Эмиссия метана на крупном полигоне твердых бытовых отходов “Новосёлки” (Санкт-Петербург) по данным мобильных измерений приземной концентрации

Полигоны захоронения твердых бытовых отходов являются существенными источниками метана, относящегося к важнейшим парниковым газам. Ввиду непрерывного образования значительных объемов коммунальных отходов, в первую очередь, связанных с жизнедеятельностью населения мегаполисов, оценки эмиссии метана с территории крупных городских полигонов сохраняют актуальность. В настоящей работе эта задача решалась на основе сопряжения результатов прямых измерений концентрации метана с модельными расчетами. Представлены результаты мобильных измерений, выполненных вблизи полигона твердых бытовых отходов “Новосёлки” (Санкт-Петербург) в апреле 2021 и 2024 гг. Данные измерений обнаруживают локальные максимумы концентрации метана на участках маршрута с подветренной стороны полигона. Максимальные значения, регистрируемые с борта автомобиля в районе наблюдений, достигали ~9 ppmv, что существенно превышает фоновую приземную концентрацию метана, составляющую ~2 ppmv. Средние ночные и утренние пиковые концентрации (5.0 ppmv) заметно выше дневных и вечерних (2.3 ppmv). Численное моделирование воздушного распространения свалочного метана, выполненное с помощью дисперсионной модели с учетом характеристик стабильности атмосферы в период наблюдений, продемонстрировало качественное согласие расчетных приземных концентраций с экспериментальными данными. На основе сопоставления результатов измерений с данными моделирования шлейфа воздушного загрязнения с территории свалки, получены оценки эмиссии метана, составляющие 640 ± 190 кг/ч в апреле 2021 г. и 200 ± 50 кг/ч в апреле 2024 г. Наблюдаемое существенное снижение эмиссии с 2021 по 2024 г. согласуется с официальной информацией о закрытии мусорного полигона в 2018 г. и начале работ по укрытию и рекультивации полигона, продолжающихся до настоящего времени. Эмиссия с территории полигона твердых бытовых отходов “Новосёлки” может составлять ~7% суммарной антропогенной эмиссии метана с территории Санкт-Петербурга.

1. Глаголев М.В. К методу “обратной задачи” для определения поверхностной плотности потока газа из почвы // Динамика окружающей среды и глобальные изменения климата. 2010. Т. 1. № 1. C. 17–36.

2. Глаголев М.В., Коцюрбенко О.Р., Сабреков А.Ф., Литти Ю.В., Терентьева И.Е. Обзор методов определения микробной продукции и эмиссии метана в почвах // Микробиология. 2021. Т. 90. № 1. C. 3–21. https://doi.org/10.31857/S0026365621010055

3. Зинченко А.В., Решетников А.И., Парамонова Н.Н., Привалов В.И., Титов В.С., Казакова К.В., Кацнельсон Б.П. Исследование эмиссии метана и диоксида углерода на полигонах захоронения твердых бытовых отходов в окрестностях Санкт-Петербурга // Прикладная метеорология. Тр. Научно-исслед. центра дистанционного зондирования атмосферы (филиала ГГО). 2003. Вып. 4 (552). С. 126–138.

4. Ионов Д.В., Макарова М.В. Дистанционные спектрометрические измерения атмосферного содержания двуокиси азота вблизи городских ТЭЦ // Оптика атмосферы и океана. 2024. Т. 37. № 10. С. 841–848. https://doi.org/10.15372/AOO20241005

5. Каллистова А.Ю., Глаголев М.В., Шнырев Н.А., Кевбрина М.В., Некрасова В.К., Чистотин М.В., Фаустова Е.В., Серебряная М.И., Ножевникова А.Н. Эмиссия метана с поверхности полигона захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) в зависимости от возраста полигона и от сезона // Экологическая химия. 2006. Т. 15. № 1. С. 13–21.

6. Макарова М.В., Фока С.Ч., Ионов Д.В. Экспериментальное исследование потоков парниковых газов для урбоэкосистемы Санкт-петербургской агломерации: матер. Конф.: Форум естественных наук — 2024 (5–6 декабря 2024 г., Санкт-Петербург). https://e-science.expoforum.ru/ru/

7. Масликов В.И., Федоров М.П. Природно-технические системы в энергетике // Изв. РАН. Энергетика. 2006. № 5. C. 7–16.

8. Ножевникова А.Н. Мусорные залежи — “метановые бомбы” планеты // Природа. 1995. № 6. C. 25–34.

9. Семенов С.М., Говор И.Л., Уварова Н.Е. Роль метана в современном изменении климата. М.: Ин-т глобального климата и экологии имени академика Ю.А. Израэля, 2018. 106 с.

10. Серебрицкий И.А. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2017 году. СПб.: ООО “Сезам-принт”, 2018. 158 с.

11. Терентьева И.Е., Сабреков А.Ф., Глаголев М.В., Коцюрбенко О.Р. Эмиссия метана из полигонов захоронения твердых бытовых отходов // Метеорология и гидрология. 2017. № 5. С. 80–90.

12. Шилкина С.В. Мировые тенденции управления отходами и анализ ситуации в России // Отходы и ресурсы. 2020. Т. 7. № 5. https://doi.org/10.15862/05ECOR120

13. Badr O., Probert S.D., O’Callaghan P.W. Atmospheric methane: Its contribution to global warming // Appl. Energy. 1991. Vol. 40. № 4. P. 273–313. https://doi.org/10.1016/0306-2619(91)90021-O

14. Baer D.S., Paul J.B., Gupta M., O’Keefe A. Sensitive absorption measurements in the near-infrared region using off-axis integrated-cavity-output spectroscopy // Appl. Phys. B: Lasers Opt. 2002. Vol. 75. № 2. P. 261–265. https://doi.org/10.1007/s00340-002-0971-z

15. Baldocchi D.D. Assessing the eddy covariance technique for evaluating carbon dioxide exchange rates of ecosystems: Past, present and future // Global Change Biol. 2003. Vol. 9. № 4. P. 479–492. https://doi.org/10.1046/j.1365-2486.2003.00629.x

16. Bingemer H.G., Crutzen P.J. The production of methane from solid wastes // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92. № D2. P. 2181–2187. https://doi.org/10.1029/JD092iD02p02181

17. Borjesson G., Danielsson A., Svensson B.H. Methane fluxesfrom a Swedish landfill determined by geostatistical treatment of static chamber measurements // Environ. Sci. Technol. 2000. Vol. 34. P. 4044–4050. https://doi.org/10.1021/es991350s

18. Brioude J., Arnold D., Stohl A., Cassiani M., Morton D., Seibert P., Angevine W., Evan S., Dingwell A., Fast J.D., Easter R.C., Pisso I., Burkhart J., Wotawa G. The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART-WRF version 3.1 // Geosci. Model Dev. 2013. Vol. 6. № 6. P. 1889–1904. https://doi.org/10.5194/gmd-6-1889-2013

19. Czepiel P.M., Mosher B., Harriss R.C., Shorter J.H., McManus J.B., Kolb C.E., Allwine E., Lamb B.K. Landfill methane emissions measured by enclosure and atmospheric tracer methods // J. Geoph. Res.: Atmospheres. 1996. Vol. 101. № D11. P. 16711–16719. https://doi.org/10.1029/96jd00864

20. Hensen A., Scharff H. Methane emission estimates fromlandfills obtained with dynamic plume measurements // Water, Air, & Soil Pollution: Focus 1. 2001. P. 455–464. https://doi.org/10.1023/A:1013162129012

21. Ionov D.V., Makarova M.V., Hase F., Foka S.C., Kostsov V.S., Alberti C., Blumenstock T., Warneke T., Virolainen Y.A. The CO2 integral emission by the megacity of St. Petersburg as quantified from ground-based FTIR measurements combined with dispersion modelling // Atmos. Chem. Phys. 2021. Vol. 21. P. 10939–10963. https://doi.org/10.5194/acp-21-10939-2021

22. Ionov D.V., Makarova M.V., Kostsov V.S., Foka S.C.

23. Assessment of the NOх integral emission from the St. Petersburg megacity by means of mobile DOAS measurements combined with dispersion modelling // Atmospheric Pollution Res. 2022. Vol. 13. № 12. https://doi.org/10.1016/j.apr.2022.101598

24. Karion A., Lauvaux T., Lopez Coto I., Sweeney C., Mueller K., Gourdji S., Angevine W., Barkley Z., Deng A., Andrews A., Stein A., Whetstone J. Intercomparison of atmospheric trace gas dispersion models: Barnett Shale case study // Atmos. Chem. Phys. 2019. Vol. 19. P. 2561–2576. https://doi.org/10.5194/acp-19-2561-2019

25. Lin J.C., Gerbi C., Wofsy S.C., Andrews A.E., Daube B.C., Davis K.J., Grainger C.A. A near-field tool for simulating the upstream influence of atmospheric observations: The Stochastic Time-Inverted Lagrangian Transport (STILT) model // J. Geoph. Res.: Atmospheres. 2003. Vol. 108. № D16. https://doi.org/10.1029/2002JD003161

26. Lohila A., Laurila T., Tuovinen J.-P., Aurela M., Hatakka J., Thum T., Pihlatie M., Rinne J., Vesala T. Micrometeorological measurements of methane and carbon dioxide fluxes at a municipal landfill // Environ. Sci. Technol. 2007. № 8. Vol. 41. P. 2717–2722. https://doi.org/10.1021/es061631h

27. Maasakkers J.D., Varon D.J., Elfarsdottir A., McKeever J., Jervis D., Mahapatra G., Pandey S., Lorente A., Borsdorff T., Foorthuis L.R., Schuit B.J., Tol P., van Kempen T.A., van Hees R., Aben I. Using satellites to uncover large methane emissions from landfills // Sci. Advances. 2022. Vol. 8. № 32. https://doi.org/10.1126/sciadv.abn9683

28. Morin T.H. Advances in the eddy covariance approach to CH4 monitoring over two and a half decades // J. Geoph. Res.: Biogeosciences. 2018. Vol. 124. P. 453–460. https://doi.org/10.1029/2018jg004796

29. Pasquill F. The estimation of the dispersion of windborne material // Meteorological Magazin. 1961. № 90. P. 33–49.

30. Reay D., Smith P. Methane and climate change. London: Routledge, 2010. 272 p.

31. Rower I.U., Geck C., Gebert J., Pfeiffer E.-M. Spatial variability of soil gas concentration and methane oxidation capacity in landfill covers // Waste Management. 2011. Vol. 31. № 5. P. 926–934. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2010.09.01

32. Saunois M., et al. The Global Methane Budget 2000–2017 // Earth Syst. Sci. Data. 2020. Vol. 12. P. 1561–1623. https://doi.org/10.5194/essd-12-1561-2020

33. Scheutz C., Kjeldsen P., Bogner J.E., De Visscher A., Gebert J., Hilger H.A., Huber-Humer M., Spokas K. Microbial methane oxidation processes and technologies for mitigation of landfill gas emissions // Waste Management & Res. 2009. Vol. 27. № 5. P. 409–455. https://doi.org/10.1177/0734242X09339325

34. Stein A.F., Draxler R.R, Rolph G.D., Stunder B.J.B., Cohen M.D., Ngan F. NOAA’s HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system // Bull. Amer. Meteor. Soc. 2015. Vol. 96. P. 2059–2077. https://doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00110.1

35. Wang Y., Fang M., Lou Z., He H., Guo Y., Pi X., Wang Y., Yin K., Fei X. Methane emissions from landfills differentially underestimated worldwide // Nat. Sustain. 2024. Vol. 7. P. 496–507. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01307-9

36. Wilcoxon F. Individual Comparisons by Ranking Methods. In: Breakthroughs in Statistics. Springer Series in Statistics / S. Kotz, N.L. Johnson (Eds.). NY: Springer, 1992. P. 196–202. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-4380-9_16

37. Woodward J.L. Atmospheric Stability Classification Schemes (Appendix A), Estimating the Flammable Mass of a Vapor Cloud // American Institute of Chemical Engineers. 1998. 336 p. https://doi.org/10.1002/9780470935361