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.     

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.     

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。     

与碳氮循环相关的土壤酶活性对施用氮磷肥的响应

通过测定土壤酶活性和微生物量来评估施化肥对冬小麦土壤中参与碳(C)、氮(N)循环酶活性的影响.实验设氮(N)、磷(P)两个影响因子,4个处理分别是仅施P(SP)、仅施N(SN)、施N和P(P+N)、对照(CK,无施肥),测定冬小麦开花期和成熟期土壤纤维素酶、脱氢酶、脲酶和蛋白酶活性和开花期土壤微生物量.结果表明:纤维素酶活性在冬小麦两个生育期都是P+N处理中最高,分别为0.056μg·g-1·h-1(以葡萄糖计)和0.041μg·g-1·h-1(以葡萄糖计),显著高于CK.脱氢酶活性在冬小麦两个生育期都是P+N处理中最高,分别为0.46μg·g-1·h-1(以TPF计)和0.31μg·g-1·h-1(以TPF计),显著高于CK,SP和SN处理与CK有显著差异.脲酶活性在冬小麦两个生育期都是SN处理中最高,分别为54.2μg·g-1·h-1(以NH3-N计)和63.9μg·g-1·h-1(以NH3-N计),显著高于CK.蛋白酶活性在开花期SP处理中最大,成熟期CK处理中最大,分别为0.61μg·g-1·h-1(以酪氨酸计)和0.31μg·g-1·h-1(以酪氨酸计).除脲酶外,成熟期酶活性低于开花期.N和P交互作用通过增加土壤放线菌、菌根真菌生物量和作物地下生物量显著增加了纤维素酶和脱氢酶活性,通过降低土壤pH和增加铵态氮量显著降低了土壤蛋白酶活性,通过提高N利用率,降低了脲酶活性.     

造纸污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷试验

采用联产氢气和甲烷复合工艺,对造纸污泥和餐厨垃圾进行中温-高温混合厌氧消化,通过设计两种物料的不同配比(质量比,以VS计),研究了不同比例混合的物料联产氢气和甲烷的性能.试验结果表明,造纸污泥和餐厨垃圾混合比例为2:2的反应器总气体产率最高,达496.78mL·g-1(其中,氢气64.48mL·g-1,甲烷432.3mL·g-1,均以VSfed计,下同),其VS去除率也最高,达41.33%,在反应30h后和产甲烷18d后分别完成了80%的氢气产量和甲烷产量,而单纯造纸污泥总气体产率为144.99mL·g-1,单纯餐厨垃圾总气体产率为80.4mL·g-1.综合氢气和甲烷产率、产气速率、VS去除率等指标发现,造纸污泥和餐厨垃圾混合发酵联产氢气和甲烷的最佳配比为2:2.     

氨氮负荷对膜曝气生物膜反应器部分亚硝化性能的影响

对不同进水氨氮负荷下中试膜曝气生物膜反应器(MABR)部分亚硝化性能进行了考察,旨在确定在MABR中启动、优化和维持稳定亚硝化的控制策略.在进水氨氮表面负荷由(4.9±0.4)g·m-2·d-1(以N计,下同)升至(9.1±0.5)g·m-2·d-1的过程中,MABR氨氮去除负荷可以达到(5.7±0.5)g·m-2·d-1.当进水氨氮负荷为7.4 g·m-2·d-1时,本试验MABR部分亚硝化效果最佳,亚硝化率可达96.3%.部分亚硝化的维持需要控制合适的生物膜厚度,当生物膜厚度在110~170μm之间时,MABR亚硝化率在90%左右,能够有效实现对亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制和亚硝酸盐的积累.利用微生物比氧利用率(SOURAOB)来反映生物膜中氨氧化菌(AOB)的活性,发现MABR生物膜的SOURAOB可达(133.9±31.1)mg·g-1·h-1(以每g SS利用的O2量(mg)计).实时定量PCR结果也表明AOB为MABR生物膜中的优势菌群,其微生物丰度比接种污泥高出3个数量级.通过调控进水氨氮负荷和生物膜厚度,维持AOB的种群优势和高活性并同时抑制NOB的活性,可以实现MABR的稳定部分亚硝化.     

氨氧化菌对填埋场CH_4协同氧化及铵抑制作用的研究

借助乙炔(C2H2)抑制和添加外源铵盐,采用批式培养试验,在初始CH4浓度为16%的条件下模拟填埋场高CH4浓度环境,通过分析样品中氨氧化菌对CH4氧化的贡献率及铵对CH4氧化的抑制率,研究了填埋场覆盖土、矿化垃圾、砂土和黏土中氨氧化菌对CH4协同氧化及铵抑制作用.结果表明:4种供试样品中氨氧化菌对CH4氧化的贡献率在5.64%~16.24%之间,次序为砂土黏土覆盖土矿化垃圾,覆盖土中的贡献率为14.90%,比矿化垃圾低8.25%,填埋场样品(矿化垃圾和覆盖土)是一般土壤(砂土和黏土)的1.8~10.9倍.铵对CH4氧化过程的抑制率在11.90%~24.84%之间,次序为砂土黏土覆盖土矿化垃圾,覆盖土中为23.21%,比矿化垃圾低6.56%,填埋场样品是一般土壤的0.9~2.1倍.填埋场样品中氨氧化菌对CH4氧化的贡献率及铵对CH4氧化的抑制率明显高于一般土壤.     

好氧颗粒污泥共代谢降解MTBE及微生物群落研究

以MTBE为目标污染物、乙醇为共代谢基质,在SBR反应器中成功实现了好氧污泥的颗粒化.反应器内污泥完全颗粒化后,MTBE进水浓度提高至400mg·L-1左右,出水浓度可稳定在5rag·L-1以下,去除率高达98.5%以上(其中挥发量约占25%).颗粒污泥结构致密,外观呈椭球形,表面微生物群落主要以球菌和短杆菌为主.序批实验表明,MTBE生物降解速率符合Mirhaelis-Menten方程,其单位时间内颗粒污泥(以干污泥计)降解MTBE的最大降解速率值为20.9 mg·g-1·h-1.PCR-DGGE图谱表明,颗粒污泥内微生物种群丰富,且稳定运行阶段微生物种群和结构呆保持高度稳定.克隆测序结果表明,降解MTBE的好氧颗粒污泥反应器优势菌群主要为Flavobacteria,et-proteobacteria,γ-Porteobacteria、Actinobacteria.     

厌氧污泥产甲烷活性与产甲烷菌群多样性的研究

选用NaAc为基质,对AP、DH两污水处理厂的厌氧污泥进行了生化产甲烷(CH4)势实验(BMP).经改进的Gompertz模型和MichaelisMenten模型回归分析可知,尽管AP、DH两厂厌氧污泥的最大比产气速率数值接近(67.93、62.65 mL·g-1·d-1,以VSS计),但对基质NaAc的半饱和常数K m差异较大(1517和801 mg·L-1),DH厌氧污泥对基质的亲和力较好.BMP实验结束时DH厌氧污泥中的ORP位于-310~-373 mV之间,投加基质时CH4回收率高于80%,均优于AP厌氧污泥.T-RFLP与SEM镜检结果与BMP实验结果较为吻合,AP厌氧污泥中产CH4功能菌群群落丰度较低,Diverse菌群相对丰度达45%,而DH厌氧污泥中产CH4功能菌种群密集,Diverse菌群相对丰度仅为7%.DH厌氧污泥中产CH4功能菌以产CH4髦毛菌Methanosaeta spp.(280 bps)为主,同时存在产CH4微菌Methanomicrobiaceae(80 bps)、RC-I(389bps)和产CH4杆菌Methanobacteriacea(88 bps).     

城市生活垃圾填埋场甲烷收集效率研究

为提高垃圾填埋场CH4收集系统的收集效率,减少CH4的排放,对广州某生活垃圾填埋场CH4收集效率和填埋堆体表面CH4释放速率进行了研究.研究表明:采用US-EPA一级动力学模型计算出2010年该填埋场理论CH4产量为7.22×107m3,估算实际产量为(2.17～2.89)×107m3,实际收集量为1.75×107m3,实际收集量占估算实际产量的60.6%～80.6%.填埋作业面是填埋场主要的CH4排放源,年排放量为0.175×107m3,占实际收集量的10.0%.其中,陈垃圾作业面和新填垃圾作业面CH4的释放速率分别为4.17mol·m-·2h-1和0.29mol·m-·2h-1.     

冬水田转稻麦轮作对小麦生长季温室气体排放的影响

用静态暗箱-气相色谱法测定了川中丘陵地区典型冬水田(RF)及冬水田转稻麦轮作处理(RW)在小麦生长季的温室气体排放通量,并同步测定了土壤温度、水分和可溶态碳氮含量.结果表明,RW在小麦生长季的CH4、生态系统呼吸CO2和N2O平均排放通量分别为0.05、117.01 mg·m-2·h-1(以C计)和77.19μg·m-2·h-1(以N计),而RF相应通量分别为1.43、7.85 mg·m-2·h-1和-0.61μg·m-2·h-1.RW施氮肥后出现N2O的排放峰,其N2O直接排放系数为1.28%.土壤可溶态有机碳含量与CO2通量之间呈显著正相关关系(r=0.342,p0.01),与CH4、N2O的相关关系不显著;硝态氮、可溶态总氮含量与N2O通量的关系为显著正相关,但与CH4通量呈显著负相关.RF的综合增温潜势(以CO2-eq计,下同)为3.03 Mg·hm-2,大于RW(-1.66 Mg·hm-2),暗示冬水田转稻麦轮作会降低生态系统的综合增温效应.     

洞庭湖岸边带沉积物氨氧化古菌的丰度、多样性及对氨氧化的贡献

采用分子生物学的方法(定性/定量PCR、克隆文库)对洞庭湖岸边带沉积物中氨氧化古菌(Ammonia-Oxidizing Archaea,AOA)进行分子水平的多样性和丰度分析,并结合硝化速率潜势(Potential Nitrification Rate,PNR)剖析AOA在洞庭湖岸边带沉积物中氨氧化的作用.采用实时荧光定量PCR技术对氨氧化古菌AOA和氨氧化细菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria,AOB)进行靶向amoA基因(氨氧化关键功能基因)的定量分析,发现古菌amoA基因的丰度为1.49×107 ～ 1.97×10s copies· g-1(以干土计),高于细菌amoA基因丰度(1.52×104 ～2.45×106copies·g-1,以干土计)1～4个数量级.洞庭湖岸边带沉积物硝化速率潜势为1.11 ～6.47 nmol·g-1·h-1(以N计),比细胞硝化速率为0.55 ～1.68 fmol· cell-1·d-1(以NH3计).硝化速率潜势与古菌amoA基因丰度之间呈现正向变化趋势,而与细菌amoA基因丰度呈负向变化趋势,指示了低氨氮环境下AOA在氨氧化过程中的主导作用.生物多样性分析表明,经酶切分型后得到的22个古菌amoA基因序列以97％的相似度划分为8个独立操作单元(Operational Taxonomic Unit,OTU).系统发育分析显示,OTU 1～6(14个序列)属于第一分支,OTU 7～8(8个序列)属于第二分支,且均属于一个新命名的古菌类群——奇古菌门(Thaumarchaeota).     

庭院垃圾对填埋场甲烷的减量化研究

将熟化时间为24个月和2个月的庭院垃圾分别用于建设0.9 m厚的1#和2#两个生物覆盖层单元,并进行了为期15个月的野外试验,以验证庭院垃圾能否作为生物覆盖层材料用于减少垃圾填埋场甲烷的排放,以及利用同位素和质量守恒方法量化生物覆盖层对垃圾填埋场甲烷的氧化能力.结果表明,两个生物覆盖层对甲烷的氧化能力在建设初期达到整个观测期的最高值,分别为(141±10)g·m-2·d-1和(197±27)g·m-2·d-1,随后生物覆盖单元的甲烷氧化能力随季节交替降低至18~120 g·m-2·d-1和23~70 g·m-2·d-1.试验的中后期,在两个生物覆盖单元中均观测到明显数量的甲烷产出.试验结果表明24个月和2个月熟化时间的庭院垃圾作为生物覆盖填料,均具有较好的甲烷减量化能力,但所含不稳定有机质在厌氧条件下的降解会造成额外的甲烷释放.除此之外,在利用质量守恒方法量化甲烷氧化率时,忽略非甲烷氧化菌的呼吸作用会高估庭院垃圾对甲烷的减量化能力.     

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.     

SBR不同进水中反硝化除磷颗粒污泥的培养

分别以人工配水、加Ca~(2+)人工配水和实际生活污水为进水水源,在A/O/A运行模式的3套SBR反应器(R1、R2和R3)中培养反硝化除磷颗粒污泥,研究了其生化特性和启动过程的除污性能,分析了反硝化除磷能力,最后对颗粒化机理进行了探讨,重点考察了反硝化除磷颗粒污泥启动过程中对COD、NH_4~+-N、TN和TP的去除情况.结果表明,R1~R3均在30 d内成功得到反硝化除磷颗粒污泥,颗粒污泥平均粒径大于600μm,比重和比耗氧速率较大,含水率较低;培养过程中出水COD平均值低于40 mg·L~(-1),出水TN、NH+4-N及TP平均浓度低于1 mg·L~(-1);系统稳定后一个典型周期内试验表明,COD、NH_4~+-N、TN和TP的去除效果良好,对COD、NH+4-N、TN及TP的去除率可达90%以上;R1~R3中最大比释磷速率分别达14.34、8.32和2.32 mg·g·h~(-1)(以每g MLVSS每小时释放的P量(mg)计),R1~R2中最大比吸磷速率分别达14.13和2.34mg·g·h~(-1)(以每g MLVSS每小时吸收的P量(mg)计);试验结果表明,Ca~(2+)对颗粒化有促进作用.     

Fenton氧化技术处理含苯胺固体废渣的可行性研究

研究了Fenton催化氧化法对工业固体废渣中苯胺的去除效能,优化了其在固相处理体系中的反应条件,并分析了各影响因子的作用机理和综合反应机理及应用的关键控制步骤.结果表明,在固相反应体系中,采用Fenton催化氧化法处理工业固体废渣中苯胺的最佳反应条件为:pH值3.0,50 g渣样中H2O2流加速率为0.5～1.0 mL·min-1,30%H2O2投加量为1.1 mL·g-1(以干渣计,下同),Fe2 的投加量为0.012 mmol·g-1(以干渣计,下同),分2～3次投加Fenton试剂,药剂投加完后继续反应30min.在此条件下固体废物中苯胺的去除率达99.86%,从而为后续的稳定化及固化处理和进入安全填埋场进行安全填埋处理提供了前提保障.     

微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化实验研究

为探清微氧条件下以甲烷为碳源的反硝化是甲烷好氧氧化偶联反硝化(AME-D),还是甲烷厌氧氧化偶联反硝化(ANME-D),本研究以污水处理厂厌氧污泥为接种物,在微氧条件下以甲烷为碳源进行硝酸盐和亚硝酸盐反硝化的富集培养,考察硝酸盐和亚硝酸盐的反硝化速率,并对富集培养物的微生物群落和甲烷单加氧酶功能基因进行分析.结果表明:微氧条件下硝氮/亚硝氮的还原主要以AME-D过程为主,稳定阶段硝氮和亚硝氮的平均去除速率分别为3.69 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计)和18.04 mg·L~(-1)·d~(-1)(以N计),富集培养物中的优势微生物为甲基球菌科(Methylococcaceae)中的甲基单胞菌属(Methylomonas),相对含量为21.86%.     

高效厌氧氨氧化颗粒污泥膨胀床(EGSB)工艺性能研究

采用模拟含氨废水和颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器研究了厌氧氨氧化工艺的高效性能.试验结果表明,厌氧氨氧化EGSB工艺具有很高的容积效率,在35℃、进水氨氮浓度247.1～444.8mg·L-1、亚硝氮浓度为308.7～483.8mg·L-1的条件下,反应器水力停留时间可缩至0.237～0.267h,平均容积去除速率可高达61.4kg.m-.3d-1(以N计).同时,该工艺具有超常的运行稳定性,在进水基质浓度、进水流量和pH波动的情况下,总氮去除率和出水浓度的相对标准偏差分别为3.6%～6.9%和14.4%～22.6%.厌氧氨氧化EGSB工艺的高效稳定性可归因于反应器的强污泥持留能力和厌氧氨氧化污泥的高反应活力.系统内持留的污泥浓度高达24～28g·L-1(以VSS计),分批培养测得的最高比污泥活性为2.19g.g-1.d-1(以N计),连续培养测得的最高比污泥活性为3.62g.g-.1d-1(以N计).     

两种表面活性剂对剩余污泥产酸影响的比较研究

在批式反应器中研究了常温下2种(两性和阳离子)表面活性剂对剩余污泥产酸的影响,结果表明,2种表面活性剂均能较大幅度地提高剩余污泥生产有机酸的产量.在污泥发酵的第4天,0.1g·g-1(表面活性剂与污泥干重比,下同)的两性和阳离子表面活性剂可分别使剩余污泥生产有机酸的浓度达到226.4和861.4 mg·L-1(以COD计,下同),而空白试验中生成的有机酸浓度仅为3.2 mg·L-1.同时,剩余污泥的有机酸产量随表面活性剂加入量的增加而增加.当表面活性剂的加入量低于0.2 g·g-1时,用两性表面活性剂处理的剩余污泥中有机酸浓度仅为用阳离子表面活性剂处理的剩余污泥中有机酸浓度的50%;当表面活性剂的加入量增至0.3 g·g-1时,两者的有机酸最大产量接近.此外,表面活性剂的种类和加入量对有机酸的组成分布也有一定的影响.     

固体废物填埋场甲烷气生成与减少途径

填埋场为甲烷菌产生甲烷提供了厌氧条件和富有机质的环境。有资料表明,全球填埋场甲烷释放量估计值为9×10~6～70×10~6t/a。据研究表明,受湿度、温度、pH和营养成分诸多变量的影响,填埋废物的最大甲烷产量约为0.06～0.13m~3/kg(干重)。在一定区域,甲烷年产生速率变化可以超过一个数量级。填埋场甲烷的归宿有3个:被覆盖土中的甲烷氧化菌氧化为CO_2后释放;通过填埋场覆盖上直接释放到大气中;燃烧利用而产生CO_2。因此,有必要采取减少CH_4排放的措施。