2006_填埋場生物覆蓋層及其降解甲烷氣體行為研究

1、從研究我國典型垃圾填埋場甲烷排放的典型濃度和通量范圍入手，確定填埋場生物覆蓋層甲烷氧化的基本指導(dǎo)參數(shù)；制備各種規(guī)格的嗜甲烷菌基質(zhì)，研究評價其作為生物覆蓋層材料的性能；提出生物覆蓋層結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并在實驗室建造相應(yīng)的模擬裝置；開展甲烷在生物覆蓋層內(nèi)的降解動力學(xué)研究，闡釋不同排放條件下，甲烷在不同生物覆蓋層構(gòu)造中的降解規(guī)律。本研究旨在探索適合中國國情的填埋場甲烷減排理論和技術(shù)，為經(jīng)濟有效的減少我國溫室氣體排放開辟新的途徑。填埋場，生物覆蓋層

2、，甲烷氧化LfillBiocoveritsMechanismfMethaneDegradationLfillbiocovermethaneoxidation填埋場生物覆蓋層及其降解甲烷氣體行為研究填埋場生物覆蓋層及其降解甲烷氣體行為研究報告正文報告正文、、、立項依據(jù)與研究內(nèi)容依據(jù)與研究內(nèi)容（40008000字）：1、項目的立目的立項依據(jù)依據(jù)（附主要的參考文獻目附主要的參考文獻目錄）。隨著《京都議定書》于2005年2月26日的正式生效，垃

3、圾填埋場CH4作為最具潛力的溫室氣體減排領(lǐng)域，正在全世界范圍內(nèi)形成項目開發(fā)的熱潮（張相鋒，2006）。垃圾填埋場是CH4最大的人類活動釋放源，據(jù)估計2000年全球垃圾填埋場釋放的CH4為8.42億噸當(dāng)量CO2，占當(dāng)年CH4釋放總量的13％，其中來自美國、中國、俄羅斯和烏克蘭的填埋場CH4釋放占全球填埋場CH4釋放的47％；至2020年，填埋場CH4釋放將占全球CH4釋放總量的19％（USEPA，2005）。我國的城市生活垃圾處理處置以填

4、埋為主，據(jù)預(yù)測至2020年我國填埋場CH4排放將達35990萬噸當(dāng)量CO2，占全國CH4總排放量的31.6％（趙玉杰等，2004）。目前，垃圾填埋場相關(guān)的溫室氣體減排技術(shù)主要有CH4能源回收、焚燒以及生物氧化（張相鋒，2006）。其中，垃圾填埋場CH4氣體能源回收技術(shù)和火炬焚燒技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且該技術(shù)已經(jīng)被寫入政府間氣候變化委員會（IPCC）的相關(guān)技術(shù)報告（IPCC，2000；CDM–ExecutiveBoard，2004）。只有規(guī)

5、模較大的生活垃圾衛(wèi)生填埋場CH4具備能源回收潛力，其余垃圾填埋場的CH4只能以火炬焚燒的形式進行處理（USEPA，1996）。而火炬焚燒法需要昂貴的設(shè)備，且CH4濃度低于20%時需要輔助燃料。對我國這樣的發(fā)展中國家而言，垃圾產(chǎn)氣潛力和填埋場規(guī)模和管理水平均明顯低于發(fā)達國家，經(jīng)濟可行的垃圾填埋場CH4能源回收項目較少；火炬焚燒投入大又沒有回報，在我國少見實施。借助清潔發(fā)展機制（CDM）的融資，垃圾填埋場CH4能源回收和火炬焚燒項目有望在我

6、國得以大量開展（張相鋒，2006）。值得注意的是，填埋場CH4能源回收和火炬焚燒的前提是收集到足夠多的CH4氣體。即使是在美國CH4氧化作用間相互競爭O2，而不是NH4濃度本身；土壤最佳含水率為15.6％～18.8％，大約為土壤最大持水力的50％，超過該范圍均不利于嗜甲烷菌的生長；最佳溫度隨土壤含水率的升高（5%～30％）呈下降（30℃～20℃）趨勢（Boeckxetal.1996）。進一步的研究表明，NH4對CH4氧化的影響取決于CH

7、4的本底濃度：在低濃度CH4條件下，如5%，NH4供應(yīng)過多，會抑制CH4的氧化；而在高濃度CH4條件下，添加NH4可補充氮源，反而能刺激CH4的氧化（VisscherCleemput2003）。1997年UNFCCC締約方第三次大會（COP3）通過《京都議定書》，全世界就溫室氣體減排基本達成共識，CH4生物氧化作為一種潛在的填埋場CH4低成本減排替代技術(shù)開始引起學(xué)者的興趣，人們開始考慮將堆肥物的有機質(zhì)含量高、持水力大、多孔性、微生物豐富

8、等特性與填埋場覆蓋層土壤的CH4生物氧化功能相結(jié)合，從而強化CH4的生物氧化功能（HumerLechner1999；Dammannetal.1999）。相關(guān)的研究總體可分為生物覆蓋層和生物過濾器兩類，生物覆蓋層旨在替代填埋場原有的每日覆蓋層、中間覆蓋層和最終覆蓋層，同時減少CH4的排放強度；而生物過濾器是在填埋場外建造工程設(shè)施，減少CH4的排放。澳大利亞的HumerLechner（1999）較早開展了堆肥覆蓋層的CH4氧化能力研究，覆蓋

9、層材料分別為垃圾堆肥物、污泥堆肥物、填埋場表層土和花園肥沃土，在模擬填埋場CH4的排放條件下，熟化60周的垃圾堆肥物的CH4氧化能力明顯高于土壤類覆蓋層材料，幾乎能氧化所有老年填埋場排放的CH4，但熟化20周的污泥堆肥物甚至觀察不到CH4的明顯氧化，說明覆蓋層材料的性質(zhì)對于CH4氧化能力影響巨大。美國的Barlaz等（2004）在填埋場現(xiàn)場開展了近14個月的生物覆蓋層CH4減排能力研究，生物覆蓋層以庭院堆肥物為主要結(jié)構(gòu)層，輔以植被層和排

10、水層，生物覆蓋層的CH4排放通量保持在1.73～1.33gm2day1，即使在填埋場氣體回收系統(tǒng)停止運行的時間段，生物覆蓋層的CH4排放強度也沒有明顯增加，而對應(yīng)的土壤覆蓋層在氣體回收系統(tǒng)停止運行時，CH4排放通量高達15gm2day1；試驗采用穩(wěn)定碳同位素分析技術(shù)測定CH4氧化率，發(fā)現(xiàn)生物覆蓋層的CH4氧化率約為55％，明顯高于土壤覆蓋層的21％。Berger等（2005）在人工環(huán)境室內(nèi)開展了33周模擬填埋場密封層和最終覆蓋層的4層復(fù)

11、合生物覆蓋層中試研究，研究分別模擬了氣溫、降雨等各種氣候條件對CH4氧化的影響，監(jiān)測了不同深度氣體濃度的變化，發(fā)現(xiàn)模擬降水前CH4最大氧化速率發(fā)生在約30cm處，但降水后氧化能力下降，且出現(xiàn)CH4氧化最大值的位置上移，由此推斷氧氣向下擴散受限是影響系統(tǒng)性能的最重要因素，應(yīng)設(shè)計更為合理的生物覆蓋層系統(tǒng)。德國的Dammann等（1999）較早開展了堆肥生物濾池的CH4氧化模擬研究，1.7％（vv）的CH4在堆肥生物濾池（H27cm，Φ24c

12、m）內(nèi)的氧化能力最高可達53gm3h（折合294.5molm2day1），遠遠高于土壤的CH4氧化能力（Kightleyetal.1995；Visscheretal.1999）。Gebert等（2003）用多孔黏土丸作為過濾材料，設(shè)計了一種5層植草生物過濾器，進行了低濃度（3%vv）CH4氧化動力學(xué)研究，獲得了高達109gm3h的CH4氧化速率；研究還發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度對CH4氧化影響顯著，當(dāng)氧氣濃度低于1.7％～2.6％（vv）時，CH4