环境科学学报  2017, Vol. 37 Issue (5): 1808-1813
引用本文
聂发辉, 周永希, 张后虎, 等. 2017. 生活垃圾填埋场CH4及N2O释放规律及影响因素研究[J]. 环境科学学报, 37(5): 1808-1813.
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生活垃圾填埋场CH4及N2O释放规律及影响因素研究    [PDF全文]
聂发辉1, 周永希1,2, 张后虎2, 焦少俊2 , 刘占孟1, 喻清1    
1. 华东交通大学土木建筑学院, 南昌 330013;
2. 环境保护部南京环境科学研究所, 南京 210042
收稿日期: 2016-07-07; 修回日期: 2016-08-04; 录用日期: 2016-08-04
基金项目: 国家自然科学基金项目（No.41375161）；江苏省自然科学基金（No.BK20151101）；中科院战略先导专项课题（No.XDA05020602）
作者简介: 聂发辉 (1977-), 男, 副教授 (博士), E-mail:wyynfh@yahoo.com.cn
通讯作者（责任作者）: 焦少俊,男,博士,副研究员,主要从事固体废弃物处理与处置.E-mail:jsj@nies.org
摘要: 对生活垃圾填埋场5个操作平台开展了为期1年的CH4和N2O释放通量监测，分析了填埋场CH4和N2O释放通量变化规律，并对CH4和N2O释放通量与CO2释放通量之间相关关系及其影响因素进行了探讨.结果表明，生活垃圾填埋场是CH4和N2O释放的源，CH4释放通量范围为（9.16±7.46）~（21287.03±128.70）mg· m-2· h-1 CH4-C；N2O释放通量范围为（31.74±16.00）~（17089.31±7599.24）μg· m-2· h-1 N2O-N；整个填埋场5个平台中CH4和N2O年释放总量分别约为86.17 Gg· a-1、0.81 Gg·a-1 CO2当量，填埋场温室气体的减排主要是控制CH4释放.生活垃圾填埋场是高度异质性体系，不同平台释放通量变化规律并不统一，N2O与含水率呈显著负相关（p < 0.05），两种气体释放通量与土壤温度均呈显著正相关关系（p < 0.01），而与其他因素无明显相关关系.
关键词: 生活垃圾填埋场     CH4释放通量     N2O释放通量     填埋龄     影响因素    
Characteristics of CH4 and N2O emissions from municipal solid waste landfill and their influencing factors
NIE Fahui1, ZHOU Yongxi1,2, ZHANG Houhu2, JIAO Shaojun2 , LIU Zhanmeng1, YU Qing1    
1. School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013;
2. Nanjing Institute of Environmental Science, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042
Received 7 July 2016; received in revised from 4 August 2016; accepted 4 August 2016
Supported by the National Natural Science Foundation of China (No.41375161), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No.BK20151101) and the CAS Strategic Pilot Projects Subject (No.XDA05020602)
Biography: NIE Fahui (1977—), male, associate professor (Ph.D.), E-mail:wyynfh@yahoo.com.cn
*Corresponding author: JIAO Shaojun, E-mail:jsj@nies.org
Abstract: The emission fluxes of methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) from a municipal solid waste landfill (MSW) sites were investigated for the whole year around. The monthly variations of CH4 and N2O fluxes at MSW landfill sites were analyzed. The correlation of CH4 and N2O fluxes and its influencing mechanisms were explored. The result showed that landfill site of MSW was a large source of CH4 and N2O emissions. The range of CH4 fluxes is (9.16±7.46)~(21287.03±128.70) mg·m-2·h-1 CH4-C, and N2O fluxes is (31.74±16.00)~(17089.31±7599.24) μg·m-2·h-1 N2O-N. The main way to reduce CH4 emission is to control the release. CH4 and N2O fluxes were about 86.17 Gg CO2-eq and 0.81 Gg CO2-eq each year from the entire landfill site by 5 platforms. The landfill was a highly heterogeneous system, and the variations of CH4 and N2O fluxes in different platforms were not uniform. N2O flux was negatively correlated with water content in cover soil (p < 0.05). CH4 and N2O fluxes were significantly positively correlated with soil temperature (p < 0.01), while the correlations with other environmental influencing factors were not significant.
Key words: municipal solid waste landfill     methane flux     nitrous oxide flux     landfill age     influencing mechanism    
1 引言 (Introduction)

生活垃圾填埋场是CH4重要的人为释放源，目前年释放量为9×106~70×106 t，约占全球CH4年释放总量的1.5%~15.0%，而该比例在美国、荷兰等国高达20%以上 (IPCC, 2007).不同填埋场、同一填埋场不同区域的CH4释放通量可以有较大差异，相同填埋区域在不同检测时间的CH4释放通量也存在差异 (Abushammala et al., 2013; 2012).目前垃圾填埋场CH4的释放因素及其动力学研究较多，但N2O较少被提及.N2O是仅次于CO2和CH4的第3大温室气体，GWP (Global Warming Potential，温室效应潜能值) 高达CO2的296倍，温室效应贡献率达5%(IPCC, 2007)，是一种高效痕量的温室气体.填埋场N2O主要形成于覆土微生物的硝化反硝化作用，是硝化过程的副产物和反硝化过程的中间产物，其释放规律受到多种因素共同影响 (Ruser et al., 2006; Inamori et al., 2008)，Arnold等 (2005)研究表明瑞典南部落叶林地N2O释放通量峰值出现在夏季，而Rudaz等 (1999)提出由于土壤冻融作用，瑞士阿尔卑斯山脚草地N2O释放峰值出现在早春季节.而针对填埋场不同填埋龄和操作类型差异大的CH4和N2O释放通量的研究报道较为匮乏.

为此，选取华东地区某生活垃圾填埋场5个填埋龄、覆土深度等参数不同的操作平台，采用静态箱法进行为期1年的CH4和N2O释放通量现场监测.分析填埋场CH4和N2O释放通量及变化规律，探讨温室气体释放通量及其相关关系、影响因素的机理，以期为国内生活垃圾填埋场CH4和N2O排放控制提供数据和基础理论支持.

2 材料与方法 (Materials and methods) 2.1 研究场地概况

所选研究场地垃圾填埋场 (31°59′42.5″N，118°53′56.15″E) 为3个市级垃圾集中堆放地之一.于1992年建成启用，设计使用年限15年，设计容量380×104 m3，填埋量为1500 t·d-1，填埋场所在区域年均降雨量898.8 mm，2013年年均温度16.8 ℃.根据垃圾填埋时间将整个研究场地划分为5个区域，分别为平台1~5，各平台分别设置操作平台 (监测点)，平台主要特征见表 1.

表 1 平台特征 Table 1 Characteristics of research platform
2.2 样品采集和监测

气体释放通量采用静态箱测定，每一平台设置5台静态箱平行样.静态箱为圆柱体设计，底部半径20 cm，高20 cm，有效容积25 L，箱体顶部设置取样口和温度测量接口.取样时，箱体下部固定于覆土层中，箱体上部通过水封槽密封，在密封后的第0、5、10、15和20 min用注射器通过三通阀在取样口进行取样操作，每次取样50 mL.取样时间为2014年1—12月，频率为1次·月-1，每月采样日的9:00和14:00进行取样，取样的同时记录大气的温度、湿度、压强及土壤温度等数据.

2.3 样品的检测与分析

气体样品采用Agilent 7890A型气相色谱仪进行分析，CH4、CO2浓度采用氢焰离子化检测器 (Flame Ionization Detector, FID) 检测，N2O浓度采用电子俘获检测器 (Electron Capture Detector, ECD) 检测，工作温度为色谱柱温55 ℃，氢焰离子化检测器温度200 ℃，电子俘获检测器温度350 ℃(Yi et al., 2012; Zhang et al., 2012)，载气样 (高纯空气、高纯N2、高纯H2) 纯度均为99.99%以上.

土壤理化特性分析采用中科院南京土壤研究所编著《土壤农业化学分析方法》(鲁如坤, 2000)：含水率测定采用重量法，土样105 ℃烘干8 h，测定前后质量差；pH测定采用电位法，取10 g土样风干，0.01 mol· L-1 CaCl2浸提 (水:土=2.5:1)，使用PHS-3C型玻璃电极pH计测定；有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法；土壤氨氮测定采用纳氏试剂分光光度法，取50 mL KCl溶液 (2 mol· L-1)，浸提10 g土样，振荡沉淀过滤后，加入纳氏试剂，使用岛津UV-2550紫外/可见分光光度计测定；土壤硝态氮测定前述步骤与铵态氮相同，过滤后加入1:10的盐酸，使用岛津UV-2550紫外/可见分光光度计测定；土壤质地采用吸管法测定，依据中国科学院南京土壤研究所制定的粒径分级方案.重金属浓度采用元素分析光谱仪测定 (ICP-MS X series I, Thermo Company)(郑勇等, 2012; Berder et al., 1995).

2.4 释放通量计算

填埋气CH4、CO2或N2O气体的释放通量计算方法参见文献 (高志文等, 2006)：

(1)

式中，f为CH4、CO2或N2O气体释放通量 (mg· m-2· h-1 CH4、mg· m2· h-1 CO2或μg· m2· h-1 N2O-N)；V 为静态箱封盖后形成的空间体积 (m3)；A为静态箱的横截面积 (m2)；△C/△t为单位时间箱体内CH4、CO2或N2O浓度的变化 (mg· m-3· h-1).

2.5 数据分析

采用SPSS软件 (SPSS, Inc. Chicago, IL) 对数据进行处理，统计分析各因子之间的相关性，以均值±标准偏差表示数据.T-检验进行组间显著性检验，p＜0.05表示显著性差异，p＜0.01表示极显著性差异.

3 结果 (Results) 3.1 CH4和N2O释放通量月变化规律

各平台CH4和N2O释放通量变化规律如图 1所示.平台1~5均为CH4释放的源，5个研究平台CH4的释放通量峰值在6—8月，谷值均在2月取得.其中，平台3的CH4释放通量峰值在6月取得，为 (21287.03±128.70) mg· m-2· h-1(以CH4-C计，下同)；对应的谷值在2月份，(9.16±7.46) mg· m-2· h-1.各平台CH4平均释放通量介于434.54~6516.97 mg· m-2·h-1之间.平台3的CH4释放通量最高，平台3、平台4、平台5的平均释放通量比平台1和平台2高出一个数量级以上；结合表 1中各平台垃圾填埋龄可知，垃圾填埋龄应是CH4释放通量高低的主导因素.

图 1 CH4和N2O释放通量月变化规律 Fig. 1 Monthly variation of CH4 and N2O emission fluxes

同样，平台1~5均为N2O释放的源，5个研究平台N2O的释放通量峰值在6—8月取得，谷值均在2月取得.平台5的N2O释放通量峰值在7月取得，为 (17089.31±7599.24) μg·m-2·h-1(以N2O-N计, 下同)；谷值在5月取得，为 (31.74±16.00) μg·m-2·h-1.各平台N2O平均释放通量介于895.29~3582.84 μg·m-2· h-1之间.结合各平台垃圾填埋龄，与CH4释放通量相类似，N2O释放通量在填埋1~2年后达到峰值，而后随着垃圾填埋龄增加呈下降趋势.

3.2 填埋场CH4和N2O释放总量

将CH4、N2O释放通量均换算为CO2当量，根据联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC)2007年数据，单分子CH4和N2O的百年增温潜势分别CO2的25倍和296倍，以下数据均按该比例换算.填埋场释放的CO2属于生物质分解排放，不计入排放清单，故未计入总量.如图 2所示，平台1~5的CH4释放总量分别为 (3.12±1.06)、(5.82±2.45)、(58.39±8.29)、(9.66±2.60)、(9.19±3.10) Gg·a-1，占所在平台主要温室气体 (CH4、CO2) 释放总量的比例介于96.91%~99.67%之间.整个填埋场CH4释放总量约为86.17 Gg·a-1，约占填埋场主要温室气体释放总量的99.07%，由此可见，填埋场温室气体的减排主要是控制CH4释放.

图 2 各平台温室气体释放总量 Fig. 2 Total amount of GHGs emission flux in each platform

各平台N2O释放总量换算后介于0.10~0.21 Gg之间，对应占所在平台主要温室气体释放总量的比例介于0.33%~3.09%之间.填埋场N2O释放总量约为0.81 Gg·a-1，约占主要温室气体释放总量的0.93%.

3.3 CH4和N2O释放通量与主要影响因子的相关性

生活垃圾填埋场CH4和N2O释放通量受到自然环境条件变化的影响，数据统计分析结果列于表 2.CH4释放通量与土壤温度呈显著正相关 (p＜0.01)；N2O释放通量与土壤温度呈显著正相关 (p＜0.01)，与含水率呈显著负相关 (p＜0.05).CH4、CO2和N2O释放通量之间也存在一定的影响，均呈显著正相关 (p＜0.01).垃圾填埋龄也是影响填埋场CH4和N2O释放量的一个因素 (表 3)，CH4和N2O年释放量与垃圾填埋龄均呈显著负相关 (p＜0.05).

表 2 温室气体释放通量与主要影响因子的相关性分析 Table 2 Correlation analysis between GHGs fluxes and environmental factors

表 3 CH4和N2O年释放量与垃圾填埋龄的相关性分析 Table 3 Correlation analysis between CH4 & N2O fluxes and landfill age
4 讨论 (Discussions) 4.1 CH4释放通量及影响因素分析

整个填埋场CH4释放通量均值介于9.16~21287.03 mg·m-2·h-1，峰值出现在6—8月，谷值均出现在2月.CH4释放通量的时间差异主要受到温度的影响.对影响因子的相关性分析得出，填埋场CH4释放通量与土壤温度具有显著正相关关系，而与含水率、pH值、有机质含量、氨氮含量及硝态氮含量等因素无显著关系.CH4和CO2释放通量受到覆盖层通透性和CH4氧化作用的影响 (马占云等, 2014)，覆盖层中，甲烷氧化菌可将CH4氧化最终生成CO2，温度对甲烷氧化菌活性影响较大 (Börjesson et al., 1997)，导致不同监测时间的CH4和CO2释放通量相关性具有差异.

各平台CH4释放通量均值差异明显，且平台3＞平台5＞平台4＞平台2＞平台1.平台3的CH4释放通量分别为平台1、平台2、平台4、平台5的15、11.83、4.37、2.95倍.平台1(填埋龄＞12 a) 的CH4最大释放通量达到了 (1785.79±478.58) mg·m-2·h-1，表明该填埋场实际情况与填埋场CH4的产生可维持十几年甚至几十年的研究结论相符.众多研究表明，垃圾填埋后的第2年CH4释放量达到峰值，而本研究中，平台5设置的LFG收集系统和终场覆土使平台5(填埋龄1~2年) CH4释放通量低于平台3(填埋龄＜1年).LFG收集系统可有效收集填埋场产生的气体，从而减少CH4通过填埋场覆盖层的释放量，Lohila等 (2007)发现填埋气主动收集系统可降低覆盖层79%的CH4释放通量；终场覆土也造成了部分CH4被氧化：随着填埋场覆土层深度的增加，CH4氧化能力增强，CH4的释放减少 (Lohila et al., 2007; Abichou et al., 2006).因此，控制温室气体释放可以从设置LFG收集系统、终场覆土等措施着手.

4.2 N2O释放通量及影响因素分析

整个填埋场N2O释放通量均值介于21.74~17089.31 μg·m-2·h-1之间，峰值出现在6—8月，谷值出现在2月.平台5的N2O释放通量最高，年平均释放通量分别为平台1、平台2、平台3、平台4的3.65、4.00、2.33、1.92倍.N2O释放通量的时间差异主要受到温度的影响，填埋场N2O释放通量与土壤温度具有显著正相关关系，与含水率呈显著负相关关系，而与pH值、有机质含量、氨氮含量及硝态氮含量等因素无显著关系.温度会影响土壤中各种物质的物化参数以及硝化反硝化过程中相关微生物的活性，从而影响N2O气体的释放 (郑循华等, 1997).Jassal等 (2011)提出，一定范围内，硝化和反硝化速率随温度升高而加快，此时N2O释放通量的主要控制因素是土壤温度.

4.3 CH4与N2O释放通量相关性分析

研究中CH4与N2O释放通量具有显著正相关关系 (p＜0.01).覆土及垃圾堆体中产甲烷菌和甲烷氧化微生物的数量和活性对N2O释放具有重要影响.有研究发现，经CH4处理过的覆土，N2O的释放速率和平均释放量有明显提高 (Zhang et al., 2009).Ren等 (2000)指出众多甲烷氧化菌能产生N2O，覆土中甲烷氧化菌氧化CH4的过程中伴着N2O的产生 (Rinne et al., 2005)，其中甲烷氧化菌T20活性最大.CH4释放量的增大，提高了甲烷氧化菌对CH4的氧化量，对N2O释放起到了一定的促进作用.

5 结论 (Conclusions)

1) 生活垃圾填埋场是CH4和N2O释放的源.填埋场CH4和N2O年释放总量约为86.17、0.81 Gg·a-1(以CO2当量计)，分别占填埋场主要温室气体年释放总量的99.07%、0.93%.填埋场CH4释放通量为 (9.16±7.46)~(21287.03±128.70) mg·m-2·h-1；N2O释放通量为 (31.74±16.00)~(17089.31±7599.24) μg·m-2·h-1填埋场温室气体的减排主要是控制CH4释放.LFG收集系统和终场覆土的设置可以明显降低温室气体的释放，达到减排的目的.

2) 生活垃圾填埋场是高度异质性体系，CH4和N2O释放在时间与空间上均存在显著差异.5个研究平台中夏季CH4和N2O释放通量较冬季和春季均高出至少一个数量级；不同平台释放通量变化规律并不统一，CH4平均释放通量相差十几倍，N2O平均释放通量相差近2倍.垃圾填埋龄应是CH4和N2O释放通量高低的主导因素.

3) 生活垃圾填埋场CH4、N2O、CO2释放具有关联性.CH4释放通量随CO2释放通量变化规律波动，表现为显著正相关 (p＜0.05)；N2O释放通量与CH4释放通量显著高度正相关 (p＜0.01).填埋场土壤温度为影响CH4、N2O气体释放的主要因素，所研究填埋场中CH4和N2O释放通量与土壤温度均呈显著正相关 (p＜0.01)，N2O与含水率呈显著负相关 (p＜0.05).两种气体与其他因素均无显著相关关系.

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