The Methane Emission from the Large Solid Waste Landfill “Novosyolki” (St. Petersburg, Russia) Based on Mobile Measurements of Ground-Level Concentrations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Landfills for solid municipal waste are considerable sources of methane, which is one of the principal greenhouse gases. Due to the continuous formation of significant amounts of municipal waste, primarily related to the life of the population of megacities, estimates of methane emissions from the territory of large urban landfills remain relevant. In this paper, the problem is solved based on the coupling of the results of direct measurements of methane concentration with model calculations. The results of mobile measurements carried out near the “Novosyolki” municipal solid waste landfill (St. Petersburg, Russia) in April 2021 and 2024 are presented. The measurement data reveal local maxima of methane concentration in the route sections downwind of the landfill. The maximum values of CH4 concentrations recorded from a vehicle in this observation area reached ~9 ppmv, which significantly exceeds the background ground-level of ~2 ppmv. Average night and morning peak concentrations (5.0 ppmv) are noticeably higher than day and evening ones (2.3 ppmv). Numerical modeling of landfill gas aerial distribution, performed using a dispersion model taking into account the characteristics of atmospheric stability during the observation period, demonstrated qualitative agreement between the calculated ground-level methane concentrations and experimental data. Based on a comparison of the measurement results with the modeling data of the air pollution plume from the landfill territory, methane emission estimates were obtained amounting to 640 ± 190 kg CH4/hr in April 2021 and 200 ± 50 kg CH4/hr in April 2024. The observed significant decrease in emissions from 2021 to 2024 is consistent with the official information on the closure of the landfill in 2018 and the start of landfill cover and reclamation work, which continues to this day. Emissions from the territory of “Novosyolki” landfill can amount up to ~7% of the total anthropogenic methane emissions from the territory of St. Petersburg.

About the authors

D. V. Ionov

St. Petersburg State University

Email: d.ionov@spbu.ru
St. Petersburg, Russia

M. V. Makarova

St. Petersburg State University

St. Petersburg, Russia

S. C. Foka

St. Petersburg State University

St. Petersburg, Russia

I. M. Isaev

St. Petersburg Electrotechnical University “LETI”

St. Petersburg, Russia

References

  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. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. Pasquill F. The estimation of the dispersion of windborne material // Meteorological Magazin. 1961. № 90. P. 33–49.
  29. Reay D., Smith P. Methane and climate change. London: Routledge, 2010. 272 p.
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).