填埋场生物覆盖层及其降解甲烷气体行为研究修正版.docx

1、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Landfill Bio-cover and its Mechanism for Methane Deg

2、radationLandfill, bio-cover, methane oxidation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

3、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 Executive Board，2004）。只有规模较大的生活垃圾卫生填埋场C

4、H4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

5、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 （EcoSecurities Ltd., 2005；Millennium Capital Services, 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3245%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

6、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（Methanotrophic Bacteria）的作用将高GWP（Global Warming Potential）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；Barlaz et al., 2004；Berger et al., 2005）。项目的研究将提高对生物覆盖层设计及其CH4

7、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；Whalen et al., 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45 g 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

8、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15 mol m-2 day-1；粗砂土孔隙率大，导气性好，CH4氧化能力可达10.4 mol 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6.8 mol m-2 day-1和6.9 mol m-2 day-1，CH4氧化率分别40和41（Kightley et al., 1995；Brjesson et al., 1998；Visscher et al., 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30

9、cm以内（Vissche et al., 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4150，旧填埋场的CH4氧化率在6094；到了冬季，特别是温度低于零度，填埋场的CH4氧化几乎停止（Brjesson et al., 2001）。不同温度条件下的嗜甲烷菌种群各不相同，型嗜甲烷菌在低温条件下（510）生长迅速，而型嗜甲烷菌在20以上才开始快速生长（Brjesson et al., 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，

10、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15.618.8，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（3020）趋势（Boeckx et al., 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（Visscher and Cleemput, 2003）。1997

11、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（Humer and Lechner, 1999；Dammann et al., 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

12、排放。澳大利亚的Humer and Lechner（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-1.731.

13、33 g 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15 g 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

14、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，24cm）内的氧化能力最高可达53 g/m3h（折合294.5 mol m-2 day-1），远远高于土壤的CH4氧化能力（Kightley et al., 1995；Visscher et al., 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109

15、g / m3h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1.72.6（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20 g/m3h。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

16、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：认识到填埋场覆盖土层有CH4氧化能力；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

17、；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；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0.00044000 g m-2 day-1变化很大（Bogner et al., 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（Humer and Lechner, 1999；Streese et al., 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

18、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。参考文献：Anthony, C., 1982. Biochemistry of Methylotrophs. Academic Press, Inc., New York.Barlaz, M.A., R.B. Green, J.P. Chanton et al., 2004. Evaluation of a Biologically Active Cover for Mitigation of Landfill Gas Emissions. Environmental Science & Technolo

19、gy, 38: 4891-4899.Berger, J., L.V. Forns, C. Ott et al., 2005. Methane Oxidation in a Landfill Cover with Capillary Barrier. Waste Management, 25(4): 369-373.Boeckx, P., O.V. Cleemput and I. Villaralvo, 1996. Methane Emission from a Landfill and the Methane Oxidising Capacity of its Covering Soil. S

20、oil Biology & Biochemistry, 28: 1397-1405. Bogner, J.E., K.A. Spokas and E.A. Burton, 1997. Kinetics of Methane Oxidation in a Landfill Cover Soil: Temporal Variations, a Whole-Landfill Oxidation Experiment, and Modeling of Net CH4 Emissions. Environmental Science & Technology, 31: 2504-2514.Brjesso

21、n, G., I. Sundh, A. Tunlid et al., 1998. Microbial Oxidation of CH4 at High Partial Pressures in an Organic Landfill Cover Soil under Different Moisture Regimes. FEMS Microbiology Ecology, 26: 207-217.Brjesson, G., J. Chanton and B.H. Svensson, 2001. Methane Oxidation in Two Swedish Landfill Covers

22、Measured with Carbon-13 to Carbon-12 Isotope Ratios. Journal of Environmental Quality, 30: 369-376.Brjesson, G., I. Sundh and B. Svensson, 2004. Microbial Oxidation of CH4 at Dierent Temperatures in Landll Cover Soils. FEMS Microbiology Ecology, 48: 305312.CDM-Executive Board, 2004. Approved consoli

23、dated baseline methodology ACM0001 “Consolidated baseline methodology for landfill gas project activities”. Dammann, B., J. Streese and R. Stegmann, 1999. Methane Oxidation in Compost Cover Layers on Landfills. In Proceedings Sardinia 99, Seventh International Waste Management and Landfill Symposium

24、.EcoSecurities Ltd., 2005. CDM-PDD: Nanjing Tianjingwa Landfill Gas to Electricity Project in China. 13Gebert, J., A. Groengroeft and G. Miehlich, 2003. Kinetics of Microbial Landll Methane Oxidation in Biolters. Waste Management, 23: 609619.Gebert, J., A. Grengrft, M. Schloter et al., 2004. Communi

25、ty Structure in a Methanotroph Biolter as Revealed by Phospholipid Fatty Acid Analysis. FEMS Microbiology Letters, 240: 61-68.Hanson, R.S. and Hanson T.E., 1996. Methanotrophic Bacteria. Microbiological Reviews, 60: 439-471.Humer, M. and P. Lechner, 1999. Methane Oxidation in Compost Cover Layers on

26、 Landfills. In Proceedings Sardinia 99, Seventh International Waste Management and Landfill Symposium.IPCC, 2000. Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories, 5.1-5.13Kightley, D., D.B. Nedwell and M. Cooper, 1995. Capacity for Methane Oxidation in Landfi

27、ll Cover Soils Measured in Laboratory-Scale Soil Microcosms. Applied and Environmental Microbiology, 61(2): 592-601.Millennium Capital Services, 2004. CDM-PDD: Anding Landfill Gas Recovery and Utilization Project Beijing, PR China. 10.Streese, J., R. Stegmann, 2003. Microbial Oxidation of Methane Fr

28、om Old Landfills in Biofilters. Waste Management, 23: 573580.USEPA, 1996. Turning a Liability into an Asset: A Landfill Gas-to-Energy Project Development Handbook. 2-3USEPA, 2003. Users Manual Mexico Landfill Gas Model, 17-20.USEPA, 2005. International Non-CO2 Greenhouse Gas Marginal Abatement Repor

29、t.Visscher, A.D., D. Thomas, P. Boeckx Et Al., 1999. Methane Oxidation in Simulated Landfill Cover Soil Environments. Environmental Science & Technology, 33: 1854-1859.Visscher, A.D. and O. V. Cleemput, 2003. Induction of Enhanced CH4 Oxidation in Soils: NH4+ Inhibition Patterns. Soil Biology & Bioc

30、hemistry, 35: 907-913.Whalen, S.C., W. S. Reeburgh, and K. A. Sandbeck, 1990. Rapid Methane Oxidation in a Landfill Cover Soil. Applied and Environmental Microbiology, 56(11): 3405-3411.Wilshusen, J.H., J.P.A. Hettiaratch, A. De Visscher et al., 2004. Methane Oxidation and Formation of EPS in Compos

31、t: Effect of Oxygen Concentration. Environmental Pollution, 129: 305-314.张相锋，肖学智, 何毅等, 2006. 垃圾填埋场的甲烷释放及其减排. 中国沼气, 24(1): 3-5.赵玉杰, 王伟, 2004. 垃圾填埋场甲烷气的排放及减排措施. 环境卫生工程, 12(4): 217-219.2、 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

32、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