用氯代甲烷抑制生活垃圾填埋场甲烷排放的方法

摘要

用氯代甲烷抑制生活垃圾填埋场甲烷排放的方法，涉及一种能阻止生活垃圾厌氧消化过程中甲烷气产生的方法。首先，将市售工业级氯代甲烷作为生活垃圾产甲烷菌群抑制剂；然后，按照每吨生活垃圾中加入5～25g氯代甲烷量取，生活垃圾的含水率为50～80％重量百分比；接着，在填埋场常规作业中均匀地将氯代甲烷喷洒至生活垃圾中；最后，对生活垃圾的渗滤液进行挥发酸的测量，同时用排饱和食盐水法收集气体，用气相色谱测定气体中的各个组分及其含量，总挥发酸量为0.94～1.18g/kg，丙酸/乙酸比为0.73～1.24，甲烷抑制效果可达到100％。本发明成本很低，操作简单，避免了释放甲烷造成的温室效应；在抑制甲烷的同时，对产酸菌群的代谢进行控制，促进了填埋场的稳定化进程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能阻止生活垃圾厌氧消化过程中甲烷气的产生的方法，属于固体废物资源化及污染防治技术领域。

背景技术

大气中的甲烷是一种仅次于CO₂的重要温室气体。全球每年甲烷的排放量达到5.35×10⁸t，通过人类活动产生的甲烷量为3.75×10⁸t。据估计，到2030年甲烷的贡献将达到50％，成为头号温室气体。可见，控制甲烷的排放量，对抑制温室效应的作用是很重要的。目前，全世界都在寻找减少CO₂排放的措施，但是对于甲烷的重视却不够，因此导致甲烷发生量增大，而且能与甲烷反应导致其含量减少的那些化学物质的减少的问题也不是很清楚，减少甲烷排放成为迫在眉睫的问题。我国年产城市生活垃圾1.5亿吨，已建成生活垃圾卫生填埋场375座(其中大部分为中小型填埋场)，在用堆场上千座，填埋生活垃圾估计为10亿吨，每年排放的甲烷约为几百万吨。预计我国在未来的10年内将有1000座中小型生活垃圾卫生填埋场，日填埋生活垃圾50万吨以上，日排放甲烷近万吨。在大型填埋场，这些气体会通过管道和专门的集气装置收集，但是，在中小型填埋场，由于产气的不稳定和气体总量少，综合利用的价值不高，因此产生的甲烷气体一般都排放到大气中，增大空气中甲烷的浓度，导致温室效应的发生。

垃圾填埋场的稳定化过程是由微生物共生体完成的，其中包括有许多细菌和一些中间步骤。在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成复杂的生态系统。复杂有机化合物的厌氧降解过程可被大致分为三个阶段：水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段，每个阶段的任务都由特定的微生物菌群来完成——水解发酵细菌群、产酸菌群以及产甲烷菌群。因此，厌氧生物代谢过程是由微生物将物质进行串联传递的过程，要想阻止甲烷气体的产生，必须将产甲烷菌群抑制，许多人根据产甲烷菌在恶劣环境中无法形成芽孢进行自我保护的特点，采用加热、微波、紫外等方法将产甲烷菌杀死，但其操作复杂，不适合生活垃圾填埋场等场所中产甲烷菌的抑制。

目前已报道的产甲烷菌抑制方法虽然很多，但存在以下问题：1、抑制效果不理想，一些微生物抑制剂仅能抑制50％左右的甲烷产生；2、有效浓度过高，氨氮和脂肪酸报道可以有效抑制填埋场环境中甲烷的产生，但其浓度至少要达到3000ppm以上才有效果；3、具有较好的抑制效果和较低的抑制浓度，但不适用与垃圾填埋场，譬如蒽醌类抑制剂，由于其溶解度极低，很难扩散至垃圾中产甲烷菌群聚集的固相中；莫能菌素，拉沙里菌素在抑制产甲烷菌的同时会对水解菌和产酸菌也产生  较强的抑制作用，不利于填埋场的稳定化。

发明内容

本发明的目的是公开一种能抑制填埋场中生活垃圾厌氧消化过程中产甲烷的方法。具体是利用生物特异性抑制的原理，找到能够有效抑制产甲烷菌群活性的抑制剂，抑制填埋场中产甲烷菌的活性，使厌氧消化过程不再产生甲烷气体，而是将有机碳转入液相中，再将收集到的液相集中处理，避免了释放甲烷造成的温室效应。

为了达到上述目的，本发明根据生活垃圾填埋量大，多相态共存，并且要在抑制的同时维持填埋场正常的稳定化降解过程要求，首先寻找一种能够兼顾生活垃圾填埋场甲烷有效抑制浓度低、易扩散、对其它菌群没有抑制作用或抑制作用很小的抑制剂。然后进行实验，找到抑制甲烷效果明显的配比。

本发明找到了包括二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷在内的氯代甲烷作为产甲烷菌群抑制剂，将它作为生活垃圾的添加剂能抑制厌氧消化过程中产甲烷菌的活性，使厌氧消化过程不再产生甲烷气体，而是将有机碳转到液相中，这样可以将收集到的液相集中处理，避免了释放甲烷造成的温室效应。

具体工艺是：首先，将市售工业级氯代甲烷作为生活垃圾产甲烷菌群抑制剂；然后，按照每吨生活垃圾中加入5～25g氯代甲烷量取，生活垃圾的含水率为50～80％重量百分比；接着，在填埋场常规作业中均匀地将氯代甲烷喷洒至生活垃圾；加入氯代甲烷后开始生活垃圾填埋场的厌氧反应，对生活垃圾的渗滤液进行总挥发酸量(VFA)的测量，同时用排饱和食盐水法收集气体，用气相色谱测定气体中的各个组分及其含量，总挥发酸量为0.94～1.18g/kg，丙酸/乙酸比为0.73～1.24，甲烷抑制效果达100％。

本发明具有如下的优点

1.本发明的氯代甲烷对产甲烷菌具有专一性抑制的特点，保证了极低浓度的高效抑制效果。由产甲烷菌的代谢途径可知：酰化甲基被转移至四氢八叠球菌嘌呤辅因子，生成CH₃-TPSPt后与(HS-CoM)反应生成甲基辅酶M(CH₃-S-CoM)，最后通过甲基辅酶还原酶脱甲基还原为甲烷，整个酶催化过程中，甲基均作为固定基团，分别与四氢八叠球菌嘌呤辅因子和辅酶M结合，而氯代甲烷中的氯仿具有与甲基类似的结构以及活性较强的碳氢键，因此，与众所周知的卤素(氟、氯、溴、碘)对细菌有毒性比较，本发明的极低浓度氯代甲烷通过对竞争性底物抑制，实现高效的产甲烷菌抑制作用。

2.本发明的氯代甲烷对体系产酸无副作用，并且使酸菌群代谢途径改变，提高了丙酸/乙酸比，由于丙酸很难转化为甲烷，而且挥发酸中主要为丙酸和乙酸，因此，丙酸/乙酸比的提高阻断了厌氧消化过程甲烷的产生，使生活垃圾维持在厌氧消化在产酸阶段，防止产酸菌群因抑制而影响填埋场稳定化，保证了填埋场稳定化的持续进行。

3.由于氯代甲烷的加入量是按每公斤垃圾(含水率为50～80％)加5～25mg进行，因此，在实现填埋场产甲烷菌群高效抑制同时，增加的成本很低。

4.将氯代甲烷加入中小型填埋场，可以将产生的渗滤液收集后集中处理，避免了填埋过程中产生的甲烷对环境的危害，避免了释放甲烷造成的温室效应，具有积极的社会效益。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图

图2不同含量的氯代甲烷抑制甲烷效果曲线图

图3不同含量的氯仿对填埋场稳定化影响曲线图

具体实施方式

实施例1

请参阅附图1，2和3。

将含水率为50～80％的生活垃圾简单破碎后，称取50g放入150mL血清瓶中。然后将三氯甲烷用水稀释至三氯甲烷含量为0.1％重量百分比的溶液，按照每kg生活垃圾加入20mg氯代甲烷的比例，称量1g三氯甲烷的水溶液也加入血清瓶中，模拟生活垃圾填埋场的厌氧状态，用排饱和食盐水法收集气体，再用气相色谱测定气体中甲烷的含量和挥发酸的组成和含量，并通过抑制组和不加抑制剂的空白实验产甲烷之比得到抑制率，结果请参见图2和图3。实施例1中主要考察氯仿(学名三氯甲烷)在该浓度下的抑制效果。当氯仿含量在20mg/kg时，甲烷被完全抑制，抑制效果接近最好。但由图3可知，总酸浓度偏低，说明高浓度的氯仿对填埋场的稳定化有影响。

实施例2

将三氯甲烷换成二氯甲烷，然后按照每kg生活垃圾加入5～25mg二氯甲烷计量，其余与实施例1相同。由图2可知，最高抑制率为80％，由于二氯甲烷主要是依靠氯元素含量的高低实现抑制，而没有氯仿的特异性底物抑制，因此较氯仿抑制效果要差。

实施例3

将三氯甲烷换成四氯甲烷(也称四氯化碳)，然后按照每kg生活垃圾加入5～25mg四氯化碳计量，即四氯化碳含量为5～25mg/kg，其余与实施例1相同。由图2可知，最高抑制率为90％，由于四氯化碳主要是依靠氯元素含量的高低实现抑制，而没有氯仿的特异性底物抑制，因此较氯仿抑制效果要差。

实施例4

氯仿的含量为5～25mg/kg，其余与实施例1相同。渗滤液中丙酸/乙酸比为0.73～1.24，总挥发酸量为0.94～1.18g/kg。这说明了高浓度的氯仿对产酸菌群的代谢调控作用提高了丙酸的浓度，由总挥发酸(VFA)含量的变化可知氯仿浓度在低于20mg/kg时，对产酸菌群抑制作用可忽略，对填埋场的稳定化总的来所具有一定的促进作用。