填埋场生物覆盖层及其降解甲烷气体行为研究修正版.docx
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填埋场生物覆盖层及其降解甲烷气体行为研究修正版
从研究我国典型垃圾填埋场甲烷排放的典型浓度和通量范围入手,确定填埋场生物覆盖层甲烷氧化的基本指导参数;制备各种规格的嗜甲烷菌基质,研究评价其作为生物覆盖层材料的性能;提出生物覆盖层结构设计方法,并在实验室建造相应的模拟装置;开展甲烷在生物覆盖层内的降解动力学研究,阐释不同排放条件下,甲烷在不同生物覆盖层构造中的降解规律。
本研究旨在探索适合中国国情的填埋场甲烷减排理论和技术,为经济有效的减少我国温室气体排放开辟新的途径。
填埋场,生物覆盖层,甲烷氧化
LandfillBio-coveranditsMechanismforMethaneDegradation
Landfill,bio-cover,methaneoxidation
填埋场生物覆盖层及其降解甲烷气体行为研究
报告正文
(一)立项依据与研究内容(4000-8000字):
1、项目的立项依据(附主要的参考文献目录)。
随着《京都议定书》于2005年2月26日的正式生效,垃圾填埋场CH4作为最具潜力的温室气体减排领域,正在全世界范围内形成项目开发的热潮(张相锋,2006)。
垃圾填埋场是CH4最大的人类活动释放源,据估计2000年全球垃圾填埋场释放的CH4为8.42亿吨当量CO2,占当年CH4释放总量的13%,其中来自美国、中国、俄罗斯和乌克兰的填埋场CH4释放占全球填埋场CH4释放的47%;至2020年,填埋场CH4释放将占全球CH4释放总量的19%(USEPA,2005)。
我国的城市生活垃圾处理处置以填埋为主,据预测至2020年我国填埋场CH4排放将达35990万吨当量CO2,占全国CH4总排放量的31.6%(赵玉杰等,2004)。
目前,垃圾填埋场相关的温室气体减排技术主要有CH4能源回收、焚烧以及生物氧化(张相锋,2006)。
其中,垃圾填埋场CH4气体能源回收技术和火炬焚烧技术已经比较成熟,而且该技术已经被写入政府间气候变化委员会(IPCC)的相关技术报告(IPCC,2000;CDM–ExecutiveBoard,2004)。
只有规模较大的生活垃圾卫生填埋场CH4具备能源回收潜力,其余垃圾填埋场的CH4只能以火炬焚烧的形式进行处理(USEPA,1996)。
而火炬焚烧法需要昂贵的设备,且CH4浓度低于20%时需要辅助燃料。
对我国这样的发展中国家而言,垃圾产气潜力和填埋场规模和管理水平均明显低于发达国家,经济可行的垃圾填埋场CH4能源回收项目较少;火炬焚烧投入大又没有回报,在我国少见实施。
借助清洁发展机制(CDM)的融资,垃圾填埋场CH4能源回收和火炬焚烧项目有望在我国得以大量开展(张相锋,2006)。
值得注意的是,填埋场CH4能源回收和火炬焚烧的前提是收集到足够多的CH4气体。
即使是在美国这样的发达国家,垃圾填埋场释放气体的收集效率也只能保持在75%左右(USEPA,2003)。
而我国正在开展的几个垃圾填埋场CH4回收项目的气体收集效率估计在55%~68%(EcoSecuritiesLtd.,2005;MillenniumCapitalServices,2004)。
这意味着,即使开展CH4的能源回收,我国垃圾填埋场CH4仍将有32~45%无控释放到大气环境中。
而且,我国的垃圾填埋场中小型居多,不具备能源回收条件,城市经济水平低,无法实施填埋气火炬焚烧技术,大量的CH4持续无控排放。
同时,我国垃圾的特点是厨余比例高,CH4产生速度快,下降速度也快,产气高峰往往在填埋场封场不久迅速结束,届时CH4的释放速率和浓度将明显下降,可能不再具备能源回收和火炬焚烧的基本条件。
考虑到国际社会要求我国减排温室气体的压力日益增大(美国退出《京都议定书》即为一例),开展适合中国国情的垃圾填埋场CH4替代减排技术研究,对于像我国这样的高温室气体排放国家至关重要。
利用填埋场覆盖土层中嗜甲烷菌(MethanotrophicBacteria)的作用将高GWP(GlobalWarmingPotential)的CH4氧化为CO2,可以有效降低填埋场的CH4排放强度,是一种极具潜力的填埋场温室气体减排技术(Hanson,1996;Barlazetal.,2004;Bergeretal.,2005)。
项目的研究将提高对生物覆盖层设计及其CH4降解机理的认识,强化生物覆盖层的CH4氧化能力,填补我国在该领域的研究空白,为我国在未来履行温室气体减排承诺提供技术储备。
本研究不仅具有深广的生产背景,而且具有重大的理论价值和工程应用价值。
尽管人们已经从多种水生好氧环境中分离出嗜甲烷菌,但垃圾填埋场表层土壤中的CH4生物氧化研究起步较晚(Anthony,1982;Whalenetal.,1990)。
美国的Whalen等(1990)较早开展了填埋场覆盖土CH4氧化能力的研究,氧化能力可达45g·m-2·day-1,遗憾的是该文献没有指出相应的土壤类型,实验持续的时间也仅数小时,不足以反映真实的CH4微生物氧化能力。
随后人们发现,土壤类型对CH4氧化能力影响较大:
肥沃的土壤持水力强、营养丰富,更有利于CH4氧化过程的进行,CH4氧化能力可达15mol·m-2·day-1;粗砂土孔隙率大,导气性好,CH4氧化能力可达10.4mol·m-2·day-1,CH4氧化率达61%;黏土和细砂导气性差,CH4氧化能力稍低,分别为6.8mol·m-2·day-1和6.9mol·m-2·day-1,CH4氧化率分别40%和41%(Kightleyetal.,1995;Börjessonetal.,1998;Visscheretal.,1999)。
受填埋场覆盖层条件的影响,氧气的传输往往受到限制,CH4氧化主要发生在表面30cm以内(Visscheetal.,1999)。
气候条件、环境条件(温度、水分)、营养条件(氮源等)以及CH4的本底浓度(新旧填埋场)对CH4氧化能力有不同程度的影响。
在夏季,新填埋场的CH4氧化率在41%~50%,旧填埋场的CH4氧化率在60%~94%;到了冬季,特别是温度低于零度,填埋场的CH4氧化几乎停止(Börjessonetal.,2001)。
不同温度条件下的嗜甲烷菌种群各不相同,І型嗜甲烷菌在低温条件下(5℃~10℃)生长迅速,而П型嗜甲烷菌在20℃以上才开始快速生长(Börjessonetal.,2004)。
在CH4本底浓度较低的条件下,NH4+对CH4氧化能力的影响最大,土壤含水率次之,温度的影响最小;NH4+的添加对CH4氧化的影响更多是由于硝化作用和CH4氧化作用间相互竞争O2,而不是NH4+浓度本身;土壤最佳含水率为15.6%~18.8%,大约为土壤最大持水力的50%,超过该范围均不利于嗜甲烷菌的生长;最佳温度随土壤含水率的升高(5%~30%)呈下降(30℃~20℃)趋势(Boeckxetal.,1996)。
进一步的研究表明,NH4+对CH4氧化的影响取决于CH4的本底浓度:
在低浓度CH4条件下,如<5%,NH4+供应过多,会抑制CH4的氧化;而在高浓度CH4条件下,添加NH4+可补充氮源,反而能刺激CH4的氧化(VisscherandCleemput,2003)。
1997年UNFCCC缔约方第三次大会(COP3)通过《京都议定书》,全世界就温室气体减排基本达成共识,CH4生物氧化作为一种潜在的填埋场CH4低成本减排替代技术开始引起学者的兴趣,人们开始考虑将堆肥物的有机质含量高、持水力大、多孔性、微生物丰富等特性与填埋场覆盖层土壤的CH4生物氧化功能相结合,从而强化CH4的生物氧化功能(HumerandLechner,1999;Dammannetal.,1999)。
相关的研究总体可分为生物覆盖层和生物过滤器两类,生物覆盖层旨在替代填埋场原有的每日覆盖层、中间覆盖层和最终覆盖层,同时减少CH4的排放强度;而生物过滤器是在填埋场外建造工程设施,减少CH4的排放。
澳大利亚的HumerandLechner(1999)较早开展了堆肥覆盖层的CH4氧化能力研究,覆盖层材料分别为垃圾堆肥物、污泥堆肥物、填埋场表层土和花园肥沃土,在模拟填埋场CH4的排放条件下,熟化60周的垃圾堆肥物的CH4氧化能力明显高于土壤类覆盖层材料,几乎能氧化所有老年填埋场排放的CH4,但熟化20周的污泥堆肥物甚至观察不到CH4的明显氧化,说明覆盖层材料的性质对于CH4氧化能力影响巨大。
美国的Barlaz等(2004)在填埋场现场开展了近14个月的生物覆盖层CH4减排能力研究,生物覆盖层以庭院堆肥物为主要结构层,辅以植被层和排水层,生物覆盖层的CH4排放通量保持在-1.73~1.33g·m-2·day-1,即使在填埋场气体回收系统停止运行的时间段,生物覆盖层的CH4排放强度也没有明显增加,而对应的土壤覆盖层在气体回收系统停止运行时,CH4排放通量高达15g·m-2·day-1;试验采用稳定碳同位素分析技术测定CH4氧化率,发现生物覆盖层的CH4氧化率约为55%,明显高于土壤覆盖层的21%。
Berger等(2005)在人工环境室内开展了33周模拟填埋场密封层和最终覆盖层的4层复合生物覆盖层中试研究,研究分别模拟了气温、降雨等各种气候条件对CH4氧化的影响,监测了不同深度气体浓度的变化,发现模拟降水前CH4最大氧化速率发生在约30cm处,但降水后氧化能力下降,且出现CH4氧化最大值的位置上移,由此推断氧气向下扩散受限是影响系统性能的最重要因素,应设计更为合理的生物覆盖层系统。
德国的Dammann等(1999)较早开展了堆肥生物滤池的CH4氧化模拟研究,1.7%(v/v)的CH4在堆肥生物滤池(H27cm,Φ24cm)内的氧化能力最高可达53g/m3·h(折合294.5mol·m-2·day-1),远远高于土壤的CH4氧化能力(Kightleyetal.,1995;Visscheretal.,1999)。
Gebert等(2003)用多孔黏土丸作为过滤材料,设计了一种5层植草生物过滤器,进行了低浓度(3%v/v)CH4氧化动力学研究,获得了高达109g/m3·h的CH4氧化速率;研究还发现,氧气浓度对CH4氧化影响显著,当氧气浓度低于1.7%~2.6%(v/v)时,CH4氧化活动几乎停止。
Streese等(2003)研究对比了单一过滤材料(庭院堆肥物)和复合过滤材料(等量的庭院堆肥物、草炭、云杉纤维混合组成)的生物滤池CH4氧化性能,发现过滤材料为庭院堆肥物的试验装置在良好运行进行5个月后,过滤器内产生了胞外聚合物(EPS)堵塞孔隙,CH4氧化能力下降,而复合过滤材料的过滤器一直运行良好,CH4氧化速率可达20g/m3·h。
Wilshusen等(2004)的研究发现,在高O2浓度条件下,应用树叶堆肥物进行CH4氧化时所产生的EPS是低O2浓度条件下的250%,这意味着O2供应并非多多益善。
德国的Gebert等(2004)在填埋场现场开展了生物过滤法高浓度(56%v/v)CH4氧化研究,CH4去除效率达63%,采用磷脂肪酸分析法(PLFA)分析生物滤池内的微生物群落结构发现,在生物滤池的不同深度存在不同的微生物群落。
与臭气净化相比,生物滤池法氧化CH4速度慢,所需占地是臭气生物滤池的100倍,这必将成为该技术推广应用的瓶颈因素。
我国在填埋场CH4氧化方面的研究少见报道。
综合国内外的相关研究,主要取得以下成果:
①认识到填埋场覆盖土层有CH4氧化能力;②初步理解了土壤类型、气候、环境条件、营养条件等复杂因素对填埋场覆盖土层CH4氧化能力的影响;③认识到生物覆盖层和生物过滤器的CH4氧化能力远大于传统覆盖土层;④认识到堆肥物在CH4氧化研究中的巨大作用。
还存在下列问题有待进一步解决:
填埋场的CH4排放强度在0.0004~4000g·m-2·day-1变化很大(Bogneretal.,1997),我国填埋场CH4的排放规律和覆盖土壤层CH4氧化能力尚不清楚,缺乏准确的基础数据;没有科学的生物覆盖层材料质量评价方法,材料选择随意性大,导致CH4氧化效果不稳定(HumerandLechner,1999;Streeseetal.,2003);植被是传统覆盖层的一部分,在目前的生物覆盖层研究中很少考虑植被的功能;生物覆盖层设计处于摸索阶段,尚未提出可靠的生物覆盖层设计方法;生物覆盖层内的CH4氧化动力学机制还不清楚。
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2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。
研究目标:
✧调查研究我国典型填埋场的CH4排放规律,为本研究提供基本数据,为我国参加气候变化的政府间谈判提供一定的数据支持;
✧开发出适合中国国情的填埋场生物覆盖层CH4减排技术,为经济有效的减少我国温室气体排放开辟新的途径;
✧揭示CH4在生物覆盖层内的降解行为。
研究内容:
(一)我国典型填埋场的CH4排放
✧监测典型填埋场的CH4排放速率和排放浓度;
✧研究典型填埋场的CH4排放规律;
(二)生物覆盖层材料质量评价
✧各种生物覆盖层材料的制备及其物性分析;
✧各种自制堆肥物做嗜甲烷菌载体时的CH4氧化动力学,评价相应的动力学参数,作为相应的质量评价依据。
(三)生物覆盖层构造设计
✧单一生物覆盖层构造设计;
✧复合生物覆盖层构造设计(含水气分布系统设计)。
(四)CH4在生物覆盖层内的降解行为
✧CH4在生物覆盖层内的降解动力学;
✧不同生物覆盖层构造的CH4降解规律;
✧不同CH4排放条件(浓度、通量)下的生物覆盖层CH4降解规律;
✧植被生长对生物覆盖层内CH4降解的影响。
拟解决的关键问题:
1典型填埋场的筛选与CH4排放监测;
2各种堆肥物的制备;
3生物覆盖层构造要满足CH4降解的特殊需要:
持水力强、渗透性强、有机质含量高、结构稳定性好、生物稳定