周海燕，韓 丹

（1.上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201302；2.同濟大學(xué)，上海 200092）

生活垃圾填埋場甲烷自然減排的新途徑
——厭氧與好氧的共氧化作用

周海燕1，韓 丹2

（1.上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201302；2.同濟大學(xué)，上海 200092）

通過證實生活垃圾填埋場中甲烷厭氧氧化與好氧氧化的共存，提出了甲烷自然減排的新途徑。分別選取暴雨過后垃圾填埋表層30～60 cm的覆土、1.5 m以下的垃圾以及底層礦化垃圾做硫酸鹽還原菌陽性反應(yīng)實驗，結(jié)果表明：生活垃圾填埋體不同填埋層都存在不同數(shù)量級的硫酸鹽還原菌，且底層礦化垃圾中的硫酸鹽還原菌的數(shù)量最多，表層覆土中最少。顆粒大小比例為50%∶50%的垃圾樣品表現(xiàn)出最佳的甲烷好氧與厭氧氧化效果，且厭氧氧化在共氧化作用中的比例達(dá)到20%以上。含水率為25%時，礦化垃圾中微生物活性最大，好氧與厭氧氧化甲烷速率均達(dá)到最大；當(dāng)含水率接近70%時，甲烷厭氧氧化的貢獻(xiàn)率可達(dá)30%以上。外源甲烷的補充可以馴化甲烷氧化微生物，其中甲烷好氧氧化時間最大可縮短50%；而甲烷通入量超過2 mL后，甲烷好氧與厭氧氧化均受到抑制。

生活垃圾填埋場；甲烷；好氧氧化；厭氧氧化；硫酸鹽還原菌

甲烷氧化是甲烷減排的重要途徑，而生活垃圾填埋場土壤覆蓋層對甲烷的自然氧化是目前發(fā)現(xiàn)的甲烷自然減排最主要的方式。通常情況下，甲烷氧化指在有氧條件下，甲烷被甲烷氧化菌氧化為二氧化碳。然而，越來越多的研究證實，在淹水的土壤、河流以及海洋的沉積物中不僅發(fā)生甲烷好氧氧化，而且也發(fā)生厭氧性氧化［1-3］。甲烷厭氧氧化（AOM）是海洋缺氧環(huán)境中最重要的微生物化學(xué)過程，其發(fā)生的必要條件是甲烷補給和適當(dāng)?shù)牧蛩猁}濃度，并存在活躍的ANME-SRB微生物共存體。

在生活垃圾填埋場，降雨向填埋場內(nèi)補充水分，加快填埋氣體產(chǎn)生速度，然而過大的降雨可導(dǎo)致垃圾堆體內(nèi)孔隙減少從而阻礙填埋氣體的釋放。當(dāng)降雨導(dǎo)致垃圾浸泡時，氧氣嚴(yán)重不足，甲烷則可發(fā)生厭氧與好氧的共氧化。因此，在強降雨過后的垃圾填埋場表層至一定深度的垃圾體都是可能發(fā)生AOM作用的區(qū)域。尤其是滲瀝液排放不暢的垃圾填埋體下層，由于部分垃圾長期被聚積在此的滲瀝液浸泡，因此可能是AOM最活躍的區(qū)域。

筆者分別選取垃圾填埋單元表層覆土、表層1.5 m以下的垃圾，以及剛剛開挖出來的9 a礦化垃圾作為實驗樣品。其中，礦化垃圾并非完全達(dá)到無機化或礦化程度的垃圾，而是在垃圾填埋場填埋多年，基本達(dá)到穩(wěn)定化狀態(tài)，已可進(jìn)行開采利用的垃圾［4］。礦化垃圾是一種性能優(yōu)良的生物介質(zhì)，其微生物種類豐富尤其是甲烷氧化菌，且密度較小、孔隙率高、有機質(zhì)含量高、吸附和交換能力強。目前礦化垃圾已應(yīng)用于處理生活垃圾滲瀝液、畜禽廢水、印染廢水等多種難處理廢水領(lǐng)域，且正向越來越廣闊的方向發(fā)展［5］。

將以上3種不同原材料作為研究對象，首先證實了強降雨過后各種樣品中甲烷厭氧氧化作用的存在，然后分析在厭氧與好氧的共氧化過程中，不同因素影響下2種氧化作用對整個甲烷氧化的貢獻(xiàn)率。

1 實驗材料與方法

1.1 樣品及其預(yù)處理

實驗樣品均采自上海老港垃圾填埋場。該填埋場地處上海南匯區(qū)，臨近東海，常年多雨。采樣所在的填埋區(qū)垃圾填埋齡為9 a，在未開挖區(qū)取30～60 cm的表層覆土，在表層1.5 m以下取垃圾樣品；在開挖區(qū)取底層的礦化垃圾。取樣期間正值梅雨季節(jié)，樣品明顯被雨水浸泡過，呈黑色。

采用多點采樣，搗碎混勻，用100目篩去除雜質(zhì)。然后稱取50 g混合樣于干燥箱中烘干，測定樣品含水率。其他樣品于室溫下風(fēng)干至含水率20%左右，然后用100目篩去除雜質(zhì)，置于1 000 mL的試劑瓶中，在28℃好氧培養(yǎng)2周，去除易被微生物分解的有機質(zhì)，備用。礦化垃圾的各種理化性質(zhì)見表1。用0.02 mm篩將樣品分為顆粒＞0.02 mm和＜0.02 mm 2部分，然后按要求比例稱量后充分混勻。

表1 實驗樣品的理化性質(zhì)

1.2 樣品甲烷氧化活性的測定

1.2.1 厭氧條件下甲烷氧化活性的測定

取樣品20 g于100 mL血清瓶中，加9 mL蒸餾水使得含水率在70%左右，然后用異丁基橡膠塞密封，再用純氮氣置換血清瓶中的空氣 5～8 min，28℃培養(yǎng) 7 d。再用純氮氣置換血清瓶中的空氣5 min，加入1 mL純甲烷，在28℃培養(yǎng)2 d后測血清瓶中的甲烷量。

1.2.2 好氧條件下甲烷氧化活性的測定

取樣品20 g于100 mL血清瓶中，加1 mL蒸餾水使含水率在25%左右，用異丁基橡膠塞密封，再加入5 mL純甲烷，在28℃培養(yǎng)7 d后，用新鮮空氣置換血清瓶中氣體，再用異丁基橡膠塞密封，加入5 mL純甲烷，再于28℃培養(yǎng)7 d。重復(fù)3次獲得最大甲烷氧化活性的樣品。然后用新鮮空氣置換血清瓶中氣體10 min，再加入1 mL純甲烷，在28℃培養(yǎng)2 d后測血清瓶中的甲烷量。

1.3 檢測方法

將水和礦化垃圾樣品以1∶3攪拌均勻后用ZD-2型自動電位滴定儀測定pH和氧化還原電位Eh；活性有機質(zhì)采用稀釋熱法測定；TN采用德國Elementar vario ELⅢ元素分析儀測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀法測定；甲烷氣體分析采用GC-14B（島津）測定。所有數(shù)據(jù)為3次所測結(jié)果的平均值，數(shù)據(jù)處理采用SPSS17.0for Windows軟件。

以甲烷厭氧/好氧氧化速率表征甲烷氧化作用。其計算公式如下：

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

2 結(jié)果

2.1 硫酸鹽還原菌檢驗

采用14 d簡單檢驗方法——測試瓶絕跡稀釋法：將水與3種樣品分別以1∶3攪拌均勻后，取懸浮液1 mL分別用一次性無菌注射器注入到1號測試瓶中進(jìn)行接種稀釋，充分振搖；再從1號瓶中抽取1 mL經(jīng)充分振搖后的水樣注入到2號瓶中稀釋，充分振搖；依次類推，稀釋直到5號瓶。將上述所有稀釋的測試瓶放在28℃下恒溫培養(yǎng)（現(xiàn)場采樣溫度±3℃）。

培養(yǎng)14 d后發(fā)現(xiàn)部分SRB菌測試瓶中的淡黃色液體變黑，有的瓶中有明顯的黑色沉淀，打開瓶蓋有濃烈的H2S氣味，把浸有AgNO3液體的試紙條置于瓶口，試紙迅速從邊緣向內(nèi)變黑，證明有大量的H2S生成，并存在SRB菌。

各樣品硫酸鹽還原菌陽性反應(yīng)的結(jié)果如表2～4所示，其中級數(shù)是由生長指標(biāo)值在表5中查詢所得，從而計算可得細(xì)菌量。

由表2～4可見，暴雨過后的表層覆土、垃圾樣品以及礦化垃圾中都存在硫酸鹽還原菌，即在垃圾填埋體的表層至底層中都可發(fā)生甲烷厭氧氧化。而從各樣品中細(xì)菌量可見，礦化垃圾中的硫酸鹽還原菌的數(shù)量最多，表層覆土中最少。這與不同填埋位置氧氣的含量直接相關(guān)。氧氣含量從表層至底層逐漸減少，同一垃圾層上的好氧和厭氧區(qū)域比例也不等，因此，對于氧氣較多的表層，甲烷的厭氧氧化作用明顯弱于下層及底層，其在自然減排過程中貢獻(xiàn)率也不同。

表2 表層覆土樣品陽性反應(yīng)結(jié)果

表3 表層1.5 m以下垃圾樣品陽性反應(yīng)結(jié)果

表4 9 a礦化垃圾樣品陽性反應(yīng)結(jié)果

表5 二次重復(fù)細(xì)菌量基數(shù)

2.2 孔隙度對甲烷共氧化的影響

由于垃圾的壓實程度、垃圾成分等都影響垃圾的通透性，從而間接影響甲烷的氧化速率，因此選用表層1.5 m以下的垃圾樣品，以不同大小顆粒樣品探討不同孔隙率的垃圾層對甲烷的氧化作用。測定結(jié)果見表6。

表6 垃圾樣品的孔隙度對甲烷氧化速率的影響

結(jié)果表明，不同大小顆粒比例的垃圾樣品對垃圾的甲烷好氧氧化速率無顯著影響（t=2.774，Sig（2-taitod） =0.051，p＞0.05），而對于甲烷的厭氧氧化影響明顯大于好氧氧化（t=2.909，Sig（2-taitod） =0.043，p＜0.05）。大顆粒與小顆粒比例較為接近的樣品甲烷好氧與厭氧氧化速率都相對較高，且厭氧氧化在共氧化作用中的比例可達(dá)到20%以上。對于顆粒太細(xì)的樣品雖然氧氣濃度低，有利于厭氧氧化，但同時甲烷擴散也受到一定阻力，因此厭氧氧化速率也較低。

2.3 含水率對甲烷共氧化的影響

選用9 a礦化垃圾考察不同含水率礦化垃圾對甲烷的厭氧氧化效果，并在相同含水率條件下用高純氮置換血清瓶空氣的方法測定甲烷厭氧氧化速率，并與甲烷好氧氧化速率比較，結(jié)果見表7。

表7 含水率對甲烷氧化速率的影響

由表7可見，含水率為1.66%時，甲烷好氧氧化與厭氧氧化速率都為零，這是因為含水率過低，導(dǎo)致礦化垃圾中甲烷氧化菌失去活性。隨著含水率的提高，礦化垃圾中微生物活性逐漸增強，當(dāng)含水率達(dá)到25.79%時，礦化垃圾中微生物活性最大，好氧與厭氧氧化甲烷速率均達(dá)到最大。統(tǒng)計分析表明，在血清瓶上部空間換氮氣培養(yǎng)的2 d以內(nèi)，含水率在25%以下的礦化垃圾對甲烷的好氧氧化速率之間達(dá)到極顯著性差異（p＜0.01），而含水率為25%以上時甲烷好氧氧化速率之間未達(dá)到顯著性差異（p＞0.05）。含水率達(dá)到40.44%后，礦化垃圾處在過飽和持水狀態(tài)（可見明水），分子氧和甲烷均難以迅速擴散進(jìn)入礦化垃圾，此時由于甲烷擴散速度和甲烷好氧氧化菌活性明顯下降，導(dǎo)致甲烷好氧氧化速率迅速下降，而甲烷厭氧氧化速率仍保持原有相似水平，因此，甲烷厭氧氧化的貢獻(xiàn)率也逐步增大，甚至達(dá)到30%以上。

2.4 外源甲烷通入量對甲烷共氧化的影響

當(dāng)?shù)V化垃圾的含水率小于20%時，在有氧條件下，礦化垃圾的好氧氧化甲烷能力占主導(dǎo)地位，在24 h內(nèi)即可將1 mL甲烷完全氧化，如圖1所示。為了考察甲烷通入量對甲烷氧化速度的影響，每次待甲烷好氧完全氧化（甲烷消耗殆盡），往好氧氧化血清瓶中重新充入1 mL甲烷，而厭氧氧化的血清瓶則補充至1 mL，如圖1中的I～I(xiàn)V階段。由圖1可見，好氧條件下甲烷完全氧化時間由24 h逐漸縮短至20、17、11 h，甲烷好氧氧化時間縮短了50%以上。而4個階段的甲烷厭氧氧化速度變化不大，甲烷體積變化僅為0.1～0.2 mL。

由圖2可見，當(dāng)甲烷通入量分別為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 mL時，甲烷氧化速率先增大后減少，其中在甲烷通入量為2 mL時，甲烷好氧與厭氧氧化速率分別達(dá)到最大，為2.98×10-6、0.75×10-6mol/（d·g）。表明外源甲烷是影響礦化垃圾氧化甲烷活性的重要因素。甲烷含量過低，甲烷氧化菌無法獲得足夠的碳源來維持其生長，因此甲烷氧化菌的數(shù)量與活性都大大降低，甲烷氧化率也很低。當(dāng)甲烷量在一定范圍內(nèi)逐漸得到補充時，甲烷氧化菌不斷得到馴化，活性逐漸增強，因此圖1中氧化1 mL甲烷所需要的時間越來越短。而當(dāng)甲烷通入量超過2mL時，甲烷氧化作用反而被抑制，這表明該進(jìn)氣量超過了20 g礦化垃圾中甲烷氧化菌的負(fù)荷。

3 結(jié)論

以9 a垃圾填埋區(qū)域內(nèi)的覆蓋層、淺層垃圾以及底層礦化垃圾為研究對象，通過硫酸鹽還原菌陽性反應(yīng)實驗，證實了生活垃圾填埋體不同填埋層都存在不同數(shù)量級的硫酸鹽還原菌，從而表明了甲烷好氧氧化與厭氧氧化的共存。從各樣品中細(xì)菌量可見，礦化垃圾中的硫酸鹽還原菌的數(shù)量最多，表層覆土中最少。不同大小顆粒比例的垃圾樣品對于垃圾的甲烷好氧氧化速率并無顯著影響，但對厭氧氧化影響明顯大于好氧氧化。顆粒大小比例為50%∶50%的垃圾樣品有最佳的甲烷好氧與厭氧氧化效果，且厭氧氧化在共氧化作用中的比例達(dá)到20%以上。含水率約為25%時，礦化垃圾中微生物活性最大，好氧與厭氧氧化甲烷速率均達(dá)到最大，且較高的含水率有利于厭氧氧化，甲烷厭氧氧化的貢獻(xiàn)率可達(dá)到30%以上。外源甲烷的反復(fù)補充可以馴化甲烷氧化菌，縮短甲烷氧化時間，但甲烷通入量超過2 mL后，甲烷氧化則受到抑制。

［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.

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［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.

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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—），高級工程師。主要研究生活垃圾填埋技術(shù)、垃圾滲瀝液處理處置技術(shù)、市政污泥處理處置技術(shù)、垃圾填埋場臭氣污染控制技術(shù)等。

E-mail： lgzhouhy@163.com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）