生活垃圾填埋场覆盖层温室气体CH4和CO2释放规律及其相关性研究

马占云,李海玲,2,岳波*,高庆先,董路

1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000

生活垃圾填埋场覆盖层温室气体CH4和CO2释放规律及其相关性研究

马占云1,李海玲1,2,岳波1*,高庆先1,董路1

1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000

针对北京某生活垃圾填埋场封场区覆盖层开展了为期1 a的CH4和CO2释放通量监测，分析了填埋场封场区CH4和CO2释放通量年变化规律和不同季节的日变化规律，并对CH4和CO2释放通量之间的相关关系及其影响机制进行了探讨。结果表明，10个监测点间、相同监测点不同监测时段间CH4释放通量差异较大。不同监测点覆盖层表面CH4和CO2释放通量年变化规律表现为，CH4释放通量随CO2释放通量年变化规律波动，二者表现为显著正相关；在春、夏、秋季CH4释放通量变化较为平稳，冬季CH4释放通量随CO2释放通量变化规律波动；24 h内CH4释放通量变化规律存在随机性；周围大气中CH4的浓度直接影响覆盖层对大气中CH4的氧化。

生活垃圾填埋场覆盖层；CH4释放通量；年变化；日变化；甲烷氧化作用

CO2作为一种重要的温室气体，早已被众人所熟知，而CH4同样作为一种重要的温室气体，其100年的全球增温潜势值(global warming potential，GWP)是CO2的25倍[1]，对温室效应的贡献率约为22%。生活垃圾填埋场作为主要的CH4排放源之一，填埋气中CH4的体积浓度可达55%～60%，其全球每年的CH4排放量约为40 Tg，约占全球CH4总排放量的8%[2]。在各种人为CH4排放源中，生活垃圾填埋场排放的CH4总量已列第3位[3]。CO2作为除CH4之外填埋气的主要组成部分，其在填埋气中的体积浓度可达40%～45%，CO2随填埋气和CH4一起排放到大气中，垃圾填埋场的CO2因为是生物成因的，所以不计入温室气体的排放总量中，但因为是填埋气的重要组成部分，与CH4的排放有重要的相关作用，所以一起作为重点研究。

生活垃圾填埋场覆盖层填埋气(CH4和CO2)释放通量是垃圾填埋层气体分压、覆盖层气体渗透系数、覆盖层CH4氧化和大气分压共同作用的结果。在填埋层和大气中CH4和CO2气体分压不变的情况下，CH4和CO2释放通量主要受覆盖层温度和含水率的影响[4-6]。已有研究表明，不同填埋场、同一填埋场的不同填埋区域CH4释放通量相差较大，且同一填埋区的监测时间不同CH4释放通量也相差较大[7-12]。因此，对不同类型生活垃圾填埋场CH4和CO2释放通量进行长期监测，对于合理估算我国生活垃圾填埋处理的温室气体排放具有重要意义。

对北京市最大的生活垃圾填埋场边坡封场区(覆盖层)设置的10个监测点的CH4和CO2释放通量开展了为期1 a的监测，分析了填埋场封场区CH4和CO2释放通量年变化规律和不同季节的日变化规律，并对CH4和CO2释放通量之间的相关关系及其影响机制进行了探讨，以期为我国生活垃圾填埋场温室气体清单编制提供相应的数据支持和理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究场地概况

研究场地为北京昌平区某生活垃圾填埋场，该填埋场于1994年建成运行，采用厌氧填埋工艺。填埋场监测点布置如图1所示。其中，1#、2#、3#、9#、10#监测点位于垃圾填埋场一层作业平台南区，垃圾填埋时间为2000年之前，并于2003年完成封场；4#、5#、6#、7#、8#监测点位于一层作业平台北区，垃圾填埋时间为2008年之前，于2009年完成封场。填埋场监测区域的边坡封场系统自下而上分别为导气层、渣土层(500 mm)、GCL防渗层、黏土层(500 mm)、营养土层(300 mm)、植被层。

图1 监测点布置Fig.1 Sketch of monitoring sites layout

1.2 样品采集

生活垃圾填埋场填埋气采用静态通量箱法采集，静态通量箱为圆柱体设计，箱体遮光，底座直径50 cm，高20 cm，箱盖高30 cm，箱底和箱盖结合处为5 cm，为确保箱体密闭性，采样时结合处用水封，箱顶设取样口、气压平衡塞和温度测量接口。安装好通量箱后开始计时，在0 min时进行采样，作为通量箱中CH4和CO2浓度的初始值，每5 min抽气1次，持续时间为20 min。年变化研究采样频率为1次月，采样时间分别为每月采样日上午10：00—12：00；日变化研究采样时间为2012年11月1日12:00—2012年11月2日06:00，2013年7月16日12:00—2013年7月17日06:00，每6 h采样1次。

1.3 样品测试

样品采用Agilent 7890A型气相色谱仪分析，配FID检测器，工作温度分别为柱温55 ℃，检测器温度250 ℃，载气为高纯N2，样品进样量为5 mL次。

1.4 释放通量的计算

覆盖层填埋气CH4或CO2气体的释放通量计算公式如下：

(1)

式中，f为CH4或者CO2气体的释放通量，mg(m2·h)(以C计，全文同)；V为箱盖和固定部分形成的空间体积，m3；A为固定部分的覆盖面积，m2；△C△t为单位时间内箱内CH4或者CO2浓度的变化，mg(m3·h)；T为静态箱内温度，℃。

2 结果与讨论

2.1 CH4和CO2释放通量年变化规律分析

2.1.1 CH4和CO2释放通量年变化规律分析

生活垃圾填埋场覆盖层CH4和CO2释放通量监测结果如表1所示。由表1可知，CH4和CO2释放通量均表现为10个监测点之间差异较大，相同监测点不同监测时期的差异也较大。10个监测点中CH4释放通量最大值为17 404.06 mg(m2·h)，出现在4#监测点，最小值为-10.34 mg(m2·h)，出现在3#监测点，二者相差6个数量级；8#监测点的CH4释放通量年变化范围最大，最大值和最小值之间相差5个数量级；4#、6#监测点的CH4释放通量年变化范围最小，其最大值和最小值之间相差1个数量级；10个监测点中全年监测数据平均值最小为34.68 mg(m2·h)，出现在7#监测点，最大为7 233.45 mg(m2·h)，出现在4#监测点，二者相差2个数量级。10个监测点中CO2释放通量最大值为9 058.78 mg(m2·h)，出现在4#监测点，最小值为21.13 mg(m2·h)，出现在7#监测点，二者相差2个数量级；10个监测点中CO2释放通量全年监测数据平均值最小为272.23 mg(m2·h)，出现在7#监测点，最大为4 007.99 mg(m2·h)，出现在4#监测点，二者相差1个数量级。CO2释放通量变化范围较CH4释放通量变化范围小，且CO2释放通量均为正值。

表1 生活垃圾填埋场覆盖层CH4和CO2释放通量变化范围Table 1 Variation ranges of CH4 and CO2 emission flux in MSW landfill cover layers mg(m2·h)

表1 生活垃圾填埋场覆盖层CH4和CO2释放通量变化范围Table 1 Variation ranges of CH4 and CO2 emission flux in MSW landfill cover layers mg(m2·h)

监测点CH4释放通量变化范围平均值标准偏差CO2释放通量变化范围平均值标准偏差1#-1.76～226.7161.1693.7158.14～1295.19400.19339.512#16.72～7400.721719.582196.6131.10～5332.721850.531534.963#-10.34～421.0353.24120.58112.00～1184.26410.22352.204#1666.09～17404.067233.454189.29981.65～9058.784007.992009.705#-4.07～594.1786.93172.8049.59～574.21274.93156.046#342.29～3713.121721.981076.05710.65～5545.411892.251198.347#-5.83～109.0934.6839.2621.13～1153.41272.23310.348#-3.93～1407.34326.11405.86107.48～636.78670.60745.459#53.22～7119.352588.042358.60636.78～3678.081883.43920.2010#32.95～5926.211699.151866.8495.35～8035.042287.192156.93

2.1.2 CH4和CO2释放通量年变化规律相关性分析

对CH4和CO2释放通量年变化规律相关性进行了分析，结果如图2所示。由图2可知，CH4释放通量随CO2释放通量年变化规律波动，二者表现为显著正相关(如2#监测点相关系数(R)为0.587，显著水平(P)为0.013；4#监测点R为0.920，P为0.000；6#监测点R为0.816，P为0.000；9#监测点R为0.718，P为0.001)；在春、夏、秋季CH4释放通量变化较为平稳，冬季CH4释放通量随CO2释放通量变化规律波动(1#、3#、5#、7#、8#监测点)。

作为填埋气的2种主要成分，CH4和CO2的体积浓度在较长时间内保持稳定[13-15]。覆盖层CH4氧化菌对CH4的氧化反应为[16]：CH4→CHOH→HCHO→HCOOH→CO2，CH4最终氧化产物为CO2。在内外气体分压不变的情况下，覆盖层表面CH4和CO2释放通量主要受到覆盖层气体通透性和甲烷氧化作用2种因素的影响。这2种因素在不同监测点、不同监测时间的影响力不同，导致不同监测点之间CH4和CO2释放通量的相关性不同。当覆盖层气体通透性较差时，在较低的CH4和CO2释放通量条件下，覆盖层甲烷氧化作用的大小变为覆盖层表面CH4和CO2释放通量相关性的主要影响因素。在适宜的温度下，覆盖层甲烷氧化菌活性较强，CH4大部分甚至全部被氧化，生成一定比例的CO2(CH4在土壤中被氧化，部分产物为CO2，其余的C转化为生物质[17-18])，导致春、夏、秋季CH4释放通量较低，

注：CH4和CO2释放通量均以C计。图2 生活垃圾填埋场覆盖层CH4和CO2释放通量的年变化特征Fig.2 Inter-annual variations of CH4 and CO2 emission flux in MSW landfill cover layers

甚至为负值(大气中的甲烷被部分氧化，文献[19]也发现了该现象)，CO2释放通量相对较高；冬季较低的温度环境下，覆盖层CH4氧化作用几乎为零甚至停止[20]，覆盖层表面CH4和CO2释放通量变化主要受覆盖层气体通透性影响，二者表现出较好的相关性，如1#、3#、5#、7#、 8#监测点CH4和CO2释放通量变化规律；当覆盖层气体通透性较好时，CH4和CO2释放通量较大，覆盖层甲烷氧化作用对CH4的削弱作用和对CO2的增加作用，对覆盖层表面CH4和CO2释放通量的相关性影响不大， 从而使得覆盖层表面CH4

和CO2释放通量变化规律表现出较好的相关性，如2#、4#、6#、9#监测点CH4和CO2释放通量变化规律。

2.2 CH4和CO2释放通量日变化规律分析

2.2.1 日变化规律

对2012年11月和2013年7月的CH4和CO2释放通量日变化规律进行了分析，结果如表2和表3所示。由表2和表3可知，相同监测点不同监测日期CH4和CO2释放通量日变化规律不相同，相同监测日期不同监测点之间CH4和CO2释放通量日变化规律也不相同。

表2 生活垃圾填埋场CH4释放通量的日变化规律Table 2 Diurnal variation of CH4 flux in MSW landfill cover layers mg (m2·h)

表2 生活垃圾填埋场CH4释放通量的日变化规律Table 2 Diurnal variation of CH4 flux in MSW landfill cover layers mg (m2·h)

监测点2012年11月1—2日中午(12:00)下午(18:00)夜间(00:00)清晨(06:00)2013年7月16—17日中午(12:00)下午(18:00)夜间(00:00)清晨(06:00)1#-0.1-2.1-35.0-19.13.34.4-4.4-6.02#1521.650.4165.1207.4104.9128.19460.3379.53#-0.4-59.9-41.6-54.79.9-1.4-25.012.14#17404.111724.410679.07356.03007.96895.6269.37958.45#0.0-7.0-7.3-11.8110.1-7.6-11.950.96#2048.32498.43108.02128.83502.1401.01470.72599.47#42.23.336.6-5.46.2-0.2-32.832.48#1407.33235.82596.11951.2152.6644.3294.7278.19#3573.82364.72430.42852.853.2324.5962.9697.810#5926.25042.03480.15141.3103.3302.3-264.5866.7

表3 生活垃圾填埋场CO2释放通量的日变化规律Table 3 Diurnal variation of CO2 flux in MSW landfill cover layers mg (m2·h)

表3 生活垃圾填埋场CO2释放通量的日变化规律Table 3 Diurnal variation of CO2 flux in MSW landfill cover layers mg (m2·h)

监测点2012年11月1—2日中午(12:00)下午(18:00)夜间(00:00)清晨(06:00)2013年7月16—17日中午(12:00)下午(18:00)夜间(00:00)清晨(06:00)1#12647.85428.4325.1226.6209.92562#580.1133.7100.1144.4281.8462.65006.05483#188.531.1127.1134.4397.9322.9346.6464.44#9058.85975.65169.52798.42151.13428.0488.73962.25#97.546.222.325.91680.8221.7414.1598.86#1137.62067.41808.73567.73734.11360.7562.31996.77#14391.168.162.2223.8551.5369.6650.38#546.31107.2966.9707.5172.9546.51113.3491.69#1998.41194.51332.81633.51626.3839.5924.4685.510#2339.42273.61503.02180.01524.9848.81988.01142.3

11月除6#和8#监测点外其余监测点的CH4和CO2释放通量最高值均出现在中午，最低值出现时段不具备统计学规律。7月10个监测点的最高值和最低值出现时间均不具备统计学规律。可见一日之内覆盖层表面CH4和CO2释放通量变化规律具有随机性。

2.2.2 日变化规律相关性分析

对CH4释放通量日变化规律、CO2释放通量日变化和温度进行相关性分析，11月2#、4#、8#、9#监测点CH4和CO2释放通量呈极显著正相关(P<0.01)，10#监测点CH4和CO2释放通量呈显著正相关(P<0.05)。7月只有2#和4#监测点CH4和CO2释放通量呈极显著相关(P<0.01)，其他监测点CH4和CO2释放通量之间不具有相关性。可见7月覆盖层甲烷氧化作用较强，对CH4和CO2的相对浓度扰动较大。11月覆盖层甲烷氧化作用相对较弱，对CH4和CO2的相对浓度扰动情况比7月平稳。

2.3 大气中CH4浓度日变化对覆盖层CH4氧化作用的影响分析

11月的监测结果中1#、3#、5#监测点CH4释放通量日监测值均为负值，表明覆盖层对周围大气中的CH4进行了氧化。1#、3#、5#监测点通量箱中CH4初始浓度见表4。

表4 11月1#、3#、5#监测点不同监测时段通量 箱中CH4初始浓度Table 4 The initial methane density in the the static chamber of 1# , 3#, 5# in November 10-6

对1#、3#、5#监测点CH4释放通量和通量箱中CH4初始浓度进行分析，可知，1#、3#、5#监测点覆盖层表面CH4释放通量和通量箱中CH4初始浓度呈负相关(1#监测点R为 -0.937，P为0.063；3#监测点R为-0.978，P为0.022；5#监测点R为-0.996，P为0.004)。即覆盖层对大气中的CH4氧化速度和周围大气中CH4浓度呈正相关。可见在覆盖层水热环境较稳定的情况下，大气中CH4的浓度的日变化成为影响覆盖层对大气CH4氧化量日变化规律的直接因素。以通量箱中CH4的初始浓度为自变量(x)，以覆盖层对大气中CH4的氧化速率为因变量(y)，进行线性拟合。

1#监测点：y=0.016x+3.864，R2=0.878

3#监测点：y=0.081 2x+4.088 9，R2=0.956 3

5#监测点：y=0.025x+0.268，R2=0.992

不同监测点之间拟合曲线的斜率不同，即在大气中CH4浓度相同的情况下，不同监测点之间覆盖层对周围大气中CH4的氧化量不一样。覆盖层对大气中CH4的氧化受覆盖层基质的影响。

3 结论

(1)不同监测点、相同监测点在不同监测时期覆盖层表面CH4和CO2释放通量间差异较大。

(2)由于覆盖层气体通透性和甲烷氧化作用的影响，10个监测点CH4和CO2释放通量年变化规律相关性表现为，CH4释放通量随CO2释放通量年变化规律波动，二者表现为显著正相关；在春、夏、秋季CH4释放通量变化较为平稳，冬季CH4释放通量随CO2释放通量变化规律波动。

(3)CH4和CO2释放通量日变化规律表现为同一监测点一日内变化范围较大，覆盖层表面CH4和CO2释放通量日变化具有随机性。

(4)7月覆盖层甲烷氧化作用较强，对CH4和CO2的相对浓度扰动较大。11月覆盖层甲烷氧化作用相对较弱，对CH4和CO2的相对浓度扰动情况比7月平稳。

(5)氧化覆盖层对大气中CH4的氧化速度与周围大气中的CH4浓度呈正相关。在覆盖层水热环境较稳定的情况下，大气中CH4浓度的日变化成为影响覆盖层对大气中CH4氧化速率日变化规律的直接原因。覆盖层对大气中CH4的氧化主要受覆盖层基质的影响。

[1] IPCC.Summary for policymakers of climate change 2007:the physical science basis.Contribution of working group Ⅰ to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M].Cambridge:Cambridge University Press,2007.

[2] de VISSCHER A,van CLEEMPUT O.Simulation model for gas diffusion and methane oxidation in landfill cover soils[J].Waste Management,2003,23(7):581-591.

[3] 高庆先,杜吴鹏,卢士庆,等.中国城市固体废弃物甲烷排放研究[J].气候变化研究进展,2006,2(6):269-272.

[4] CZEPIEL P M,SHORTER J H,MOSHER B,et al.The influence of atmospheric pressure on landfill methane emissions[J].Waste Management,2003,23(7):593-598.

[5] CHRISTOPHERSEN M,KJELDSEN P.Lateral gas transport in soil adjacent to an old landfill:factors governing gas migration[J].Waste Management and Research,2001,19(6):579-594.

[6] SPOKAS K,GRAFF C,MORCET M,et al.Implications of the spatial variability of landfill emission rates on geospatial analyses[J].Waste Management,2003,23(7):599-607.

[7] ABICHOU T,CHANTON J,POWELSON D,et al.Methane flux and oxidation at two types of intermediate landfill covers[J].Waste Management,2006,26(11):1305-1312.

[8] 邵立明,仲跻胜,张后虎,等.生活垃圾填埋场春夏季CH4释放及影响因素[J].环境科学研究,2009,22(1):83-88.

[9] ABUSHAMMALA M F M,BASRI N E A,BASRI H,et al.Methane and carbon dioxide emissions from Sungai Sedu open dumping during wet season in Malaysia[J].Ecological Engineering,2012,49:254-263.

[10] CHEN I C,HEGDE U,CHANG C H,et al.Methane and carbon dioxide emissions from closed landfill in Taiwan[J].Chemosphere,2008,70(8):1484-1491.

[11] ABUSHAMMALA M F M,BASRI N E A,BASRI H,et al.Empirical gas emission and oxidation measurement at cover soil of dumping site:example from Malaysia[J].Environmental Monitoring and Assessment,2013,185(6):4919-4932.

[12] SCHEUTZ C,MOSBAEK H,KJELDSEN P.Attenuation of methane and volatile organic compounds in landfill soil covers[J].Journal of Environmental Quality,2004,33(1):61-71.

[13] 周巍.关于垃圾填埋气体的收集利用研究[J].企业技术开发,2009,28(10):1-2.

[14] 李霞,顾建良,杨安辉.垃圾填埋场气体的收集与处理[J].煤气与热力,1998(2):7.

[15] 吴重实,郑德会.成都市长安垃圾填埋场填埋气体产气规律及其应用研究[J].环境卫生工程,2012,20(5):46-48.

[16] HANSON R S,HANSON T E.Methanotrophic bacteria[J].Microbiological Reviews,1996,60(2):439-471.

[17] 何品晶,瞿贤,杨琦,等.填埋场终场覆盖层甲烷氧化行为实验室模拟研究[J].环境科学学报,2006,26(1):40-44.

[18] LE MER J,ROGER P.Production,oxidation,emission and consumption of methane by soils:a review[J].European Journal of Soil Biology,2001,37(1):25-50.

[19] BÖRJESSON G,SUNDH I,TUNLID A,et al.Methane oxidation in landfill cover soils,as revealed by potential oxidation measurements and phospholipid fatty acid analyses[J].Soil Biology and Biochemistry,1998,30(1011):1423-1433.

[20] CHANTON J,LIPTAY K.Seasonal variation in methane oxidation in a landfill cover soil as determined by an in situ stable isotope technique[J].Global Biogeochemical Cycles,2000,14(1):51-60. ○

Study on Emission Characteristics and Correlation of GHGs CH4and CO2in MSW Landfill Cover Layer

MA Zhan-yun1, LI Hai-ling1,2, YUE Bo1, GAO Qing-xian1, DONG Lu1

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

The emission fluxes of methane and carbon dioxide were tested at cover layer of one MSW landfill in Beijing for one year. The seasonal and diurnal variation of methane and carbon dioxide emission fluxes at MSW landfill sites was analyzed, and the correlation of methane and carbon dioxide emission fluxes as well as the influencing mechanisms explored. The result shows that there exists big imparity among methane emission fluxes at 10 monitoring sites or at the same point for different time. The seasonal variation of methane emission at different sites may fluctuate with the carbon dioxide emission fluxes, showing a significant correlation, or the methane emission fluxes may have a small fluctuation in spring, summer and autumn, but fluctuate with the carbon dioxide emission fluxes in winter. The diurnal variation of methane emission fluxes shows no regularity. The methane content in atmosphere has a significant influence on the methane oxidation in the landfill cover.

MSW landfills cover layer; methane emission fluxes; inter-annual variation; daily variation; methane oxidation

1674-991X(2014)05-0399-07

2014-03-14

中国科学院战略性先导科技专项(XDA05020601)；国家科技支撑计划项目(2014BAL02B01)；环境保护部2014年应对气候变化工作项目(CC(2014)-9-3)；国家自然科学基金项目(41175137)

马占云(1980—)，女，博士，主要从事气候变化和温室气体排放研究，mazy@craes.org.cn

* 通讯作者: 岳波(1980—)，男，副研究员，博士，主要研究农村生活垃圾污染防治、温室气体减排、固体废物填埋污染控制等，yuebo@craes.org.cn

X799.3

A

10.3969j.issn.1674-991X.2014.05.064