楊益彪，詹良通，陳云敏，史 煒

（1.浙江大學(xué)，軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310058；2.貴州省交通規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081；3.西安市固體廢物管理處，陜西 西安 710038）

垃圾填埋場覆蓋黃土的甲烷氧化能力及其影響因素研究

楊益彪1，2，詹良通1*，陳云敏1，史 煒3

（1.浙江大學(xué)，軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310058；2.貴州省交通規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081；3.西安市固體廢物管理處，陜西 西安 710038）

利用西安江村溝填埋場不同覆蓋時(shí)間的臨時(shí)覆蓋黃土和新鮮黃土摻堆肥配置的土樣，開展了甲烷氧化培養(yǎng)瓶試驗(yàn)，培養(yǎng)歷時(shí)最長達(dá)22d，研究了不同覆蓋時(shí)間的覆蓋黃土和不同堆肥摻量的新鮮黃土的甲烷氧化能力，以及含水量對(duì)覆蓋黃土甲烷氧化能力的影響，分析了甲烷氧化過程中各組分氣體體積變化關(guān)系.研究結(jié)果表明：不同覆蓋時(shí)間的覆蓋黃土的甲烷氧化能力相差很大，覆蓋3～5年的黃土最大甲烷氧化能力達(dá)26.05～53.95μg CH4/（g·h）， 而未覆蓋的新鮮黃土幾乎沒有甲烷氧化能力.在新鮮黃土中摻入堆肥，能有效提高其甲烷氧化能力，且在堆肥摻量小于50%時(shí)，土樣的最大甲烷氧化能力與堆肥摻量呈正比例關(guān)系.含水量對(duì)覆蓋土的甲烷氧化能力有很大影響，黃土甲烷氧化的最適宜含水量約為20% ～ 30%.在甲烷氧化過程中，甲烷氧化菌將CH4中約44%的碳氧化為CO2，其余碳轉(zhuǎn)化為甲烷氧化菌胞內(nèi)物質(zhì).實(shí)際工程中進(jìn)行覆蓋層設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)填埋場實(shí)際產(chǎn)氣量和覆蓋層導(dǎo)氣性確定與甲烷通量相匹配的甲烷氧化速率，進(jìn)而合理確定堆肥摻量.

黃土；甲烷氧化能力；垃圾填埋場覆蓋層；覆蓋時(shí)間；堆肥

CH4是全球變暖貢獻(xiàn)僅次于CO2的第二大溫室氣體，近年來在大氣中的濃度迅速增大.垃圾填埋場是CH4的重要釋放源，據(jù)估計(jì)至2020年，填埋場CH4釋放將占全球CH4釋放總量的19%［1-3］.我國的城市生活垃圾處理處置以填埋為主，據(jù)預(yù)測至2020年我國填埋場CH4排放將達(dá)35990萬t當(dāng)量CO2，占全國CH4總排放量的31.6%［4］.隨著全球氣候變化和溫室效應(yīng)倍受關(guān)注，諸多研究者已致力于研究如何經(jīng)濟(jì)合理地減少填埋場的甲烷釋放，特別是對(duì)于那些沒有填埋氣主動(dòng)收集或填埋氣主動(dòng)收集系統(tǒng)已關(guān)閉的垃圾填埋場［5-7］.由于CH4的全球變暖潛勢（GWP）是CO2的20到30倍，因而利用填埋場覆蓋土層中的甲烷氧化細(xì)菌在有氧環(huán)境中將CH4轉(zhuǎn)化為CO2以降低填埋場的CH4排放強(qiáng)度，是一種具有應(yīng)用前景的填埋場溫室氣體減排技術(shù)［5，8］.

覆蓋層甲烷氧化受到溫度、含水量、覆蓋材料類型、有機(jī)質(zhì)含量、CH4和O2濃度等因素的影響［9-10］.研究表明，甲烷氧化的最適宜溫度為25～30℃，最佳含水率在20%左右.當(dāng)覆蓋層含水量處于最佳含水量時(shí)，微生物能保持較高的活性；當(dāng)含水量低于5%時(shí)，甲烷氧化活動(dòng)將急劇降低［9，11-13］.覆蓋材料類型對(duì)甲烷氧化效果的影響主要在于覆蓋材料的孔隙大小影響到CH4和O2在覆蓋層中的傳輸［14］；甲烷氧化菌的活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)關(guān)系，富含有機(jī)質(zhì)的覆蓋層為甲烷氧化菌提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，其微生物的數(shù)量和活性顯著增加［15］.對(duì)于已經(jīng)暴露在甲烷排放下一段時(shí)間、來自于填埋場的土壤，其氧化率比新鮮土高.堆肥等高有機(jī)物含量的材料具有較高的甲烷氧化效率，在土中該類物質(zhì)可以使覆蓋層的甲烷氧化能力得到有效提高，因而成為目前研究的熱點(diǎn)之一［16-18］.

研究表明［19-20］，基于水分儲(chǔ)存-釋放原理的土質(zhì)覆蓋層在干旱和半干旱氣候區(qū)可有效替代歐美及我國標(biāo)準(zhǔn)推薦的復(fù)合覆蓋層，從而降低造價(jià)，并可有效克服壓實(shí)粘土覆蓋層在氣候干濕循環(huán)作用下易發(fā)生干縮開裂失效的問題.我國西北地區(qū)氣候相對(duì)比較干旱，黃土分布廣泛，黃土作為覆蓋土料容易就地取材，目前西北地區(qū)已有個(gè)別城市填埋場采用黃土作為填埋場覆蓋層的案例.土質(zhì)覆蓋層的導(dǎo)氣性使得O2和CH4能在其中傳輸，為甲烷氧化菌氧化CH4提供了必備條件.然而目前國內(nèi)外關(guān)于覆蓋黃土的甲烷氧化能力的研究較為少見，對(duì)如何提高新覆蓋黃土的甲烷氧化能力及改良后的黃土的甲烷氧化效果評(píng)價(jià)還有待進(jìn)一步研究.本文以西安江村溝填埋場的臨時(shí)覆蓋黃土和杭州某堆肥廠生產(chǎn)的堆肥為試驗(yàn)材料，通過培養(yǎng)瓶試驗(yàn)測試不同覆蓋時(shí)間的覆蓋黃土的甲烷氧化速率； 在未做覆蓋的新鮮黃土中摻入不同比例的堆肥，研究堆肥對(duì)新鮮黃土甲烷氧化速率的提升效果； 研究含水量對(duì)覆蓋黃土甲烷氧化速率的影響； 分析甲烷氧化過程中的各氣體組分體積變化關(guān)系，并對(duì)黃土覆蓋層的甲烷氧化能力進(jìn)行簡單評(píng)估.研究成果可為黃土覆蓋層的甲烷減排提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

表1 覆蓋黃土及堆肥的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic soil physical-chemical properties of loess and compost

試驗(yàn)所用材料為取自西安江村溝垃圾填埋場的臨時(shí)覆蓋黃土和杭州某堆肥廠生產(chǎn)的堆肥.江村溝填埋場已達(dá)到設(shè)計(jì)填埋高度的幾級(jí)臺(tái)階均采用當(dāng)?shù)攸S土進(jìn)行臨時(shí)覆蓋，本試驗(yàn)所用的臨時(shí)覆蓋黃土分別取自覆蓋時(shí)間為5，3，0.5，0.5a的第1、4、6、7級(jí)臺(tái)階，以及尚未覆蓋的新鮮黃土，對(duì)土樣相應(yīng)編號(hào)為1#、2#、3#、4#以及5#.上述臨時(shí)覆蓋的做法是在垃圾層上鋪設(shè)30cm厚的卵石后再鋪設(shè)30～50cm厚的黃土.第1、4、6級(jí)臺(tái)階上有野生植物生長，第7級(jí)臺(tái)階還未見植被，為防止雨水沖刷，在黃土層表面鋪設(shè)一層LDPE膜.這些臨時(shí)覆蓋區(qū)域沒有填埋氣收集或填埋氣主動(dòng)收集系統(tǒng)已關(guān)閉.在覆蓋層上取土?xí)r，先除去覆蓋層表層1cm左右的覆蓋土，然后再取上層20cm的覆蓋土帶回實(shí)驗(yàn)室保存.堆肥為杭州某堆肥廠生產(chǎn)，堆肥原料為泥炭、木屑和牛糞.覆蓋黃土和堆肥的基本理化性質(zhì)如表1所示.

1.2 試驗(yàn)方法

本文采用培養(yǎng)瓶試驗(yàn)研究覆蓋黃土的甲烷氧化能力及其影響因素.將從填埋場覆蓋層取回的各類試驗(yàn)備用土過2mm篩，除去草根等雜物，然后稱取干重為50g（實(shí)際重量根據(jù)含水量換算）的土樣加水或風(fēng)干配制成目標(biāo)含水量下的試驗(yàn)用土；堆肥則過3mm篩后采用天然含水量狀態(tài)下的材料進(jìn)行試驗(yàn).

將各類配制好的試驗(yàn)用土裝入容積為330mL的培養(yǎng)瓶中，用丁基膠塞塞緊，再用膠木蓋蓋緊.從培養(yǎng)瓶中抽出20mL空氣后，再往瓶中注入20mL純甲烷氣體，作為甲烷氧化的初始狀態(tài).此時(shí)瓶內(nèi)CH4和O2的體積分?jǐn)?shù)分別為6.5%和19.6%左右，O2的含量約是CH4的3倍，與Albanna等［21］的甲烷氧化培養(yǎng)瓶試驗(yàn)中的O2和CH4的比值一致，根據(jù)Hilger等［16］的研究，甲烷氧化菌消耗1molCH4需1.50～1.57molO2，因此上述體積分?jǐn)?shù)可確保試驗(yàn)過程中O2充足.此時(shí)可根據(jù)土的比重、含水量等估算培養(yǎng)瓶中的O2、N2、CH4、CO24種氣體的體積百分?jǐn)?shù)，并在瓶中氣體均勻化之后，從瓶中抽取1mL氣體進(jìn)行檢測驗(yàn)證.培養(yǎng)瓶中注入CH4后，將培養(yǎng)瓶置于20℃的恒溫環(huán)境中培養(yǎng)，并每隔24h從各培養(yǎng)瓶中抽取1mL氣體樣品用氣相色譜儀檢測O2、N2、CH4、CO24種氣體組分的體積分?jǐn)?shù).為使每天培養(yǎng)瓶中甲烷氧化的各氣體組分初始狀態(tài)明確以便于計(jì)算甲烷氧化速率，在抽取氣體樣品后，須給培養(yǎng)瓶換氣.即打開瓶蓋和瓶塞后，用空氣反復(fù)沖洗瓶中，使瓶中氣體再次恢復(fù)為潔凈空氣，然后在蓋上瓶塞和瓶蓋后重新抽出20mL空氣，之后往瓶中注入20mL純甲烷并置于20℃的恒溫環(huán)境中培養(yǎng).當(dāng)土樣的甲烷氧化速率較高時(shí)，應(yīng)及時(shí)給培養(yǎng)瓶換氣，以保證培養(yǎng)瓶中始終存有甲烷，避免甲烷濃度過低對(duì)甲烷氧化速率造成影響.

氣體樣品檢測采用氣相色譜儀GC9800，配置TCD檢測器，用H2作載氣，柱溫、汽化室和檢測器溫度分別為80，100，120℃.測試采用手動(dòng)進(jìn)樣，進(jìn)樣量為1mL.

由于在甲烷氧化過程中，消耗了CH4和O2，產(chǎn)生了CO2，雖該反應(yīng)過程氣體體積是減小的，但由于N2未參加任何反應(yīng)，其量始終保持不變.因此，可根據(jù)培養(yǎng)后各氣體組分的體積分?jǐn)?shù)及N2的量計(jì)算出培養(yǎng)瓶中O2、N2、CH4、CO2在常壓下的體積，進(jìn)而可計(jì)算出瓶中氣體總體積和各組分氣體體積的變化量，并可根據(jù)培養(yǎng)時(shí)間計(jì)算出該類土的此時(shí)的甲烷氧化速率V，即單位質(zhì)量的干土在單位時(shí)間內(nèi)的甲烷消耗量［μg CH4/（g·h）］.

1.3 試驗(yàn)方案

表2 封頂覆蓋黃土甲烷氧化培養(yǎng)瓶試驗(yàn)方案Table 2 Schemes of batch tests

本文為研究覆蓋時(shí)間不同的覆蓋黃土的甲烷氧化速率，以臨時(shí)覆蓋時(shí)間分別為5，3，0.5，0.5a（表面蓋膜）的覆蓋黃土為試驗(yàn)土樣，調(diào)節(jié)土樣含水量均為20%，置于20℃的恒溫環(huán)境中培養(yǎng)；為研究在新鮮黃土中加入堆肥對(duì)新鮮黃土甲烷氧化速率的提升效果，在新鮮黃土中分別摻入1.5%、3.0%、10%、25%、50%的堆肥進(jìn)行培養(yǎng)；為研究含水量對(duì)甲烷氧化速率的影響，以覆蓋時(shí)間為3a的覆蓋黃土和堆肥摻量為3.0%的新鮮黃土為試驗(yàn)土樣，均調(diào)節(jié)含水量分別為10%、15%、20%、25%、30%進(jìn)行培養(yǎng).3種試驗(yàn)工況設(shè)置如表2所示.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同覆蓋時(shí)間的覆蓋黃土的甲烷氧化效率

覆蓋時(shí)間分別為5，3，0.5，0.5a的覆蓋黃土1#、2#、3#、4#和未做覆蓋的新鮮黃土5#土樣在20℃的恒溫環(huán)境中培養(yǎng)22d過程中的甲烷氧化速率如圖1所示.

圖1 不同覆蓋時(shí)間的覆蓋黃土的甲烷氧化速率Fig.1 The methane oxidation rates of landfill cover loess with different placement duration

從圖1中可以看出，覆蓋時(shí)間不同的5種土樣在培養(yǎng)過程中的甲烷氧化速率相差很大，但在培養(yǎng)的最初2d，所有土樣均幾乎沒有甲烷氧化能力，隨后覆蓋時(shí)間為5a的1#土樣、覆蓋時(shí)間為0.5a的3#土樣、覆蓋時(shí)間為3a的2#土樣的甲烷氧化能力依次開始增大，并在甲烷氧化速率達(dá)到各自的最大值Vmax（分別為26.05，8.04，53.95μg CH4/（g·h））后，甲烷氧化速率隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而大幅減小.該工況下的5種土樣中，2#土樣的最大甲烷氧化速率最大，且能夠保持較強(qiáng)的甲烷氧化能力一段時(shí)間；1#土樣在培養(yǎng)的第9d就達(dá)到甲烷氧化速率的最大值，然后迅速減小至較小值；3#土樣在培養(yǎng)的第5d，其甲烷氧化速率就達(dá)到了最大值，該值要比1#和2#土樣的最大值小得多.而在整個(gè)培養(yǎng)過程中，覆蓋時(shí)間為0.5a且表面蓋了一層土工膜的4#土樣甲烷氧化能力非常小，未做覆蓋的新鮮黃土5#土樣甚至幾乎沒有甲烷氧化能力.在本試驗(yàn)中，試驗(yàn)土樣的甲烷氧化能力經(jīng)一段時(shí)間培養(yǎng)逐漸增長至最大后均降低至較小值.造成該現(xiàn)象的原因是由于培養(yǎng)瓶中土料較少，甲烷氧化活動(dòng)代謝產(chǎn)物—胞內(nèi)聚合物的積累和土料中的營養(yǎng)物質(zhì)消耗使得土中甲烷氧化菌數(shù)量減少、活性降低，從而造成甲烷氧化速率降低［22-23］.前人開展的更大尺度的試驗(yàn)（如模擬土柱試驗(yàn)）中沒有發(fā)現(xiàn)甲烷氧化速率顯著降低的現(xiàn)象［9，24-26］，這與模擬土柱的土料及營養(yǎng)物質(zhì)較充足、甲烷菌生長條件較佳有關(guān).本文的培養(yǎng)瓶試驗(yàn)主要目的是測試各種土料的最大甲烷氧化能力，為覆蓋土料選擇提供依據(jù).

出現(xiàn)上述土樣甲烷氧化能力差異巨大的原因主要在于土樣覆蓋時(shí)間不同，造成土樣暴露于有CH4和O2存在的環(huán)境中的時(shí)間和有機(jī)質(zhì)含量不同.最大甲烷氧化速率Vmax最大的2#土樣的覆蓋時(shí)間為3a，且所在覆蓋臺(tái)階未進(jìn)行填埋氣收集，雖填埋垃圾已很少產(chǎn)氣，但覆蓋土所在環(huán)境缺乏CH4的時(shí)間并不長，且該級(jí)覆蓋層的植被生長良好，有機(jī)質(zhì)含量最高，因而其甲烷氧化能力最強(qiáng)，也能將較強(qiáng)的甲烷氧化能力保持一段時(shí)間.覆蓋時(shí)間為5a的1#土樣所在的覆蓋臺(tái)階也不進(jìn)行填埋氣收集，但由于該級(jí)臺(tái)階覆蓋較早，垃圾停止產(chǎn)氣時(shí)間較長，覆蓋土所處環(huán)境早已缺少CH4供應(yīng)，雖土樣有機(jī)質(zhì)含量也較高，其甲烷氧化能力小于2#土樣.3#土樣和4#土樣的覆蓋時(shí)間均為0.5a，所在覆蓋臺(tái)階的填埋氣主動(dòng)收集系統(tǒng)均已關(guān)閉，土樣暴露于CH4和O2存在的環(huán)境中的時(shí)間相對(duì)較短，且土樣有機(jī)質(zhì)含量均較低，因而其甲烷氧化能力很??；特別是覆蓋后還在覆蓋層表面蓋有土工膜的4#土樣，則更少暴露于自然環(huán)境中，因而其甲烷氧化能力與未做覆蓋的新鮮黃土一樣，幾乎沒有甲烷氧化能力.該試驗(yàn)結(jié)果與某些學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)較為一致.何品晶等［13］在研究杭州市天子嶺廢棄物處置總場封場覆蓋土的甲烷氧化影響因素時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)覆蓋土的甲烷氧化能力受覆蓋時(shí)間和填埋氣主動(dòng)收集系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)間長短的影響，封場覆蓋時(shí)間和填埋氣主動(dòng)收集系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)間過長的覆蓋土樣的甲烷氧化能力反而稍低.岳波等［27］研究發(fā)現(xiàn)填埋場老覆土的甲烷氧化能力大于新覆土，且新覆土的甲烷氧化能力極低.

2.2 不同堆肥摻量的新鮮黃土的甲烷氧化速率

從圖2可以看出，不同堆肥摻量的新鮮黃土和純堆肥在培養(yǎng)過程的前6d均幾乎沒有甲烷氧化能力，隨后才逐漸增長至最大值（分別為1.74，4.14，10.4，69.9，177.6，310.3，300.7μg CH4/（g·h）），然后再減小至較低值.當(dāng)堆肥摻量達(dá)到50%時(shí)，土樣的甲烷氧化速率則與純堆肥的甲烷氧化速率基本相同.這說明通過向土中摻入堆肥來增強(qiáng)土壤的甲烷氧化能力時(shí)，當(dāng)堆肥摻量達(dá)到50%，再增加堆肥摻量，則已不能進(jìn)一步提高土壤的甲烷氧化能力.

圖2 不同堆肥摻量的新鮮黃土的甲烷氧化速率Fig.2 The methane oxidation rates of fresh loess with different compost content

從圖3可看出，當(dāng)堆肥摻量小于50%時(shí)，摻入堆肥的新鮮黃土培養(yǎng)過程中的最大甲烷氧化速率甲烷氧化速率Vmax與堆肥摻量基本呈線性關(guān)系.這說明通過在未做覆蓋的新鮮黃土中摻入一定量的堆肥，可有效提高黃土的甲烷氧化能力.其原因主要在于堆肥含有大量有機(jī)質(zhì)，能為甲烷氧化菌生長提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，將其摻入有機(jī)質(zhì)含量極低、幾乎沒有甲烷氧化菌的新鮮黃土中后，黃土土樣的有機(jī)質(zhì)含量等條件得到改善，甲烷氧化菌也能在土中良好生長，從而新鮮黃土的甲烷氧化能力得到相應(yīng)提高.岳波等［27］通過在填埋場新覆土中接種陳腐垃圾來提高新覆土的甲烷氧化能力，當(dāng)陳腐垃圾與新覆土質(zhì)量比為1：10時(shí)，其甲烷氧化能力比新覆土有明顯提高，但增大陳腐垃圾比例時(shí)，甲烷氧化能力進(jìn)一步提高效果不明顯.

圖3 最大甲烷氧化速率Vmax與堆肥摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximal methane oxidation rates Vmaxwith compost content

2.3 含水量對(duì)甲烷氧化效率的影響

從圖4、圖5中可以看出，覆蓋時(shí)間為3a的覆蓋黃土和堆肥摻量為3.0%的新鮮黃土在含水量為20%、25%、30%時(shí)，經(jīng)一定時(shí)間培養(yǎng)，均能達(dá)到相應(yīng)的最大甲烷氧化速率Vmax.含水量為15%的覆蓋黃土和新鮮黃土均需要較長時(shí)間（分別為18d和20d）培養(yǎng)才能達(dá)到其相應(yīng)的最大甲烷氧化速率Vmax，且其Vmax值是含水量為25%土樣Vmax值的1/3.而含水量為10%的覆蓋黃土和新鮮黃土在整個(gè)培養(yǎng)過程中的甲烷氧化速率均接近于零，即幾乎沒有甲烷氧化能力.

從圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，覆蓋黃土在含水量小于25%時(shí)，其最大甲烷氧化速率隨含水量的增加而增大；當(dāng)含水量大于25%時(shí)，覆蓋黃土的最大甲烷氧化速率隨含水量的增加反而開始減小.因此，可以得到本試驗(yàn)中覆蓋時(shí)間為3a的覆蓋黃土甲烷氧化的最適宜含水量為25%.堆肥摻量為3.0%的新鮮黃土在含水量為10%～30%時(shí)，最大甲烷氧化速率隨含水量的增加而增大，且在20%～30%范圍內(nèi)均相對(duì)較大.說明本試驗(yàn)中堆肥摻量為3.0%的新鮮黃土甲烷氧化最適宜含水量的范圍為20%～30%.摻有堆肥的新鮮黃土甲烷氧化的最適宜含水量比覆蓋黃土稍高，其原因主要在于新鮮黃土中所摻堆肥的甲烷氧化最適宜含水量要比一般土壤高很多［22，28］.含水量為10%的兩類土的最大甲烷氧化速率均接近于零則說明過低的含水量會(huì)造成甲烷氧化菌的活性降低［12-13］.

圖4 不同含水量的覆蓋黃土（封頂覆蓋時(shí)間為3a）的甲烷氧化速率Fig.4 The methane oxidation rates of landfill cover loess（placement duration is 3a） with different moisture content

圖5 不同含水量的新鮮黃土（堆肥摻量為3%）的甲烷氧化速率Fig.5 The methane oxidation rates of fresh loess（compost content is 3.0%） with different moisture content

2.4 甲烷氧化過程中各氣體組分體積變化關(guān)系

圖6 甲烷氧化過程中CO2產(chǎn)生量、O2消耗量、氣體總體積減少量與CH4消耗量的關(guān)系Fig.6 Relationship between output of CO2， consumption of O2， gas volume reduction with CH4consumption

從圖6可以看出，甲烷氧化過程中，CO2產(chǎn)生量、O2消耗量、氣體總體積減少量與CH4消耗量均具有較好的線性關(guān)系，且VCH4消耗：VCO2產(chǎn)生約為1：0.440，VCH4消耗：VO2消耗約為1：0.977，VCH4消耗：V總體積減少約為1 ： 1.535.即甲烷氧化過程中消耗1mLCH4將會(huì)產(chǎn)生0.440mLCO2，同時(shí)消耗掉0.977mLO2，氣體總體積將減少1.535mL.

Hilger等［16］認(rèn)為甲烷氧化菌將CH4轉(zhuǎn)化為CO2主要有2種途徑，其總反應(yīng)式分別為：

根據(jù)碳守恒，由本文甲烷氧化過程中氣體體積變化量的關(guān)系可以得到甲烷氧化菌氧化甲烷的總反應(yīng)表達(dá)式為：

從式（3）可以看出，甲烷氧化菌在氧化甲烷的過程中將1mol CH4轉(zhuǎn)化為0.440mol CO2，該結(jié)果稍低于何品晶等［24］的測試結(jié)果（即甲烷氧化和二氧化碳的轉(zhuǎn)化比例為0.51），也低于Hilger等提出的反應(yīng)式中的轉(zhuǎn)化系數(shù)（即0.529～0.573），這說明有部分碳轉(zhuǎn)化為甲烷氧化菌細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)有關(guān).通過甲烷氧化菌的甲烷氧化作用，不僅可以將高GWP（全球變暖潛勢）的CH4轉(zhuǎn)化為低GWP的CO2，而且大部分的碳在甲烷氧化過程中已轉(zhuǎn)化成甲烷氧化菌的細(xì)胞構(gòu)成物質(zhì)，即已被微生物所固定.這表明利用覆蓋土中甲烷氧化菌的甲烷氧化作用可以有效實(shí)現(xiàn)填埋場的甲烷減排.

2.5 黃土覆蓋層甲烷氧化能力

由于填埋場的新覆土的甲烷氧化能力非常微弱，當(dāng)填埋氣通過覆蓋層時(shí)，填埋氣中的CH4不能被有效消耗.因此，諸多學(xué)者通過在覆蓋土中加入堆肥、污泥等有機(jī)質(zhì)含量較高的材料形成生物覆蓋層或生物濾池，用以提高覆蓋土的甲烷氧化能力［16-17，23，29-32］.本文試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)未覆蓋的新鮮黃土經(jīng)22d的培養(yǎng)幾乎沒有甲烷氧化能力；而在新鮮黃土中摻入堆肥后，培養(yǎng)6d，土樣的甲烷氧化能力就開始增長；且堆肥摻量為10%的新鮮黃土的甲烷氧化能力就已大于甲烷氧化能力最強(qiáng)的覆蓋黃土（覆蓋時(shí)間為3a）.這說明在新鮮黃土中摻入適量堆肥，不僅可以提高黃土的甲烷氧化能力，還能縮短達(dá)到較高甲烷氧化效率的時(shí)間.

雖然在黃土中摻入堆肥等高有機(jī)質(zhì)材料可有效提高黃土的甲烷氧化能力，但在覆蓋層設(shè)計(jì)的實(shí)際工程中，需要保證覆蓋層的防滲閉氣性能，還需考慮經(jīng)濟(jì)因素和施工可行.因此，新鮮黃土的堆肥摻量并非越多越好，需要根據(jù)垃圾的產(chǎn)氣量和覆蓋層的導(dǎo)氣性確定與覆蓋層CH4通量相匹配的甲烷氧化速率，進(jìn)而確定適宜的堆肥摻量.

研究表明［9，11，15，24］，甲烷氧化一般發(fā)生在覆蓋層表層30～40cm的范圍內(nèi)，且在覆蓋層表面以下10～20cm范圍甲烷氧化活動(dòng)最為強(qiáng)烈，因?yàn)榇藚^(qū)域?yàn)镃H4和O2分布的重疊區(qū)域.因此，Scheutz等

［15］在估算覆蓋層的甲烷氧化速率時(shí)采用以下計(jì)算公式：

式中： K0為覆蓋層的甲烷氧化速率，gCH4/（m2·d）；k0為覆蓋土的甲烷氧化速率，μg CH4/（g·d）； da為甲烷氧化區(qū)域的厚度，m； ρb為甲烷氧化區(qū)域土的干密度，Mg/m3.

進(jìn)入覆蓋層的甲烷通量與填埋垃圾的產(chǎn)氣速率和填埋氣抽氣速率相關(guān)，因?yàn)楫?dāng)垃圾產(chǎn)氣速率很高或覆蓋層的氣體滲透系數(shù)很小時(shí)，為保證覆蓋層的安全穩(wěn)定，需通過抽排填埋氣以控制填埋氣壓小于警戒氣壓值.因而進(jìn)入老填埋場或有填埋氣主動(dòng)收集系統(tǒng)的填埋場覆蓋層的CH4通量相對(duì)較小，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)垃圾填埋場的CH4通量介于0.142～20.380g CH4/（m2·d）［33-35］.按這個(gè)CH4通量考慮，若要將這些CH4全部氧化，則覆蓋層所需的甲烷氧化速率K0達(dá)到0.142～20.380g CH4/（m2·d）.設(shè)覆蓋層甲烷氧化層厚度da= 0.3m、土的干密度ρb=1.3Mg/m3，則由式（1）可算出覆蓋土料所需達(dá)到的甲烷氧化速率k0= 0.364～52.256μg CH4/（g·d）［即0.015～2.177μg CH4/（g·h）］.Scheutz等［9］和Chanton等［14］總結(jié)多篇文獻(xiàn)之后認(rèn)為，由于環(huán)境因素等原因，培養(yǎng)瓶試驗(yàn)、土柱試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)得到的甲烷氧化速率最大值依次減小.因此，若以培養(yǎng)瓶試驗(yàn)的最大甲烷氧化速率來估算覆蓋層的甲烷氧化速率，需要將培養(yǎng)瓶試驗(yàn)的最大甲烷氧化速率除以一個(gè)“安全系數(shù)N”.當(dāng)取N=2時(shí)，根據(jù)本文培養(yǎng)瓶試驗(yàn)的結(jié)果，由新鮮黃土摻3%堆肥構(gòu)建的黃土覆蓋層可將上述通量0.142～20.380g CH4/（m2·d）的CH4消耗掉，而沒有必要在新鮮黃土中摻入更多的堆肥.

3 結(jié)論

3.1 臨時(shí)覆蓋時(shí)間不同的覆蓋黃土的甲烷氧化能力相差很大， 覆蓋3～5a的黃土最大甲烷氧化能力達(dá)26.05～53.95μg CH4/（g·h）， 而新鮮黃土幾乎沒有甲烷氧化能力；覆蓋時(shí)間主要影響黃土暴露于有CH4存在環(huán)境中的時(shí)間和有機(jī)質(zhì)含量，進(jìn)而影響覆蓋土的甲烷氧化能力.

3.2 在未做覆蓋的新鮮黃土中摻入堆肥能有效提高新鮮黃土的甲烷氧化能力；且當(dāng)堆肥摻量小于50%時(shí)，土樣的最大甲烷氧化速率與堆肥摻量呈正比例關(guān)系；當(dāng)堆肥摻量達(dá)到50%后，增加堆肥摻量已不能進(jìn)一步提高黃土的甲烷氧化能力.

3.3 含水量對(duì)覆蓋土的甲烷氧化能力有很大影響；覆蓋時(shí)間為3年的覆蓋黃土和堆肥摻量為3.0%的新鮮黃土甲烷氧化的最適宜含水量分別為25%和20%～30%；當(dāng)含水量低于15%時(shí)，覆蓋黃土的甲烷氧化能力較低.

3.4 甲烷氧化過程中CO2產(chǎn)生量、O2消耗量、氣體總體積減少量與CH4消耗量具有良好的線性關(guān)系；且甲烷氧化菌將CH4中約44%的碳氧化為CO2，其余碳轉(zhuǎn)化為甲烷氧化菌胞內(nèi)物質(zhì).

3.5 在實(shí)際覆蓋層設(shè)計(jì)中，若要通過在新覆蓋土中加入堆肥等高有機(jī)質(zhì)含量的材料以提高覆蓋層的甲烷氧化能力，需要根據(jù)填埋場的實(shí)際產(chǎn)氣量和覆蓋層的導(dǎo)氣性確定與甲烷通量匹配的甲烷氧化速率，進(jìn)而確定堆肥的合理摻量.

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Methane oxidation capacity of landfill cover loess and its impact factors.

YANG Yi-biao1，2， ZHAN Liang-tong1*， CHEN Yun-min1， SHI Wei3
（1.Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering， Ministry of Education， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China；2. Guizhou Transportation Planning， Survey and Design Co.， LTD.， Guiyang 550081，China； 3.Xi'an solid waste management office， Xi'an 710038， China）.

China Environmental Science， 2015，35（2）：484～492

Batch tests with a duration up to 22 days were carried out on the loess samples to measure their methane oxidation capacity. Some loess samples were taken from the temporary covers with different durations of placement at Xi'an landfill， the others were produced by mixing fresh loess with different content of compost. The influence of moisture content on methane oxidation was also investigated. The relationships among the volume changes of different gas compositions during methane oxidation process were analyzed. The experiments demonstrated that the methane oxidation capacity of the covering loess depended significantly on the duration of placement on the landfill. The maximum methane oxidation capacity ranged from 26.05 to 53.95μg CH4/（g·h） for the temporary cover loess with a placement duration in between 3 and 5 years. The fresh loess had no methane oxidation capacity within 22 days of incubation. The admixture of fresh loess with compost significantly enhanced the methane oxidation capacity of the loess. When the compost content was less than 50%， the maximum methane oxidation capacity of loess increased linearly with an increase in the compost content. The moisture content of loess had a significant influence on the methane oxidation， and the optimum moisture content of loess for methane oxidation is 20% ～ 30%. During the methane oxidation process， about 44% of carbon in CH4was oxidized to CO2， the rest carbon was converted to intracellular substances. In the design of a landfill final cover， the required methane oxidation capacity as well as the required compost addition should be determined according to the CH4generation from the landfill and the gas permeability of the landfill cover.

loess；methane oxidation capacity；landfill cover；duration of placement； compost

X705

A

1000-6923（2015）02-0484-09

楊益彪（1988-），男，貴州省三穗縣人，浙江大學(xué)碩士研究生，主要從事非飽和土與環(huán)境土工研究.

2014-04-13

國家“973”項(xiàng)目（2012CB719805）

* 責(zé)任作者， 教授， zhanlt@zju.edu.cn