生物覆盖层对垃圾填埋场甲烷的减量化研究

【摘要】：垃圾填埋场作为因人类活动排放甲烷的主要排放源之一,政府间气候变化大会(IPCC)预计其占因人类活动引起全球甲烷排放总量的18%。作为强温室效应气体,甲烷改变全球气候以及能与对流层中的氢氧自由基发生反应。两者之间的反应不但能减少大气层的氧化能力,而且还会增加对流层中臭氧的浓度,进而导致过早死亡率的上升以及威胁和破坏农业和生态系统。减少甲烷的释放不仅有助于甲烷的源和汇预算加速平衡,而且还能改变土壤中的碳氮循环。庭院垃圾的组成包括土壤、卵石、落叶、杂草以及玻璃碎片等,将这类废物直接填埋会增加填埋场库容压力,再分类利用又会导致额外的成本增加,堆肥又达不到应用质量要求,然而这类绿色垃圾一般都含有较高的有机质和其它营养物质,如氮磷钾等。一方面,含有堆肥产物、堆肥产物和木屑混合物或者土壤类混合物对比传统的粘土作为垃圾填埋场覆盖层都能增强覆盖层对甲烷的氧化能力,因为这类物质一般都具有较大的比表面积,这将有助于微生物的生长,且自身一般都富含甲烷氧化菌,这有利于减少微生物氧化的迟滞效应。另一方面,因含有较高有机质,将非常有利于增加介质的持水能力,导热系数相对较小,进而有利于抵抗外部环境温度的大幅波动。除此之外,还能减少因为干旱引起的传统粘土层的脱水导致裂隙(缝)的形成,降低造成甲烷泄漏的风险。本文的主要内容包括：1) 生物覆盖层对甲烷的氧化机理和影响因子,以及生物覆盖层野外设计和建设过程。2) 生物覆盖层的成分分析、渗透系数、扩散系数、持水曲线等物理参数、稳定化实验、以及通过实验室培育测量生物覆盖层材料的动力学参数等生化分析。3) 试验以示踪剂六氟化硫(SF6),C13同位素和静态箱法为主要测量手段,通过实验室培育和野外测量来量化庭院垃圾对甲烷的氧化能力。4) 考虑到有机质降解产生甲烷和非甲烷氧化茵类微生物呼吸作用释放出额外的二氧化碳条件下的质量守恒方法以及参数确定过程,并进行灵敏度分析。5) 量化生物覆盖层对甲烷氧化效能在野外条件下对季节交替变化下响应,并利用已有模型预测生物覆盖层的氧化性能对温度和含水率变化的响应。6) 生物覆盖层中气体通量分布调查,利用数值模拟工具对气体通量分布进行三维模拟以更好地理解生物覆盖层性质与气体输运过程。结果表明以庭院废物作为生物覆盖层材料可以有效地减少填埋场甲烷的释放,氧化性能随季节交替引起的温度和含水率变化而变化,在熟化时间较长且有机质含量相对较低的生物覆盖层的氧化性能可以通过含水率和温度相关的模型进行预测。气体通量分布呈现出明显的空间变异性,且与生物覆盖层物理属性如干密度和含水率分布有明显关系。此外,庭院垃圾中且容易因厌氧区的形成导致额外的甲烷产出,在不影响甲烷氧化效率前提下,可以通过削减生物覆盖层厚度的方式来减少甲烷的产物。 【关键词】：生物覆盖层 庭院垃圾 甲烷氧化 质量守恒
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X705
【目录】：

• 摘要6-8
• abstract8-12
• 第1章 绪论12-29
• 1.1 问题的提出12-17
• 1.2 国内外研究现状17-26
• 1.2.1 动力学与模型17-23
• 1.2.2 材料23
• 1.2.3 现场实验和工程应用23-26
• 1.3 研究的主要内容、目标与研究路线26-27
• 1.4 论文结构章节安排27-29
• 第2章 生物覆盖层氧化甲烷的机理与实验设计29-49
• 2.1 生物覆盖层氧化甲烷的机理29-31
• 2.2 生物覆盖层氧化甲烷的影响因子31-34
• 2.2.1 温度31-32
• 2.2.2 含水率32
• 2.2.3 pH值32-33
• 2.2.4 无机氮对甲烷氧化的影响33-34
• 2.2.5 胞外聚合物对甲烷的影响34
• 2.3 实验设计与测量方法34-49
• 2.3.1 实验设计34-39
• 2.3.2 庭院废物39-40
• 2.3.3 样品分析和呼吸试验40-43
• 2.3.4 持水曲线测量方法43-44
• 2.3.5 气体通量测量44-46
• 2.3.6 同位素方法46-47
• 2.3.7 温度,含水率和小型气象站47-48
• 2.3.8 实验室测量48-49
• 第3章 质量守恒方法及生物覆盖层氧化性能49-64
• 3.1 质量守恒方法49-51
• 3.2 参数的确定51-54
• 3.3 生物覆盖层氧化甲烷的性能变化54-64
• 3.3.1 混合气体导入量与生物覆盖层厚度的变化54-55
• 3.3.2 生物覆盖层中氧气浓度的变化55-57
• 3.3.3 生物覆盖层中温度变化情况57-58
• 3.3.4 生物覆盖层中含水率的变化58-61
• 3.3.5 覆盖层中短期甲烷氧化性能61-64
• 第4章 温度和含水率对甲烷氧化的影响64-74
• 4.1 室内数据67-69
• 4.2 野外数据69-70
• 4.3 综合影响70-74
• 第5章 生物覆盖层空间变异性74-86
• 5.1 气体通量分布74-76
• 5.2 生物覆盖层属性变异性76-77
• 5.3 回归分析77-80
• 5.4 数值模拟80-86
• 结论与讨论86-88
• 致谢88-89
• 参考文献89-103
• 攻读博士学位期间发表的论文10

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