甲烷氧化菌在填埋场覆盖层的工程应用 (Ⅰ):分离与筛选

选取了湖泊底泥、矿化垃圾、覆盖土和好氧污泥4种填埋场周边易得基质为分离源,采用驯化、传代培养、甲烷氧化能力及适应性等方法进行了适合于填埋场覆盖层应用的甲烷氧化菌的筛选研究.结果表明,从好氧污泥中分离得到的甲烷氧化菌较其它分离源得到的甲烷氧化菌具有更高的甲烷氧化活性(2461.29μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同)和甲烷氧化速率增幅(1045.56μg·h-1·g-1,以每g干污泥每小时氧化的CH4量(μg)计,下同),接种后能显著提高覆盖材料的甲烷氧化能力(p0.05),且不受CH4浓度的抑制.源自好氧污泥的甲烷氧化菌具有生长迟滞期短、生长速率高等特点,对填埋场的甲烷削减更具适应性,有利于工程扩大应用.     

覆盖层甲烷氧化动力学和甲烷氧化菌群落结构

基于实际填埋场覆盖土建立了可实时在线监测生物气的模拟覆盖层系统,连续监测了不同垂直梯度生物气浓度变化.甲烷通量不变时,覆盖层内不同梯度生物气浓度基本保持不变,系统持续稳定运行,甲烷通量变化后2~3 h生物气可再次持续稳定.考察了覆盖层甲烷氧化特性与甲烷通量的关系,深度大于20 cm,氧气浓度随甲烷通量的增大呈减小趋势,表层氧气浓度与甲烷通量无相关性,不同梯度的甲烷氧化速率与甲烷通量呈正相关(R2变化范围0.851~0.999).为避免覆盖土脱离系统环境造成的误差,以动态连续监测结果为基础,利用双基质Michaelis-Menten方程拟合了覆盖层甲烷氧化动力学(R2范围为0.902~0.955),得到覆盖土半饱和常数Km为0.157~0.729,Km随深度的增加而增大.利用高通量测序技术分析了原始覆盖土和经模拟覆盖层运行后的甲烷氧化菌群落结构,运行后甲烷氧化菌OUT数量显著增多,优势菌群为Ⅰ型菌的Methylobacter和Methylophilaceae及Ⅱ型菌Methylocystis.     

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。     

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.     

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.     

填埋场终场覆盖层甲烷氧化行为实验室模拟研究

利用和强化填埋场终场覆盖层土壤的甲烷氧化能力是控制填埋场温室气体排放的一种经济和有效的手段.以杭州天子岭填埋场终场覆土为研究对象,采用柱实验方法对填埋场终场覆盖层的甲烷氧化行为进行模拟研究.实验结果表明,模拟柱整体甲烷氧化速率由实验初始的3.33 mol·m-2·d-1增至8.33mol·m-2·d-1,表征了甲烷氧化菌群的生长与增殖;覆土层氧气的空间分布与其中的甲烷氧化活动有显著的交互影响,甲烷氧化活动在10～20 cm深度最为强烈;整个实验过程中,甲烷氧化后转化为二氧化碳的比例为51%,其余的碳被微生物所固定.     

填埋场覆盖材料的甲烷氧化能力及其影响因素研究

通过室内模拟试验比较了填埋场典型覆盖材料的CH4氧化特性,并进一步分析了温度、含水率和接种措施等对覆盖材料CH4氧化性能的影响.结果表明,覆盖材料的CH4氧化能力依次为陈腐垃圾＞老覆土＞堆肥＞新覆土;含水率对物料CH4氧化速率的影响较大,且影响程度与物料的物理特性有关,最佳含水率在25%左右;覆盖材料的CH4氧化能力随...     

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。     

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.     

甲烷胁迫下不同填埋场覆盖土的氧化活性及其菌群结构

对比研究了常规填埋场覆盖材料(粘土)和甲烷胁迫下垃圾生物处理后的材料(垃圾土)的甲烷氧化活性及其菌群结构.结果表明,粘土由于持水能力弱,其含水量较低,随着环境温度、降水等条件的变化,极易结块,从而影响其中甲烷氧化菌的生长;而垃圾土富含有机物,持水力强,空隙率高,有利于甲烷氧化菌的生长和繁殖.暴露于甲烷气流120 d后,垃圾土柱中下层土壤的甲烷氧化潜力达到了11.25～13.48 μmol/(g·h),是相应粘土层甲烷氧化潜力的10.4～24.5倍.土柱上层土壤由于水分蒸发、变干,抑制了其甲烷氧化活性.试验结束时,垃圾土柱甲烷氧化去除率达到了48.3%,是粘土柱的5～6倍.甲烷氧化菌TypeⅠ和TypeⅡ的生物标记物 PLFAs 16：1ω8c和18：1ω8c分析表明,土样的PLFA18：1ω8c含量与其甲烷氧化潜力具有很好的线性相关性.     

呼吸型填埋场覆盖层技术研究Ⅱ：呼吸型覆盖层的甲烷氧化性能研究

基于前期研究构建的热动力自充氧装置,研究了模拟呼吸型自充氧覆盖层（2.4m×0.85m×3.6m,长×宽×高）对甲烷氧化性能的影响.结果表明,在垃圾快速降解期内,40cm厚自充氧覆盖层中的O2含量始终保持在15%以上,释放到外界的填埋气中CH4含量在检出限以下,与传统覆盖层技术相比,CH4含量最大可削减76.5%.通气...     

硝酸盐和甲烷对覆土中苯系物厌氧氧化的影响

苯系物是填埋场填埋气中恶臭有机气体的重要成分之一,填埋气中的CH4则是重要的温室气体.填埋覆土层中的微生物可以氧化CH4和苯系物,因此,强化微生物的氧化效能有助于削减和控制填埋气的污染.电子受体还原可耦合甲烷和某些有机物的厌氧氧化,从而去除甲烷和有机物.鉴此,本研究通过静态培养试验,分析了电子受体SO2-4共存条件下,NO-3和CH4共存对覆土中苯系物厌氧降解的影响.结果表明不外加NO-3时,苯系物抑制CH4的降解,加入NO-3后,苯系物共存反而有利于CH4的去除;单独添加NO-3或CH4都能促进填埋覆土中苯系物的去除;而同时添加NO-3和CH4能更好地促进苯系物的去除,甲苯、二甲苯和异丙苯的去除率最高可达65%、88%和82%,远高于不添加NO-3和CH4对照处理的53%、76%和31%;NO-3还原与CH4厌氧氧化耦合过程能同步促进苯系物的厌氧氧化.     

生活垃圾填埋场甲烷自然减排的新途径:厌氧与好氧的共氧化作用

采用暴雨过后垃圾填埋表层30～60 cm的覆土、表层1.5 m以下的垃圾,以及刚刚开挖出来的9年矿化垃圾进行硫酸盐还原菌阳性反应试验,结果表明生活垃圾填埋体不同填埋层都存在不同数量级的硫酸盐还原菌,且底层矿化垃圾中的硫酸盐还原菌的数量最多,表层覆土中最少.颗粒大小比例为50%:50%的垃圾样品表现出最佳的甲烷好氧与厌氧...     

Interaction and independence on methane oxidation of landfill cover soil among three impact factors: water, oxygen and ammonium

To understand the influence patterns and interactions of three important environmental factors, i.e. soil water content, oxygen concentration, and ammonium addition, on methane oxidation, the soils from landfill cover layers were incubated under full factorial parameter settings. In addition to the methane oxidation rate, the quantities and community structures of methanotrophs were analyzed to determine the methane oxidation capacity of the soils. Canonical correspondence analysis was utilized to distinguish the important impact factors. Water content was found to be the most important factor influencing the methane oxidation rate and Type II methanotrophs, and the optimum value was 15% (w/w), which induced methane oxidation rates 10- and 6- times greater than those observed at 5% (w/w) and 20% (w/w), respectively. Ambient oxygen conditions were more suitable for methane oxidation than 3% oxygen. The addition of 100 mg-N·kg_drysoil⁻¹ of ammonium induced different effects on methane oxidation capacity when conducted at low or high water content. With regard to the methanotrophs, Type II was sensitive to the changes of water content, while Type I was influenced by oxygen content. Furthermore, the methanotrophic acidophile, Verrucomicrobia, was detected in soils with a pH of 4.9, which extended their known living environments.     

生物反应器填埋条件下垃圾生物质组分的初期降解规律

在经甲烷化填埋层渗滤后的渗滤液循环回灌的新鲜垃圾填埋层内,以生物质分类表征为基础,分析了新鲜垃圾填埋层内固相各生物质组分（总糖、蛋白质、脂肪、纤维素和木质素）的初期降解规律.结果表明,垃圾中原有总糖组分和蛋白质的快速水解发酵是新鲜垃圾填埋后产生高有机质浓度渗滤液的主要机制;脂肪和纤维素的降解产物不是填埋初期高有机质浓度渗滤液的主要来源;纤维素是填埋层稳定产甲烷阶段的主要碳源,其水解速率可能是甲烷化过程的限速步骤;纤维素/木质素之质量比可作为指示填埋垃圾稳定化的指标.各生物质组分的初期降解速率常数均在0.01至0.1之间,而填埋气体中甲烷体积分数在60d内达到45%.食品垃圾组分富集的生活垃圾,应用生物反应器填埋技术时,必须具备足够的降解容量以代谢填埋初期固相中总糖和蛋白质快速水解产生的酸性液相产物.     

硫化氢对填埋场生物炭改性覆土的甲烷氧化的影响

填埋场覆土中甲烷氧化菌的生物氧化作用,是填埋场CH4最主要的自然减排途径,但通常传统的覆土材料CH4氧化能力并不足.生物炭可用于强化填埋场覆土的CH4氧化性能,同时,填埋气中的硫化氢(H2S)也易被生物炭吸附转化,可能为CH4氧化带来潜在影响,需要进一步探究和揭示.在前期实验基础上,设计了一种生物炭改性覆土材料,接种富...     

生活垃圾处理的碳排放和减排策略

利用质量平衡模型,在核算生活垃圾处理技术碳排放的基础上,通过低碳化程度评价方法,建立了面向不同层次需求的生活垃圾低碳化策略.研究结果表明,餐厨垃圾产沼利用、生活垃圾填埋气收集利用和焚烧发电的低碳化程度最高,分别为93.7%、75.3%和71.0%.在不具备上述处理条件的地区,可以采用准好氧填埋,或在填埋之前进行好氧稳定预处理实现碳减排,其低碳化程度分别为61.8%和56.7%.根据目前生活垃圾的处理情况,估算我国每年生活垃圾处理过程将形成甲烷排放超过600万t,总碳排放约1.5亿t;而通过实施低碳化处理策略,2015年甲烷排放可减少至约500万t,总碳排放减少至1.3亿t.     

含水率和温度对生物覆盖层甲烷氧化的影响

含水率和温度均是影响微生物活动的重要因子,为更好地理解两者在野外条件下因季节交替引起的变化对生物覆盖单元中甲烷氧化的影响,本文利用实验室模型验证了两者在野外条件下对不同有机质含量(38%和61%)的生物覆盖单元甲烷氧化率的单因素和综合影响.模型预测与实验室结果对比表明,模型均能较好地描述含水率和温度对生物覆盖单元中甲烷氧化效率的单因子影响.预测结果表明,因后期降水较少,含水率均限制了两个单元的甲烷氧化性能.在两者的综合影响预测上,38%有机质含量单元的实测值与预测值有较显著的线性关系,但61%有机质含量单元则无明显线性关系,这表明运用模型预测温度和含水率对高有机质单元甲烷氧化性能的影响时存在不确定性.