2006_填埋場(chǎng)生物覆蓋層及其降解甲烷氣體行為研究

1、從研究我國(guó)典型垃圾填埋場(chǎng)甲烷排放的典型濃度和通量范圍入手，確定填埋場(chǎng)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(píng)價(jià)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(jì)方法，并在實(shí)驗(yàn)室建造相應(yīng)的模擬裝置；開(kāi)展甲烷在生物覆蓋層內(nèi)的降解動(dòng)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(guó)國(guó)情的填埋場(chǎng)甲烷減排理論和技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)有效的減少我國(guó)溫室氣體排放開(kāi)辟新的途徑。填埋場(chǎng)，生物覆蓋層

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

3、圾填埋場(chǎng)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)的熱潮（張相鋒，2006）。垃圾填埋場(chǎng)是CH4最大的人類(lèi)活動(dòng)釋放源，據(jù)估計(jì)2000年全球垃圾填埋場(chǎng)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(lái)自美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯和烏克蘭的填埋場(chǎng)CH4釋放占全球填埋場(chǎng)CH4釋放的47％；至2020年，填埋場(chǎng)CH4釋放將占全球CH4釋放總量的19％（USEPA，2005）。我國(guó)的城市生活垃圾處理處置以填

4、埋為主，據(jù)預(yù)測(cè)至2020年我國(guó)填埋場(chǎng)CH4排放將達(dá)35990萬(wàn)噸當(dāng)量CO2，占全國(guó)CH4總排放量的31.6％（趙玉杰等，2004）。目前，垃圾填埋場(chǎng)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(chǎng)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(xiě)入政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）的相關(guān)技術(shù)報(bào)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(chǎng)CH4具備能源回收潛力，其余垃圾填埋場(chǎng)的CH4只能以火炬焚燒的形式進(jìn)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(shí)需要輔助燃料。對(duì)我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家而言，垃圾產(chǎn)氣潛力和填埋場(chǎng)規(guī)模和管理水平均明顯低于發(fā)達(dá)國(guó)家，經(jīng)濟(jì)可行的垃圾填埋場(chǎng)CH4能源回收項(xiàng)目較少；火炬焚燒投入大又沒(méi)有回報(bào)，在我國(guó)少見(jiàn)實(shí)施。借助清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）的融資，垃圾填埋場(chǎng)CH4能源回收和火炬焚燒項(xiàng)目有望在我

6、國(guó)得以大量開(kāi)展（張相鋒，2006）。值得注意的是，填埋場(chǎng)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(guó)CH4氧化作用間相互競(jìng)爭(zhēng)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(guò)該范圍均不利于嗜甲烷菌的生長(zhǎng)；最佳溫度隨土壤含水率的升高（5%～30％）呈下降（30℃～20℃）趨勢(shì)（Boeckxetal.1996）。進(jìn)一步的研究表明，NH4對(duì)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(guò)多，會(huì)抑制CH4的氧化；而在高濃度CH4條件下，添加NH4可補(bǔ)充氮源，反而能刺激CH4的氧化（VisscherCleemput2003）。1997年UNFCCC締約方第三次大會(huì)（COP3）通過(guò)《京都議定書(shū)》，全世界就溫室氣體減排基本達(dá)成共識(shí)，CH4生物氧化作為一種潛在的填埋場(chǎng)CH4低成本減排替代技術(shù)開(kāi)始引起學(xué)者的興趣，人們開(kāi)始考慮將堆肥物的有機(jī)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(chǎng)覆蓋層土壤的CH4生物氧化功能相結(jié)合，從而強(qiáng)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(guò)濾器兩類(lèi)，生物覆蓋層旨在替代填埋場(chǎng)原有的每日覆蓋層、中間覆蓋層和最終覆蓋層，同時(shí)減少CH4的排放強(qiáng)度；而生物過(guò)濾器是在填埋場(chǎng)外建造工程設(shè)施，減少CH4的排放。澳大利亞的HumerLechner（1999）較早開(kāi)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(chǎng)表層土和花園肥沃土，在模擬填埋場(chǎng)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(lèi)覆蓋層材料，幾乎能氧化所有老年填埋場(chǎng)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(shuō)明覆蓋層材料的性質(zhì)對(duì)于CH4氧化能力影響巨大。美國(guó)的Barlaz等（2004）在填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了近14個(gè)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(chǎng)氣體回收系統(tǒng)停止運(yùn)行的時(shí)間段，生物覆蓋層的CH4排放強(qiáng)度也沒(méi)有明顯增加，而對(duì)應(yīng)的土壤覆蓋層在氣體回收系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，CH4排放通量高達(dá)15gm2day1；試驗(yàn)采用穩(wěn)定碳同位素分析技術(shù)測(cè)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(kāi)展了33周模擬填埋場(chǎng)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(duì)CH4氧化的影響，監(jiān)測(cè)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(kuò)散受限是影響系統(tǒng)性能的最重要因素，應(yīng)設(shè)計(jì)更為合理的生物覆蓋層系統(tǒng)。德國(guó)的Dammann等（1999）較早開(kāi)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(dá)53gm3h（折合294.5molm2day1），遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)濾材料，設(shè)計(jì)了一種5層植草生物過(guò)濾器，進(jìn)行了低濃度（3%vv）CH4氧化動(dòng)力學(xué)研究，獲得了高達(dá)109gm3h的CH4氧化速率；研究還發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度對(duì)CH4氧化影響顯著，當(dāng)氧氣濃度低于1.7％～2.6％（vv）時(shí)，CH4