填埋場(chǎng)生物覆蓋層及其降解甲烷氣體行為研究

1、從研究我國(guó)典型垃圾填埋場(chǎng)甲烷排放的典型濃度和通量范圍入手，確定填埋場(chǎng)生物覆蓋層甲烷氧化的基本指導(dǎo)參數(shù)；制備各種規(guī)格的嗜甲烷菌基質(zhì)，研究評(píng)價(jià)其作為生物覆蓋層材料的性能；提出生物覆蓋層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)驗(yàn)室建造相應(yīng)的模擬裝置；開(kāi)展甲烷在生物覆蓋層內(nèi)的降解動(dòng)力學(xué)研究，闡釋不同排放條件下，甲烷在不同生物覆蓋層構(gòu)造中的降解規(guī)律。本研究旨在探索適合中國(guó)國(guó)情的填埋場(chǎng)甲烷減排理論和技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)有效的減少我國(guó)溫室氣體排放開(kāi)辟新的途徑。填埋場(chǎng)，生物覆蓋層，甲烷氧化Landfill Bio-cover and its Mechanismfor MethaneDegradationLandfill, bio-cov

2、er, methane oxidation填埋場(chǎng)生物覆蓋層及其降解甲烷氣體行為研究報(bào)告正文（一） 立項(xiàng)依據(jù)與研究?jī)?nèi)容（4000-8000字）：1、 項(xiàng)目的立項(xiàng)依據(jù)（附主要的參考文獻(xiàn)目錄）。隨著京都議定書(shū)于2005年2月26日的正式生效，垃圾填埋場(chǎng)CH4作為最具潛力的溫室氣體減排領(lǐng)域，正在全世界范圍內(nèi)形成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的熱潮（張相鋒，2006）。垃圾填埋場(chǎng)是CH4最大的人類活動(dòng)釋放源，據(jù)估計(jì)2000年全球垃圾填埋場(chǎng)釋放的CH4為8.42億噸當(dāng)量CO2，占當(dāng)年CH4釋放總量的13，其中來(lái)自美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯和烏克蘭的填埋場(chǎng)CH4釋放占全球填埋場(chǎng)CH4釋放的47；至2020年，填埋場(chǎng)CH4釋放將占全球CH

3、4釋放總量的19（USEPA，2005）。我國(guó)的城市生活垃圾處理處置以填埋為主，據(jù)預(yù)測(cè)至2020年我國(guó)填埋場(chǎng)CH4排放將達(dá)35990萬(wàn)噸當(dāng)量CO2，占全國(guó)CH4總排放量的31.6 （趙玉杰等，2004）。目前，垃圾填埋場(chǎng)相關(guān)的溫室氣體減排技術(shù)主要有CH4能源回收、焚燒以及生物氧化（張相鋒，2006）。其中，垃圾填埋場(chǎng)CH4氣體能源回收技術(shù)和火炬焚燒技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且該技術(shù)已經(jīng)被寫(xiě)入政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC）的相關(guān)技術(shù)報(bào)告（IPCC，2000；CDM Executive Board，2004）。只有規(guī)模較大的生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)CH4具備能源回收潛力，其余垃圾填埋場(chǎng)的CH4只能以火炬焚燒

4、的形式進(jìn)行處理（USEPA，1996）。而火炬焚燒法需要昂貴的設(shè)備，且CH4濃度低于20 %時(shí)需要輔助燃料。對(duì)我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家而言，垃圾產(chǎn)氣潛力和填埋場(chǎng)規(guī)模和管理水平均明顯低于發(fā)達(dá)國(guó)家，經(jīng)濟(jì)可行的垃圾填埋場(chǎng)CH4能源回收項(xiàng)目較少；火炬焚燒投入大又沒(méi)有回報(bào)，在我國(guó)少見(jiàn)實(shí)施。借助清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）的融資，垃圾填埋場(chǎng)CH4能源回收和火炬焚燒項(xiàng)目有望在我國(guó)得以大量開(kāi)展（張相鋒，2006）。值得注意的是，填埋場(chǎng)CH4能源回收和火炬焚燒的前提是收集到足夠多的CH4氣體。即使是在美國(guó)這樣的發(fā)達(dá)國(guó)家，垃圾填埋場(chǎng)釋放氣體的收集效率也只能保持在75左右（USEPA，2003）。而我國(guó)正在開(kāi)展的幾個(gè)垃圾填埋

5、場(chǎng)CH4回收項(xiàng)目的氣體收集效率估計(jì)在5568（EcoSecurities Ltd., 2005；Millennium Capital Services, 2004）。這意味著，即使開(kāi)展CH4的能源回收，我國(guó)垃圾填埋場(chǎng)CH4仍將有3245%無(wú)控釋放到大氣環(huán)境中。而且，我國(guó)的垃圾填埋場(chǎng)中小型居多，不具備能源回收條件，城市經(jīng)濟(jì)水平低，無(wú)法實(shí)施填埋氣火炬焚燒技術(shù)，大量的CH4持續(xù)無(wú)控排放。同時(shí)，我國(guó)垃圾的特點(diǎn)是廚余比例高，CH4產(chǎn)生速度快，下降速度也快，產(chǎn)氣高峰往往在填埋場(chǎng)封場(chǎng)不久迅速結(jié)束，屆時(shí)CH4的釋放速率和濃度將明顯下降，可能不再具備能源回收和火炬焚燒的基本條件?？紤]到國(guó)際社會(huì)要求我國(guó)減排溫室氣

6、體的壓力日益增大（美國(guó)退出京都議定書(shū)即為一例），開(kāi)展適合中國(guó)國(guó)情的垃圾填埋場(chǎng)CH4替代減排技術(shù)研究，對(duì)于像我國(guó)這樣的高溫室氣體排放國(guó)家至關(guān)重要。利用填埋場(chǎng)覆蓋土層中嗜甲烷菌（Methanotrophic Bacteria）的作用將高GWP（Global Warming Potential）的CH4氧化為CO2，可以有效降低填埋場(chǎng)的CH4排放強(qiáng)度，是一種極具潛力的填埋場(chǎng)溫室氣體減排技術(shù)（Hanson, 1996；Barlazet al.,2004；Bergeret al.,2005）。項(xiàng)目的研究將提高對(duì)生物覆蓋層設(shè)計(jì)及其CH4降解機(jī)理的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化生物覆蓋層的CH4氧化能力，填補(bǔ)我國(guó)在該領(lǐng)域的研究

7、空白，為我國(guó)在未來(lái)履行溫室氣體減排承諾提供技術(shù)儲(chǔ)備。本研究不僅具有深廣的生產(chǎn)背景，而且具有重大的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。盡管人們已經(jīng)從多種水生好氧環(huán)境中分離出嗜甲烷菌，但垃圾填埋場(chǎng)表層土壤中的CH4生物氧化研究起步較晚（Anthony, 1982；Whalenet al., 1990）。美國(guó)的Whalen等（1990）較早開(kāi)展了填埋場(chǎng)覆蓋土CH4氧化能力的研究，氧化能力可達(dá)45g·m-2·day-1，遺憾的是該文獻(xiàn)沒(méi)有指出相應(yīng)的土壤類型，實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間也僅數(shù)小時(shí)，不足以反映真實(shí)的CH4微生物氧化能力。隨后人們發(fā)現(xiàn)，土壤類型對(duì)CH4氧化能力影響較大：肥沃的土壤持水力強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)豐

8、富，更有利于CH4氧化過(guò)程的進(jìn)行，CH4氧化能力可達(dá)15mol · m-2· day-1；粗砂土孔隙率大，導(dǎo)氣性好，CH4氧化能力可達(dá)10.4 mol · m-2· day-1，CH4氧化率達(dá)61；黏土和細(xì)砂導(dǎo)氣性差，CH4氧化能力稍低，分別為6.8 mol · m-2· day-1和6.9 mol · m-2· day-1，CH4氧化率分別40和41（Kightleyet al., 1995；Börjessonet al., 1998；Visscheret al., 1999）。受填埋場(chǎng)覆蓋層條件的影響

9、，氧氣的傳輸往往受到限制，CH4氧化主要發(fā)生在表面30cm以內(nèi)（Visscheet al., 1999）。氣候條件、環(huán)境條件（溫度、水分）、營(yíng)養(yǎng)條件（氮源等）以及CH4的本底濃度（新舊填埋場(chǎng)）對(duì)CH4氧化能力有不同程度的影響。在夏季，新填埋場(chǎng)的CH4氧化率在4150，舊填埋場(chǎng)的CH4氧化率在6094；到了冬季，特別是溫度低于零度，填埋場(chǎng)的CH4氧化幾乎停止（Börjessonet al., 2001）。不同溫度條件下的嗜甲烷菌種群各不相同，型嗜甲烷菌在低溫條件下（510）生長(zhǎng)迅速，而型嗜甲烷菌在20以上才開(kāi)始快速生長(zhǎng)（Börjessonet al., 2004）。在CH4本

10、底濃度較低的條件下，NH4+對(duì)CH4氧化能力的影響最大，土壤含水率次之，溫度的影響最?。籒H4+的添加對(duì)CH4氧化的影響更多是由于硝化作用和CH4氧化作用間相互競(jìng)爭(zhēng)O2，而不是NH4+濃度本身；土壤最佳含水率為15.618.8，大約為土壤最大持水力的50，超過(guò)該范圍均不利于嗜甲烷菌的生長(zhǎng)；最佳溫度隨土壤含水率的升高（5%30）呈下降（3020）趨勢(shì)（Boeckxet al., 1996）。進(jìn)一步的研究表明，NH4+對(duì)CH4氧化的影響取決于CH4的本底濃度：在低濃度CH4條件下，如< 5 %，NH4+供應(yīng)過(guò)多，會(huì)抑制CH4的氧化；而在高濃度CH4條件下，添加NH4+可補(bǔ)充氮源，反而能刺激C

11、H4的氧化（Visscher and Cleemput, 2003）。1997年UNFCCC 締約方第三次大會(huì)（COP3）通過(guò)京都議定書(shū)，全世界就溫室氣體減排基本達(dá)成共識(shí)，CH4生物氧化作為一種潛在的填埋場(chǎng)CH4低成本減排替代技術(shù)開(kāi)始引起學(xué)者的興趣，人們開(kāi)始考慮將堆肥物的有機(jī)質(zhì)含量高、持水力大、多孔性、微生物豐富等特性與填埋場(chǎng)覆蓋層土壤的CH4生物氧化功能相結(jié)合，從而強(qiáng)化CH4的生物氧化功能（Humer and Lechner, 1999；Dammannet al.,1999）。相關(guān)的研究總體可分為生物覆蓋層和生物過(guò)濾器兩類，生物覆蓋層旨在替代填埋場(chǎng)原有的每日覆蓋層、中間覆蓋層和最終覆蓋層，同

12、時(shí)減少CH4的排放強(qiáng)度；而生物過(guò)濾器是在填埋場(chǎng)外建造工程設(shè)施，減少CH4的排放。澳大利亞的Humer and Lechner（1999）較早開(kāi)展了堆肥覆蓋層的CH4氧化能力研究，覆蓋層材料分別為垃圾堆肥物、污泥堆肥物、填埋場(chǎng)表層土和花園肥沃土，在模擬填埋場(chǎng)CH4的排放條件下，熟化60周的垃圾堆肥物的CH4氧化能力明顯高于土壤類覆蓋層材料，幾乎能氧化所有老年填埋場(chǎng)排放的CH4，但熟化20周的污泥堆肥物甚至觀察不到CH4的明顯氧化，說(shuō)明覆蓋層材料的性質(zhì)對(duì)于CH4氧化能力影響巨大。美國(guó)的Barlaz等（2004）在填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了近14個(gè)月的生物覆蓋層CH4減排能力研究，生物覆蓋層以庭院堆肥物為主要

13、結(jié)構(gòu)層，輔以植被層和排水層，生物覆蓋層的CH4排放通量保持在-1.731.33 g · m-2· day-1，即使在填埋場(chǎng)氣體回收系統(tǒng)停止運(yùn)行的時(shí)間段，生物覆蓋層的CH4排放強(qiáng)度也沒(méi)有明顯增加，而對(duì)應(yīng)的土壤覆蓋層在氣體回收系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，CH4排放通量高達(dá)15g · m-2· day-1；試驗(yàn)采用穩(wěn)定碳同位素分析技術(shù)測(cè)定CH4氧化率，發(fā)現(xiàn)生物覆蓋層的CH4氧化率約為55，明顯高于土壤覆蓋層的21。Berger等（2005）在人工環(huán)境室內(nèi)開(kāi)展了33周模擬填埋場(chǎng)密封層和最終覆蓋層的4層復(fù)合生物覆蓋層中試研究，研究分別模擬了氣溫、降雨等各種氣候條件對(duì)CH4氧化

14、的影響，監(jiān)測(cè)了不同深度氣體濃度的變化，發(fā)現(xiàn)模擬降水前CH4最大氧化速率發(fā)生在約30cm處，但降水后氧化能力下降，且出現(xiàn)CH4氧化最大值的位置上移，由此推斷氧氣向下擴(kuò)散受限是影響系統(tǒng)性能的最重要因素，應(yīng)設(shè)計(jì)更為合理的生物覆蓋層系統(tǒng)。德國(guó)的Dammann等（1999）較早開(kāi)展了堆肥生物濾池的CH4氧化模擬研究，1.7（v/v）的CH4在堆肥生物濾池（H27cm，24cm）內(nèi)的氧化能力最高可達(dá)53 g/m3·h（折合294.5mol· m-2· day-1），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤的CH4氧化能力（Kightleyet al., 1995；Visscheret al., 1999

15、）。Gebert等（2003）用多孔黏土丸作為過(guò)濾材料，設(shè)計(jì)了一種5層植草生物過(guò)濾器，進(jìn)行了低濃度（3%v/v）CH4氧化動(dòng)力學(xué)研究，獲得了高達(dá)109 g /m3·h的CH4氧化速率；研究還發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度對(duì)CH4氧化影響顯著，當(dāng)氧氣濃度低于1.72.6（v/v）時(shí)，CH4氧化活動(dòng)幾乎停止。Streese等（2003）研究對(duì)比了單一過(guò)濾材料（庭院堆肥物）和復(fù)合過(guò)濾材料（等量的庭院堆肥物、草炭、云杉纖維混合組成）的生物濾池CH4氧化性能，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾材料為庭院堆肥物的試驗(yàn)裝置在良好運(yùn)行進(jìn)行5個(gè)月后，過(guò)濾器內(nèi)產(chǎn)生了胞外聚合物（EPS）堵塞孔隙，CH4氧化能力下降，而復(fù)合過(guò)濾材料的過(guò)濾器一直運(yùn)行

16、良好，CH4氧化速率可達(dá)20g/m3·h。Wilshusen等（2004）的研究發(fā)現(xiàn)，在高O2濃度條件下，應(yīng)用樹(shù)葉堆肥物進(jìn)行CH4氧化時(shí)所產(chǎn)生的EPS是低O2濃度條件下的250，這意味著O2供應(yīng)并非多多益善。德國(guó)的Gebert等（2004）在填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了生物過(guò)濾法高濃度（56 v/v）CH4氧化研究，CH4去除效率達(dá)63，采用磷脂肪酸分析法（PLFA）分析生物濾池內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，在生物濾池的不同深度存在不同的微生物群落。與臭氣凈化相比，生物濾池法氧化CH4速度慢，所需占地是臭氣生物濾池的100倍，這必將成為該技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸因素。我國(guó)在填埋場(chǎng)CH4氧化方面的研究少見(jiàn)報(bào)道

17、。綜合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究，主要取得以下成果：認(rèn)識(shí)到填埋場(chǎng)覆蓋土層有CH4氧化能力；初步理解了土壤類型、氣候、環(huán)境條件、營(yíng)養(yǎng)條件等復(fù)雜因素對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋土層CH4氧化能力的影響；認(rèn)識(shí)到生物覆蓋層和生物過(guò)濾器的CH4氧化能力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)覆蓋土層；認(rèn)識(shí)到堆肥物在CH4氧化研究中的巨大作用。還存在下列問(wèn)題有待進(jìn)一步解決：填埋場(chǎng)的CH4排放強(qiáng)度在0.00044000 g · m-2· day-1變化很大（Bogneret al., 1997），我國(guó)填埋場(chǎng)CH4的排放規(guī)律和覆蓋土壤層CH4氧化能力尚不清楚，缺乏準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；沒(méi)有科學(xué)的生物覆蓋層材料質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，材料選擇隨意性大，導(dǎo)致CH4

18、氧化效果不穩(wěn)定（Humer and Lechner, 1999；Streeseet al., 2003）；植被是傳統(tǒng)覆蓋層的一部分，在目前的生物覆蓋層研究中很少考慮植被的功能；生物覆蓋層設(shè)計(jì)處于摸索階段，尚未提出可靠的生物覆蓋層設(shè)計(jì)方法；生物覆蓋層內(nèi)的CH4氧化動(dòng)力學(xué)機(jī)制還不清楚。參考文獻(xiàn)：Anthony, C., 1982. Biochemistry of Methylotrophs. Academic Press, Inc., New York.Barlaz, M.A., R.B. Green, J.P. Chanton et al., 2004. Evaluation of a Biol

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32、12(4): 217-219.2、 項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo),以及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題。研究目標(biāo)：² 調(diào)查研究我國(guó)典型填埋場(chǎng)的CH4排放規(guī)律，為本研究提供基本數(shù)據(jù)，為我國(guó)參加氣候變化的政府間談判提供一定的數(shù)據(jù)支持；² 開(kāi)發(fā)出適合中國(guó)國(guó)情的填埋場(chǎng)生物覆蓋層CH4減排技術(shù)，為經(jīng)濟(jì)有效的減少我國(guó)溫室氣體排放開(kāi)辟新的途徑；² 揭示CH4在生物覆蓋層內(nèi)的降解行為。研究?jī)?nèi)容：（一）我國(guó)典型填埋場(chǎng)的CH4排放² 監(jiān)測(cè)典型填埋場(chǎng)的CH4排放速率和排放濃度；² 研究典型填埋場(chǎng)的CH4排放規(guī)律；（二）生物覆蓋層材料質(zhì)量評(píng)價(jià)² 各種生物覆蓋層材料的制備及其物性

33、分析；² 各種自制堆肥物做嗜甲烷菌載體時(shí)的CH4氧化動(dòng)力學(xué)，評(píng)價(jià)相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，作為相應(yīng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)依據(jù)。（三）生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)² 單一生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)；² 復(fù)合生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)（含水氣分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)）。（四）CH4在生物覆蓋層內(nèi)的降解行為² CH4在生物覆蓋層內(nèi)的降解動(dòng)力學(xué)；² 不同生物覆蓋層構(gòu)造的CH4降解規(guī)律；² 不同CH4排放條件（濃度、通量）下的生物覆蓋層CH4降解規(guī)律；² 植被生長(zhǎng)對(duì)生物覆蓋層內(nèi)CH4降解的影響。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題： 典型填埋場(chǎng)的篩選與CH4排放監(jiān)測(cè)； 各種堆肥物的制備； 生物覆蓋層構(gòu)造要滿足C

34、H4降解的特殊需要：持水力強(qiáng)、滲透性強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)含量高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、生物穩(wěn)定性好等； CH4通量和濃度變化的條件下，生物覆蓋層系統(tǒng)的穩(wěn)定性； 不同嗜甲烷菌載體條件和不同生物覆蓋層構(gòu)造條件下，CH4降解動(dòng)力學(xué)分析； 植物在生物覆蓋層降解CH4中的作用分析。3、 擬采取的研究方案及可行性分析。研究方案：本研究首先選擇若干個(gè)典型的垃圾填埋場(chǎng)，確定我國(guó)填埋場(chǎng)CH4排放的典型濃度范圍和通量范圍，作為生物覆蓋層CH4氧化的基本運(yùn)行參數(shù)；然后，制備各種規(guī)格的天然土壤和堆肥物，作為嗜甲烷菌的固相載體，并通過(guò)研究，確定生物覆蓋層材料的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；針對(duì)CH4氧化對(duì)覆蓋層的特殊要求，同時(shí)結(jié)合填埋場(chǎng)對(duì)每日覆蓋層和最

35、終覆蓋層的不同要求，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，分別設(shè)計(jì)出單一生物覆蓋層和復(fù)合生物覆蓋層結(jié)構(gòu)，以滿足填埋場(chǎng)不同運(yùn)行階段對(duì)覆蓋層的要求；最后分別建造若干實(shí)驗(yàn)室水平的生物覆蓋層，開(kāi)展CH4在生物覆蓋層內(nèi)的降解動(dòng)力學(xué)研究，揭示不同生物覆蓋層構(gòu)造的CH4降解規(guī)律，揭示不同CH4排放條件（濃度、通量）下的生物覆蓋層CH4降解規(guī)律，以及考察植被生長(zhǎng)對(duì)生物覆蓋層內(nèi)CH4降解的影響；最終整合研究成果，得到一整套適合中國(guó)國(guó)情的填埋場(chǎng)生物覆蓋層CH4減排理論和技術(shù)，為在中試尺度上進(jìn)一步開(kāi)展填埋場(chǎng)生物覆蓋層CH4減排研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（一）我國(guó)典型填埋場(chǎng)的CH4排放研究結(jié)合我國(guó)填埋場(chǎng)運(yùn)行情況和垃圾填埋深度，選擇4個(gè)典型填

36、埋場(chǎng)，用靜態(tài)通量箱技術(shù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)填埋場(chǎng)的填埋氣排放通量，現(xiàn)場(chǎng)采集填埋氣體，回實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜分析其CH4濃度，從而確定CH4的排放速率和排放濃度。該項(xiàng)研究計(jì)劃在一年內(nèi)完成，每個(gè)填埋場(chǎng)分別在春夏秋冬四個(gè)季節(jié)里分4次監(jiān)測(cè)，每次監(jiān)測(cè)持續(xù)3天的時(shí)間。主要目標(biāo)是獲得各填埋場(chǎng)在不同氣象條件下的CH4排放數(shù)據(jù)，作為開(kāi)發(fā)適合中國(guó)國(guó)情的填埋場(chǎng)生物覆蓋層研究的基本依據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)，還可分析研究我國(guó)典型填埋場(chǎng)的CH4排放規(guī)律，為我國(guó)參加氣候變化的政府間談判提供一定的數(shù)據(jù)支持。（二）生物覆蓋層材料質(zhì)量評(píng)價(jià)生物覆蓋層的備選材料包括主要功能材料和輔助材料。主要功能材料是指可作為嗜甲烷菌固相載體的材料，輔助材料主要包括用于

37、植被生長(zhǎng)、布水布?xì)庖约坝糜谠鰪?qiáng)氧氣傳輸性能的的材料。鑒于研究報(bào)道某些堆肥物的CH4最大氧化能力顯著高于天然土壤，某些堆肥物又不具備此種能力，本研究擬廣泛考察各種堆肥物的潛在CH4氧化性能，進(jìn)而提出其質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。1堆肥物制備選擇有機(jī)城市垃圾、市政污水廠污泥、農(nóng)業(yè)秸稈、畜禽糞便等富含有機(jī)成分的固體廢物，用先進(jìn)的堆肥工藝堆積30300天，制作出不同生物穩(wěn)定化性能的堆肥物12種，分析其生物穩(wěn)定度、有機(jī)質(zhì)含量、持水力、孔隙度、N的各種組分、pH值等可能影響其CH4氧化性能的參數(shù)。2堆肥物CH4氧化動(dòng)力學(xué)分析開(kāi)展堆肥物CH4氧化接種試驗(yàn)，CH4接種濃度分別為2.5，5，10，20，40和60%的條件下，

38、研究12種堆肥物的CH4氧化動(dòng)力學(xué)，建立動(dòng)力學(xué)方程，獲得相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)：CH4最大氧化速率值Vmax和反應(yīng)速率常數(shù)k。將動(dòng)力學(xué)參數(shù)Vmax和k作為關(guān)鍵參數(shù)，將堆肥物按CH4氧化性能分為5個(gè)等級(jí)，作為評(píng)價(jià)堆肥物作為嗜甲烷菌固相載體的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3輔助材料評(píng)價(jià)用于植被生長(zhǎng)的材料選自填埋場(chǎng)表層覆蓋土。植被材料選擇應(yīng)用廣泛的黑麥草。用于布水布?xì)饧霸鰪?qiáng)氧氣傳輸能力的材料主要包括：粗砂、陶粒、中砂。測(cè)試輔助材料的相關(guān)物性，如滲透系數(shù)、持水力、孔隙度等，并按照透水、透氣性能將材料分為5個(gè)等級(jí)，作為輔助材料的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。（三）生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)分為單一生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)和復(fù)合生物覆蓋層

39、構(gòu)造設(shè)計(jì)。單一生物覆蓋層用于替代傳統(tǒng)填埋場(chǎng)的每日覆蓋層和中間覆蓋層，復(fù)合生物覆蓋層用于替代傳統(tǒng)填埋場(chǎng)的最終覆蓋層。1單一生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)上主要考慮覆蓋層厚度和覆蓋材料的配合比。擬設(shè)計(jì)1550cm厚度的生物覆蓋層，選用堆肥物、陶粒、中粗砂為基本材料，以堆肥物CH4氧化潛力等級(jí)、混合料的透水透氣等級(jí)為基本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出6個(gè)單一生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)方案，并搭建相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。2復(fù)合生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)上考慮既保持傳統(tǒng)覆蓋層的基本功能，又強(qiáng)化生物覆蓋層的CH4氧化功能。為此，擬設(shè)計(jì)厚度在50120cm的復(fù)合生物覆蓋層，主要包括：CH4氧化層、水氣分布層、弱透水層及最上層的黑麥草。最終設(shè)計(jì)出6

40、個(gè)復(fù)合生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)方案，并搭建相應(yīng)的試驗(yàn)裝置。（四）CH4在生物覆蓋層內(nèi)的降解行為結(jié)合所調(diào)查的4個(gè)典型填埋場(chǎng)的CH4排放通量和排放濃度，確定模擬試驗(yàn)的4種CH4負(fù)荷：高濃度、高通量，高濃度、低通量，低濃度、高通量，低濃度、低通量。擬用1218個(gè)月的時(shí)間，研究CH4在生物覆蓋層內(nèi)的降解動(dòng)力學(xué)機(jī)制，著重考察：1生物覆蓋層構(gòu)造對(duì)CH4降解性能的影響：對(duì)6個(gè)單一生物覆蓋層和6個(gè)復(fù)合生物覆蓋層分別進(jìn)行不同CH4負(fù)荷的CH4氧化試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為3個(gè)月。測(cè)試相應(yīng)的CH4氧化能力、生物覆蓋層不同部位的CH4濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、pH、氧化還原電位等參數(shù)，分析其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，評(píng)價(jià)各生物覆蓋層的性能。

41、將最佳單一生物覆蓋層設(shè)計(jì)和復(fù)合生物覆蓋層設(shè)計(jì)用于后續(xù)研究的試驗(yàn)裝置建造。2供氧方式對(duì)CH4降解能力的影響：供氧方式分為表面擴(kuò)散供氧和底部強(qiáng)制供氧。其中，底部強(qiáng)制供氧又可分為3種供氧水平。本研究擬選擇高濃度、高通量和高濃度、低通量對(duì)2個(gè)生物覆蓋層分別進(jìn)行不同供氧方式的CH4氧化試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為3個(gè)月。測(cè)試相應(yīng)的CH4氧化能力、生物覆蓋層不同部位的CH4濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、pH、氧化還原電位等參數(shù)，分析氧氣對(duì)生物覆蓋層CH4氧化的動(dòng)態(tài)影響，評(píng)價(jià)兩種生物覆蓋層對(duì)氧氣供應(yīng)的響應(yīng)能力。3營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)CH4氧化性能的影響：本研究擬分別添加2種劑量的硝態(tài)氮/氨態(tài)氮，測(cè)試相應(yīng)的CH4氧化能力、生物覆蓋層

42、不同部位的CH4濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、pH、氧化還原電位等參數(shù)，分析氮源對(duì)生物覆蓋層CH4氧化的動(dòng)態(tài)影響，評(píng)價(jià)兩種生物覆蓋層對(duì)氮源供應(yīng)的響應(yīng)能力。4氣候條件變化對(duì)CH4降解性能的影響：擬模擬3種降雨條件，考察在降雨前后兩種生物覆蓋層不同部位的CH4濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、pH、氧化還原電位等參數(shù)的變化，分析降雨對(duì)CH4降解性能的影響，評(píng)價(jià)兩種生物覆蓋層對(duì)降雨的響應(yīng)能力。5植被生長(zhǎng)對(duì)生物覆蓋層內(nèi)CH4降解的影響：以黑麥草為例，考察有植被和沒(méi)有植被時(shí)，兩種復(fù)合生物覆蓋層不同部位的CH4濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、pH、氧化還原電位等參數(shù)的變化，分析植被對(duì)CH4降解性能的影響，特別注意考察

43、植被的氧氣輸送能力?？尚行苑治觯禾盥駡?chǎng)覆蓋層中的CH4氧化研究已經(jīng)有十幾年的歷史，人們已經(jīng)比較透徹的理解了天然土壤中CH4氧化的內(nèi)在機(jī)制。本研究提出的生物覆蓋層內(nèi)CH4降解行為，是以人造堆肥物為主要研究對(duì)象，天然土壤中CH4的氧化行為研究成果為本研究的順利進(jìn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。最近，應(yīng)用堆肥物作為生物覆蓋層和生物過(guò)濾器的主要材料用于強(qiáng)化CH4氧化也有一些報(bào)道，但研究比較凌亂。本項(xiàng)目提出的生物覆蓋層設(shè)計(jì)和材料質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是在這些研究的基礎(chǔ)上提出的，可以為生物覆蓋層的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支持。項(xiàng)目申請(qǐng)者一直從事有機(jī)固體廢物生物處理的科學(xué)研究工作，積累了較為豐富的科研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目申請(qǐng)者曾作為國(guó)

44、家環(huán)?？偩掷盥駳忭?xiàng)目咨詢專家參與了國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)垃圾填埋氣CDM項(xiàng)目前期開(kāi)發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)的情況比較熟悉，在典型填埋場(chǎng)的篩選與監(jiān)測(cè)方面有較好的基礎(chǔ)。項(xiàng)目申請(qǐng)者已經(jīng)著手試驗(yàn)平臺(tái)的搭建，并擬在近期開(kāi)展預(yù)備試驗(yàn)研究，有望在本項(xiàng)目的資助下，將研究推向深入。項(xiàng)目組中既有熟悉堆肥物制備的教師，又有熟悉垃圾填埋工程和植被恢復(fù)的科研人員，還有一批富有朝氣的博碩士研究生，實(shí)現(xiàn)了學(xué)科領(lǐng)域的交叉互補(bǔ)和科研力量的優(yōu)化組合。這種合理的研究梯隊(duì)是本研究所有目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)的人力保障。申請(qǐng)者所在單位北京師范大學(xué)是環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的依托單位之一，學(xué)院有氣相色譜-質(zhì)譜儀(GC-MS)、高壓液相色譜儀、激光掃描

45、顯微鏡等大型儀器設(shè)備，能夠提供研究所需的自動(dòng)化堆肥反應(yīng)器、小型測(cè)試儀器及處理數(shù)據(jù)所需的軟、硬件設(shè)備。這些良好的軟硬件設(shè)施是本項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容順利開(kāi)展的物質(zhì)保障?？傊?，本項(xiàng)目研究無(wú)論從技術(shù)支撐、人員組成和設(shè)備條件方面都能保證整個(gè)計(jì)劃的順利進(jìn)行，有望通過(guò)學(xué)科交叉在填埋場(chǎng)溫室氣體減排技術(shù)方面取得突破性的研究成果。4、 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處。本項(xiàng)目創(chuàng)新之處l 首次在我國(guó)開(kāi)展填埋場(chǎng)溫室氣體減排的生物技術(shù)研究，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該方面的研究空白；l 首次提出填埋場(chǎng)生物覆蓋層材料質(zhì)量評(píng)價(jià)方法；l 首次提出填埋場(chǎng)生物覆蓋層設(shè)計(jì)方法；l 首次開(kāi)展填埋場(chǎng)生物覆蓋層中的甲烷降解動(dòng)力學(xué)研究。5、 年度研究計(jì)劃及預(yù)期研究結(jié)果。年

46、度研究計(jì)劃主要工作內(nèi)容07年14月07年510月07年11月08年4月08年510月08年11月09年4月09年510月09年1112月資料收集、前期準(zhǔn)備工作*典型填埋場(chǎng)的CH4排放研究*生物覆蓋層材料質(zhì)量評(píng)價(jià)*堆肥物制備*堆肥物CH4氧化動(dòng)力學(xué)分析*輔助材料評(píng)價(jià)*生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)單一生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)*復(fù)合生物覆蓋層構(gòu)造設(shè)計(jì)*CH4在生物覆蓋層內(nèi)的降解行為*生物覆蓋層構(gòu)造對(duì)CH4降解性能的影響*供氧方式對(duì)CH4降解能力的影響*營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)CH4氧化性能的影響*氣候條件變化對(duì)CH4降解性能的影響*植被生長(zhǎng)對(duì)生物覆蓋層內(nèi)CH4降解的影響*數(shù)據(jù)分析*整理、發(fā)表研究成果*課題總結(jié)*注： *表示相應(yīng)工

47、作內(nèi)容的實(shí)施和工作量。預(yù)期研究成果( 完成一份填埋場(chǎng)甲烷排放及其控制的建議性報(bào)告，供國(guó)家相關(guān)決策機(jī)構(gòu)和地方填埋場(chǎng)管理部門(mén)參考。)( 發(fā)表SCI論文23篇，國(guó)內(nèi)核心期刊34篇，通過(guò)項(xiàng)目研究培養(yǎng)碩士生12，培養(yǎng)博士生12名。)（二）研究基礎(chǔ)與工作條件1、研究基礎(chǔ)北京師范大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在固體廢物生物處理（如堆肥化）領(lǐng)域開(kāi)展了一系列的研究，建立了固體廢物實(shí)驗(yàn)室，自制了先進(jìn)的固體廢物生物反應(yīng)器及其自動(dòng)化控制系統(tǒng)。課題申請(qǐng)人一直從事有機(jī)固體廢物生物處理的理論與應(yīng)用研究工作，2000-2003年參加了我國(guó)第一個(gè)面源污染控制研究項(xiàng)目、國(guó)家重大科技攻關(guān)專項(xiàng)滇池流域面源污染控制技術(shù)研究，

48、從事其中的農(nóng)業(yè)固體廢物堆肥化的建模、試驗(yàn)與工程應(yīng)用研究。2003-2005年參加了國(guó)家863高技術(shù)資助的“城市生活垃圾資源化技術(shù)與設(shè)備”項(xiàng)目，主要負(fù)責(zé)有機(jī)垃圾高效降解工藝與設(shè)備的研發(fā)。在國(guó)內(nèi)較早發(fā)表了“垃圾填埋場(chǎng)的甲烷釋放及其減排”等學(xué)術(shù)論文，并向有關(guān)學(xué)術(shù)刊物投送“甲烷氣體在填埋場(chǎng)生物覆蓋層內(nèi)的降解研究進(jìn)展”、“垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層的甲烷氧化”等學(xué)術(shù)論文，介紹填埋場(chǎng)甲烷氧化對(duì)全球氣候變化的影響。目前課題申請(qǐng)人已著手填埋場(chǎng)甲烷氧化的實(shí)驗(yàn)室模擬工作。上述研究工作和試驗(yàn)積累為本項(xiàng)目的順利開(kāi)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和基礎(chǔ)保障。2、工作條件北京師范大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能夠提供基本的測(cè)試儀器

49、和實(shí)驗(yàn)條件。必要時(shí)可借助北京師范大學(xué)分析測(cè)試中心的儀器設(shè)備及實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員力量。北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院能夠提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析的軟、硬件設(shè)備支持。3、申請(qǐng)人簡(jiǎn)歷課題主持人張相鋒，男，33歲，博士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)楣腆w廢物生物處理及其相關(guān)的溫室氣體控制。2000年農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲工學(xué)碩士學(xué)位，2003年清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系獲工學(xué)博士學(xué)位，2003年至今北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院任講師，其中2005年2月9月任國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局對(duì)外經(jīng)濟(jì)合作中心CDM項(xiàng)目咨詢專家。參加完成國(guó)家重大科技攻關(guān)專項(xiàng)、國(guó)家863高技術(shù)項(xiàng)目等國(guó)家級(jí)課題數(shù)項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外專業(yè)期刊發(fā)表論文近20篇（其中EI檢索論文4篇

50、），申報(bào)和固體廢物生物處理相關(guān)的國(guó)家發(fā)明專利5項(xiàng)，其中1項(xiàng)已經(jīng)獲得授權(quán)，其余4項(xiàng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)審查階段。在本項(xiàng)目中全面負(fù)責(zé)課題的設(shè)計(jì)、組織和研究工作。與本項(xiàng)目相關(guān)的主要成果有：1. 張相鋒，肖學(xué)智, 何毅等, 2006. 垃圾填埋場(chǎng)的甲烷釋放及其減排. 中國(guó)沼氣, 24(1): 3-5.2. 張相鋒, 2006. 垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層的甲烷氧化（已投稿，中國(guó)沼氣）3. 張相鋒, 葛垚, 2006. 甲烷氣體在填埋場(chǎng)生物覆蓋層內(nèi)的降解研究進(jìn)展（已投稿，環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備）4. 張相鋒, 2006. 垃圾填埋場(chǎng)甲烷減排分析及其表層氧化（已投稿，中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)）5. 張相鋒, 2006. 垃圾填埋場(chǎng)甲烷的生物過(guò)濾（已投稿，城市環(huán)境與城市生態(tài)）6. 張相鋒, 2005. 我國(guó)垃圾填埋氣發(fā)電項(xiàng)目利用清潔發(fā)展機(jī)制的潛力（已投稿，太陽(yáng)能學(xué)報(bào)）7. 殷勇, 王洪濤, 張相鋒, 2002. 垃圾填埋場(chǎng)水分遷移模型的應(yīng)用研究. 環(huán)境污染治理與設(shè)備.3(10)：36-40.8. 張相鋒, 王洪濤, 聶永豐, 2005. 通風(fēng)速率對(duì)農(nóng)業(yè)蔬菜花卉廢