矿化垃圾作为生活垃圾填埋场甲烷氧化覆盖材料的技术研究

摘要

本工作以矿化垃圾为主要原料，辅以矿化污泥、新鲜污泥以及NMS营养液等制备生活垃圾填埋场甲烷氧化生物覆盖材料，通过血清瓶实验和填埋柱模拟，考察不同改性材料及其配比、不同气源的影响，实现生活垃圾填埋场甲烷的高效生物氧化。 研究表明，不同配方改性覆盖材料的甲烷生物氧化效果差别较大。血清瓶实验发现，矿化垃圾与矿化污泥配比为7：3时，甲烷氧化率最高，可达78.74％，甲烷氧化率随着矿化污泥添加量的增加呈现先上升后下降的趋势。向矿化垃圾中添加4％的新鲜污泥时，甲烷氧化率达73.46％。甲烷氧化率与新鲜污泥的添加剂量在一定程度上呈正相关性。甲烷氧化效果与NMS营养液的添加比例成正比，当向每克矿化垃圾中分别喷洒0.02 mL、0.04 mL和0.08 mL NMS营养液时，相应的甲烷日氧化率在第6天、第5天和第3天达到100％。此外，用不同填埋年份的矿化垃圾制备的改性覆盖材料的甲烷氧化效果不同。 甲烷按照产生途径可分为生物衍生甲烷与化学衍生甲烷两大类。生物衍生甲烷是由微生物作用产生的，主要是在厌氧条件下通过酶对有机质的微生物分解作用，使甲酸盐、乙酸盐及甲醇等化合物还原或以CO2/H2为底物产生。化学衍生甲烷则来源于化学过程，如人工化学合成、地下高温高压环境下有机质热解、生物质及化石燃料等途径产生的甲烷。这两类甲烷对C同位素存在着选择性，直接导致它们所含同位素的丰度不同。实验分别以化学衍生甲烷(钢瓶混合气)和生物衍生甲烷(有机废物厌氧发酵)作为实验气源，结果发现这两种气源对改性覆盖材料的甲烷氧化效果存在一定的差异，从而证明它们的生物和化学性质存在着重大差异。 覆盖材料的粒径大小会影响甲烷氧化效果，并不是粒径越大，甲烷氧化率越高。向矿化垃圾中添加1％新鲜污泥时，随着粒径增大，总甲烷氧化率从20.34％升至100％后又降至9.34％；向矿化垃圾中喷洒0.08 mL/g NMS营养液时，随着粒径增大，总甲烷氧化率从48.3％升至100％后又降至21.22％。采用矿化垃圾：矿化污泥=7：3和矿化垃圾：矿化污泥=6：4配方时，最佳含水率在8％～10％之间。不同覆盖材料对应的最佳pH值是一个很宽泛的范围，pH在7.5～8.5时，甲烷氧化率呈上升趋势。当Eh处于70～160 mV时，甲烷氧化率随Eh增大呈现整体上升的趋势；当Eh处于100～220 mV时，甲烷氧化率随着Eh增大基本呈现下降的趋势；而当Eh处于60～260 mV时，甲烷氧化率并不呈现十分规律性的变化。甲烷氧化率与覆盖材料的有机质含量基本呈正相关性。 通常情况下，覆盖材料中总氮含量的增加对甲烷氧化有抑制作用。总氮含量在0.45％～0.9％时，甲烷氧化率随着总氮含量的增加而降低。而少量的N对甲烷氧化有促进作用，总氮含量在0.15％～0.35％时，甲烷氧化率随着总氮含量的增加而升高。但是总氮含量大于0.35％时，甲烷氧化率急速下降。在一定范围内，甲烷氧化率会随着温度的升高而上升。向矿化垃圾中添加30％矿化污泥、3％新鲜污泥以及喷洒0.08 mL/g NMS营养液时，15℃、20℃和25℃的总甲烷氧化率分别为51.92％～63.47％、78.74％～92.31％和89.41％～100％。 采用矿化垃圾：矿化污泥=7：3、矿化垃圾+4％新鲜污泥以及矿化垃圾+0.04mL/gNMS营养液三种配方的模拟填埋柱实验效果较为理想。驯化期分别是20天、21天和17天，最大甲烷氧化率分别为97.58％、95.57％和100％，而最后分别稳定于65％、80～85％和83～91％。 从各年份矿化垃圾配方实验中优选出的最佳配方是填埋龄为11年的矿化垃圾+1％新鲜污泥。对其进行甲烷氧化菌生物鉴定，结果表明其中的甲烷氧化菌种类虽然比较单一，均为Ⅰ型甲烷氧化菌，但是生物活性却很高。可以在一周的实验周期内很快达到100％的甲烷氧化率并在多批次的重复实验中得到很好的氧化效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2课题背景

1.3研究目的，内容，创新点和技术路线

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

1.3.3创新点

1.3.4技术路线

第二章 生活垃圾填埋场甲烷氧化覆盖层研究进展

2.1温室气体与全球变暖

2.2甲烷

2.2.1垃圾填埋场的甲烷排放

2.2.2甲烷的温室效应

2.2.3控制甲烷排放的意义

2.3垃圾填埋场甲烷减排技术

2.3.1白然减排

2.3.2人工减排

2.4填埋场覆盖层的甲烷氧化作用

2.4.1甲烷氧化的生物过程

2.4.2生物衍生甲烷和化学衍生甲烷

2.4.2影响填埋场覆盖层甲烷氧化的因素

2.4.3覆盖材料研究

2.5甲烷生物氧化模型

第三章实验材料、装置及分析方法

3.1实验材料

3.2实验装置

3.3分析方法

3.3.1气相组分分析

3.3.2固相组分指标测定

第四章矿化垃圾改性覆盖材料的甲烷氧化效果研究

4.1矿化垃圾

4.2不同添加材料对甲烷氧化效果的影响研究

4.2.1矿化污泥

4.2.2新鲜污泥及木屑

4.2.3畜禽粪便

4.2.4NMS营养液

4.3不同年份矿化垃圾对甲烷氧化效果的影响研究

4.4甲烷氧化菌鉴定

4.5生物衍生甲烷和化学衍生甲烷对改性覆盖材料氧化效果的差异研究

4.6本章小结

第五章改性覆盖材料甲烷氧化效果的影响因素分析

5.1矿化垃圾的粒径组成

5.2含水率

5.3 pH值

5.4氧化还原电位

5.5有机质含量

5.6总氮含量

5.7温度

5.8本章小结

第六章改性覆盖材料的甲烷氧化效果模拟填埋柱研究

6.1实验过程

6.2实验结果与分析

6.3本章小结

第七章示范工程方案

7.1材料准备及用量计算

7.2施工设备与装置

7.3施工方案

7.4覆盖层成本核算

第八章结论与建议

8.1结论

8.2目前存在的问题及建议

参考文献

致谢

个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果