术主要包括火焰离子化检测器(FID)分析技术、移动激光技术和甲烷敏感红外摄像头技术。其中，火焰离子化检测器分析技术精确度较高，但无法完全覆盖整个检测范围[12]；
移动激光技术可测量垃圾填埋场的释放量，但无法识别破损点位置[13]。填埋气泄漏可视化检测技术基于光子探测器的工作原理，利用红外线摄像机和内置甲烷检测器，可在识别现场破损点位的同时估测甲烷气体释放速率。笔者以生活垃圾填埋场覆盖区域为研究对象，采用填埋气泄漏可视化检测技术，对中国东部某大型生活垃圾填埋场覆盖膜开展完整性检测，揭示覆盖膜破损成因，评估破损点甲烷泄漏特征及其温室效应影响。为生活垃圾填埋场的监管和填埋气污染控制提供科学参考。

1.1 填埋场基本信息

该填埋场位于中国东部地区，是典型的山谷型厌氧生活垃圾填埋场，处理规模为2 500 t/d，累计填埋量已超过780万t。该填埋场于2006年开始利用填埋气发电，采用场区内设置的导气收集系统对产生的填埋气进行收集和利用，沼气年发电量约为1 100万kW·h。2015年开始，该场实施全场HDPE膜覆盖，现有覆盖面积已达30万m2。

1.2 破损点检测条件及方法

采用填埋气泄漏可视化检测技术(Esders Gascam SG)检测覆盖膜完整性，该设备由远红外摄像机及内置甲烷检测器组成。检测技术基于远红外摄像原理，利用低温运行的高敏感检测器，标定已知释放速率的甲烷气体影像，分析内置甲烷气体影像与甲烷释放速率的相关关系，评估甲烷释放速率。Esders Gascam SG检测图像如图1所示。

图1 Esders Gascam SG可视化检测图像Fig.1 Visual image by using Esders Gascam SG

覆盖膜完整性检测采用路线穿越法设计检测路线，该法能利用较少的点位对检测区域进行较全面的检测。具体为每隔20～30 m设置一个摄像点，在摄像点上对覆盖膜进行360°水平扫描，利用Esders Gascam SG影像识别是否有甲烷排放。在有甲烷排放的位置检查覆盖膜，勘测破损情况。该次检测共设置15个摄像点，具体点位如图2所示，检测面积约为4 700 m2。

图2 典型填埋场检测点示意图Fig.2 The schematic view of landfill detection point

2.1 覆盖膜破损特征及成因分析

检测填埋场已覆盖区域的完整性发现，在监测范围内共有35个破损点，约合每公顷覆盖膜有73个破损点，破损点类型及数量如表1所示。覆盖膜破损类型主要包括尖锐物体应力损伤、覆盖膜焊接点破损、覆盖膜与填埋场其他构件连接不完整。其中，尖锐物体应力损伤和覆盖膜焊接点破损是最主要的破损类型。

表1 覆盖膜破损类型及其数量Table 1 The type and quantity of landfill film leakages

尖锐物体应力损伤是造成填埋场覆盖膜破损的重要类型。膜下尖锐物与膜上压膜重物会增加覆盖膜的局部应力，导致覆盖膜破损。研究中共发现21个由尖锐物体应力损伤导致的破损点，约占检测破损点总量的60.0%，破损尺寸为1.0～12.0 cm。造成这类破损的原因主要是操作过程中工人粗放施工(在膜上搬运机械、使用水泥砖压膜等)导致覆盖膜上表面被刺穿或磨损。

覆盖膜焊接点破损是由覆盖膜焊接处焊接不完整或焊接操作不当导致的，这类破损点占检出破损点总量的31.4%，破损尺寸较小(0.5～5.0 cm)。研究中发现，填埋场堆体斜坡区域由于坡度较大、现场条件复杂，存在覆盖膜焊接不完整的现象。填埋场覆盖膜焊接对精密度要求较高，焊接处属于整个覆盖层的薄弱点，若施工和运营中监管不到位，极易导致覆盖膜出现此类破损。

覆盖膜与填埋场其他构件连接不完整主要包括膜与锚固坝连接处不密封，覆盖膜与导气管连接处不完整等。虽然此类破损点数量较少(<10%)，但破损尺寸较大(1.0～15.0 cm)。尤其是锚固坝连接处不密封的破损点，由于其在填埋操作前已完成铺设，很难被修补。

2.2 破损点甲烷泄漏特征

Esders Gascam SG可将甲烷泄漏速率按照小(小于100 L/h)、中(100～1 000 L/h)、大(大于1 000 L/h)3个等级梯度进行统计，结果见表2。破损点的甲烷泄漏速率以大于1 000 L/h 为主，日泄漏量约为817.2 m3。其中，因尖锐物应力损伤导致的破损点甲烷泄漏速率最高，单个破损点泄漏速率达26.9 m3/d；
覆盖膜焊接点破损的单个破损点甲烷泄漏速率相对较小(17.6 m3/d)，但由于破损点数量较多，其泄漏量达193.2 m3/d；
因覆盖膜与填埋场其他构件连接不完整造成的单个破损点甲烷泄漏速率为19.7 m3/d，此类破损点个数较少，甲烷日泄漏量仅为35.0 m3。因此，在填埋场运行和维护管理过程中，除了对尖锐物应力损伤类破损进行检查外，还应加大对覆盖膜焊接点破损和覆盖膜与填埋场其他构件连接不完整的关注。

表2 破损点甲烷泄漏速率及泄漏量估算Table 2 The release rate and quantity of methane from landfill film leakages

破损点甲烷泄漏不仅会导致温室效应，也会造成大量能源损失。从温室效应角度分析，研究中填埋场覆盖层破损点甲烷泄漏量约合向大气释放温室气体13.58 t CO2-eq/d，每年释放的温室气体超过4 900 t CO2-eq。同时，甲烷作为清洁能源可用于发电，以每立方米甲烷发电3.59 kW·h，发电电价为0.45 元/(kW·h)计，该研究填埋场已检测出的破损点每年泄漏甲烷的发电量约为1.07×106kW·h，折合损失发电金额约为48.18 万元。控制填埋场覆盖层的破损，不仅可以大大降低填埋场释放甲烷对温室气体排放的贡献，还可以提高填埋场能源利用效率。

2.3 填埋场覆盖膜完整性监管分析

由于填埋区域较广，常规的气体检测设备很难实现对填埋场覆盖区域的全面检测，技术手段不足导致了填埋场覆盖膜完整性监管和检测的缺失。基于此，笔者在该研究实际调研的基础上，梳理了国内外填埋场覆盖层监管相关管理规定及措施。

在法律层面，为从源头控制填埋场甲烷的产生，欧盟制定了《欧盟垃圾填埋指令》，确定了将生物可降解垃圾从填埋场中清除的目标，旨在尽可能防止或减少垃圾填埋场带来的负面环境影响及其对人类健康造成的潜在危害。同时，欧洲各国也通过立法推进填埋场甲烷减排，如英国的《废弃物与碳排放交易法案 (2008)》和德国的《可再生能源法 (2017)》。目前，中国尚未形成针对垃圾填埋场甲烷控制和减排的相应法律规定。

在管理体系方面，国际上通常借助完善的管理制度全面控制填埋场的规划、建设和运行。对于填埋场覆盖层，美国环保署对其设计结构、厚度及覆盖材料的性能明确提出要求，并出台了《最终覆盖技术指南》。尽管中国已有《生活垃圾填埋场处理技术规范》(GB 50869—2013)和《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB 16889—2008)，但尚缺乏关于填埋场覆盖层监管方面详细的规定和要求。填埋气污染控制的相关规范、导则和技术指南等文件还不完善。

在检测维护方面，填埋场覆盖层破损点往往较为隐蔽，仅依靠人力进行泄漏排查难度较大。德国采用FID进行检测，检测频率为1年2次，并规定如检测区域10年内未超标则可停止检测。英国则针对临时覆盖区及最终覆盖区实施2个阶段为期3个月以上的检测，其中第一阶段使用FID进行场调，第二阶段在代表性区域测量气体泄漏量，如泄漏量超出限制，则进行相应补救并再次检测泄漏情况，若未超相应限制则只进行场调。当前，中国仅有部分城市自行开展了生活垃圾填埋场覆盖膜完整性检测及排查工作，关于修复环节的监管要求尚不明晰。

综上，针对中国填埋场覆盖膜破损、填埋气泄漏的现状，应尽快形成切实可行的填埋场覆盖膜完整性检测指导方法，建立覆盖膜填埋气泄漏环境风险评估方法和评价指标体系，完善填埋场污染控制相关标准和技术规范，保证覆盖膜铺设和填埋场运行过程中覆盖膜功能完好，开展填埋场覆盖层完整性定期检测工作，降低覆盖膜破损机率，这样才能更好地限制填埋场污染物排放，助力实现2060年碳中和目标。

1)填埋场覆盖膜破损点类型主要包括尖锐物体应力损伤、覆盖膜焊接点破损及覆盖膜与填埋场其他构件连接不完整等，粗放施工、监管机制不足、维护管理不到位是造成填埋场覆盖膜破损的主要原因。

2)该研究覆盖膜破损点甲烷的泄漏量约为817.2 m3/d，其中尖锐物应力损伤导致的破损点甲烷泄漏速率最高，单个破损点的泄漏速率达到26.9 m3/d。

3)该研究填埋场由于覆盖膜破损向大气释放的温室气体达13.58 t CO2-eq/d，约合每年释放4 900 t CO2-eq。

4)针对填埋场覆盖膜破损导致填埋气泄漏的问题，应完善填埋场污染控制标准和技术规范，加强填埋场覆盖膜完整性的监管，定期开展覆盖膜完整性检测，保证覆盖膜在铺设和运行中功能完好。

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