生活垃圾填埋場填埋氣中汞的分布特征

劉陽，郝永霞，柴曉利

同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092

生活垃圾填埋場填埋氣中汞的分布特征

劉陽，郝永霞，柴曉利*

同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092

利用Tekran 2537A和Lumex RA-915汞分析儀分別對(duì)生活垃圾填埋場排氣筒、填埋場內(nèi)部的氣態(tài)總汞變化規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，填埋場排氣筒中氣態(tài)總汞含量呈現(xiàn)明顯的晝夜變化規(guī)律，白天高于夜間，并于午間達(dá)到峰值。氣象條件對(duì)汞的釋放過程有重要影響，光照強(qiáng)度與排氣筒中氣態(tài)總汞含量的相關(guān)性明顯。受填埋場內(nèi)部物理、化學(xué)、生物作用的影響，填埋場內(nèi)部填埋氣的汞濃度明顯高于排氣筒中填埋氣的汞濃度。填埋場內(nèi)部氣態(tài)總汞變化規(guī)律為：植被覆蓋區(qū)域明顯低于無植被覆蓋區(qū)域，表明有效的綠化措施對(duì)于控制填埋場汞污染具有重要意義。

生活垃圾填埋場；氣態(tài)總汞；填埋氣；植被

汞(Hg)的生態(tài)毒性與生物可積累性，對(duì)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重的威脅[1-3]。氣態(tài)汞具有大氣停留時(shí)間長、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶匦?，?dǎo)致其環(huán)境危害性更大[4-5]。我國傳統(tǒng)的垃圾混合收集方式使得大量含汞物質(zhì)如電池、溫度計(jì)、壓力表、熒光燈管等進(jìn)入垃圾填埋場，隨著垃圾的降解，積累在填埋場內(nèi)的汞在生物、非生物的作用下逐漸轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的單質(zhì)汞，并通過排氣筒和覆蓋層空隙隨填埋氣體遷移出體外，對(duì)環(huán)境造成極大危害，生活垃圾填埋場已成為大氣的潛在汞釋放源之一[6-8]，如何有效的控制填埋場中汞的釋放成為當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

本文通過對(duì)填埋氣中汞的分布特征及釋放規(guī)律的分析研究，揭示不同填埋工藝、不同填埋年限條件下填埋氣中汞的分布特征；闡明在填埋場這一獨(dú)特的環(huán)境條件下，氣象條件對(duì)汞釋放規(guī)律的影響；初步探討定向調(diào)節(jié)和抑制填埋場中汞的傳輸和釋放途徑。為此，分別于2011年12月、2013年9月，對(duì)上海市的老港生活垃圾填埋場、崇明生活垃圾填埋場進(jìn)行了氣態(tài)總汞采樣分析工作，分析了垃圾填埋場排氣筒與填埋體內(nèi)部氣態(tài)總汞含量的變化規(guī)律，以期了解我國城市生活垃圾填埋場氣態(tài)汞的污染狀況，為有效控制填埋場汞污染提供理論依據(jù)。

1 樣品采集和分析(Sample collection and analysis)

1.1 采樣地點(diǎn)

上海市老港生活垃圾填埋場是目前國內(nèi)最大的灘涂型城市生活垃圾填埋場，位于上海市浦東新區(qū)境內(nèi)，選取老港生活垃圾填埋場的甲烷減排技術(shù)示范工程原址開展實(shí)驗(yàn)。甲烷減排技術(shù)示范工程的厭氧單元與甲烷抑制單元位于老港垃圾填埋場42#填埋單元，每個(gè)單元的庫容為5 000 m3。甲烷抑制單元作業(yè)期間每日依次進(jìn)行垃圾填埋、礦化垃圾鋪撒、抑制劑的噴灑和垃圾填埋的工作，直至填埋高度達(dá)到7 m，該示范工程于2009年7月竣工。

崇明生活垃圾填埋場地處堡鎮(zhèn)港北閘東側(cè)，占地面積約203，333 m2，2006年投入運(yùn)行，日處理垃圾量300～600 t。選取崇明生活垃圾填埋場一期現(xiàn)場進(jìn)行氣態(tài)總汞的測定。

1.2 樣品采集與分析

老港生活垃圾填埋場排氣筒中的氣態(tài)總汞采用Tekran 2537A自動(dòng)測汞儀(加拿大產(chǎn))測定，設(shè)定流速為0.5 L·min-1。填埋氣通過聚四氟乙烯管連接經(jīng)過緩沖瓶、干燥管，進(jìn)行測定。為防止大氣稀釋作用，將聚四氟乙烯管伸入排氣筒地面以下0.5 m。此外，采用HOBO U-30 (Onset Corp., USA)微型氣象工作站同步采集大氣溫度、光照強(qiáng)度、風(fēng)速和大氣相對(duì)濕度等氣象參數(shù)，采樣間隔為5 min。

崇明生活垃圾填埋場一期的氣態(tài)總汞及老港垃圾填埋場填埋單元內(nèi)部氣態(tài)總汞含量采用Lumex RA-915(俄羅斯產(chǎn))連接聚四氟乙烯管進(jìn)行測定。填埋場內(nèi)部采用鉆桿打孔(深度為0.8 m)，放入氣體收集管密閉30 min后測定(以老港垃圾填埋場厭氧單元為例，崇明生活垃圾填埋場打孔深度略大于1.0 m) (圖1)。Tekran 2537A和Lumex RA-915雖然采用不同的方法原理，但其測量結(jié)果具有很好的一致性，均能準(zhǔn)確測定氣態(tài)總汞含量[9]，因此兩種儀器的測定結(jié)果具有可對(duì)比性。采用SPSS對(duì)Tekran2537A和Lumex RA-915汞分析儀的所測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與討論(Results and Discussion)

2.1 排氣筒填埋氣中的氣態(tài)總汞

厭氧填埋單元白天(6:30-17:00)與夜間(17:00-6:30)排氣筒中氣態(tài)總汞濃度分別為：(10.09±2.34) ng·m-3，(6.98±0.86) ng·m-3；甲烷抑制填埋單元白天與夜間排氣筒中氣態(tài)總汞濃度分別為：(6.61±3.05) ng·m-3，(2.51±1.22) ng·m-3。由此可以看出，厭氧填埋單元排氣筒中的氣態(tài)總汞濃度顯著高于甲烷抑制填埋單元(p<0.01)，且夜間的濃度差異更加明顯，表明填埋2.5年后，厭氧填埋單元更有利于汞的釋放，這與厭氧環(huán)境下沉積物中汞的釋放量大于好氧環(huán)境的結(jié)論一致[10]。在有氧條件下，Hg2+主要經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)還原[11]，而在厭氧環(huán)境下Hg2+的還原主要由微生物驅(qū)動(dòng)[12]。由于厭氧填埋工藝中的厭氧環(huán)境為還原細(xì)菌提供了有利的生存環(huán)境，促進(jìn)了Hg2+的還原，增加了Hg0的產(chǎn)生量，而甲烷抑制填埋工藝促使填埋場內(nèi)部形成準(zhǔn)好氧環(huán)境，不利于汞的釋放，因而厭氧填埋單元排氣筒中的氣態(tài)總汞濃度顯著高于甲烷抑制填埋單元。

填埋場排氣筒中氣態(tài)總汞的釋放呈現(xiàn)明顯的晝夜變化規(guī)律(圖2)，氣態(tài)總汞濃度從8:00開始升高，午間達(dá)到峰值，之后開始下降，于夜間降至最低水平，這一過程與氣象條件如光照強(qiáng)度、氣溫等的變化過程極為相似；夜間氣態(tài)總汞濃度相對(duì)穩(wěn)定，變化幅度較小。厭氧填埋單元排氣筒中氣態(tài)總汞的濃度范圍為2.88～13.33 ng·m-3，甲烷抑制填埋單元排氣筒中氣態(tài)總汞的濃度范圍為0.00～11.57 ng·m-3，最高值達(dá)全球氣態(tài)總汞背景值1.5～2.0 ng·m-3的6倍。

將排氣筒中氣態(tài)總汞濃度和同步觀測的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，氣象條件對(duì)排氣筒中汞的釋放過程有重要影響，兩個(gè)填埋單元排氣筒的氣態(tài)總汞濃度與光照強(qiáng)度、大氣溫度、風(fēng)速呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(表1，表2)。光照強(qiáng)度升高，溫度升高，一方面使得微生物的活性增強(qiáng)，加快了垃圾的降解速率，從而促進(jìn)了汞的釋放[13]；另一方面溫度的升高使得填埋體內(nèi)部填埋氣的壓力及其擴(kuò)散速率增大，從而加速了填埋氣中汞的釋放。氣態(tài)總汞含量與大氣相對(duì)濕度的負(fù)相關(guān)關(guān)系主要由于大氣相對(duì)濕度越高，汞越易與水汽結(jié)合，導(dǎo)致大氣汞沉降現(xiàn)象增強(qiáng)[14]；而與風(fēng)速的正相關(guān)關(guān)系是因?yàn)檩^高的風(fēng)速使外界壓力降低，增大了填埋體內(nèi)外壓差，從而促進(jìn)了填埋氣中汞的釋放。

圖1 厭氧單元填埋體內(nèi)部填埋氣的采樣方法Fig. 1 Sampling method of landfill gas in the internal landfill of anaerobic unit

圖2 厭氧單元與甲烷抑制單元排氣筒中氣態(tài)總汞的晝夜變化Fig. 2 Diurnal variation of TGM concentrations in the vent pipes of anaerobic unit and methane suppression unit

厭氧填埋單元與甲烷抑制填埋單元中各氣象條件與氣態(tài)總汞濃度的相關(guān)系數(shù)見表1與表2。兩種填埋單元的排氣筒中氣態(tài)總汞濃度與光照強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)最高，表明光照強(qiáng)度對(duì)排氣筒中汞釋放過程的影響最大。甲烷抑制填埋單元中氣態(tài)總汞濃度與相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)低于厭氧填埋單元，這是由于甲烷抑制填埋單元構(gòu)造中排氣筒與滲濾液收集管相連通并安裝有風(fēng)帽，可以促進(jìn)填埋體內(nèi)部和外界的氣體流動(dòng)，使內(nèi)外濕度差異減小，從而導(dǎo)致相對(duì)濕度的變化對(duì)填埋氣釋放的影響減弱。

崇明垃圾填埋場已覆膜工作單元排氣筒釋放的汞濃度略低于填埋兩年的單元，可能由于在填埋過程中膜的覆蓋抑制了汞的大量釋放，氣態(tài)總汞的生成及經(jīng)排氣筒的釋放也需要一定時(shí)間；也可能由于崇明垃圾填埋場含汞垃圾所占比例小，導(dǎo)致填埋過程中排氣筒釋放的汞含量普遍較低。因此將填埋工作面及時(shí)覆膜，可以減少填埋場中氣態(tài)汞的釋放。

表1 厭氧單元排氣筒中氣態(tài)總汞與環(huán)境因子間的相關(guān)性Table 1 Relationships between environmental factors and TGM in the vent pipes of anaerobic unit

**：p<0.01

表2 甲烷抑制排氣筒中氣態(tài)總汞與環(huán)境因子間的相關(guān)性Table 2 Relationships between environmental factors and TGM in the vent pipes of methane suppression unit

**：p<0.01

表3 崇明垃圾填埋場排氣筒中的氣態(tài)總汞濃度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 The statistical results of TGM concentration in the Chongming landfill vent pipes

表4 填埋體內(nèi)部填埋氣中的氣態(tài)總汞濃度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 The statistical results of TGM in the landfill body (ng·m-3)

2.2 填埋場內(nèi)部填埋氣中的氣態(tài)總汞

老港垃圾填埋場厭氧填埋與甲烷抑制填埋單元內(nèi)部氣態(tài)總汞濃度的變化范圍分別為7.76～812.58 ng·m-3，10.89～72.66 ng·m-3。不同測試地點(diǎn)的填埋氣中的汞含量差別很大，總體上，厭氧填埋單元內(nèi)部填埋氣中的汞含量明顯高于甲烷抑制填埋單元，這與排氣筒中汞釋放的規(guī)律一致，表明甲烷抑制填埋工藝可以抑制填埋氣中汞的釋放，因此該工藝對(duì)控制填埋場汞的釋放有重要意義。對(duì)比填埋場內(nèi)部與排氣筒填埋氣中汞的濃度，填埋體內(nèi)部氣態(tài)總汞濃度(厭氧填埋單元：(183.80±290.56) ng·m-3，甲烷抑制填埋單元：(27.98±23.19) ng·m-3)明顯高于排氣筒中的汞濃度(厭氧填埋單元：(8.23±2.23) ng·m-3，甲烷抑制填埋單元：(4.30±3.01) ng·m-3)，主要因?yàn)閮?nèi)部填埋氣擴(kuò)散至排氣筒的過程中，氣態(tài)總汞受填埋場內(nèi)部物理、化學(xué)、生物作用的影響，可以被覆蓋層吸附[15]，通過覆蓋層空隙釋放至大氣，導(dǎo)致最后通過排氣筒釋放的汞濃度低于填埋體內(nèi)部汞濃度。排氣筒與外界大氣相通，外界大氣能夠進(jìn)入排氣筒而稀釋填埋氣，也是導(dǎo)致排氣筒填埋氣中汞含量低于填埋體內(nèi)部汞含量的原因。因此，考慮在填埋過程中添加汞抑制劑，對(duì)排氣筒含汞填埋氣進(jìn)行收集處理，優(yōu)化填埋工藝及填埋氣收集技術(shù)，對(duì)于控制填埋場汞的傳輸和釋放具有重要意義。

崇明垃圾填埋場填埋2年的單元無植被覆蓋區(qū)域與植被覆蓋區(qū)域的內(nèi)部氣態(tài)總汞濃度的變化范圍分別為：0.00～138.00 ng·m-3，2.00～36.00 ng·m-3；填埋0.5年的單元無植被覆蓋區(qū)域與植被覆蓋區(qū)域的內(nèi)部氣態(tài)總汞濃度的變化范圍分別為：0.00～250.00 ng·m-3，2.00～15.00 ng·m-3。植被覆蓋區(qū)域的填埋體內(nèi)部汞釋放量明顯少于裸露區(qū)域，可能由于植被的根系深入覆蓋土，植被可以通過根部吸收部分垃圾釋放的汞，富集在體內(nèi)[16]，因此導(dǎo)致植被覆蓋區(qū)域填埋體內(nèi)部氣態(tài)總汞含量偏低。這與城市生活垃圾填埋場覆土區(qū)氣態(tài)總汞高于植草區(qū)的報(bào)道相一致，表明綠化措施能夠明顯降低汞從垃圾向大氣的散失[6]，因而有效的綠化措施是控制填埋場汞釋放的重要途徑。

崇明垃圾填埋場填埋2年的填埋場內(nèi)部氣態(tài)總汞濃度明顯低于填埋0.5年的氣態(tài)總汞濃度，表明填埋初期垃圾降解速度快，導(dǎo)致氣態(tài)汞大量釋放。填埋2年的填埋場內(nèi)部汞濃度與老港垃圾填埋場填埋2.5年的甲烷抑制單元內(nèi)部汞濃度相當(dāng)，低于厭氧單元內(nèi)部汞濃度，表明不同的垃圾來源、垃圾組成、填埋工藝導(dǎo)致填埋場內(nèi)部汞的釋放存在差異。

通過對(duì)填埋氣中汞的分布特征及釋放規(guī)律的分析研究表明：填埋場排氣筒中氣態(tài)總汞含量有明顯的晝夜變化規(guī)律，白天高于夜間，并在午間達(dá)到峰值，氣象條件中光照強(qiáng)度與氣態(tài)總汞的相關(guān)性最高；厭氧填埋單元填埋氣中的氣態(tài)總汞濃度顯著高于甲烷抑制填埋單元，表明甲烷抑制工藝可以抑制填埋場中氣態(tài)汞的釋放，對(duì)控制填埋場汞的釋放有重要意義；不同的垃圾來源、填埋工藝及填埋年限導(dǎo)致填埋場汞的釋放存在差異;優(yōu)化填埋工藝及填埋氣收集技術(shù)，進(jìn)行有效的綠化等措施，對(duì)于控制填埋場汞的傳輸和釋放具有重要意義。

致謝：感謝中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所馮新斌研究員，李仲根副研究員對(duì)本實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行提供的幫助和支持。

[1] Deng C B, Zhang C L, Li L H, et al. Mercury contamination and its potential health effects in a lead-zinc mining area in the karst region of Guangxi, China [J]. Applied Geochemistry, 2012, 26(2): 154-159

[2] Zhang L, Wong M H. Environmental mercury contamination in China: Sources and impacts [J]. Environment International, 2007, 33(1): 108-121

[3] Driscoll C T, Mason R P, Chan H M, et al. Mercury as a global pollutant: Sources, pathways, and effects [J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(10): 4967-4983

[4] Durnford D, Dastoor A, Figueras-Nieto D, et al. Long range transport of mercury to the Arctic and across Canada [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010, 10, 6063-6086

[5] Xie Z Q, Sander R, P?schl U, et al. Simulation of atmospheric mercury depletion events (AMDEs) during polar springtime using the MECCA box model [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2008, 8, 7165-7180

[6] Li Z G, Feng X B, Li P, et al. Emissions of air-borne mercury from five municipal solid waste landfills in Guiyang and Wuhan, China [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010, 10, 3353-3364

[7] Lindberg S E, Southworth G, Prestbo E M, et al. Gaseous methyl- and inorganic mercury in landfill gas from landfills in Florida, Minnesota, Delaware, and California [J]. Atmospheric Environment, 2005, 39, 249-258

[8] Feng X B, Tang S L, Li Z G, et al. Landfill is an important atmospheric mercury emission source [J]. Chinese Science Bulletin, 2004, 49(19): 2068-2072

[9] 付學(xué)吾, 馮新斌, 張 輝. 貴陽市大氣氣態(tài)總汞: LumexRA-915AM與Tekran2537A的對(duì)比觀測[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2011, 30(5): 939-943

Fu X W, Feng X B, Zhang H. Atmospheric total gaseous mercury concentration in Guiyang: Measurements intercomparison with Lumex RA-915AM and ekran2537A [J]. Chinese Journal of Ecology, 2011, 30(5): 939-943 (in Chinese)

[10] 吳玉勇, 何天容. 微生物對(duì)沉積物汞釋放影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 28(2): 127-129

Wu Y Y, He T R. Impact of releasing mercury from sediments by microbia in Hongfeng reservoir, Guizhou Province, Journal of Guizhou University (Natural Sciences), 2011, 28(2): 127-129 (in Chinese)

[11] Amyot M, McQueen D J, Mierle G, et al. Sunlight-induced formation of dissolved gaseous mercury in lake waters [J]. Environmental Science & Technology, 1994, 28(13): 2366-2371

[12] Mason R P, Morel F M M, Hemond H F. The role of microorganisms in elemental mercury formation in natural waters [J]. Water, and Air Soil Pollution, 1995, 80, 775-787

[13] 李仲根, 馮新斌, 湯順林, 等. 封閉式城市生活垃圾填埋場向大氣釋放汞的途徑[J]. 環(huán)境科學(xué), 2006, 27(1): 19-23

Li Z G, Feng X B, Tang S L, Wang S F. Pathways of mercury emissions to atmosphere from closed municipal landfills [J]. Environmental Science, 2006, 27(1): 19-23 (in Chinese)

[14] Selvendiran P, Driscoll C T, Montesdeoca M R, et al. Inputs, storage, and transport of total and methyl mercury in two temperate forest wetlands [J]. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2008, 113(G00C01): 1-15

[15] 丁振華, 王文華, 湯慶合, 等. 上海老港垃圾填埋場中汞的釋放規(guī)律研究[J]. 地球與環(huán)境, 2005, 33(1): 6-10

Ding Z H, Wang W H, Tang Q H, et al. Release of mercury from Laogang landfill, Shanghai [J]. Earth and Environment, 2005, 33(1): 6-10 (in Chinese)

[16] 李仲根, 馮新斌, 湯順林, 等. 城市生活垃圾填埋場垃圾-土壤-植物中汞含量的分布特征[J]. 地球與環(huán)境, 2006, 34(4): 11-18

Li Z G, Feng X B, Tang S L, et al. Distribution characteristics of mercury in the waste, soil and plant at municipal solid waste landfills [J]. Earth and Environment, 2006, 34(4): 11-18 (in Chinese)

◆

TheCharacteristicsofTotalGaseousMercuryintheMunicipalSolidWasteLandfillGas

Liu Yang, HaoYongxia, Chai Xiaoli*

State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse Research, Tongji University, Shanghai 200092, China

15 May 2014accepted18 June 2014

Total gaseous mercury (TGM) of landfill gas was investigated by Tekran 2537A and Lumex RA-915 mercury analyzers. The results indicated that TGM concentrations in the landfill vent pipes changed greatly with daytime and reached the maximum near midday. The mercury released from the vent pipes was affected by weather conditions and close relationship was found between light intensity and TGM. The TGM concentrations of internal landfill gas was significantly higher than that of the landfill vent pipes due to different physical, chemical and biological condition in the landfill. Lower TGM concentration in vegetation covered landfill suggested that vegetation provide an efficient mercury pollution control technology in landfill.

municipal solid waste landfill; total gaseous mercury; landfill gas; vegetation

國家自然科學(xué)基金(No.51278357)

劉陽(1989-)，女，碩士在讀，研究方向?yàn)楣腆w廢物資源化處理， E-mail: ly2012strive@163.com；

*通訊作者(Corresponding author)，E-mail: xlchai@#edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140515016

2014-05-15錄用日期：2014-06-18

1673-5897(2014)5-950-06

： X171.5

： A

柴曉利(1968—)，男，環(huán)境工程博士，教授，主要研究方向?yàn)楣腆w廢物資源化處理等，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)雜志上發(fā)表論文40余篇，其中SCI收錄20余篇。

劉 陽, 郝永霞, 柴曉利. 生活垃圾填埋場填埋氣中汞的分布特征[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2014, 9(5): 950-955

Liu Y, HaoY X, Chai X L. The characteristics of total gaseous mercury in the municipal solid waste landfill gas [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2014, 9(5): 950-955 (in Chinese)