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人类活动排放的温室气体所导致的全球变暖已成为世界瞩目的重大环境问题之一。在温室气体中，CO2，CH4和CFCs构成了最主要的附加温室效应[1]。CO2的附加温室效应最大，但在全球变暖中的贡献率逐渐降低；CFCs的贡献率虽然较高，但《蒙特利尔议定书》要求在2000年以前全球禁止生产CFCs，其附加温室效应也将逐渐减弱[2-3]。研究结果显示，CH4在近200年内呈加速上升态势，若没有温室气体减排措施，预计2030年大气中CH4将达2.34μL•L-1，可能成为温室效应的主要因素。由于CH4的温室效应为CO2的21倍，故CH4的减排对于控制其温室效应具有更显著的效果[4-5]。
人类活动中的CH4释放源主要包括：水稻田[6]、反刍动物[7]、垃圾堆填[8]、煤炭开采[9]、石油与天然气工业等[10-11]，其中垃圾填埋场是重要的CH4释放源之一[12]。2007年我国城市生活垃圾清运量约为1.52×108t，且90%以上采用卫生填埋方式进行处置。其中，我国的垃圾填埋场绝大多数都采用甲烷产生率较高的厌氧填埋工艺，稳定态填埋气中CH4含量约占45%～60%[13]。
随着人们对于填埋场CH4气体引起温室效应的重视，研究者开展了大量关于温室气体CH4减排的研究。本文从垃圾填埋场CH4减排技术和覆盖层CH4氧化行为等方面对国内外研究现状进行总结，为全面认识垃圾填埋场的CH4减排提供参考。
1填埋场CH4的产生
对于垃圾填埋场系统，其输入为填埋垃圾和水分，输出则为渗滤液和填埋气，二者的产生均是填埋场内物理、化学和生物过程共同作用的结果[14]。
填埋气是一种混合气体，其组成包括CH4，CO2，O2，N2，H2和多种痕量气体，主要成分则是CH4和CO2等重要的温室气体[15]，其中稳定态填埋气中CH4含量约占一半。
产甲烷菌对于垃圾填埋场中CH4气体的产生起主要作用。目前发现的产甲烷细菌包含5个目、11个科、25个属和70多个种[16-17]。产甲烷菌属于厌氧菌，适宜于中性或微碱性环境，所能利用的营养物质很狭窄，主要包括H2、CO2、醋酸盐、甲酸盐和甲基化合物（甲醇、甲胺以及二甲基硫）等小分子物质[18]。
影响垃圾填埋气产生的因素主要包括：垃圾特性、含水率、温度和pH值等方面。（1）垃圾特性。垃圾中可降解有机物的含量及其纤维素、蛋白质和脂肪的构成比例，对填埋气的产生起着决定性作用；（2）含水率。含水率是决定垃圾降解过程中填埋气产生量的主要因素，垃圾填埋体中水分的运动有助于营养物质和微生物的转移，同时有助于有机物的水解及微生物的吸收利用[19-20]；（3）温度。温度决定了填埋场内微生物群落的空间分布和填埋气的产气速率。多数产甲烷菌是中温菌，生长适宜温度为15～45℃[21]，40℃时垃圾的降解速度最快[22]。同时，垃圾填埋深度、垃圾密度、环境温度和微生物活性等因素均会影响垃圾的填埋温度[23]；（4）pH值。pH值通过影响微生物活性来决定垃圾降解速度，多数产甲烷菌是中性菌，填埋气产生的最佳pH范围为6.5～7.5[24-25]，过酸或过碱都会抑制填埋气的产生[26-28]。
由于填埋方式、气候条件和试验条件等因素的不同，研究者对于垃圾填埋场CH4释放通量和产生量的研究结果存在较大的差异。表1和表2分别为文献报道的生活垃圾的CH4产生量和垃圾填埋场的CH4释放通量。
由表1和表2可知，生活垃圾的CH4产生量在0～3.81m3•kg-1之间，其大小与垃圾的组成和填埋工艺相关；而垃圾填埋场的CH4释放通量在-0.006～1000g•m-2•d-1之间，其大小与填埋工艺、填埋时间和填埋厚度等因素有关。2.1甲烷原位减排技术
填埋层CH4原位减排技术可分为可持续填埋[42]、好氧填埋[43]和准好氧填埋[44]等。可持续填埋对垃圾进行好氧预处理，使其稳定化进程加快，通过新旧填埋场的交替使用以减少CH4的释放。好氧填埋通过间歇式强制通风，加速填埋垃圾的稳定化，同时抑制CH4产生。准好氧填埋则利用填埋层内外的温度差和渗滤液收集管道的不满流设计，使空气自然通入，保证导气管周围形成好氧区域，而远离导气管则处于厌氧状态。研究表明，准好氧填埋可以有效降低70%～90%的CH4气体排放[45-46]，且投资和运行成本相对较低，是一种适合我国大量中小型填埋场CH4减排的填埋技术。
2.2资源化利用技术
CH4资源化利用技术则包括：（1）收集填埋气用于供热或并网发电；（2）作为管道气；（3）作为动力燃料[47-48]。由于CH4回收利用装置价格昂贵，且一般在>100×104t的填埋场才有经济可行性[49]，故CH4回收利用技术不适合我国现阶段国情和垃圾填埋场普遍较小的现状。目前，我国仅有6.7%的填埋场具有填埋气回收利用装置[50]，CH4气体的回收利用率仅为40%～60%[51-53]。
2.3末端控制技术
CH4末端控制技术包括：（1）火炬燃烧[54]；（2）覆盖层CH4氧化[55]。研究表明，火炬燃烧受到填埋气中CH4浓度的影响，而利用覆盖层氧化CH4被填埋场广泛采用，但其CH4减排的效果受到环境条件等诸多因素的影响。
3填埋场甲烷氧化研究现状
3.1甲烷氧化菌及单加氧酶
甲烷氧化菌是甲基氧化菌的一个分支，利用甲烷作为唯一的碳源和能源。甲烷氧化菌可以分为甲基单胞菌属（Methylomonas）、甲基细菌属（Methylobacter）、甲基球菌属（Methylococcus）、甲基孢囊菌属（Methylocytis）、甲基弯曲菌（Methylosinus）、甲基微菌属（Methylomicrobium）、Methylocaldum、Methylosphaera等[56]。根据形态、结构和生理特征的差异可将甲烷氧化菌分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型甲烷氧化菌包括Methylomonas、Methylobacter、Methylococcus、Methylomicrobium、Methylocadum和Methylosphaera等6个属。Ⅱ型甲烷氧化菌则包括Methylosinus和Methylocystis。
甲烷氧化菌种存在2种甲烷单加氧酶（Methane Mono oxygenase，MMO），分别为可溶性甲烷单加氧酶和颗粒性甲烷单加氧酶[56-59]。甲烷氧化菌利用甲烷单加氧酶（MMO）催化氧化甲烷为甲醇，甲醇进一步在甲醇脱氢酶（Methanol Dehydrogenase，MDH）的作用下氧化成甲醛，甲醛又在甲醛脱氢酶（Formaldehyde Dehydrogenase，FADH）的作用下氧化成甲酸，甲酸最终在甲酸脱氢酶（Formate Dehydrogenase，FDH）作用下氧化为CO2，即甲醇→甲醛→甲酸盐→CO2。同时，甲烷氧化菌利用上述逐级氧化过程获得生长所需的能量[56-57，59-60]。
3.2填埋场覆盖层的甲烷氧化
通过在填埋场覆盖层中营造适宜甲烷氧化菌生长的条件，充分利用其中甲烷氧化菌的甲烷氧化能力最大限度的减少甲烷排放一直是研究的热点之一[61]。填埋场覆盖层的物化性质如温度、含水率、有机质含量、孔隙率和n（CH4）/n（O2）等都会影响其甲烷氧化能力[62]，是填埋场覆盖层甲烷氧化能力研究和调控的主要参数。
3.2.1温度
温度的影响使填埋场覆盖层甲烷氧化菌的甲烷氧化能力表现出季节性变化，温暖的气候有利于提高覆盖层的氧化甲烷能力[63]。Börjesson和Svensson[38]认为温度是影响甲烷氧化的主要控制因素，Dasselaar等[64]的研究则显示，5～10℃时温度是CH4氧化的重要控制因素；10～20℃时温度的重要性显著降低。Boeckx等[12]研究指出，甲烷氧化菌的最适宜温度在20～30℃之间，Charlotte和Peter[65]则认为甲烷氧化菌的最适宜温度约为30℃。Börjesson等[66]的研究表明，20℃时甲烷氧化菌的最大甲烷氧化速率为1.57µmol•kg-1•s-1，而Mor等[67]在研究堆肥甲烷氧化速率时发现，22℃和30℃条件下甲烷氧化菌的最大氧化速率分别为1.68和1.65µmol•kg-1•s-1；当温度低于7℃时，最大甲烷氧化速率仅有0.15µmol•kg-1•s-1。但是，Einola等[68]的研究发现，即使在温度低于10℃甚至接近0℃条件下，填埋场覆盖层中微生物也具有一定的甲烷氧化能力。同时，Christophersen等[69]和丁维新等[70-71]也指出，温度对于甲烷氧化能力的影响受到填埋场所处气候带限制，不同气候带之间甲烷氧化菌的最低、最高和最适宜温度存在差异。
3.2.2含水率
含水率对于填埋场覆盖层甲烷氧化起着很重要的作用。Boeckx等[12]的研究表明，含水率对甲烷氧化行为的影响比温度更大。含水率过高，扩散进入覆盖层的O2较少，对于甲烷氧化菌氧化甲烷不利；含水率过低，则甲烷氧化菌的活性较低，其甲烷氧化性能显著降低[70-71]。Einola等[68]研究发现，含水率极低的土壤在1～19℃范围内不发生甲烷氧化作用；当含水率在适宜范围内，随着含水率的增加，温度对甲烷氧化的影响将逐渐降低。
填埋场覆盖层的甲烷氧化作用存在最佳含水率，在该含水率条件下气体易于扩散，微生物活性较高，可以达到甲烷的最大氧化速率，且以最佳含水率为中心，甲烷氧化速率向两侧均逐渐降低。填埋场覆盖层的最佳含水率随土壤类型、有机质含量和温度等因素的不同而存在一定的差异。Czepiel等[72]（1996）指出最佳含水率范围在15.6%～18.8%之间，而Charlotte和Peter[65]的研究则表明，填埋场覆盖层甲烷氧化的最佳含水率在25%左右，此时微生物保持较高的活性，且覆盖层的气体扩散性能较好。当含水率跌至13%以下时，嗜甲烷微生物将失去活性。何品晶等[73]研究认为，甲烷氧化的最适含水率在15%左右，当含水率低于5%时，氧化速率接近于零。费平安等[74]在研究土壤甲烷氧化实验研究中发现，含水率低于8%时，未监测到甲烷氧化行为发生。由此可知，填埋场覆盖层的甲烷氧化作用的最佳含水率范围在15%～25%之间。
3.2.3有机质含量
填埋场覆盖层中有机质的含量越高，其甲烷氧化速率也显著提高[74]，Scheutz等[40]的研究也发现土壤有机质含量与甲烷氧化菌的活性呈正相关关系，富含有机质的覆盖层为甲烷氧化菌提供充足的营养物质，其微生物的数量和活性显著增加。在适宜的环境条件下，高有机质含量的覆盖层甚至可以氧化填埋场周边大气中的甲烷[75]。在土壤介质中接种堆肥等高有机质含量的物质可以使覆盖层的甲烷氧化能力提高2～3倍，但堆肥等富含有机质物质的支撑作用较弱，易于被压实，从而影响氧气在覆盖层中的扩散，不利于覆盖层的甲烷氧化[38，61，69]。
3.2.4孔隙度
填埋场覆盖层的孔隙度直接影响着氧气的扩散，甲烷氧化细菌是专性好氧细菌，氧气的含量对甲烷氧化影响很大[76]。研究表明，覆盖层的甲烷氧化能力与材料的粒径大小之间存在正相关性关系，高孔隙度的覆盖层使得甲烷和氧气在覆盖层中保持较长的接触时间，从而显著提高了覆盖层的甲烷氧化速率[77]。
3.2.5植被
填埋场覆盖层植被可以提高其甲烷氧化效率。植被可以通过影响覆盖层的特性（如pH值，含水率和有机质含量等），进而影响覆盖层的甲烷氧化能力。此外，有研究指出覆盖层植被的根部有利于形成气体传输的通道，形成适合于甲烷氧化菌生长的环境，进而提高其甲烷氧化能力[62，78-79]。
3.2.6pH值
Charlotte和Peter[65]通过研究提出了最适宜pH范围在6.5～7.5，最佳pH为6.9；而王云龙等[60]则认为甲烷氧化菌的最适宜pH值范围在6.16～6.18。由此可知，甲烷氧化菌氧化甲烷的最适宜pH为7左右的中性环境。
3.2.7CH4/O2比
填埋场覆盖层内甲烷和氧气的分布受下层甲烷的产生和上层氧气扩散的共同影响。Bogner等[80]研究指出，覆盖层内甲烷氧化速率最大的深度在25cm左右，而Berger等开展的中试研究则表明，降水前最大甲烷氧化速率发生在约30cm处；降水后覆盖层的甲烷氧化能力下降，且发生最大甲烷氧化速率的位置上移[81]。何品晶等[73，82]在进行覆盖层甲烷氧化模拟研究后发现，实验室条件下覆盖层甲烷的最佳氧化深度为10～20cm之间。大量研究结果表明，填埋场覆盖层的甲烷氧化行为主要发生深度为0～30cm的区域，该区域中含水量、CH4/O2比等环境条件适宜甲烷氧化细菌的生长，甲烷氧化菌的数量最多，活性最强，且甲烷氧化速率最大[75]。
3.2.8无机氮
无机氮含量对填埋场覆盖层甲烷氧化的影响相对复杂，可能存在正面或负面的影响。目前，NH4+对甲烷氧化作用的抑制机理尚不清楚，存在的假设包括酶机制竞争、代谢产物的毒害作用、盐效应、氮转化、甲烷氧化菌与氨氧化菌对氧气的竞争等方面[14，74，82-85]。何品晶等[73]试验研究发现，含水率为10%时甲烷氧化速率与NH4+-N投加量呈负相关关系；而含水率为25%时两者呈正相关关系；其他含水率条件下两者之间相关性不显著。
3.3填埋场生物覆盖层的甲烷氧化
填埋场覆盖层一般采用粘土进行终场覆盖，其甲烷氧化能力相对较低，且填埋场覆土的甲烷氧化能力受覆盖土壤类型的影响。因此，为了提高填埋场覆盖层的甲烷氧化速率，构建适合于甲烷氧化菌生长的环境，常用的措施包括：（1）接种高效甲烷氧化菌；（2）提高覆盖层的有机质含量；（3）调节覆盖层水分含量和pH等。
