生活垃圾填埋场填埋气中汞的分布特征

刘阳，郝永霞，柴晓利

同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092

生活垃圾填埋场填埋气中汞的分布特征

刘阳，郝永霞，柴晓利*

同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092

利用Tekran 2537A和Lumex RA-915汞分析仪分别对生活垃圾填埋场排气筒、填埋场内部的气态总汞变化规律进行了分析，结果表明，填埋场排气筒中气态总汞含量呈现明显的昼夜变化规律，白天高于夜间，并于午间达到峰值。气象条件对汞的释放过程有重要影响，光照强度与排气筒中气态总汞含量的相关性明显。受填埋场内部物理、化学、生物作用的影响，填埋场内部填埋气的汞浓度明显高于排气筒中填埋气的汞浓度。填埋场内部气态总汞变化规律为：植被覆盖区域明显低于无植被覆盖区域，表明有效的绿化措施对于控制填埋场汞污染具有重要意义。

生活垃圾填埋场；气态总汞；填埋气；植被

汞(Hg)的生态毒性与生物可积累性，对环境和人类健康造成严重的威胁[1-3]。气态汞具有大气停留时间长、可远距离传输的特性，导致其环境危害性更大[4-5]。我国传统的垃圾混合收集方式使得大量含汞物质如电池、温度计、压力表、荧光灯管等进入垃圾填埋场，随着垃圾的降解，积累在填埋场内的汞在生物、非生物的作用下逐渐转化为挥发性的单质汞，并通过排气筒和覆盖层空隙随填埋气体迁移出体外，对环境造成极大危害，生活垃圾填埋场已成为大气的潜在汞释放源之一[6-8]，如何有效的控制填埋场中汞的释放成为当前国内外学者的研究热点。

本文通过对填埋气中汞的分布特征及释放规律的分析研究，揭示不同填埋工艺、不同填埋年限条件下填埋气中汞的分布特征；阐明在填埋场这一独特的环境条件下，气象条件对汞释放规律的影响；初步探讨定向调节和抑制填埋场中汞的传输和释放途径。为此，分别于2011年12月、2013年9月，对上海市的老港生活垃圾填埋场、崇明生活垃圾填埋场进行了气态总汞采样分析工作，分析了垃圾填埋场排气筒与填埋体内部气态总汞含量的变化规律，以期了解我国城市生活垃圾填埋场气态汞的污染状况，为有效控制填埋场汞污染提供理论依据。

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

1.1 采样地点

上海市老港生活垃圾填埋场是目前国内最大的滩涂型城市生活垃圾填埋场，位于上海市浦东新区境内，选取老港生活垃圾填埋场的甲烷减排技术示范工程原址开展实验。甲烷减排技术示范工程的厌氧单元与甲烷抑制单元位于老港垃圾填埋场42#填埋单元，每个单元的库容为5 000 m3。甲烷抑制单元作业期间每日依次进行垃圾填埋、矿化垃圾铺撒、抑制剂的喷洒和垃圾填埋的工作，直至填埋高度达到7 m，该示范工程于2009年7月竣工。

崇明生活垃圾填埋场地处堡镇港北闸东侧，占地面积约203，333 m2，2006年投入运行，日处理垃圾量300～600 t。选取崇明生活垃圾填埋场一期现场进行气态总汞的测定。

1.2 样品采集与分析

老港生活垃圾填埋场排气筒中的气态总汞采用Tekran 2537A自动测汞仪(加拿大产)测定，设定流速为0.5 L·min-1。填埋气通过聚四氟乙烯管连接经过缓冲瓶、干燥管，进行测定。为防止大气稀释作用，将聚四氟乙烯管伸入排气筒地面以下0.5 m。此外，采用HOBO U-30 (Onset Corp., USA)微型气象工作站同步采集大气温度、光照强度、风速和大气相对湿度等气象参数，采样间隔为5 min。

崇明生活垃圾填埋场一期的气态总汞及老港垃圾填埋场填埋单元内部气态总汞含量采用Lumex RA-915(俄罗斯产)连接聚四氟乙烯管进行测定。填埋场内部采用钻杆打孔(深度为0.8 m)，放入气体收集管密闭30 min后测定(以老港垃圾填埋场厌氧单元为例，崇明生活垃圾填埋场打孔深度略大于1.0 m) (图1)。Tekran 2537A和Lumex RA-915虽然采用不同的方法原理，但其测量结果具有很好的一致性，均能准确测定气态总汞含量[9]，因此两种仪器的测定结果具有可对比性。采用SPSS对Tekran2537A和Lumex RA-915汞分析仪的所测数据进行相关性分析。

2 结果与讨论(Results and Discussion)

2.1 排气筒填埋气中的气态总汞

厌氧填埋单元白天(6:30-17:00)与夜间(17:00-6:30)排气筒中气态总汞浓度分别为：(10.09±2.34) ng·m-3，(6.98±0.86) ng·m-3；甲烷抑制填埋单元白天与夜间排气筒中气态总汞浓度分别为：(6.61±3.05) ng·m-3，(2.51±1.22) ng·m-3。由此可以看出，厌氧填埋单元排气筒中的气态总汞浓度显著高于甲烷抑制填埋单元(p<0.01)，且夜间的浓度差异更加明显，表明填埋2.5年后，厌氧填埋单元更有利于汞的释放，这与厌氧环境下沉积物中汞的释放量大于好氧环境的结论一致[10]。在有氧条件下，Hg2+主要经光化学反应还原[11]，而在厌氧环境下Hg2+的还原主要由微生物驱动[12]。由于厌氧填埋工艺中的厌氧环境为还原细菌提供了有利的生存环境，促进了Hg2+的还原，增加了Hg0的产生量，而甲烷抑制填埋工艺促使填埋场内部形成准好氧环境，不利于汞的释放，因而厌氧填埋单元排气筒中的气态总汞浓度显著高于甲烷抑制填埋单元。

填埋场排气筒中气态总汞的释放呈现明显的昼夜变化规律(图2)，气态总汞浓度从8:00开始升高，午间达到峰值，之后开始下降，于夜间降至最低水平，这一过程与气象条件如光照强度、气温等的变化过程极为相似；夜间气态总汞浓度相对稳定，变化幅度较小。厌氧填埋单元排气筒中气态总汞的浓度范围为2.88～13.33 ng·m-3，甲烷抑制填埋单元排气筒中气态总汞的浓度范围为0.00～11.57 ng·m-3，最高值达全球气态总汞背景值1.5～2.0 ng·m-3的6倍。

将排气筒中气态总汞浓度和同步观测的环境参数进行相关性分析发现，气象条件对排气筒中汞的释放过程有重要影响，两个填埋单元排气筒的气态总汞浓度与光照强度、大气温度、风速呈显著正相关关系，与相对湿度呈显著负相关关系(表1，表2)。光照强度升高，温度升高，一方面使得微生物的活性增强，加快了垃圾的降解速率，从而促进了汞的释放[13]；另一方面温度的升高使得填埋体内部填埋气的压力及其扩散速率增大，从而加速了填埋气中汞的释放。气态总汞含量与大气相对湿度的负相关关系主要由于大气相对湿度越高，汞越易与水汽结合，导致大气汞沉降现象增强[14]；而与风速的正相关关系是因为较高的风速使外界压力降低，增大了填埋体内外压差，从而促进了填埋气中汞的释放。

图1 厌氧单元填埋体内部填埋气的采样方法Fig. 1 Sampling method of landfill gas in the internal landfill of anaerobic unit

图2 厌氧单元与甲烷抑制单元排气筒中气态总汞的昼夜变化Fig. 2 Diurnal variation of TGM concentrations in the vent pipes of anaerobic unit and methane suppression unit

厌氧填埋单元与甲烷抑制填埋单元中各气象条件与气态总汞浓度的相关系数见表1与表2。两种填埋单元的排气筒中气态总汞浓度与光照强度的相关系数最高，表明光照强度对排气筒中汞释放过程的影响最大。甲烷抑制填埋单元中气态总汞浓度与相对湿度的相关系数远低于厌氧填埋单元，这是由于甲烷抑制填埋单元构造中排气筒与渗滤液收集管相连通并安装有风帽，可以促进填埋体内部和外界的气体流动，使内外湿度差异减小，从而导致相对湿度的变化对填埋气释放的影响减弱。

崇明垃圾填埋场已覆膜工作单元排气筒释放的汞浓度略低于填埋两年的单元，可能由于在填埋过程中膜的覆盖抑制了汞的大量释放，气态总汞的生成及经排气筒的释放也需要一定时间；也可能由于崇明垃圾填埋场含汞垃圾所占比例小，导致填埋过程中排气筒释放的汞含量普遍较低。因此将填埋工作面及时覆膜，可以减少填埋场中气态汞的释放。

表1 厌氧单元排气筒中气态总汞与环境因子间的相关性Table 1 Relationships between environmental factors and TGM in the vent pipes of anaerobic unit

**：p<0.01

表2 甲烷抑制排气筒中气态总汞与环境因子间的相关性Table 2 Relationships between environmental factors and TGM in the vent pipes of methane suppression unit

**：p<0.01

表3 崇明垃圾填埋场排气筒中的气态总汞浓度的统计结果Table 3 The statistical results of TGM concentration in the Chongming landfill vent pipes

表4 填埋体内部填埋气中的气态总汞浓度的统计结果Table 4 The statistical results of TGM in the landfill body (ng·m-3)

2.2 填埋场内部填埋气中的气态总汞

老港垃圾填埋场厌氧填埋与甲烷抑制填埋单元内部气态总汞浓度的变化范围分别为7.76～812.58 ng·m-3，10.89～72.66 ng·m-3。不同测试地点的填埋气中的汞含量差别很大，总体上，厌氧填埋单元内部填埋气中的汞含量明显高于甲烷抑制填埋单元，这与排气筒中汞释放的规律一致，表明甲烷抑制填埋工艺可以抑制填埋气中汞的释放，因此该工艺对控制填埋场汞的释放有重要意义。对比填埋场内部与排气筒填埋气中汞的浓度，填埋体内部气态总汞浓度(厌氧填埋单元：(183.80±290.56) ng·m-3，甲烷抑制填埋单元：(27.98±23.19) ng·m-3)明显高于排气筒中的汞浓度(厌氧填埋单元：(8.23±2.23) ng·m-3，甲烷抑制填埋单元：(4.30±3.01) ng·m-3)，主要因为内部填埋气扩散至排气筒的过程中，气态总汞受填埋场内部物理、化学、生物作用的影响，可以被覆盖层吸附[15]，通过覆盖层空隙释放至大气，导致最后通过排气筒释放的汞浓度低于填埋体内部汞浓度。排气筒与外界大气相通，外界大气能够进入排气筒而稀释填埋气，也是导致排气筒填埋气中汞含量低于填埋体内部汞含量的原因。因此，考虑在填埋过程中添加汞抑制剂，对排气筒含汞填埋气进行收集处理，优化填埋工艺及填埋气收集技术，对于控制填埋场汞的传输和释放具有重要意义。

崇明垃圾填埋场填埋2年的单元无植被覆盖区域与植被覆盖区域的内部气态总汞浓度的变化范围分别为：0.00～138.00 ng·m-3，2.00～36.00 ng·m-3；填埋0.5年的单元无植被覆盖区域与植被覆盖区域的内部气态总汞浓度的变化范围分别为：0.00～250.00 ng·m-3，2.00～15.00 ng·m-3。植被覆盖区域的填埋体内部汞释放量明显少于裸露区域，可能由于植被的根系深入覆盖土，植被可以通过根部吸收部分垃圾释放的汞，富集在体内[16]，因此导致植被覆盖区域填埋体内部气态总汞含量偏低。这与城市生活垃圾填埋场覆土区气态总汞高于植草区的报道相一致，表明绿化措施能够明显降低汞从垃圾向大气的散失[6]，因而有效的绿化措施是控制填埋场汞释放的重要途径。

崇明垃圾填埋场填埋2年的填埋场内部气态总汞浓度明显低于填埋0.5年的气态总汞浓度，表明填埋初期垃圾降解速度快，导致气态汞大量释放。填埋2年的填埋场内部汞浓度与老港垃圾填埋场填埋2.5年的甲烷抑制单元内部汞浓度相当，低于厌氧单元内部汞浓度，表明不同的垃圾来源、垃圾组成、填埋工艺导致填埋场内部汞的释放存在差异。

通过对填埋气中汞的分布特征及释放规律的分析研究表明：填埋场排气筒中气态总汞含量有明显的昼夜变化规律，白天高于夜间，并在午间达到峰值，气象条件中光照强度与气态总汞的相关性最高；厌氧填埋单元填埋气中的气态总汞浓度显著高于甲烷抑制填埋单元，表明甲烷抑制工艺可以抑制填埋场中气态汞的释放，对控制填埋场汞的释放有重要意义；不同的垃圾来源、填埋工艺及填埋年限导致填埋场汞的释放存在差异;优化填埋工艺及填埋气收集技术，进行有效的绿化等措施，对于控制填埋场汞的传输和释放具有重要意义。

致谢：感谢中国科学院地球化学研究所冯新斌研究员，李仲根副研究员对本实验的顺利进行提供的帮助和支持。

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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

国家自然科学基金(No.51278357)

刘阳(1989-)，女，硕士在读，研究方向为固体废物资源化处理， E-mail: ly2012strive@163.com；

*通讯作者(Corresponding author)，E-mail: xlchai@tongji.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140515016

2014-05-15录用日期：2014-06-18

1673-5897(2014)5-950-06

： X171.5

： A

柴晓利(1968—)，男，环境工程博士，教授，主要研究方向为固体废物资源化处理等，在国内外学术杂志上发表论文40余篇，其中SCI收录20余篇。

刘 阳, 郝永霞, 柴晓利. 生活垃圾填埋场填埋气中汞的分布特征[J]. 生态毒理学报，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)