垃圾填埋場覆蓋層甲烷氧化及資源利用研究進展

摘要：CH4等溫室氣體引起的全球變暖已成為備注矚目的環(huán)境問題之一。而垃圾填埋場是CH4的重要釋放源，本文從垃圾填埋場覆蓋層甲烷氧化的反應原理、影響因素等方面對當前研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，并分析了甲烷的資源化利用技術(shù)，為全面認識垃圾填埋場的甲烷減排提供參考。

關(guān)鍵詞：垃圾填埋場；甲烷氧化；覆蓋層；資源利用

隨著氣候變暖這一全球性的環(huán)境問題出現(xiàn)，引起這現(xiàn)象的溫室氣體成為重點研究的對象之一。由于甲烷的全球變暖潛勢（GWP）為CO2的21倍，因此成為僅次于二氧化碳的長壽命溫室氣體。

人類活動中的CH4釋放源主要有垃圾填埋、水庫、煤炭開采、水稻田、石油與天然氣開發(fā)等等。垃圾填埋場是CH4的重要釋放源，全球甲烷支出在垃圾填埋和廢棄物這一項呈逐年上升趨勢。目前，我國城市生活垃圾年清運量巨大，國內(nèi)絕大多數(shù)地方現(xiàn)仍采用垃圾填埋這一相對成熟的處理技術(shù)。因此研究填埋場覆蓋土層的甲烷氧化行為、影響因素及如何實現(xiàn)資源化利用等等是極具應用前景的。

本文從垃圾填埋場覆蓋層的甲烷氧化行為以及資源利用技術(shù)等方面對當前研究現(xiàn)狀進行分析，為全面認識垃圾填埋場的甲烷減排提供參考。

1垃圾填埋場覆蓋層甲烷氧化的原理及影響因素

垃圾填埋場中存在甲烷氧化菌，根據(jù)膜結(jié)構(gòu)、生理特征、形態(tài)差異分為甲烷氧化菌I型、II型，分別屬于α-變形菌綱（α-Proteobacteria）和β-變形菌綱（β-Proteobacteria）。其中Ⅰ型甲烷氧化菌對環(huán)境條件的改變反應靈敏[1]。

甲烷氧化菌利用甲烷單加氧酶催化氧化甲烷為甲醇，甲醇進一步在甲醇脫氫酶的作用下氧化成甲醛，甲醛又在甲醛脫氫酶的作用下氧化為甲酸，甲酸最終在甲酸脫氫酶的作用下氧化為CO2，即甲醇→甲醛→甲酸鹽→CO2，在氧化過程中甲烷氧化菌獲得生長所需的能量。

從反應原理可以看出，在垃圾填埋場中設(shè)置甲烷氧化菌的適宜或最佳生存條件是很有必要的。如覆蓋層的溫度、pH、含水率、覆蓋層基質(zhì)、植被、覆蓋深度等均是影響甲烷氧化效率的主要參數(shù)。

1.1溫度

CH4釋放通量隨CO2釋放通量年變化規(guī)律波動，二者表現(xiàn)為顯著正相關(guān)；在春、夏、秋季CH4釋放通量變化較為平穩(wěn)，冬季CH4釋放通量隨CO2釋放通量年變化規(guī)律波動[2]。老覆蓋土最大CH4氧化速率最佳溫度為20～30℃[3]。Charlotte和Peter[4]認為甲烷氧化菌的最適宜溫度約為30℃。邵立明等[5]研究證明，在無填埋氣體主動收集的填埋場內(nèi)，CH4釋放通量分別與覆土溫度和氣溫呈顯著正相關(guān)。

1.2含水率

含水量對覆蓋土的甲烷氧化能力有很大影響；覆蓋時間為3年的覆蓋黃土和堆肥摻量為3.0%的新鮮黃土甲烷氧化的最適宜含水量分別為25%和20%～30%；當含水量低于15%時，覆蓋黃土的甲烷氧化能力較低[6]。CH4釋放通量與填埋場覆土中含水率呈顯著正相關(guān)[5]。低含水率（5%）下土壤的甲烷氧化幾乎停止，而甲烷氧化最適含水率為15%[7]。由此可見，垃圾填埋場覆蓋層的甲烷氧化作用的最佳含水量為15%～30%。

1.3 pH值

多數(shù)甲烷氧化菌為中性菌，因此在中性環(huán)境下氧化甲烷是最適宜的。覆蓋層pH值過低或過高都可能是的甲烷氧化菌中毒，失去酶活性，使得甲烷氧化功能減弱或喪失。Charlotte和Peter[4]的研究提出最適宜pH的范圍為6.5～7.5。

1.4覆蓋層基質(zhì)

不同土壤的甲烷氧化能力存在顯著差異，這與土壤的理化性質(zhì)及其覆蓋齡有關(guān)[7]。張后虎等[3]研究表明不同覆蓋土材料的CH4氧化速率由高到低依次為老黏性覆蓋土、老砂性覆蓋土、新黏性覆蓋土和新砂性覆蓋土。也有學者為提高覆蓋土的甲烷氧化能力，在覆蓋土中加入堆肥、污泥等有機質(zhì)含量較高的材料形成生物覆蓋層。趙玲等[8]的研究表明消化污泥和礦化垃圾對甲烷的氧化能力均大于黏土。

在未做覆蓋的新鮮黃土中摻入堆肥能有效提高新鮮黃土的甲烷氧化能力；且當堆肥摻量小于50%時，土樣的最大甲烷氧化速率與堆肥摻量呈正比例關(guān)系；當堆肥摻量達到50%后，增加堆肥摻量已不能進一步提高黃土的甲烷氧化能力[6]。由此可見，堆肥摻量也是存在適宜范圍，適當?shù)亩逊蕮搅磕芴岣呒淄檠趸芰Α?/p>

1.4其他因素

影響垃圾填埋場的甲烷氧化能力的因素還有植被、填埋齡、覆土深度、O2含量等。植被的覆被可促進甲烷氧化菌的繁殖和氧化。填埋齡與覆土深度對填埋場CH4的釋放影響顯著，填埋齡（10～15a）長、覆土深度（80～100cm）大且無填埋氣收集系統(tǒng)的平臺的CH4四季及晝夜釋放通量均相對較小[9]。楊文靜等[10]以陶粒和堆肥復合基質(zhì)生物覆蓋層為研究對象，結(jié)果表明不同厚度生物覆蓋層的甲烷氧化速率以30cm厚度最佳。

龍焰等[11]研究結(jié)果表明：CH4、O2和NO3--N均顯著影響填埋覆土中的CH4去除，CH4去除量隨著初始CH4、O2體積分數(shù)的增大而增加，且與O2體積分數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。由此可見，在一定的甲烷濃度以及環(huán)境條件下，氧含量的增加能夠提高甲烷去除效率。

3填埋場CH4資源化利用技術(shù)

填埋場甲烷的收集利用在我國起步相對較晚，主要利用技術(shù)包括收集填埋氣用于發(fā)電、收集后熱能利用和提純代天然氣。

3.2.1填埋氣發(fā)電

其原理是將垃圾填埋場產(chǎn)生的填埋氣通過手機系統(tǒng)集中，再通過預處理、穩(wěn)壓后送入燃氣發(fā)電機組，發(fā)電后通過配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，將發(fā)出的電能輸送到電網(wǎng)。垃圾填埋氣發(fā)電具有建設(shè)周期短、運營成本低、不新增和永久占地、無二次污染等優(yōu)點。北京阿蘇衛(wèi)垃圾填埋氣發(fā)電廠目前已經(jīng)投用的4臺發(fā)電機組年發(fā)電量約4000萬度，全部上網(wǎng)向北京城區(qū)輸送。

3.2.2熱能利用

垃圾填埋氣可以作為鍋爐、窯爐的加熱原料。而凈化后與城市煤氣混合則可以作為民用燃料。一般熱值高時用作管道氣，熱值低時用作加熱燃料?？赏ㄟ^真空變壓吸附升級填埋氣以符合管道氣的要求。

3.2.3提純代天然氣

在提純工藝中采取高溫脫氧和變溫吸附處理，將填埋氣加熱到200～400℃，在耐硫脫氧催化劑下發(fā)生脫氧反應，絕大部分的微量有機物和VOC被氧化成二氧化碳和水；經(jīng)脫氧后的氣體在40℃下再通過變溫吸附工序，進一步脫出其中的硫化物等雜質(zhì)。提純工藝不會產(chǎn)生二次污染。提純氣可用于制作CNG燃料，具有較高的經(jīng)濟價值。

4結(jié)語

甲烷作為垃圾填埋場的主要氣體之一，對溫室效應貢獻巨大，我國應結(jié)合我國國情解決甲烷減排技術(shù)體系，進一步研究影響甲烷氧化能力的因素，需要從技術(shù)、經(jīng)濟和管理層面上加強甲烷這一溫室氣體的管理。

參考文獻：

[1]余婷，何品晶，呂凡，等.生活垃圾填埋操作方式對覆土中Ⅰ型甲烷氧化菌的影響研究[J]環(huán)境科學，2008.

[2]馬占云，李海玲，岳波，等.生活垃圾填埋場覆蓋層溫室氣體CH4和CO2釋放規(guī)律及其相關(guān)性研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學報，2014，4（5）：399-405.

[3]張后虎，彭禹，蔡邦成，等.填埋場覆蓋土CH4氧化及其影響因素[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2015，2.

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[5]邵立明，仲躋勝，張后虎，等.生活垃圾填埋場春夏季CH4釋放及影響因素[J].環(huán)境科學研究，2009，22（1）：83–88.

[6]楊益彪，詹良通，陳云敏，等.垃圾填埋場覆蓋黃土的甲烷氧化能力及其影響因素研究[J].中國環(huán)境科學2015，35（2）：484～492.

[7]何品晶，瞿賢，楊琦，等.土壤因素對填埋場終場覆蓋層甲烷氧化的影響.同濟大學學報（自然科學版）.2007年06期.

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[9]馮凱；黃天寅；南京轎子山生活垃圾填埋場溫室氣體釋放的變化規(guī)律，環(huán)境科學研究2014（12）.

[10]楊文靜，董世魁，張相鋒，等.不同生物覆蓋層厚度對甲烷氧化的影響研究[J].環(huán)境污染與防治，2010，32（7）：20-24.

[11]龍焰，鐘莊敏，尹華，等.垃圾填埋場覆土中的甲烷氧化與反硝化特性[J].農(nóng)業(yè)工程學報.2013，29（15）：201～214.