城市生活垃圾填埋场向大气释放汞的通量及形态研究——以贵阳市和武汉市为例

摘要

城市生活垃圾填埋场作为大多数国家生活垃圾的主要处理场所，也常常成为一些有毒有害元素的最终归宿地。很多含汞的废弃产品，如荧光灯管、电池、水银温度计、压力计、电开关、恒温器等，在缺乏分类回收的情况下，大多混入城市生活垃圾并最终进入垃圾填埋场。在填埋场这一特殊场合，汞可以通过物理途径、化学途径、生物途径或不同途径的结合而向大气释放，并且还可能在填埋场内形成毒性很高的甲基形态汞而释放到大气中。国外对垃圾的焚烧处理已经造成了严重的大气汞污染，但是目前对垃圾填埋场向大气释放汞的研究在国内外还不多见，我国几乎还是空白。作为城市生活垃圾的生产大国，我国每年的生活垃圾产量超过1.5亿吨，占世界的1/4以上，且近九成是以填埋法进行处理的，因此研究垃圾填埋场这一人为源向大气排放汞的通量和形态、排放汞的特点以及相关的影响因素，必将为认识该释放源对大气汞的贡献以及评估其对生态环境的影响程度提供重要的参考依据，并为制定控制垃圾填埋场汞污染的相关措施提供指导，本文在理论上和现实上都具有重要意义。
　　 2003年10月份到2006年1月份，我们对贵阳市和武汉市的5座城市生活垃圾填埋场进行了野外实地研究。这几个填埋场包括贵阳市的高雁、大转弯、仙人脚，以及武汉市的金口和岱山垃圾填埋场，它们采用不同的垃圾填埋方式(卫生填埋和简易填埋)并处于不同的运行阶段(封闭的和运行中的)。本文从两个方面开展研究：(1)垃圾填埋场通过地表向大气释放汞的通量；(2)垃圾填埋场向大气释放汞的形态。前者利用低汞空白的石英玻璃动力学通量箱法，结合高时间分辨率的大气自动测汞仪(Tekran2537A)，现场对填埋场内不同特征的地表区域(绿化区、覆土地表、裸露生活垃圾、工作面等)进行了测定；后者利用不同的捕集材料(金管、稀HCl溶液和CarbotrapTM捕集管)，对排气筒垃圾填埋气中的不同形态汞(气态总汞、单甲基汞和二甲基汞)进行预富集，并结合气相色谱、冷原子荧光等检测技术进行测定。根据同步测定的相关参数对垃圾填埋场向大气释放汞的过程和影响机制进行了探讨，对垃圾填埋场向大气的排汞量进行了估算。另外对垃圾填埋场周围环境介质中的汞分布特征进行了探讨。通过两年多的野外工作，得到以下主要结论：
　　 (1)垃圾填埋场地表与大气间的汞交换通量主要以向大气的释放为主，少数情况下(如降雨、大气汞浓度较高时)也会出现大气向地表的沉降。地表/大气间的汞交换过程具有明显的日变化特征，一般在白天中午前后达到最高，夜间降至最低，并维持在稳定的水平。汞交换过程主要与光照等气象因子有关，通量强度白天高于夜间、晴天高于阴雨天。另外，通量还与基质中的汞含量密切相关，汞含量越高，排放强度越大，生活垃圾的汞含量一般高于覆盖土壤,因而裸露的生活垃圾或工作面区域汞释放强度明显高于有土壤覆盖的区域。绿化措施(植草和种树)有效的降低了汞的释放。垃圾填埋场地表汞的释放强度暖季节高出冷季节数倍。地表/大气间的汞交换通量特征显示，垃圾填埋场向大气释放汞的主要来源为上层基质，而非填埋场内部，由于覆土隔离层的屏障作用使得填埋场内部的气态汞很难垂直向上迁移和释放。垃圾填埋场的汞释放强度与城市规模以及经济发展水平没有直接相关性。
　　 (2)垃圾填埋场地表/大气间的汞交换通量强度由于以上因素的影响，在不同地表区域以及不同时段内都可能发生很大变化。封闭的垃圾填埋场地表/大气间的汞交换通量最高出现在汞污染的覆土区，其次为未污染的覆土区，最低为绿化区，三种区域平均的汞交换通量分别为112.8～559.1、50.7～53.6、19.7 ngHg m-2 h-1。运行中的垃圾填埋场地表/大气间的汞交换通量最高为裸露垃圾区和工作面，最高达5609.6 ng Hg m-2 h-1，平均为57.5～664.6 ng Hg m-2 h-1；其次为老的覆土区，平均为19.6～192.5 ng Hg m-2 h-1；新盖覆土区最低，平均为-1.4～27.8ng Hg m-2 h-1。垃圾填埋场的工作面具有最大的汞释放潜力，但是因大气汞浓度较高以及波动较大等原因，动力学通量箱法无法真实测定该区域的汞释放强度，运用美国环保局提供的面状复合工业污染源模型(ISCST3)对工作面的汞释放强度估算显示，不同天气状况下的平均释汞因子为0.93 mg Hg t-1垃圾。与全球以及区域背景土壤相比，垃圾填埋场向大气的单位面积释汞强度要高出数倍乃至数千倍。因而城市生活填埋场必将对大气汞环境，特别是局域大气汞环境造成一定影响。
　　 (3)垃圾填埋场排气筒释放的垃圾填埋气中不同形态汞的浓度差别很大。高雁、金口和岱山垃圾填埋场排气筒的气态总汞浓度为2.0～1406.0 ng Hg m-3，3座填埋场平均分别为89.8、24.6和14.2 ng Hg m-3。气态总汞浓度主要与排气筒附近的垃圾汞含量有关，并表现出一定的日变化特征，晴天比较稳定，降雨过程中上升很快，降雨过后又恢复到降雨前的水平。这一有趣现象主要与降雨时雨水置换填埋场内的含汞气体、大气压下降、通过地表释放的通道受阻有关。高雁垃圾填埋场垃圾填埋气中的单甲基汞和二甲基汞平均浓度为1.93 ng Hgm-3和9.21 ng Hg m-3，分别占同期气态总汞的0.51％和1.79％。垃圾填埋气中的甲基形态汞浓度高出背景区域大气3个数量级以上，使得垃圾填埋场成为大气甲基汞已知不多的、重要的释放来源之一。
　　 (4)结合垃圾填埋场不同特征地表的面积以及对应的汞交换通量强度、工作面的垃圾处理量以及汞的释放因子，估算本研究的5座垃圾填埋场每年通过地表向大气的释汞量为17～1111 g Hgyr-1，工作面贡献67％～91％，覆土区较少，绿化区最少。根据垃圾填埋气的产量以及其中不同形态汞的含量，估算高雁、金口和岱山垃圾填埋场每年通过排气筒向大气的排汞量在1～2 g Hgyr-1之间；高雁填埋场通过排气筒每年向大气释放的单甲基汞和二甲基汞为20和90 mgHgyr-1。垃圾填埋场向大气释放汞的通道主要为地表，而排气筒的贡献仅为0.2％左右(地表+排气筒)。对全国垃圾填埋场进行的初步估算显示，2004年我国这一人为源向大气的排汞量约为600 kg Hgyr-1，占我国大气人为汞释放源的1％以下。
　　 (5)垃圾填埋场大气中的不同形态汞浓度明显高于全球背景值，但与区域大气相当或稍高一点，部分区域有轻微污染，总体而言属于“安全”浓度范围。城市生活垃圾中的汞含量分布极不均匀，浓度为0.170～46.222 mg kg-1，几何均值0.574 mg kg-1，个别异常偏高的样品可能是被含汞的废弃产品污染了，大部分垃圾汞含量低于0.5 mg kg-1。不同垃圾填埋场覆盖土壤的汞含量差异显著，反映了填埋场所在区域的土壤背景值以及垃圾填埋活动对覆盖土壤的污染程度，有时覆土的汞含量超过区域土壤背景值的2～23倍。填埋场生长的植物因生活习性的不同汞含量分布特征也不同。高雁垃圾填埋场产生的渗滤液汞含量较低，为79.4 ng l-1，主要因为垃圾汞含量低、渗滤液呈碱性、难溶硫化物的形成以及有机/无机物对汞的吸附等。以高雁垃圾填埋场为例进行的质量平衡计算显示，每年排向渗滤液和大气的汞分别占每年输入填埋场总量的0.004％和0.3％，其余超过99％的汞仍然保留在垃圾填埋场的固体废物中，这一特点使得垃圾填埋场向大气的排汞量远低于垃圾焚烧法，后者由于高温作用使得垃圾中的汞几乎全部挥发进入大气。
　　 (6)减少垃圾填埋场汞污染的措施包括：从源头上杜绝含汞的进入，如减少含汞产品的生产和使用，对含汞废弃产品进行专门的收集和处理；垃圾填埋以后及时进行覆土和绿化，特别是在工作面，应争取做到每日覆土;垃圾填埋场产生的气体应收集和处理，将其进行焚烧(沼气发电)可以分解其中的甲基形态汞，降低其毒性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：英文缩写及含义

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1汞是一种全球性污染物

1.1.2城市生活垃圾及其中的汞输入

1.2本文的研究意义

1.3垃圾填埋场向大气释放汞的国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

1.3.2国内研究现状

1.4本文的研究内容与方法

第二章垃圾填埋场概况及样点选择

2.1垃圾填埋场的选择

2.2垃圾填埋场的概况

2.3野外工作内容

第三章样品采集与分析方法

3.1地表-大气间的汞交换通量

3.2垃圾填埋气中的不同形态汞

3.3垃圾填埋场大气中的不同形态汞

3.4垃圾和土壤

3.5植物

3.6垃圾渗滤液

3.7气象参数

第四章垃圾填埋场不同环境体系中的汞含量分布特征

4.1垃圾填埋场大气中的不同形态汞

4.1.1气态总汞

4.1.2活性气态汞和颗粒态总汞

4.1.3单甲基汞和二甲基汞

4.2垃圾-土壤-植物体系中的汞分布

4.2.1城市生活垃圾中的汞

4.2.2覆盖土壤中的汞

4.2.3植物中的汞

4.3垃圾渗滤液中的汞

4.3.1渗滤液处理流程

4.3.2渗滤液中的汞

本章小结

第五章垃圾填埋场地表-大气间的汞交换通量

5.1封闭垃圾填埋场地表-大气间的汞交换通量

5.1.1大转弯垃圾填埋场

5.1.2仙人脚垃圾填埋场

5.2运行中的垃圾填埋场地表-大气间的汞交换通量

5.2.1高雁垃圾填埋场

5.2.2金口垃圾填埋场

5.2.3岱山垃圾填埋场

5.3地表-大气间的汞交换通量影响因素

5.3.1基质汞含量

5.3.2气象因素

5.3.3大气汞浓度

5.3.4土壤湿度

5.3.5覆土措施

5.3.6绿化

5.4垃圾填埋场通过地表向大气释放汞的估算

5.4.1工作面向大气释放汞的估算

5.4.2填埋场地表向大气释放汞的估算

本章小结

第六章垃圾填埋场向大气释放汞的形态

6.1气态总汞

6.2单甲基汞

6.3二甲基汞

6.4排气筒垃圾填埋气向大气释放汞的估算

6.4.1垃圾填埋气的产量

6.4.2垃圾填埋气向大气释放汞的估算

本章小结

第七章我国垃圾填埋场向大气释放汞的初步估算

7.1我国垃圾填埋场向大气释放汞的估算

7.2垃圾填埋场对我国大气汞的贡献

7.3垃圾填埋场汞的质量平衡计算

第八章结论

8.1主要结论

8.2本文的特色与创新

8.3研究不足与工作展望

8.4减少垃圾填埋场汞污染的一些建议

参考文献

个人简历

致谢