生活垃圾填埋场甲烷自然减排的新途径——厌氧与好氧的共氧化作用

周海燕，韩 丹

（1.上海老港废弃物处置有限公司，上海 201302；2.同济大学，上海 200092）

生活垃圾填埋场甲烷自然减排的新途径
——厌氧与好氧的共氧化作用

周海燕1，韩 丹2

（1.上海老港废弃物处置有限公司，上海 201302；2.同济大学，上海 200092）

通过证实生活垃圾填埋场中甲烷厌氧氧化与好氧氧化的共存，提出了甲烷自然减排的新途径。分别选取暴雨过后垃圾填埋表层30～60 cm的覆土、1.5 m以下的垃圾以及底层矿化垃圾做硫酸盐还原菌阳性反应实验，结果表明：生活垃圾填埋体不同填埋层都存在不同数量级的硫酸盐还原菌，且底层矿化垃圾中的硫酸盐还原菌的数量最多，表层覆土中最少。颗粒大小比例为50%∶50%的垃圾样品表现出最佳的甲烷好氧与厌氧氧化效果，且厌氧氧化在共氧化作用中的比例达到20%以上。含水率为25%时，矿化垃圾中微生物活性最大，好氧与厌氧氧化甲烷速率均达到最大；当含水率接近70%时，甲烷厌氧氧化的贡献率可达30%以上。外源甲烷的补充可以驯化甲烷氧化微生物，其中甲烷好氧氧化时间最大可缩短50%；而甲烷通入量超过2 mL后，甲烷好氧与厌氧氧化均受到抑制。

生活垃圾填埋场；甲烷；好氧氧化；厌氧氧化；硫酸盐还原菌

甲烷氧化是甲烷减排的重要途径，而生活垃圾填埋场土壤覆盖层对甲烷的自然氧化是目前发现的甲烷自然减排最主要的方式。通常情况下，甲烷氧化指在有氧条件下，甲烷被甲烷氧化菌氧化为二氧化碳。然而，越来越多的研究证实，在淹水的土壤、河流以及海洋的沉积物中不仅发生甲烷好氧氧化，而且也发生厌氧性氧化［1-3］。甲烷厌氧氧化（AOM）是海洋缺氧环境中最重要的微生物化学过程，其发生的必要条件是甲烷补给和适当的硫酸盐浓度，并存在活跃的ANME-SRB微生物共存体。

在生活垃圾填埋场，降雨向填埋场内补充水分，加快填埋气体产生速度，然而过大的降雨可导致垃圾堆体内孔隙减少从而阻碍填埋气体的释放。当降雨导致垃圾浸泡时，氧气严重不足，甲烷则可发生厌氧与好氧的共氧化。因此，在强降雨过后的垃圾填埋场表层至一定深度的垃圾体都是可能发生AOM作用的区域。尤其是渗沥液排放不畅的垃圾填埋体下层，由于部分垃圾长期被聚积在此的渗沥液浸泡，因此可能是AOM最活跃的区域。

笔者分别选取垃圾填埋单元表层覆土、表层1.5 m以下的垃圾，以及刚刚开挖出来的9 a矿化垃圾作为实验样品。其中，矿化垃圾并非完全达到无机化或矿化程度的垃圾，而是在垃圾填埋场填埋多年，基本达到稳定化状态，已可进行开采利用的垃圾［4］。矿化垃圾是一种性能优良的生物介质，其微生物种类丰富尤其是甲烷氧化菌，且密度较小、孔隙率高、有机质含量高、吸附和交换能力强。目前矿化垃圾已应用于处理生活垃圾渗沥液、畜禽废水、印染废水等多种难处理废水领域，且正向越来越广阔的方向发展［5］。

将以上3种不同原材料作为研究对象，首先证实了强降雨过后各种样品中甲烷厌氧氧化作用的存在，然后分析在厌氧与好氧的共氧化过程中，不同因素影响下2种氧化作用对整个甲烷氧化的贡献率。

1 实验材料与方法

1.1 样品及其预处理

实验样品均采自上海老港垃圾填埋场。该填埋场地处上海南汇区，临近东海，常年多雨。采样所在的填埋区垃圾填埋龄为9 a，在未开挖区取30～60 cm的表层覆土，在表层1.5 m以下取垃圾样品；在开挖区取底层的矿化垃圾。取样期间正值梅雨季节，样品明显被雨水浸泡过，呈黑色。

采用多点采样，捣碎混匀，用100目筛去除杂质。然后称取50 g混合样于干燥箱中烘干，测定样品含水率。其他样品于室温下风干至含水率20%左右，然后用100目筛去除杂质，置于1 000 mL的试剂瓶中，在28℃好氧培养2周，去除易被微生物分解的有机质，备用。矿化垃圾的各种理化性质见表1。用0.02 mm筛将样品分为颗粒＞0.02 mm和＜0.02 mm 2部分，然后按要求比例称量后充分混匀。

表1 实验样品的理化性质

1.2 样品甲烷氧化活性的测定

1.2.1 厌氧条件下甲烷氧化活性的测定

取样品20 g于100 mL血清瓶中，加9 mL蒸馏水使得含水率在70%左右，然后用异丁基橡胶塞密封，再用纯氮气置换血清瓶中的空气 5～8 min，28℃培养 7 d。再用纯氮气置换血清瓶中的空气5 min，加入1 mL纯甲烷，在28℃培养2 d后测血清瓶中的甲烷量。

1.2.2 好氧条件下甲烷氧化活性的测定

取样品20 g于100 mL血清瓶中，加1 mL蒸馏水使含水率在25%左右，用异丁基橡胶塞密封，再加入5 mL纯甲烷，在28℃培养7 d后，用新鲜空气置换血清瓶中气体，再用异丁基橡胶塞密封，加入5 mL纯甲烷，再于28℃培养7 d。重复3次获得最大甲烷氧化活性的样品。然后用新鲜空气置换血清瓶中气体10 min，再加入1 mL纯甲烷，在28℃培养2 d后测血清瓶中的甲烷量。

1.3 检测方法

将水和矿化垃圾样品以1∶3搅拌均匀后用ZD-2型自动电位滴定仪测定pH和氧化还原电位Eh；活性有机质采用稀释热法测定；TN采用德国Elementar vario ELⅢ元素分析仪测定；有机质采用重铬酸钾法测定；甲烷气体分析采用GC-14B（岛津）测定。所有数据为3次所测结果的平均值，数据处理采用SPSS17.0for Windows软件。

以甲烷厌氧/好氧氧化速率表征甲烷氧化作用。其计算公式如下：

甲烷氧化速率 （mol/（d·g）） = （1%-第 t天甲烷浓度）×100×0.77/（20×16×103×t）。

2 结果

2.1 硫酸盐还原菌检验

采用14 d简单检验方法——测试瓶绝迹稀释法：将水与3种样品分别以1∶3搅拌均匀后，取悬浮液1 mL分别用一次性无菌注射器注入到1号测试瓶中进行接种稀释，充分振摇；再从1号瓶中抽取1 mL经充分振摇后的水样注入到2号瓶中稀释，充分振摇；依次类推，稀释直到5号瓶。将上述所有稀释的测试瓶放在28℃下恒温培养（现场采样温度±3℃）。

培养14 d后发现部分SRB菌测试瓶中的淡黄色液体变黑，有的瓶中有明显的黑色沉淀，打开瓶盖有浓烈的H2S气味，把浸有AgNO3液体的试纸条置于瓶口，试纸迅速从边缘向内变黑，证明有大量的H2S生成，并存在SRB菌。

各样品硫酸盐还原菌阳性反应的结果如表2～4所示，其中级数是由生长指标值在表5中查询所得，从而计算可得细菌量。

由表2～4可见，暴雨过后的表层覆土、垃圾样品以及矿化垃圾中都存在硫酸盐还原菌，即在垃圾填埋体的表层至底层中都可发生甲烷厌氧氧化。而从各样品中细菌量可见，矿化垃圾中的硫酸盐还原菌的数量最多，表层覆土中最少。这与不同填埋位置氧气的含量直接相关。氧气含量从表层至底层逐渐减少，同一垃圾层上的好氧和厌氧区域比例也不等，因此，对于氧气较多的表层，甲烷的厌氧氧化作用明显弱于下层及底层，其在自然减排过程中贡献率也不同。

表2 表层覆土样品阳性反应结果

表3 表层1.5 m以下垃圾样品阳性反应结果

表4 9 a矿化垃圾样品阳性反应结果

表5 二次重复细菌量基数

2.2 孔隙度对甲烷共氧化的影响

由于垃圾的压实程度、垃圾成分等都影响垃圾的通透性，从而间接影响甲烷的氧化速率，因此选用表层1.5 m以下的垃圾样品，以不同大小颗粒样品探讨不同孔隙率的垃圾层对甲烷的氧化作用。测定结果见表6。

表6 垃圾样品的孔隙度对甲烷氧化速率的影响

结果表明，不同大小颗粒比例的垃圾样品对垃圾的甲烷好氧氧化速率无显著影响（t=2.774，Sig（2-taitod） =0.051，p＞0.05），而对于甲烷的厌氧氧化影响明显大于好氧氧化（t=2.909，Sig（2-taitod） =0.043，p＜0.05）。大颗粒与小颗粒比例较为接近的样品甲烷好氧与厌氧氧化速率都相对较高，且厌氧氧化在共氧化作用中的比例可达到20%以上。对于颗粒太细的样品虽然氧气浓度低，有利于厌氧氧化，但同时甲烷扩散也受到一定阻力，因此厌氧氧化速率也较低。

2.3 含水率对甲烷共氧化的影响

选用9 a矿化垃圾考察不同含水率矿化垃圾对甲烷的厌氧氧化效果，并在相同含水率条件下用高纯氮置换血清瓶空气的方法测定甲烷厌氧氧化速率，并与甲烷好氧氧化速率比较，结果见表7。

表7 含水率对甲烷氧化速率的影响

由表7可见，含水率为1.66%时，甲烷好氧氧化与厌氧氧化速率都为零，这是因为含水率过低，导致矿化垃圾中甲烷氧化菌失去活性。随着含水率的提高，矿化垃圾中微生物活性逐渐增强，当含水率达到25.79%时，矿化垃圾中微生物活性最大，好氧与厌氧氧化甲烷速率均达到最大。统计分析表明，在血清瓶上部空间换氮气培养的2 d以内，含水率在25%以下的矿化垃圾对甲烷的好氧氧化速率之间达到极显著性差异（p＜0.01），而含水率为25%以上时甲烷好氧氧化速率之间未达到显著性差异（p＞0.05）。含水率达到40.44%后，矿化垃圾处在过饱和持水状态（可见明水），分子氧和甲烷均难以迅速扩散进入矿化垃圾，此时由于甲烷扩散速度和甲烷好氧氧化菌活性明显下降，导致甲烷好氧氧化速率迅速下降，而甲烷厌氧氧化速率仍保持原有相似水平，因此，甲烷厌氧氧化的贡献率也逐步增大，甚至达到30%以上。

2.4 外源甲烷通入量对甲烷共氧化的影响

当矿化垃圾的含水率小于20%时，在有氧条件下，矿化垃圾的好氧氧化甲烷能力占主导地位，在24 h内即可将1 mL甲烷完全氧化，如图1所示。为了考察甲烷通入量对甲烷氧化速度的影响，每次待甲烷好氧完全氧化（甲烷消耗殆尽），往好氧氧化血清瓶中重新充入1 mL甲烷，而厌氧氧化的血清瓶则补充至1 mL，如图1中的I～IV阶段。由图1可见，好氧条件下甲烷完全氧化时间由24 h逐渐缩短至20、17、11 h，甲烷好氧氧化时间缩短了50%以上。而4个阶段的甲烷厌氧氧化速度变化不大，甲烷体积变化仅为0.1～0.2 mL。

由图2可见，当甲烷通入量分别为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 mL时，甲烷氧化速率先增大后减少，其中在甲烷通入量为2 mL时，甲烷好氧与厌氧氧化速率分别达到最大，为2.98×10-6、0.75×10-6mol/（d·g）。表明外源甲烷是影响矿化垃圾氧化甲烷活性的重要因素。甲烷含量过低，甲烷氧化菌无法获得足够的碳源来维持其生长，因此甲烷氧化菌的数量与活性都大大降低，甲烷氧化率也很低。当甲烷量在一定范围内逐渐得到补充时，甲烷氧化菌不断得到驯化，活性逐渐增强，因此图1中氧化1 mL甲烷所需要的时间越来越短。而当甲烷通入量超过2mL时，甲烷氧化作用反而被抑制，这表明该进气量超过了20 g矿化垃圾中甲烷氧化菌的负荷。

3 结论

以9 a垃圾填埋区域内的覆盖层、浅层垃圾以及底层矿化垃圾为研究对象，通过硫酸盐还原菌阳性反应实验，证实了生活垃圾填埋体不同填埋层都存在不同数量级的硫酸盐还原菌，从而表明了甲烷好氧氧化与厌氧氧化的共存。从各样品中细菌量可见，矿化垃圾中的硫酸盐还原菌的数量最多，表层覆土中最少。不同大小颗粒比例的垃圾样品对于垃圾的甲烷好氧氧化速率并无显著影响，但对厌氧氧化影响明显大于好氧氧化。颗粒大小比例为50%∶50%的垃圾样品有最佳的甲烷好氧与厌氧氧化效果，且厌氧氧化在共氧化作用中的比例达到20%以上。含水率约为25%时，矿化垃圾中微生物活性最大，好氧与厌氧氧化甲烷速率均达到最大，且较高的含水率有利于厌氧氧化，甲烷厌氧氧化的贡献率可达到30%以上。外源甲烷的反复补充可以驯化甲烷氧化菌，缩短甲烷氧化时间，但甲烷通入量超过2 mL后，甲烷氧化则受到抑制。

［1］ Conrad R.Soil Microorganisms as Cont Rollers of Atmospheric Trace Gases （H2，CO，CH4，OCS，N2O，and NO）［J］.Microbiol Rev，1996，60（4）：609-640.

［2］ Gilbert B，Frenzel P.Rice Roots and CH4Oxidation：The Activity of Bacteria，Their Distribution and the Microenvironment［J］.Soil Biol Biochem,1998，30 （14）：1903-1916.

［3］ Hanson R S，Hanson T E.Methanot Rophic Bacteria［J］.Microbiol Rev，1996，60 （2）：439-471.

［4］ Zhao Y C，Lou Z Y，Guo Y L，et al.Treatment of Sewage Using an Aged-refuse-based Bioreactor［J］.JEnviron Manage，2007，82（1）：32-38.

［5］ ZhaoY C，Shao F.Use of an Aged-refuse Bioflter for the Treatment of Feedlots Wastewaters［J］.Environ Eng Sci，2004，21 （3）：349-360.

New Way for Natural Mitigation of Methane in Domestic Waste Landfill Sites:Co-oxidation of Anaerobic and Aerobic Oxidation

Zhou Haiyan1,Han Dan2
（1.Shanghai Laogang Waste Treatment Co.,Ltd,Shanghai 201302;2.Tongji University,Shanghai 200092）

A new way for natural mitigation of methane was put forward by authenticating co-oxidation of anaerobic and aerobic oxidation of methane in domestic waste landfill sites.The soil at 30-60 cm,the waste below 1.5 m from the surface,and the aged waste at the bottom,were selected for the experiments of sulfate-reducing bacteria positive reaction.The results showed that sulfate-reducing bacteria nearly existed in all landfill layers of waste landfill bodies,and aged waste at the bottom contained most,the surface soil contained least.Waste samples with 50%∶50%of coarse and fine particle size proportion showed the best methane oxidation effect of aerobic and anaerobic oxidation,and anaerobic oxidation accounted for above 20%.Microbial activity in aged waste and its methane co-oxidation rate both reached the maximum value as moisture content was 25%.Anaerobic oxidation rate could reach more than 30%as moisture content was close to 70%.Supplement of exogenous methane could culture methane-oxidizing bacteria and shorten the time of aerobic oxidation to 50%at the most.However,both aerobic and anaerobic oxidation would be weakened as the amount of exogenous methane was beyond 2 mL.

domestic waste landfill site；methane；aerobic oxidation；anaerobic oxidation；sulfate-reducing bacteria

X701

A

1005－8206（2011） 02－0059－04

2010-11-12

周海燕（1969—），高级工程师。主要研究生活垃圾填埋技术、垃圾渗沥液处理处置技术、市政污泥处理处置技术、垃圾填埋场臭气污染控制技术等。

E-mail： lgzhouhy@163.com。

（责任编辑：刘冬梅）