对于在湿热带气候下Air Hitam填埋场的覆盖土壤中的 甲烷排放和氧化评估外文翻译资料

 2022-12-26 19:09:31

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对于在湿热带气候下Air Hitam填埋场的覆盖土壤中的

甲烷排放和氧化评估

Mohammed F. M. Abushammala bull;
Noor Ezlin Ahmad Basri bull; Rahmah Elfithri

摘要：本文观测马来西亚的Air Hitam卫生填埋场的甲烷排放及氧化，并通过ipcc废物模型估算甲烷排放速率常数k。CH4排放量在多个位置使用静态通量箱进行测量。结合四个监测点的土壤剖面气体浓度以及表面CH4、二氧化碳（CO2）的排放量来估算CH4氧化能力。在本研究中还调查了CH4和CO2排放的时间变化。利用点克里格内插法和反距离权重（IDW）法获得地理空间平均值，同时结合算术、几何平均值估计CH4总排放量。在本研究中，点克里格内插法，IDW和算术平均值的结果几乎相同，是几何平均值的两倍。使用点克里格内插法和IDW方法估算的CH4地理空间平均排放量分别为30.81和30.49g mminus;2 dayminus;1。研究区域的CH4排放总量为53.8kg /天。CH4的平均氧化能力为27.5％。k的估计值为0.138/年。同时必须特别考虑到湿热带气候下CH4的氧化，以促进减少CH4的排放量。

关键词：垃圾填埋场、 甲烷的排放、 二氧化碳的排放、甲烷的氧化、克里格、 IDW

简介

马来西亚高收入地区的城市固体废物（MSW）中，厨余等有机废物占48.32％。其余为23.56％的纸，9.37％的塑料和橡胶，5.93％的金属，4.82％的木材，4.03％的玻璃、陶瓷类制品和3.97％的纺织品（Hassan等人2001; Saeed等人2009）。估计低收入地区（农村地区）会产生更多的有机废物，可回收利用的废物更少。在马来西亚，MSW的处置场所主要是垃圾填埋场。国家住房部和地方政府部门的相关数据显示，2009年马来西亚半岛、以及沙巴州和沙捞越州共有288个垃圾填埋场，其中57％仍在运行，剩下的已经关闭。在厌氧条件下分解诸如厨余废物、庭院废物、纸、木材一类的可生物降解材料，产生占体积比大约50-60％的甲烷（CH4）和占30-40％的二氧化碳（CO2）。在马来西亚，垃圾填埋是CH4的主要排放源（53％），其次为棕榈油（38％），猪粪（6％）和工业排放（3％; Kamarudin 2008;能源，水和通信2004）。CH4是重要的温室气体（GHG）之一，它的全球变暖效应是CO2的25倍（IPCC 2007; Nwachukwu和Anonye 2013），因此会对人类造成健康和环境威胁（Abduli等人2011）。未经预处理或收集的CH4气体直接排放到大气中，会影响生态系统的平衡（Rawat等人2008）。

现场测量表明，CH4排放量数值从0到高达2000克m-2天-1（Abushammala等人2012）。受到填埋土盖内的生物、化学以及物理过程影响，表面填埋气（LFG）的排放量随着空间和时间变化。CH4的平均排放量可能由填埋场覆盖土壤中微生物对CH4的氧化控制。以往的研究结果表明，在填埋覆盖土壤中，CH4的氧化过程对于减少其排放量等方面有一定的效果（Hilger和Humer 2003; Huber-Humer 2004; Huber-Humer等人2008; Stern等人2007）。实验和现场研究表明，CH4的氧化能力范围在0到100％之间（Jugnia等人2008）。

一阶衰减（FOD）模型是广泛应用于估计垃圾填埋场CH4排放量的重要模型之一。它由IPCC（1996,2006）和美国环境保护局（US EPA1998,2005）建立的垃圾填埋气体排放模型（LandGEM）演变为IPCC废物模型。同时，IPCC和美国环保局推荐该模型作为估计垃圾填埋场CH4排放量的标准工具。这个模型需要填埋场有效期内的年平均废物接受率，CH4产生速率常数（k）和CH4产生潜势（Lo）（IPCC，1996）。IPCC（1996）报告说，基于不同的填埋废弃物组成成分，Lo的值在低于100到超过200 m3 t-1之间变化，而k的范围是低于0.005到0.4年-1。

本研究的目的是量化湿热带气候下Air Hitam卫生填埋场CH4的排放和氧化，并描述其排放量的空间和时间变化。同时对IPCC废物模型的参数k进行评估，来进一步确定填埋场的CH4排放总量。在雨季时间段内（2010年10月至12月），使用静态通量箱进行排放量测量。利用总地表面积（以平方米为单位）的地理空间均值（以每克每平方米每天为单位）来估计CH4的总排放量，其误差较小。使用土壤剖面的气体浓度和四个监测点表面的CH4和CO2排放量来评估CH4的平均氧化能力。运用IPCC废物模型来模拟CH4的总排放量和其平均氧化能力，同时估算模型中参数k的值。

材料和方法

地点说明

Air Hitam卫生填埋场位于吉隆坡市西南部，距离市中心约18公里，其地理位置为3°00rsquo;05“N，101°3937”E（图1）。填埋场总面积为42公顷，划分为七个区域，运营期间每天接收约1,636吨生活垃圾。垃圾填埋场于1995年12月开始运营，2006年12月关闭。期间接受的垃圾总量约为6,527,640吨。它是马来西亚LFG可再生能源项目中的第一个垃圾填埋场。

这项研究在填埋场的待用部分（第六阶段;图1）进行测量。该区域的总面积为47500平方米，含有填埋时间为2至7年的废弃物。2003年9月开始接收废弃物，并于2006年1月关闭。其废弃物的平均测量深度约为30米。覆盖物为30-40cm的粗分层的砂土，中间土层是砾石。在该区域中，部分土壤没有植被覆盖物，其他部分的覆盖物是草本类植物。由于气体收集系统未完善，废气通过覆盖土逃逸释放到大气中。

实验设计

为了量化测量区域表面的CH4排放情况，同时考虑到地质统计分析时的空间变异性，用7times;7m的网格来覆盖区域表面一块1,764m 2的正方形土地，来识别关键的测量点。网格中心用木棍作标记，指定采样点位置。

此外，在距离采样位置较近的地方，标记一些额外的采样点，保证样本数量的充足，便于更好的利用半变异函数模型处理数据，同时可以充分考虑到通量的空间变异性（Mulla和McBratney 2002）。 实验共选择了73个测量点（图1）来模拟CH4的空间分布（Abushammala 等人2012，2013）。CH4的排放利用静态通量箱来测量（Abushammala等人2012，2013）。依据马来西亚安邦农业水利部（Jabatan Pengairan dan Saliran）20年来收集的雨量数据（1990-2009），10月、11月和12月为湿润月份。因此，CH4的排放测量在2010年这三个月份进行，可以量化CH4在湿季节的排放情况。8:00至11:00 AM进行数据测量，最大化的减少时间影响。在测量排放物的同时，监测大气压力和空气温度。

随机选择四个监测站（站A，B，C和D）用于研究CH4的氧化能力（图1）。在2010年10月至12月的9:00至11:00 AM之间，每月两次测量这些站表面的CH4和CO2排放量以及土壤内的气体浓度分布（在深度为10,20和30cm处）。将土壤内的气体收集在预先安装好的不锈钢管中（不锈钢管的构造采用Kiese和ButterbachBahl（2002）的设计）。使用10mL气密注射器来进行气体采样分析。实验研究了三种主要的土壤气体浓度：CH4，CO2和O2。为了监测CH4和CO2的排放时间变化，随机选择四个监测站中的两个（站A和C）每月采样一次，在上午（08:00-10:00时），中午（12:00-14:00时）和下午（15:00-17:00时），从2010年10月至12月进行采样。在每个监测站，测量空气温度、土壤 10cm深度处的温度以及排放物和土壤内的气体分布情况。每个监测站的土壤性质测量结果如表1所示。

图1 研究区域的位置如 Air Hitam填埋场的鸟瞰图所示

测量的抽样点和CH4氧化监测站的位置如网格所示

气体浓度分析和排放量的计算

使用Varian Micro-GC（CP-4900）气相色谱仪进行气体分析如Abushammala 等人的描述（2013年）。每个气体样品至少分析两次，结果取平均值（Abushammala 等人2013）。CH4和CO2的排放量F（以每平方米每天克数计）的计算方法如下（等式1; Abichou等人2006）：

F=PVMU(dc/dt)/(ATR) (1)

其中P为压力（1 个标准大气压下），V是腔室容积（80L），M是摩尔质量（CH4和CO2分别为16和44g / mol），U是单位换算系数（0.00144L min /（mu;Ld）），A是被腔室覆盖的面积（0.4m 2），T是腔室温度（开尔文度），R是气体常数（0.08205latm /（K mol）），dc / dt 是气体浓度和经过时间之间的线性回归的斜率（以每分钟每百万分之几每部分为单位）。只有当四个连续的浓度随时间的线性回归系数（R2）大于0.85时记为非零通量；否则，记为零通量。（Abushammala 等人2013）

CH4氧化计算

依据Christophersen等人（2001）所述，利用监测站表面的CH4和CO2排放量，以及覆盖土壤底部的土壤气体浓度（CH4和CO2）来估计覆盖土中的CH4氧化百分比。

地理空间分析

在本研究中，使用Surfer 8软件来分析这73个点的数据，产生该实验的CH4排放变差函数。将已有的线性模型拟合到实验获得的变差函数上，并在不同方向上对函数进行测试。实验获得的CH4排放的变差函数在不同方向上的斜率不同。斜率、各向异性角度和比率通过函数被确定，使用软件的自动调整按钮实现利用最小二乘法来微调模型。如Barnes所述（2012）。

由此，模型的斜率被确定，并将截距y用作熔核值（结合误差方差和微小变量）。利用线性变差函数的模型结构，包括熔核，斜率，各向异性角度和比率，以及点克里格内插法来生成CH4排放的等值线图。使用IDW方法时，利用2的幂，并通过设置各向异性角和比率，使其结果与点克里格内插法的数值相同（Abichou等人2006）。将排放量的测量值拟合在等值线图上，比较模型的测量值和估计值之间的差异。整个区域的CH4排放总量的净体积由正轮廓排放的体积减去负轮廓排放的体积得到。然后利用净排放量除以总面积来计算CH4排放的地理空间平均值。估算排放量的算术和几何平均值，乘以总表面积获得总排放率的估计值。

分析方法

使用Skymaster，SM-28，Speedtech仪器，测量大气压力和空气温度。将两个K线热电偶探针（Monarch Instruments，Amherst，NH，USA）与双通道型K Monarch 306温度计连接，用来测量覆盖土壤10cm深度处的温度。测量进行三次，求取平均值。土壤筛分分析，以及颗粒密度、含水量、堆积密度、pH和有机物质的测量依据Head（1992）所述的相关方法进行。短期内空气和土壤温度对于CH4和CO2排放的相关性强弱，利用斯皮尔曼秩检验进行相关分析。使用SPSS 16.0进行统计分析。

k值的计算

使用IDW方法，从现场数据和CH4平均氧化量（馏分）估计CH4总排放量。然后利用IPCC废物模型（公式2; IPCC 1996）进行建模，从而估计k的值。

Q=[0.717times;10-6times;LOtimes;Wtimes;(e-kc－e-kt）-R]times;(1－OX) (2)

其中Q是CH4总排放量（Gg），0.717times;10-6是转换因子，Lo是CH4的产生潜势（每吨立方米），W是垃圾填埋场使用期内的年平均废物接受量（以吨计），k是CH4<!--

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