1、南京林业大学本科毕业论文 1 Anaerobic methane oxidation of waste landfills and the research of dynamics Abstract Municipal solid waste (MSW) landll is one of the important places which produce a mount of methane every year. The Landfill Gas Collection (LFG) reduce the several magnitudes of the methane, but the c
2、ost is too much.As the study going on, people find that the using bio-cover can achieve low-caloric emissions from landlls.From the research of other Scientists, aerobic oxidation of methane form MSW has been clear for the public, regrettably,the anaerobic methane oxidation (AOM) is not mentioned fr
3、equently.So this paper shows following conlusions： 1、 Municipal solid waste (MSW) landll gas differs due to the different waste,which is often affected by the factors,including temperature, moisture content and so on. Therefore a whole hour continuous monitor is necessary. 2、 Meathane gas reduces is
4、 not the result of entrance of air gas to the landfill soil,but has a closely connection to the CH4 oxidation to CO2 process. 3、 Methane anaerobic oxidation rate is affected by the initial CH4 concentration and enviromental factor,the optimum reactor conditon in this paper is that:10% of initial CH4
5、 concentration, 0.25mm d 2mm of patical size ,20% moisture content and 35 temperature. Key Words: MSW landfill； Methane oxidation； Anaerobic; Enviromental factor 南京林业大学本科毕业论文 2 垃圾填埋场甲烷厌氧氧化及动力学研究 摘 要 生活垃圾填埋场是甲烷的重要释放源 ，相对于气体收集装置的高造价，生物覆盖层不仅费用低，而且能够减少甲烷的释放。好氧条件下生物覆盖层对甲烷的氧化反应研究已经较为深入，而厌氧反应却鲜有报道，因此，本文对甲烷
6、厌氧氧化进行了深入研究和分析，监测生活垃圾填埋场四季的甲烷释放情况；考察了覆土厌氧深度下甲烷氧化的存在；分析环境因素对甲烷厌氧氧化的影响，得出结论如下： 1、生活垃圾填埋场由于填埋物的复杂，因而垃圾填埋场有着高度异质性，并且在温度、含水率等环境条件的影响下，季节变化时 CH4释放通量没有统一的规律，填埋气体的变异性较大，应需进行连续的全时段监测 。 2、覆土中甲烷浓度的降低并非是因为空气进入的稀释作用，甲烷与二氧化碳之间存在着碳元素转化的关系，厌氧条件下可以发生甲烷厌氧氧化反应。 3、甲烷厌氧氧化与甲烷初始浓度相关，并受到环境因素的影响，试验中得出的最佳反应条件为：初始浓度 10%时，粒径为
7、(0.25mm d 2mm)，当含水率达到 20%，温度为 35时达到最大。 关键词 ：垃圾填埋场；甲烷；厌氧；动力学 南京林业大学本科毕业论文 3 目 录 摘 要 . 2 Abstract . 1 前 言 . 4 1.1 概述 . 4 1.2CH4 氧化研究进展 . 5 1.2.1CH4 好氧氧化研究 进展 . 5 1.2.2CH4 厌氧氧化研究进展 . 6 1.3 填埋场覆盖土 CH4 的释放 . 7 1.4 影响填埋场 CH4 释放的因子 . 8 1.4.1 覆土温度 . 8 1.4.2 含水率 . 9 1.4.3 土壤 pH . 10 1.4.4 无机氮 . 10 1.4.5 植被 .
8、 11 1.5 研究目的 . 11 1.6 研究内容 . 11 2 试验材料和方法 . 12 2.1 填埋场现场的监测 . 12 2.2 实验室序批培养 . 13 2.2.1 厌氧条件下批式培养试验设置 . 13 2.2.2 CH4 厌氧氧化试验 . 14 2.2.3 CO2、 CH4 和 N2O 释放通量测试 . 15 2.3 测试指标和分析方法 . 15 2.3.1 气样测试 . 15 2.3.2 场地环境因子监测 . 16 2.3.3 土壤理化性质测定 . 16 2.4 释放通量的当量换算 . 16 3 甲烷厌氧氧化速率的影响因子研究 . 18 3.1 结果分析 . 18 3.1.1 C
9、H4 初始浓度对甲烷厌氧氧化速率的影响 . 18 3.1.2 不同测试土样对甲烷厌氧氧化速率的影响 . 20 3.1.3 测试土样颗粒大小对甲烷厌氧氧化速率的影响 . 21 3.1.4 测试土样含水率对甲烷厌氧氧化速率的影响 . 23 3.1.5 温度 对甲烷厌氧氧化速率的影响 . 26 3.2 讨论 . 28 3.2.1 CO2、 CH4 和 N2O 的氧化速率 . 28 3.2.2 与其他试验研究的 CH4 氧化速率对比 . 29 4 结论与展望 . 31 4.1 主要结论 . 31 4.2 研究展望 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 南京林业大学本科毕业论文 4 前 言 1
10、.1 概述 全球变暖已经成为了国际上所关注的重要环境问题，与一个世纪前相比 ，地球表面的温度约提高了 1，自 18 世纪工业革命以来，人类活动成了极大的推动了温室气体的释放 1。 20 世纪初，甲烷的排放量急剧增加，至 2005 年，大气中的甲烷含量与工业革命前相比变化很明显，增加了约 1.5 倍 2。 根据政府间气候变化专门委员会（ IPCC）公布的 2007 年统计数据， 2004年 CO2 占全球人为温室气体排放总量的 76.7%， CH4 和 N2O 仅次其后，所占的比例分别为 14.3%和 7.9%。在对环境的影响上， CH4 和 N2O 却远大于 CO2，单分子百年增温潜势分别是
11、CO2 的 25 倍和 298 倍 3。 CH4 对温室效应的贡献约为26%，并在不断增长，到 2030 年预计可达到 50% 4。 CH4、 CO2 和 N2O 在大气中停留的时间不同，前者约为 10 年，而后两者为 120 年左右，所以减少甲烷的排放，降低大气中的甲烷含量，可以较为有效的缓解气候变化 5。 此外， N2O 对臭氧层具有较强的破坏作用 ，使到达地表的紫外线辐射增加，当达到一定浓度时还会引起酸的沉降 6。 根据有关报道，现阶段国内外对 N2O 的研究主要集中在农田、草地、湿地以及森林等生态系统 7,8，这主要因为土壤中生物硝化和反硝化的过程会产生大量的 N2O3；而石油与天然气
12、工业、煤炭开采和水稻田等是大气中的 CH4 主要来源 9。 此外，填埋场是主要的人为源甲烷排放地之一，全球填埋场每年 CH4 排放量为 970Tg，占大气中 CH4 总排放量的 1.5%15%10。我国生活垃圾以平均每年 3%左右的速度递增，至 2009 年，城镇生活垃圾的历年堆存量已达 60 多亿吨11。填埋、焚烧、堆肥以及生物处理成为我国生活垃圾处理主要工艺 12。厌氧填埋因操作简单，施工费用低，同时还可以回收甲烷气体，在固废垃圾处理上被广泛采用， 2008 年我国城市生活垃圾无害化处理量为 10216 万吨，卫生填埋、焚烧处理以及堆肥处理分别占 83.8%， 14.9%与 1.3%。垃圾
13、填埋后经过多种物理、化学和生物反应降解，生成的填埋气中 CH4 含量占着较大比例，约为 55%13。 根据已有的研究表明了 CH4 的生成量受到填埋场覆盖层的物化性质影响，南京林业大学本科毕业论文 5 比如含水率、温度、 n(CH4)/n(O2)等。 Charlotte 的研究则表明，当填埋场覆盖层含水率在 25%左右时，对 CH4 的氧化速率最大 14。温度因随季节变化，所以对填埋场甲烷氧化影响也呈现出季节性的不同， Flessa 等 15指出气候温暖会提高填埋场 覆盖层对 CH4 的氧化能力，减少 CH4 的释放量。丁维新等 16研究表明，温度对于甲烷氧化能力的影响因气候不同而不同。填埋场
14、覆土层的 CH4 与氧气浓度在纵向的分布受 CH4 氧化以氧气的扩散的影响 17，国内外的众多研究表明 CH4氧化主要发生在覆盖土层深度 030cm 处，此区域中 n(CH4)/n(O2)以及温度、含水率等条件合适，使得 CH4 氧化菌的具有较强的活性 18。 CH4 的氧化因与氧气的接触分为好氧氧化与厌氧氧化两种， 目前的对填埋场CH4 的研究主要集中在好氧的条件下，很少提及道厌氧条件下 CH4 氧化。 CH4厌氧氧化较早的发现在海洋沉积物，距今 38 年前， 1976 年， Willam 等发现海洋沉积物的缺氧层中存在着 CH4 的消耗，证明了 CH4 厌氧氧化的存在 19。国内外对 CH
15、4 厌氧氧化也大多涉及于海洋地理等方面 20,21,22，对于填埋场 CH4 厌氧氧化的释放以及相关规律却鲜见研究。 中国正处在全面建设社会主义的高速发展时期，坚定不移的实行可持续发展战略，而温室气体排放量的不断增加大大制约了社会发展的步伐。作为京都议定书的签约国之一，我国应当控制温室气体的释放，垃圾填埋场作为重要的产生源，应当成为温室气体减排工 作的重点。因此研究垃圾填埋场 CH4 在厌氧条件下的释放规律，对于减少温室气体的排放有着不可替代的必要性。 1.2CH4 氧化研究进展 1.2.1CH4 好氧氧化研究进展 CH4 的好氧氧化发现相对较早， 1970 年 Whittenbury 等分离
16、鉴定了 100 多个CH4 氧化菌，使得甲烷菌的分类形成了体系 23。随着认识的深入和不断的研究，已确定的好氧性甲烷氧化菌有 17 个属，都属于变形菌门，根据生理生化性质以及形态结构的不同又可以分为型、型和型 24。 好氧 CH4 氧化菌分布广泛，在有氧环境下产 CH4 的反应中，基本都会有这类微生物的存在。好氧 CH4 氧化菌也受到自然环境的影响。大多数 CH4 好氧菌南京林业大学本科毕业论文 6 活跃在 pH 为 58 以及温度在 2035的中性环境下 25。当 pH 和温度出现增加或降低时，好氧 CH4 氧化菌活性均会出现不同的变化。在 -250 和 -200mV 时， pH增加 0.2
17、 导致 CH4 的释放通量增加 20%26；温度由 20上升到 25时，水稻土CH4 排放量可以增加 1 倍 27。 CH4 氧化菌的种类很多，所处的环境也各不相同，但是反应的方法和途径基本一致。 CH4 被氧化成甲醇、甲醛、甲酸等一系列的产物，最后生成 CO2。这是一个很复杂的反应过程，其中 CH4 被氧化成甲醇的阶段尤为重要，而甲烷单加氧酶是催化这个反应阶段的关键性酶。甲烷单加氧酶分为两种，一种位于细胞膜上，呈现颗粒状，另一种则是位于细胞质中的可溶性甲烷单加氧酶。前者存在于已经发现的所有 CH4 氧化菌中，后者仅存在部分 CH4 氧化菌中 28。相对于其它的单加氧酶，甲烷单加氧酶的催化优势
18、明显，在催化速率上提升了 12 个数量级，对多种卤化物的降解有着较好的催化作用，因此 CH4 氧化菌可以去除环境中的污染物 24。 1.2.2CH4 厌氧氧化研究进展 CH4 的厌氧氧化在上 个世纪六七十年代被发现，但由于其生长条件苛刻，生成期缓慢，对于的研究至今还未深入到好氧氧化的程度。 CH4 的厌氧氧化存在众多的环境类型中，垃圾填埋场，湖底，受污染的地下水以及水稻田 22,25,30，不过理论较为成熟的则是对海洋沉积物的研究 21,29。 在厌氧的环境下， CH4 成为唯一的电子受体时，在 SO42-、 Mn4+、 Fe3+、 NO3-等合适的电子受体存在， CH4 氧化菌可以发生反应，
19、将 CH4 氧化成 CO2， CH4与相应电子受体发生氧化反应的吉布斯自由能如下表所示 31。 南京林业大学本科毕业论文 7 图 1-1 不同电子受体进行 CH4 氧化时所能提供的吉布斯自由能， Gr0（ KJ/mol CH4（ g） ). Figure 1-1 Standard Gibbs Energies of reactions between methane and relevant electron acceptors. 因此，根据最终受电体的不同， CH4 厌氧氧化可以分为以 SO42-为最终受电体的硫酸盐还原型甲烷氧化 (SAMO)；以 NO2-/NO3-最终受电体的反硝化型甲烷
20、氧化 (DAMO) 31,32；最新被提出的 Mn4+与 Fe3+作为最终电子受体的甲烷厌氧氧化 33，目前国内外的研究多为 SO42-以及 NO2-/NO3-最终受电体的甲烷厌氧氧化。 1.3 填埋场覆盖土 CH4 的释放 垃圾填埋场可以被看做一个生化系统，生活垃圾中含有大量的有机物，在填埋场内进行生物、化学和物理的共同作用下进行降解，生成渗滤液和填埋场气体，甲烷是填埋气体中的主要成分之一，其含量约占稳定态填埋气的 45%60%54。 填埋场气体的产生是个非常复杂的过程，国外研究将填埋场释放气体的产生过程划分为 5 个阶段，分别为好氧阶段、过渡阶段、产酸阶段、产甲烷阶段以及成熟 阶段 55。
21、 好氧阶段开始于垃圾进入填埋场的那一刻，微生物的胞外酶将垃圾中的复杂有机物分解成简单的有机物，并在好氧分子的作用下转化成小分子物质和 CO2。好氧阶段在较短的时间内便能完成，消耗 O2 产生 CO2，释放的大量的热，使温度升高 1015。 南京林业大学本科毕业论文 8 过渡阶段时水解作用在整个阶段中占主导地位， O2 气被完全消耗，厌氧环境开始建立，复杂有机物由不溶性物质变为可溶性物质，并迅速生成挥发性脂肪酸，生出的填埋气体中，仍是以 CO2 为主，也会少量有一些高分子有机气体以及 H2 和 N2，不过 CH4 气体基本不存在。 产酸阶段也被称作 发酵阶段，在过渡阶段积累的溶于水的产物被转化为
22、以乙酸为主的有机酸和醇及 CO2、 H2，为甲烷菌生成 CH4 和 CO2 提供了底物。此阶段 CO2 是产生的主要气体，呈逐渐减缓的上升趋势，也会产生少量 H2。 经过好氧阶段、过渡阶段以及产酸阶段的反应，生成的产物如乙酸、氢气在产甲烷菌的作用下，转化为 CH4 和 CO2， CH4 的生产率稳定，浓度可达 5065%。 产甲烷阶段后，垃圾中的可降解有机物基本降解完成， CH4 和 CO2 的生成速率显著下降，难降解的有机物质继续被缓慢降解，填埋场形成稳定状态。 这五个阶段并不孤立，相辅相成，它们相互作用互为依托，交叉发展，持续时间与填埋场温度、含水率、填埋垃圾的物化性质密切相关 56。这其
23、中的发酵阶段又可以划分为四个部分，分别为有氧分解、无甲烷生成的厌氧分解、甲烷生成不稳定的厌氧分解、甲烷稳定生成的厌氧分解，而后两个部分使得甲烷产量达到高峰，直接决定了产甲烷阶段的甲烷生成量，在条件适宜的填埋场 CH4 体积浓度可达到 60%以上 57，因此有必要对填埋场的甲烷厌氧氧化进行研究，以便实现填埋场 CH4 的控制与减排。 1.4 影响填埋场 CH4 释放的因子 在微生物的作用下， CH4 好氧氧化和厌氧氧化两种途径共同形成了填埋场甲烷气体的产生，而氧化过程又受到填埋场覆盖土层的影响，与覆土的温度、含水率、土壤 PH、无机氮以及植被等有着密切的关联。 1.4.1 覆土温度 温度是 CH
24、4氧化主要的影响因素，温度的高低直接影响了 CH4氧化的速率 58， 所以填埋场覆土的温度直接制约着 CH4 的释放。通常，温度的增加会加快土壤中有机质的分解，提高微生物的活性，使得 CH4 氧化率得到提高。根据众多研究表明， CH4 反应的最佳温度在 2035的中性环境下 25，这是因为大多数产南京林业大学本科毕业论文 9 CH4 菌是嗜中温菌， Scheutz59等指出甲烷氧化的最适温度为 30，温度过低和过高度会降低 CH4 的氧化速率。而费平安 60的研究结果则与之相反，他指出当温度在 5 10时，可以较好的控制 CH4 氧化，温度达到 10 20之间时，其对 CH4 氧化重要性下降较
25、为明显。丁维新等则是认为温度变化基本不影响甲烷氧化 27，即便是在冬季气温，温度将至零度左右的条件下，土壤也能氧化 CH4。 对此， Brjesson58做出了较为合理的解释，他按照 CH4 化菌种群结构不同将 CH4 氧化菌分为 型 CH4 氧化菌和 型 CH4 氧化菌 ，提出温度对 CH4 氧化速率上产生的差异与甲烷氧化菌种群结构相关。温度不同时， 型 CH4 氧化菌和 型 CH4 氧化菌的活性也不同。 低温适合 型 CH4 氧化菌生长，而较高的温度下， 型 CH4 氧化菌则有着较高的活性。 1.4.2 含水率 含水率是 CH4 氧化的另一个重要因素，不仅可以影响 CH4 和 O2 气体的
26、传质速率，并且影响着 CH4 氧化细菌的活性 61。 含水率过高时，土壤的孔隙率减小，限制了 CH4 气体的传质速率， CH4 氧化细菌的 O2 利用率也会随着降低 62。 Tchobanoglous63将土壤含水率与持水能力做了比较，研究指出含水率超过持水能力时，水分运动使得了土壤中营养物质转移速率加快，促进了气体的产生；反之，在含水率低于土壤的持水能力时，基本不会对产气速率造成影响 63。 土壤含水率影响着 O2 的传质速率，是形成厌氧还是好氧环境至关重要的因素，当土壤含水率较低时，土壤中可以通入较多的 O2，好氧菌对反应起了主导作用。含水率提高后，土壤中 O2 传质被阻，形成了厌氧环境，
27、厌氧菌产生了的 CH4 释放 64。 因为含水率对 CH4 和 O2 气体的传质以及 CH4 氧化细菌的活性都有着影响，所以多年来国内外的学者都想找出 CH4 氧化反应的最佳含水率 16,27，何品晶 65则是认为 15%的含水率为 CH4 氧化的最佳含水率，岳波 66等对填埋场覆盖材料CH4 氧化能力进行了研究，得出含水率对 CH4 氧化速率影响程度与覆盖材料本身的理化性质有关，最佳含水率在 25%左右， Bender67认为含水率在 20%35%时CH4 反应速率达到最大，并指出不同土壤呈现不同的最佳含水量值，这是土壤中南京林业大学本科毕业论文 10 微生物与气体扩散对土壤水分要求决定的，
28、当二者达到平衡时，所对应的含水率即最佳含水量。 1.4.3 土壤 pH 土壤酸化积累的不同导致了土壤中碳、氮以及其他养分元素含量的差异，这些差异直接影响着 CH4 气体的释放 68，有研究表示酸化的程度和 CH4 的释放量之间有着出极度正相关的表现 69。在 pH 达到中性时，释放量达到最大，这是因为产甲烷菌多为中性细菌， Bender67认为 pH 的最佳范围是 6.78.1，过酸和过碱都会抑制产土壤的 CH4 氧化能力。 也有研究者表示在微酸的条件下土壤中的甲烷氧化菌有着更强的活性，可以增加 CH4 的氧化速率， Scheutz 70等认为 pH 最适宜的范围为 6.26.8，闵航 71等
29、以黄松泥田土为对象，研究了 pH 对甲烷氧化活性的影响，试验表明 pH 低于3 或 pH 高于 9 时，几乎完全丧失氧化外源甲烷的活性，土壤最适合的氧化外源甲烷 pH 范围在 6 7 之间，相对于微碱性的土壤环境，甲烷氧化菌在微酸性的环境下可以更好的氧化外源甲烷。 1.4.4 无机氮 土壤中的无机氮含量是影响填埋场甲烷氧化和排放的重要因素，对填埋场覆盖层甲烷氧化存在负面的影响。目前，无机氮对甲烷氧化作用的抑制机理尚不清楚，存在的假设包括酶机制竞争、代谢产物的毒害作用、盐效应、氮转化、甲烷氧化菌与氨氧化菌对氧气的竞争等方 面 72。对于 NH4+抑制假设上，酶基质竞争是常用的解释 73，无机氮与甲烷竞争氧化菌酶系统的活性位点，从而对 CH4 氧化起到了抑制作用 74。 Scheutz 70等研究发现 NH4+浓度提高会降低 CH4 氧化的速率，当 NH4+浓度为 14 mg NH4+ kg-1 时，抑制作用很明显。 Kightley75等在覆盖土中添加了NH4NO3 后，使得试验中的甲烷氧化能力大为下降，其氧化速率只是不加 NH4NO3对照组的 36%。 但最近研究者指出 CH4 氧化受到抑制并不一定是由 NH4+浓度升高引起的，反应过 程中硝化速率的提高或者氮元素的转化都可以抑制 CH4 的氧化 76。
