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垃圾填埋场是一个巨大的碳库和氮库。富含有机物质的填埋垃圾,相对统一的降解过程,较为集中的管理方式,使得填埋场成为的温室气体的重要排放源。在能源危机和气候变化双重压力下,关于垃圾填埋场填埋气估算、回收利用以及温室气体减排已有较多研究报道,但对温室气体产生、排放及其影响因素的研究却较少。因此,对不同填埋龄垃圾温室气体排放规律及填埋气产生速率重要影响因素的深入认识,不仅可以为填埋场气体产生速率模型参数的筛选和完善提供科学依据,为填埋场温室气体资源化利用提供基础数据,同时可以为填埋场减排提供新思路。 本研究于2012年10月采集南京轿子山有机垃圾处理场填埋龄分别为1.5年、6年和12年的垃圾样品以及12年垃圾封存区域的覆盖层土壤,利用柱子填埋模拟实验和室内培养实验,结合微生物分子生物学等技术,研究了温度、填埋龄、微生物对垃圾甲烷产生速率的影响,比较了12年矿化垃圾和覆层土壤甲烷氧化能力。获得的初步结果如下: (1)1.5年、6年和12年垃圾每年的温室气体排放量分别为222831 kg CO2-eqha-1、181815 kg CO2-eq ha-1和74904 kg CO2-eq ha-1。随着填埋龄的增加,垃圾综合增温潜势呈现递减的趋势。与典型农田生态系统相比,不同填埋龄垃圾的综合增温潜势要高出11~33倍,因此垃圾填埋场是潜在的温室气体巨大排放源。在垃圾填埋场,CH4对全球增温潜势的贡献较低,CO2对全球增温潜势的贡献随填埋龄增加而降低,N2O则呈现相反的趋势。 (2)室内培养实验表明,不同填埋龄垃圾产甲烷速率均与温度显著正相关,且表现为:1.5年>6年>12年;南京轿子山填埋场1.5~6年填埋龄垃圾依然具有较高的产甲烷速率,在相同管理措施下,是填埋气资源化利用和温室气体控制的优先考虑区域。 (3)不同填埋龄垃圾产甲烷速率的差异主要由可溶性有机碳和产甲烷菌数量控制差异引起,温度对二者发挥作用起着重要的调控作用。当温度<35℃时,1.5和6年龄垃圾中产甲烷优势菌以氢型菌为主,而12年垃圾和覆盖土壤则以乙酸型和氢型菌为主。当温度≥35℃时,产甲烷优势菌以兼性菌为主。很明显,温度不仅改变产甲烷菌群落结构,也改变了甲烷产生途径。故宜在产甲烷速率模型中考虑温度对产甲烷菌和产甲烷途径的影响。结合室内培养实验,我们可以更好地理解模拟实验所观察的现象,即填埋气的产生分阶段受多因素控制,在垃圾降解前期,底物充足,填埋气产生速率受外界温度变化影响较大,到了降解后期,因受底物限制,产气速率随外界环境要素影响减小大。 (4)渗滤液中碳氮营养元素含量较高,管理不当会成为填埋场另一个潜在的温室气体排放源,因此,需要加强渗滤液管理。 (5)水分和土壤质地对覆层材料甲烷氧化速率有重要影响,60%WHC是受试矿化垃圾和覆层土壤甲烷氧化的最适宜水分含量,土壤质地中>50μm颗粒含量越高,对水分变化的响应较小,越有利于甲烷氧化。矿化垃圾因富含无机氮,可能会导致N2O排放,但是其很强的氧化甲烷能力相比,是比较较少的,不影响其作为有效覆盖材料来氧化垃圾内源甲烷,从而可以有效地减少甲烷排放进入大气。因此在填埋场工程建设中,应考虑利用矿化垃圾和粘壤土按深度和比例混合作为生物覆盖层材料促进甲烷氧化。