生物覆盖层基质对 垃圾填埋场 甲烷氧化的影响

生态环境学报2010,19(1):72-76http://www.jeesci.comEcologyandEnvironmentalSciencesE-mail:editor@jeesci.com基金项目：国家高技术研究发展计划（863）（2007AA06Z350）；国家自然科学基金项目（50808017）作者简介：张相锋（1973年生），男，讲师，博士，从事温室气体减排技术研究。E-mail：zhangxf@bnu.edu.cn收稿日期：2009-11-14生物覆盖层基质对垃圾填埋场甲烷氧化的影响张相锋1，杨文静1，董世魁1，陆文静3，王洪涛3，刘晓静21.北京师范大学环境学院//环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京100875；2.甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州730070；3.清华大学环境科学与工程系，北京100084摘要：生物覆盖层甲烷氧化是填埋场甲烷减排的重要途径，覆盖层基质性能对其甲烷氧化能力影响较大。选用≤1mm堆肥物（1#基质）、≤1mm堆肥物+陶粒（2#基质）、≤1mm堆肥物+陶粒（3#基质）、1～2mm堆肥物（4#基质）、2～3.2mm堆肥物（5#基质）等5种不同类型的生物覆盖层基质，在实验室内模拟研究填埋场生物覆盖层的甲烷生物氧化状况，旨在为筛选垃圾填埋场甲烷高效氧化的生物覆盖材料提供科学依据。试验结果表明：粒径对基质氧气传输能力的影响不明显；不同基质的甲烷氧化能力存在显著差异，纯堆肥物基质（1#、4#和5#基质）几乎没有甲烷氧化能力，堆肥物+陶粒（1∶1(V∶V)）的复合基质（2#、3#基质）的甲烷氧化效率高达100%。堆肥物-陶粒复合基质为甲烷氧化细菌营造了良好的环境，改善了生物覆盖层内的气体传输性能，是一种适宜的填埋场生物覆盖层基质材料。关键词：甲烷氧化；生物覆盖层；垃圾堆肥物-陶粒复合基质中图分类号：X705文献标识码：A文章编号：1674-5906（2010）01-0072-05垃圾填埋场是我国温室气体（甲烷）的主要排放源，据预测至2020年我国填埋场甲烷（CH4）排放将达3.599×108t当量二氧化碳，占全国CH4总排放量的31.6％[1]。传统的垃圾填埋场甲烷减排手段是能源回收（沼气发电）和火炬焚烧，无法解决填埋场中后期的低浓度甲烷排放问题。生物覆盖层甲烷氧化是控制垃圾填埋场甲烷排放通量的重要环节。每年大约有30Tg的甲烷在土壤中氧化，占总甲烷氧化量的6％，这一数字表明相对于对流层而言，土壤作为甲烷汇的能力可以忽略不记。但是，如果缺少土壤这个汇将会使大气中甲烷浓度以目前增长速率的1.5倍的速度增加[2]。以堆肥物为主要基质材料的生物覆盖层甲烷氧化技术能适应不同CH4浓度的填埋气，在低CH4浓度条件下仍能较好地实现甲烷氧化，其甲烷氧化能力显著高于土壤为基质的传统填埋场覆盖层，对于垃圾填埋场温室气体减排意义重大[3]。然而，目前的研究大多集中于单一堆肥物作为生物覆盖层基质，且不同来源堆肥物（如庭院修剪物、生活垃圾、污泥等）作为生物覆盖层基质时的甲烷氧化能力变化很大[4-5]。堆肥物的腐熟周期对其甲烷氧化能力有很大影响，腐熟时间较短的堆肥物甚至没有甲烷氧化能力[6]。通过改性填埋场覆盖材料来强化其甲烷氧化活性成为一种经济适行的方法[7]。另外，通气不良也是限制堆肥物作为垃圾填埋场覆盖层基质材料的主要原因。基于这一现状，本研究选用5种类型的覆盖层材料，在实验室条件下对其甲烷氧化能力进行了模拟研究，分析探讨了各基质条件下气体组分沿不同模拟柱高度的分布规律，藉此筛选适于垃圾填埋场甲烷高效氧化的生物覆盖层基质，为垃圾填埋场甲烷的高效生物氧化减排提供了材料依据。1材料与方法1.1试验基质材料制备试验基质材料为有机垃圾堆肥物和陶粒。堆肥物由北京师范大学自动化堆肥装置制备，堆肥原料为北京师范大学有机垃圾（厨余垃圾、树叶、纸张），堆肥周期为6个月，堆肥物的耗氧速率达到美国堆肥协会对堆肥产品的腐熟要求（<0.4mg·h-1）[8]。将垃圾堆肥物按粒径（1、2、3.2mm）筛分为3种（≤1、1～2mm、2～3.2mm）；陶粒过2mm筛，取筛上部分，粒径为2～10mm；复合基质由垃圾堆肥物（≤1mm）与陶粒按1∶1(V∶V)混配制成。试验用基质材料及其理化性质见表1。1.2试验装置与方法试验装置主体为有机玻璃柱，柱高100cm，内径为19.7cm，柱体底部有10cm砾石透气承托层，中部填充90cm生物覆盖层基质材料，柱体底部设甲烷进气口，顶部设空气进气口和排气口，以模拟填埋场甲烷排放条件(图1)。甲烷自高压气瓶经稳压阀、针阀、加湿瓶和流量计，从柱体底部的砾石层进入模拟柱。空气自空压机经稳压阀、加湿瓶和流量计，从柱体顶部通入。沿柱体高度方向自下而上每间隔10cm设有气体取样口。5种基质甲烷氧化模拟试验操作条件见表