填埋场终场覆盖层甲烷氧化行为及其影响因素的实验研究

摘要

甲烷(CH4)是一种重要的温室气体，其增温效能是CO2的21倍；CH4对全球温室效应的综合贡献达到22％，仅次于CO2。随着城市化发展与人类生活水平的提高，生活垃圾填埋场己日益成为重要的CH4释放源。垃圾填埋场也是我国甲烷气体的重要排放源，中国作为旨在抑制全球变暖和气候变化的《京都议定书》(已于2005年2月16日正式生效)的签约国，控制垃圾填埋场的CH4释放是我国履行减少温室气体排放义务的一个重要方面。因此找到一种经济高效的减少填埋场CH4排放的方法显得十分必要。国外对于填埋场终场覆盖层的甲烷氧化行为的研究表明，填埋场终场覆盖层作为大气中O2与填埋气的动态混合区域，其中的甲烷氧化菌可以在适当的环境条件下将CH4转化成CO2、水和生物质，从而减少甚至完全消除填埋场的甲烷释放。本研究以杭州天子岭生活垃圾填埋场终场覆盖层土壤为研究对象，首先研究了不同性质和覆盖龄的终场覆土的甲烷氧化能力的差异；继而选用其中甲烷氧化能力最强的土壤，采用模拟柱实验方法对填埋场覆盖层的甲烷氧化行为进行模拟研究和同时也作为甲烷氧化菌群培养过程，考察了覆盖层内各气体组分的分布规律及其与层内甲烷氧化的相互关系，比较了各层土壤的甲烷氧化强度，监测分析了甲烷氧化的时间变化规律，同时通过物料衡算，探讨了甲烷氧化的途径和生物质转化情况；随后研究了水分和氨氮投加情况对模拟柱出柱土壤的甲烷氧化能力的影响。实验结果表明：土质差别对土壤的甲烷氧化速率有很大影响：在其他环境条件相似的情况下，粘性大的覆土由于气体传质阻力较大，限制了CH4和O2的可利用性，从而其甲烷氧化速率会比粘性小的土壤低；填埋场封场后期由于甲烷气产率的下降，终场覆土内的甲烷氧化菌的活动强度也大为减弱。覆土层的甲烷氧化活动和其中氧气的分布有显著的交互影响：模拟柱内0～30cm存在很强的甲烷氧化活动，其中10～20cm处最为强烈；而30～50cm处由于O2被上部的甲烷氧化活动消耗殆尽，甲烷氧化活动受到很大抑制；同时顶部通风强度对覆土层内的气体分布和甲烷氧化活动的分布有显著影响：加大顶部通风流量可以使O2的渗透能力增强，从而可以使覆土更深层区间的甲烷氧化菌群在得到O2供给的条件下得以激活，加大甲烷氧化活动区域，从而提高整个覆土层的甲烷氧化效率。甲烷氧化菌在底物暂时中断的情况下能够持续存活，并且在恢复底物供应后能迅速恢复活性，此特性对适应填埋场产生LFG的时间和空间上的不均匀性有重要应用价值。此外，本实验甲烷氧化后转化为二氧化碳的比例为0.51，其余的碳为微生物所固定，且覆土层存在其他好氧微生物的氧气消耗和自生固氮菌对空气中N2的固定。氨氮的投加对甲烷氧化没有表现出明显的抑制作用；低含水率(5％)下土壤的甲烷氧化活动几乎停止，甲烷氧化最适含水率为15％；含水率相对氨氮而言，是影响填埋场覆土甲烷氧化活动的主要因素。[关键词]填埋场；终场覆土；甲烷氧化；模拟柱；土壤性质；含水率；氨氮

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第一章绪论

1.1前言

1.2研究背景

1.2.1甲烷与温室效应

1.2.2垃圾填埋场的甲烷释放与氧化

1.2.3甲烷氧化菌与甲烷氧化的微生物学过程

1.2.4影响甲烷氧化的主要因素

1.3研究目的与意义

1.4研究思路

第二章杭州天子岭填埋场概况

2.1概述

2.2填埋与覆盖系统

第三章不同土质及覆盖龄的现场覆土的甲烷氧化能力分析

3.1实验目的

3.2实验材料与方法

3.2.1土样来源与预处理

3.2.2实验材料与设备

3.2.3甲烷氧化实验操作

3.2.4测试项目与方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1土壤基本理化性质

3.3.2土壤性质和覆盖龄对甲烷氧化的影响

3.3.3各土样甲烷消耗与二氧化碳增长情况的比较

3.4本章小结

第四章终场覆土的甲烷氧化行为实验室模拟柱研究

4.1实验目的

4.2实验材料与方法

4.2.1土样来源与预处理

4.2.2实验装置与设备

4.2.3实验项目

4.2.4测试项目与方法

4.3实验结果与讨论

4.3.1气体基准分布

4.3.2实验过程中气体组分的空间分布

4.3.3顶部通风量加大为600ml/min时的气体空间分布

4.3.4各层土壤甲烷氧化的比较分析

4.3.5模拟柱的甲烷氧化速率

4.3.6气量衡算与碳物料衡算

4.4本章小结

第五章氨氮投加与含水率对土壤甲烷氧化的影响研究

5.1.实验目的

5.2.实验材料与方法

5.2.1土壤来源

5.2.2实验材料与设备

5.2.3样品制备与实验操作

5.2.4测试项目与方法

5.3实验结果与讨论

5.3.1氨氮投加量对土壤甲烷氧化的影响

5.3.2含水率的影响

5.4本章小结

第六章结论与建议

6.1研究结论

6.2建议

参考文献

致谢

个人简历 在读期间的研究成果