新型覆土材料的CH_4氧化能力与N_2O释放能力

在垃圾卫生填埋处理技术中,覆土材料的选择对处理成本和技术都至关重要.探究了新型覆土材料(矿化垃圾+牛粪+木屑)的CH4氧化能力,并进一步分析了温度、含水率、初始φ(CH4)和好氧厌氧等环境因素对CH4氧化能力的影响.结果表明:1新型覆土中矿化垃圾的填埋龄不同,其CH4氧化能力也有所差异,填埋龄较久的覆土B(10 a)、C(15 a)在培养时间内对CH4去除率和氧化速率均明显高于覆土A(5 a);2当温度为30℃、含水率为35%时,新型覆土的CH4氧化能力最高;3用米歇尔-门坦方程表征CH4降解的过程,R2(相关系数)为0.993,CH4氧化速率最大值为5.21μmol/(g·h),半速常数为5.48%;4厌氧环境中新型覆土具有CH4氧化能力,而厌氧环境中CH4去除率相对好氧环境更慢,培养20 d后,厌氧环境CH4去除率为83%;5当土壤孔隙含水率分别为46%、70%时,覆土干湿交替导致的N2O和CO2释放量远小于CH4氧化量,故N2O增温效应可忽略.由矿化垃圾+牛粪+木屑组成的新型覆土材料的CH4氧化速率最大值比现有覆土材料高1~2个数量级,其可应用于不同类型填埋场,特别是降雨较多的南方垃圾填埋场,可有效减缓垃圾填埋气CH4的释放影响.     

垃圾填埋场覆土层Ⅱ型甲烷氧化菌的群落结构

采用基于16S rDNA 的变性凝胶梯度电泳(DGGE)技术研究了生活垃圾卫生填埋场和生物反应器填埋场覆土中Ⅱ型甲烷氧化菌群落结构,比较了不同填埋操作方式对Ⅱ型甲烷氧化菌的影响.结果表明,覆土铺有HDPE 膜、无填埋气体渗入的填埋覆土中未发现Ⅱ型甲烷氧化菌;而有填埋气体渗入时,进行渗滤液亚表面灌溉的生物反应器填埋场,无论是否同时进行层内回灌,其覆土中均检测到甲烷孢囊菌(Methylocystis).卫生填埋场填埋龄长达5a 的填埋覆土中发现了甲基弯菌(Methylosinus),填埋龄较低的填埋场覆土中未发现II 型甲烷氧化菌.渗滤液亚表面灌溉及长时间填埋气体驯化能促进Ⅱ型甲烷氧化菌的生长.有机质等营养物质丰富而NH4+-N浓度较低的填埋覆土有利于Ⅱ型甲烷氧化菌的生长.     

垃圾填埋场覆盖材料的甲烷氧化能力与甲烷氧化菌定量分析

分别采用厌氧瓶培养方法和荧光定量PCR技术定量测试了6种典型填埋场覆盖材料的甲烷氧化能力和甲烷氧化菌数量,并分析了典型覆盖材料甲烷氧化能力与甲烷氧化菌含量及物料特性的相关关系。结果表明:厌氧填埋陈腐垃圾、准好氧填埋陈腐垃圾和老覆土的甲烷氧化速率约高于粪便堆肥和垃圾堆肥1个数量级,约高于新覆土2个数量级;厌氧和准好氧填埋陈腐垃圾的甲烷氧化菌含量约高于老覆土和粪便堆肥1个数量级,约高于垃圾堆肥和新覆土2个数量级。覆盖材料的甲烷氧化菌数、甲烷氧化速率与物料填埋或驯化时间呈极显著正相关(p<0.01);甲烷氧化菌数与覆盖材料的甲烷氧化速率、含水率、总氮呈显著性正相关(p<0.05);覆盖材料的甲烷氧化速率与其理化性质之间无明显相关性,而是与覆盖材料本身的甲烷氧化菌含量显著相关。     

北天堂垃圾污染场地氧化还原分带及污染物自然衰减研究

通过对北京市北天堂垃圾填埋场周围实际监测数据资料的分析,研究了垃圾填埋污染场地的氧化还原分带和污染物的自然衰减作用.结果表明,北天堂垃圾填埋污染场地存在氧化还原分带现象,依据各氧化还原带标志性物质浓度的分布规律和特点划分了5个氧化还原带,即产甲烷带、硫酸盐还原带、铁还原带、硝酸盐还原带和氧还原带.不同有机污染物在不同的氧化还原带中的衰减不同;挥发酚和氰化物在硫酸盐还原带中的含量相对较高,分别为0.005和0.019 μg/L;Cr、Pb、Ni、As、Cu、Cd、Zn和Mn等重金属在产甲烷带中的含量相对较高,分别为25.11、 33.82、 29.93、 3.18、 2.3、 0.1、 283.1、 1 220　μg/L.因此,氧化还原带对污染物的衰减起重要作用.     

生活垃圾填埋操作方式对覆土中Ⅰ型甲烷氧化菌的影响研究

填埋场覆土中的甲烷氧化菌可削弱填埋场的温室气体释放,其中I型甲烷氧化菌对环境条件的改变反应灵敏.实验采用16S rDNA特异性聚合酶链式反应(polymerase chain reaction,PCR)结合变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)基因指纹技术研究不同填埋操作方式,包括高密度聚乙烯膜(high-density polyethylene liner,HDPE)隔离、渗滤液亚表面灌溉和植被种植,对城市生活垃圾填埋场表层覆土中I型甲烷氧化菌的群落结构和多样性的影响.16S rDNA序列的系统发育分析结果表明,供试土壤中的I型甲烷氧化菌均属于甲基杆菌属(Methylobacter).从香农-威纳多样性指数(Shannon-Wiener diversity index)和主成分分析的结果可以归纳得到:渗滤液亚表面灌溉和植被种植比HDPE膜隔离对表层覆土中I型甲烷氧化菌群落结构的影响更大,它们会降低I型甲烷氧化菌的多样性,并且推测渗滤液亚表面灌溉会抑制Methylobacter的生长.无HDPE膜隔离的土壤中,即有填埋气体侵入的土壤中,随填埋气体作用于土壤时间的延长,I型甲烷氧化菌的群落结构会发生变化;覆土时间分别为3周、1.5 a和5 a的土壤中,I型甲烷氧化菌的香农.威纳多样性指数在覆土1.5a时达到最大值.     

短期填埋龄垃圾堆体内微生物群落结构与种群分布特征

填埋垃圾的稳定化过程一般经历好氧过渡、水解酸化、初期产甲烷及稳定产甲烷阶段,固相垃圾的厌氧水解酸化阶段常被视为垃圾降解的限速步骤,而这一阶段微生物的降解作用是影响垃圾稳定化进程的关键.以青岛市小涧西生活垃圾填埋场短期填埋龄垃圾为研究对象,采用MiSeq高通量测序研究了填埋龄0～1、1.0～1.5、1.5～2 a垃圾堆体内微生物的群落结构多样性及种群分布特征.结果表明,0～1 a填埋龄垃圾微生物多样性高于1.0～1.5 a和1.5～2 a垃圾堆体,且微生物多样性整体上随填埋深度呈降低趋势.参与垃圾降解细菌多样性比真菌更丰富,而真菌多样性随填埋区域、填埋龄的不同呈现更显著的差异.参与短期填埋龄垃圾降解的细菌中,Firmicutes在填埋层上层为优势菌门,最大比例达到65%,Proteobacteria在填埋层中下层为优势菌门,最大比例达到88%.填埋上层细菌菌属以Defluviitoga、Aerococcus、Clostridium III和Proteiniphilum为主,而在中下层以Thiopseudomonas、Sporosarcina和Eionea为主.真菌主要包括3个菌门,Ascomycota在各点位均为最优势菌门,属水平上Kernia及Aspergillus作为常见的腐生菌属,在不同点位均有较高的丰度.冗余分析表明短期填埋龄垃圾堆体内微生物不同时空分布存在显著差异性,且细菌群落结构的变化受pH值影响较大,而真菌群落结构的变化与垃圾有机质密切相关.     

矿化垃圾生物反应床堵塞问题探讨

针对矿化垃圾生物反应床处理渗滤液的堵塞问题,研究并探讨了堵塞原因和堵塞治理、预防措施。结果表明:渗滤液中有机悬浮物在矿化垃圾表层的截留与吸附是造成矿化垃圾反应床堵塞的主要原因之一。在该文试验条件下,二级串联工艺中,第一级反应床的表层总有机碳含量随时间的延长而增加,总有机碳从最初的9.4%提高到发生堵塞时的10.7%;而中部垃圾的总有机碳含量则维持在9.4%～9.5%。第二级反应床表层和中部垃圾的总有机碳分别维持在9.2%～9.5%和9.0%～9.4%,未发生明显变化。通过矿化垃圾累计降解污染物的量,提出了矿化垃圾极限负荷和临界负荷的概念。     

崇明东滩潮间带硫酸盐还原菌及有机质含量的初步研究

针对崇明东滩湿地不同潮滩和不同高程的土壤采样,进行了MPN法微生物计数、沉积物有机质含量的测定,计算了SO42-和Cl-浓度的摩尔比,研究了硫酸盐还原菌的分布状况、与有机质含量的相关性、以及植物根际环境对其生长的影响.结果表明,不同高程潮滩同一深度的硫酸盐还原菌数量,按大小排序为:中潮滩高潮滩光滩.同一潮滩不同深度的硫酸盐还原菌含量,均显示为51～52 cm21～22 cm81～82 cm,说明东滩湿地51～52 cm的土壤深度是硫酸盐还原菌生长的主要层位,与存在较好的适于硫酸盐还原菌生长的条件有关.不同深度土壤中的有机质含量,呈现高潮滩中潮滩光滩的趋势.从21～51 cm处,随着深度的增加,有机质含量减少但硫酸盐还原菌的数量却大幅增加,说明硫酸盐还原菌利用土壤中的有机质进行了还原反应.所有土壤样品的SO42-/Cl-摩尔比值均0.05,表明硫酸盐还原菌十分活跃地进行着硫酸盐还原作用.芦苇根际中硫酸盐还原菌含量是最高的,说明东滩湿地芦苇的根际环境对硫酸盐还原菌的生长具有促进作用,而藨草根际的硫酸盐还原菌数量相对非根际环境较低,说明不同的根际效应对于东滩硫酸盐还原菌的生长有不同的影响.     

城市生活垃圾填埋场渗滤液回灌处理的研究

我国目前约有95%左右的城市使用填埋法处理生活垃圾。生活垃圾的填埋处置会产生大量的渗滤液,渗滤液水质复杂多变,具有高CODcr含量、高重金属离子和高NH3-N含量的特点。如果垃圾渗滤液进入环境,会对土壤和地下水带来严重的污染。本论文采用城市生活垃圾填埋并覆土的模式,模拟生活垃圾填埋场的运行状况,同时收集渗滤液并研究渗滤液回灌法对垃圾渗滤液的p H、CODcr、NH3-N等各项指标的去除效果。     

填埋场古细菌垂直分布格局及其与垃圾降解程度响应特征

研究了青岛市小涧西垃圾填埋场表层（3~12 m）、中上层（15~24 m）、中下层（27~36 m）和底层（39~45 m）古细菌的多样性、群落组成与垂直分布特征,以及垃圾降解程度与古细菌群落结构演替变化的响应关系.结果表明：垃圾有机质和凯氏氮含量随填埋深度增加呈降低趋势,而pH呈微弱升高趋势.填埋场中下层的古细菌群落多样性和丰度显著高于其他填埋层.在填埋层各深度上,广古菌门（Euryarcharota）为优势菌门,相对丰度达到90%以上,甲烷微菌纲（Methanomicrobia）和热源体纲（Thermoplasmata）为优势菌纲,二者相对丰度之和达84.69%~99.67%.属水平上,甲烷囊菌属（Methanoculleus）的占比在38.16%~64.46%之间变化,且与有机质相关性不显著,表明该类氢营养型产甲烷菌在垃圾中分布广泛,受垃圾降解程度影响较小.马赛球菌属（Methanomassiliicoccus）的相对丰度自表层的50%降至底层的20%,且与有机质呈显著正相关（r=0.95,p<0.05）,表明该类甲基营养型产甲烷菌的分布受有机质降解程度影响较大.以乙酸裂解产甲烷的甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）和甲烷丝菌属（Methanothrix）在填埋场中也占有重要地位,但二者相对丰度整体低于Methanoculleus.Methanosarcina自表层至底层所占比重逐渐升高,与有机质呈显著负相关（r=-0.96,p<0.05）;而Methanothrix仅在中下层有较高的丰度,与有机质相关性不显著,主要与两种菌属对乙酸亲和性的差异有关.不同填埋深度上产甲烷菌群落结构的演替变化反映了不同类型产甲烷菌对垃圾降解产物与稳定化程度的响应.     

垃圾填埋场覆盖黄土的甲烷氧化能力及其影响因素研究

利用西安江村沟填埋场不同覆盖时间的临时覆盖黄土和新鲜黄土掺堆肥配置的土样,开展了甲烷氧化培养瓶试验,培养历时最长达22d,研究了不同覆盖时间的覆盖黄土和不同堆肥掺量的新鲜黄土的甲烷氧化能力,以及含水量对覆盖黄土甲烷氧化能力的影响,分析了甲烷氧化过程中各组分气体体积变化关系.研究结果表明:不同覆盖时间的覆盖黄土的甲烷氧化能力相差很大,覆盖3~5年的黄土最大甲烷氧化能力达26.05~53.95μg CH4/(g×h), 而未覆盖的新鲜黄土几乎没有甲烷氧化能力.在新鲜黄土中掺入堆肥,能有效提高其甲烷氧化能力,且在堆肥掺量小于50%时,土样的最大甲烷氧化能力与堆肥掺量呈正比例关系.含水量对覆盖土的甲烷氧化能力有很大影响,黄土甲烷氧化的最适宜含水量约为20% ~ 30%.在甲烷氧化过程中,甲烷氧化菌将CH4中约44%的碳氧化为CO2,其余碳转化为甲烷氧化菌胞内物质.实际工程中进行覆盖层设计时,需要根据填埋场实际产气量和覆盖层导气性确定与甲烷通量相匹配的甲烷氧化速率,进而合理确定堆肥掺量.     

生活垃圾填埋过程含水率变化研究

为分析垃圾在好氧和厌氧条件下降解过程中含水率变化的规律,采用时域反射测量(time domain reflectometry,TDR)技术监测了垃圾填埋过程中含水率的变化情况.结果表明,填埋过程中垃圾体积含水率随时间逐渐增大,垃圾持水性能不断提高.好氧初期垃圾内水量变化与含水率变化正相关,好氧后期则为负相关;厌氧填埋过程中,垃圾沉降压缩是含水率变化的主要原因.垃圾TDR读数与基于物质衡算的垃圾体积含水率计算值之间有较好的相关性,好氧填埋过程两者最大偏差约为±5%,厌氧填埋过程两者最大偏差约为±2%,TDR技术适用于实际填埋工程的含水率测量.     

Effect of leachate recycle and inoculation on microbial characteristics of municipal refuse in landfill bioreactors

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｄｉｓｐｏｓａｌｏｆｗａｓｔｅｔｏｌａｎｄｆｉｌｌｉｓｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｍｅｔｈｏｄｏｆｄｉｓｐｏｓａｌｆｏｒｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｍｏｓｔｏｔｈｅｒｗａｓｔｅｓｔｒｅａｍｓ .Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｎｏｎｌａｎｄｆｉｌｌｉｎｇｗｈｉｃｈｈａｓｐｒｅｖｉｏｕｓｌｙｂｅｅｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈｏｉｃｅｆｏｒｍａｎｙｃｉｔｉｅｓｉｓａｔａｃｒｉｓｉｓｐｏｉｎｔｆｏｒｔｈｅｒｅａｓｏｎｓｏｆｓｈｏｒｔｅｒｌｉｆｅ ,ｓｐａｃｅａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ,ｃｏｓｔａｎｄｐｏｌ…     

厌氧-准好氧联合型生物反应器填埋场产气规律的研究

通过将厌氧型生物反应器填埋场（ANBL）和准好氧矿化垃圾生物反应床（SAARB）串联,组成新型的厌氧-准好氧联合型生物反应器填埋场（AN-SABL）,研究其产气速率、产气量以及产气组分的变化规律,以期为填埋气体的收集、利用和处理提供理论依据.实验表明,AN-SABL中的厌氧填埋单元的产气受到了抑制,其中ANBL2号单元和ANBL3号单元的产气率分别为49 L.kg-1和39 L.kg-1,仅占ANBL1号的94.2%和75.0%,但提高回灌频率,能促进厌氧填埋单元的产气,其甲烷含量最大值可达到62.67%;ANBL夏季产气速率和产气量明显高于冬季,并以12 h为周期交替出现产气高峰;此外,AN-SABL能够促进其厌氧单元的硝化和反硝化作用,N2O的含量受季节和填埋场类型影响显著,其变化范围在0.001 7%～4.017 9%之间.ANBL的累积产气量在初始调整阶段呈对数增长,过渡酸化阶段呈线性增长,酸化产甲烷阶段呈指数增长.     

水稻田土壤甲烷厌氧氧化在整个甲烷氧化中的贡献率

对黄松土水田土壤中>0.02mm的颗粒和<0.02mm的颗粒按不同比例组合成的土壤、不同绝对含水量的黄松土水田土壤、不同温育时段的水田土壤和长期定位不同施肥的水稻田土壤中的甲烷好氧氧化和厌氧氧化的速率的检测结果进行比较,结果相当一致,不仅证实了水稻田土壤甲烷厌氧氧化过程的存在,而且表明水田土壤中的甲烷厌氧氧化活性远较甲烷好氧氧化活性要低,如以两者的氧化活性作为对甲烷氧化的贡献来计,则甲烷厌氧氧化的贡献率一般都在整个甲烷氧化的10%以下.但在水田土壤被水淹没的情形下,由于土壤厌氧条件的形成和甲烷扩散受阻,甲烷厌氧氧化的速率明显超过好氧氧化的速率,甲烷厌氧氧化在整个甲烷氧化中的贡献率可到达30%以上.长期施肥对于水稻田土壤的甲烷好氧氧化活性和甲烷排放通量影响显著,而对甲烷的厌氧氧化活性有影响但未达到显著水平.长期施肥处理的土壤中甲烷好氧氧化活性在(9.072～41.088)×10^-6mol·(d·g)^-1之间,而甲烷厌氧氧化活性仅在(0.325～0.671)×10^-6mol·(d·g)^-1之间,仅及甲烷好氧氧化活性的1.31%～4.43%,占整个甲烷氧化的1.3%～4.14%.     

氢气和氮气对厌氧甲烷降解过程及微生物多样性的影响

针对厌氧甲烷氧化过程,考察了填埋场稳定化过程中气态物质(H₂、N₂)的影响,阐明了微生物群落结构的响应。结果表明:在N₂氛围下,存在甲烷氧化、固氮、硝化、反硝化的循环过程;通入H₂对于厌氧甲烷降解过程有一定影响,CH₄含量呈先下降后升高再降低的趋势,CO₂含量则呈先升高后降低趋势,表明H₂可将CO₂还原为CH₄。经过N₂和H₂长期驯化后,土壤微生物群落结构发生了显著变化,放线菌门中具有硝化、反硝化及固氮作用的菌群增加,出现了具有甲烷氧化功能的Methylococcale菌群。好氧菌(如甲烷氧化菌、硝化菌)对O₂的消耗有利于反硝化和厌氧甲烷氧化的进行,为反硝化型厌氧甲烷氧化的发生提供了有利条件。研究揭示了填埋场稳定化过程中气态物质影响厌氧甲烷氧化的过程。     

硝酸盐对矿化垃圾中兼/厌氧甲烷氧化的影响

设计全因子实验研究了NO-3-N对填埋10~12 a的矿化垃圾中兼/厌氧甲烷氧化作用的影响.结果表明,兼/厌氧条件下,NO-3-N能促进矿化垃圾中CH4的去除.初始CH4和NO-3-N对CH4去除和N2产生有明显影响,且两者具有交互作用(P<0.05).CH4去除量随着初始CH4体积分数的增加而增加,添加一定含量的NO-3-N能促进CH4去除,同时通入一定体积分数CH4可以明显促进反硝化作用,说明矿化垃圾中NO-3-N还原能与兼/厌氧甲烷氧化耦合.本实验条件下,初始CH4体积分数为30%,NO-3-N含量为110 mg·kg-1时耦合效应较好.     

甲烷氧化菌在填埋场覆盖层中的工程应用(Ⅱ):基质选择性及长效性

针对已筛选获得的甲烷氧化混合菌,选取填埋场覆盖土(LCS)、矿化垃圾(AR)和塘渣(TZ)3种填埋场周边易得的材料为供试生存基质,从基质选择性及长效性角度进行了甲烷减排应用条件的探究及使用效能评估.结果表明,在TZ、LCS、AR、TZ-AR和LCS-AR这5种生存基质中,TZ-AR最适合甲烷氧化混合菌的生长,且TZ与AR的复配比例以5∶5为最佳.甲烷氧化混合菌在TZ-AR的粒径≤4 mm和含水率为20%时具有最高甲烷氧化能力.一次性接种甲烷氧化混合菌在静态体系中的最佳使用有效期为31 d.其在接种量为0.08、0.16、0.20 m L·g-1和0.25m L·g-1时甲烷氧化速率无明显差异,从工程应用角度而言,8%的接种量为最佳.     

泥处理处置路径碳排放分析

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的核算准则,结合生命周期评价(LCA),对我国常见的污泥处理处置路径包括填埋、焚烧、热解、好氧堆肥、厌氧消化和湿式空气氧化进行了碳排放核算,并对敏感因子污泥有机质含量进行了影响分析.结果表明,对于有机质含量40%~50%的脱水污泥(含水率80%),净碳排放排序为填埋>焚烧>热解>厌氧消化>好氧堆肥>湿式空气氧化;而对于有机质含量60%~70%的脱水污泥,排序为填埋>焚烧>热解>好氧堆肥>湿式空气氧化>厌氧消化.对不同污泥处理处置组合路径进一步分析表明,独立焚烧相对于污泥水泥窑协同处置和燃煤电厂混烧碳排放更低.水解-厌氧消化-土地利用组合路径因提高有机质利用率而降低碳排放.1t脱水污泥处理处置全生命周期碳排放分析的结果表明,当污泥有机质含量低于60%时,上述路径都会产生2.07~494.45kg CO₂eq/t不等的碳排放;当污泥有机质含量达到60%时,热水解-厌氧消化-土地利用组合路径可以实现负碳排放,为-37.91kg CO₂eq/t,厌氧消化及湿式空气氧化路径接近于零碳排放;当有机质含量达到70%时,湿式空气氧化､厌氧消化及组合路径均可以实现负碳排放.     

Effect of bio-column composed of aged refuse on methane abatement – A novel configuration of biological oxidation in refuse landfill

An experimental bio-column composed of aged refuse was installed around the exhaust pipe as a new way to mitigate methane in refuse landfill.One of the objectives of this work was to assess the effect of aged refuse thickness in bio-column on reducing CH 4 emissions.Over the study period,methane oxidation was observed at various thicknesses,5 cm (small size),10 cm (middle size) and 15 cm (large size),representing one to three times of pipeline diameters.The middle and large size both showed over 90% methane conversion,and the highest methane conversion rate of above 95% occurred in the middle-size column cell.Michaelis-Menten equation addressed the methanotrophs diffusion in different layers of the bio-columns.Maximum methanotrophic activity (V max) measured at the three thicknesses ranged from 6.4 × 10 3 to 15.6 × 10 3 units,and the half-saturation value (K M) ranged from 0.85% to 1.67%.Both the highest V max and K M were observed at the middle-size of the bio-column,as well as the largest methanotrophs population,suggesting a significant efficiency of methane mitigation happened in the optimum zone with greatest affinity and methanotrophic bacteria activities.Therefore,bio-column is a potential style for methane abatement in landfill,and the aged refuse both naturally formed and artificially placed in the column plays a critical role in CH 4 emission.