（草业科学专业论文）有机覆盖层对垃圾填埋场甲烷氧化效果的研究及其填埋场适宜草种的筛选.pdf

甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 摘要 甲烷( c h 4 ) 是重要的温室气体之一，填埋场是重要的c i - h 释放源。提高填埋 场有机覆盖层的甲烷氧化能力，是控制填埋场温室气体释放的一种经济高效的手 段。填埋场人工种植绿色植物不仅可以减少填埋气排放，而且还可以改善填埋场 的环境。本文通过实验室模拟方法探讨了4 种有机覆盖层基质的甲烷氧化效果， 选择出最佳的覆盖层材料；通过对4 种绿地植被甲烷胁迫的研究，确定出适合北 方地区垃圾填埋场生态恢复绿色植物，并通过生理生态学分析揭示了植物耐受甲 烷胁迫的机制。主要研究结果如下： 1 有机覆盖层对垃圾填埋场甲烷氧化效果的研究： 本研究通过4 种不同类型覆盖基质的甲烷氧化试验，模拟填埋场覆盖层的甲 烷氧化特征，旨在筛选出适合垃圾填埋场的覆盖材料。试验结果表明：粒径_ l m m 堆肥物和陶粒的复合物是最佳的覆盖层材料，其甲烷氧化效率高达1 0 0 ；粒径 对基质氧气传输能力的影响不明显；不同基质的甲烷氧化能力存在显著性差异， 这与基质本身的理化性质有关。 在实验室条件下模拟不同厚度有机覆盖层甲烷氧化行为，确定最佳覆盖层厚 度。按不同甲烷流量梯度，增加甲烷负荷及空气通入量，研究得出最大甲烷氧化 速率及最佳覆盖层厚度。试验结果表明：最佳覆盖层厚度为3 0 c m ，其甲烷氧化 速率平均值为8 6 3m o l m - 2 d ，这是由于氧气可以渗透至基质底层，外源甲烷进 入柱体即开始氧化消耗。 在实验室模拟条件下，比较分析了覆盖层含水率、温度、初始甲烷浓度、氧 气浓度对甲烷氧化效率的影响，旨在为实际工程应用提供科学依据。试验结果表 明：堆肥与陶粒的复合基质最佳含水率为4 0 、温度为1 5 。c 时，甲烷的氧化速 率达6 2 8 1 t m o l h - 1 g - ( d w ) 。 2 以4 种绿地植物为试验材料，采用盆栽试验方法，研究比较了其对甲烷胁 迫环境下的适生性。结果表明：甲烷对狗牙根发芽造成严重威胁、对白三叶幼苗 的正常生长发育影响严重、甲烷胁迫下绿地植物生长速度减小；高羊茅( f e s t u c a a r u n d i n a c e a ) 和紫花苜蓿( m e d i c a g os a t i v a ) 是适宜北方地区垃圾填埋场种植的理 想草种。 关键字：覆盖层基质；甲烷氧化；甲烷氧化动力学；适宜草种：光合速率 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 s u m m a r y m e t h a n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tg r e e n h o u s e g a s e s ，a n dl a n d f i l li st h e m p o r t a n ts o u r c eo fc h 4r e l e a s e i ti sa l le c o n o m i c a la n de f f i c i e n tm e t h o dt oc o n t r o l g r e e n h o u s eg a se m i s s i o nf r o ml a n d f i l lb ye m t h a n eo x i d a t i n gp r o c e s so fl a n d f i l l ) r g a n i cc o v e r a r t i f i c i a lg r e e np l a n t so nl a n d f i l la ren o to n l yu t i l i z i n gl a n d f i l lg a s ，b a t d s oi m p r o v ec i r c u m s t a n c eo fl a n d f i l l i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to fm e t h a n eo x i d a t i o no f lo r g a n i cc o v e rm a t r i xi ss t u d i e da n ds c r e e n e do u tt h eb e s to r g a n i cc o v e rm a t e r i a l h o u g hs i m u l a t i o nc o l u m n se x p e r i m e n t t h r o u g ht h em e t h a n es t r e s se x p e r i m e n to f f o u rt u r f g r a s s e s ，c h o o s e dt h ep r o p e rp l a n t st ot h el a n d f i l l e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o ni n a o r t hr e g i o no fc h i n a ，a n ds t u d i e dt h em e t h a n et o l e r a n c em e t h a n i s mo f t h e s ep l a n t s f r o mp h y s i o l o g ya n de c o l o g ya s p e c t s t h e r eh a v em a i nf o u n dr e s u l t sa sf o l l o w ： 1 t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to fo r g a n i cc o v e rm a t r i xe x p e r i m e n t i tr e s e a r c h e dm e t h a n eo x i d a t i o no ff o u rd i f f e r e n tt y p e s m a t r i x e sa n ds i m u l a t e d m e t h a n eo x i d a t i o nc h a r a c t e ro fl a n d f i l lo r g a n i cc o v e r ，w h i c ha i m e dt os e l e c tp e r f e c t ) r g a n i cc o v e rm a t e r i a l o fl a n d f i l l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep a r t i c l es i z eo f m a t e r i a l sh a dn oo b v i o u s l ye f f e c to no x y g e nt r a n d f e ro fm a t r i x ，a n dt h em e t h a n e ) x i d a t i o nc a p a b i l i t yo fd i f f e r e n tm a t r i xw a so b v i o u s l yd i f f e r e n t ，s o m ee v e nh a d n t m e t h a n eo x i d a t i o nc a p a b i l i t y ，w h i c hi sr e l a t e dt ot h ep r o p e r t yo fm a t r i xm a t e r i a l m e t h a n eo x i d a t i o nb e h a v i o r o fd i f f e r e n tt h i c k n e s so fo r g a n i cc o v e rw a s f i m u l a t t e dt od e t e r m i n et h eo p t i m u mt h i c k n e s so ft h eo r g a n i cc o v e r t h ee x p e r i m e n t a d d e dm e t h a n ea n da i ri n p u tw i t hd i f f e r e n tm e t h a n ef l u xg r a d sa n df o u n d e dt h e b i g g e s tm e t h a n eo x i d a t i o ns p e e da n dt h eb e s to r g a n i cc o v e rt h i c k n e s s r e d u c i n gt h e a h i c k n e s so fl a n d f i l lc o v e rh a di m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nt os a v el a n dr e s o u r c e si m p r o v e 1 1 ee f f e c t i v ec a p a c i t yo fl a n d f i l la n dr e d u c ew a s t el a n d f i l lc o s t si nt h ea c t u a lp r o c e s s i no r d e rt op r o v i d es c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n go fm e t h a n e a x i d a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ee f f e c t so fm a t e r i a lt y p e sa n dw a t e rc o n t e n t o n m e t h a n eo x i d a t i o ni nl a b o r a t o r yc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i x t u r eo f m m p o s ta n dc e r a m i ci st h em o s ta p p r o p r i a t ec o v e rm a t e r i a l ；t h eb i g g e s to x i d a t i o n l i 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 c a p a c i t yr e a c h e dt o6 2 8 9 m o l g h - i ( d w ) w h e nw a t e rc o n t e n tw a s4 0 2 w a s t el a n d f i l lh a sh e a v ye f f e c to nt h el a n d f i l ls u i t a b l eg r e e n b e l tp l a n t so f c i t y e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n a sm a n yc i t i e sa r ec o n s t a n t l ye x p a n d i n ga r o u n dt h ew o r l d ，t h e e n v i r o n m e n t a le f f e c ta n dt h er e v e g e t a t i o no fl a n d f i l lh a v eb e c o m ev e r yu r g e n ta n d o u t s t a n d i n gp r o b l e m s i tc a ni m p r o v ee n v i r o n m e n ta n dd e g r a d eo re l i m i n a t ec e r t a i n p o l l u t a n t sb ys e e ds u i tp l a n t s ，i nt h i ss t u d yf o u rg r e e n e r yh e r b a g e sw e r eu s e dt ot e s t i f y t h e i ra d a p t a t i o nt ol a n d f i l lg a s ( c h 4 ) s t r e s si nl a b o r a t o r y t h er e s u l t ss h o wt h a t m e t h a n es t r e s sc a l ld e c r e a s et h eg r o w t hr a t ea n da n dp nr a t eo fb o t hg r e e n e r yp l a n t s h o w e v e r , t h eg r e e n e r yp l a n t sc a ns t r e n g t h e nt h e i rm e t h a n e t o l e r a n c et h r o u g h e n h a n c e dp r a l i n ea c c u m u l a t i o ni nt h e i ro r g a n s f o rm e d i c a g os a t i v a ，r e d u c e ds o di s a l li m p o r t a n tp h y s i o l o g i c a lm e c h a n i s mt or e s i s tt h em e t h a n es t r e s s p r a l i n ec a nb e u s e da sap h y s i o l o g i c a li n d i c a t o rf o rb o t hg r e e n e r yp l a n t st oj u d g et h e i rr e s i s t a n c et o t h e ( c h 4 ) s t r e s s f e s t u c aa r u n d i n a c e aa n dm e d i c a g os a t i v aw a sp r o p e rh e r b a c e c o u s s p e c i e so nt h en o r t h w a r d l a n d f i l l k e yw o r d s ：o r g a n i cc o v e rm a t r i x ；m e t h a n eo x i d a t i o n ；m e t h a n eo x i d a t i o n d y n a m i c s ；p r o p e rh e r b a c e c o u ss p e c i e s ；n e tp h o t o s y n t h e s i sr a t e i i i 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得甘肃农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 玉童聱 日 期：兰竺! 笙臼1 2 旦 5 2 甘肃农业大学 学位论文版权认定和使用授权书 研究生姓名：扬塞薤 学位级别：亟 所在学院：堇些堂医 学科专业：堇些科堂 学位论文题目：直扭覆董屋盟堇拯蕉堡扬里蕴氢签氢丝夔墨笪巫究区墓基埋扬适宣蔓叠 的蕴选本人于2 q q 2 年! q 月日至2 q q 窆年上月日在导师割瞳薤 指导下，从事堇地蹩遮皇丕缝的研究。 产权内容：直扭覆董屋怼撞拯基堡扬里蕴氢丝筮墨笪硒塞丛基墓堡扬适宣墓弛 现认定以下条款： 一 1 、本人毕业后发表与研究内容有关的文章，作者第一署名单位为甘肃农业大学。 2 、学位论文中包含的研究成果的知识产权归苴悫盔些太堂 。 未经指导教师和苴悫盔些太堂 同意，本人不得 私自从事与课题有关的任何开发和盈利性活动。 3 、本人完全了解甘肃农业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借用。本人授权甘肃农业大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：嘞丈碚 签字日期：b 0 7 年f 月，口日 j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 6 i 1耷j目磅堋 ， 6 认叶 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 1 文献综述 1 1 研究背景及意义 随着人口的增加和科学技术的突飞猛进，人类不断向大自然夺取生存的空间，对环 境的影响不断地加速而且影响的范围也不断扩大。在创造工业文明、追求实现完美尚存 状态的同时，付出了沉重的代价：能源危机、大气污染、水土流失、植被退化、厄尔尼 诺、赤潮、臭氧层消耗等诸多的全球气候变迁问题，使得大气、土壤和水源饱受污染。 人类对自然的影响已经不再仅仅局限于地表，而是扩张到了大气。自1 7 5 0 年工业革命 以来，由于人类活动排放的温室气体( 如c 0 2 、c i - h 等) 不断增加所导致的全球变暖已成 为世界瞩目的重大环境问题。据资料分析表明，大气中二氧化碳( c 0 2 ) 体积分数在工业 革命前为2 8 0g l - l ，2 0 0 0 年为3 6 7g l - l 一，增加了约31 ；甲烷( c h 4 ) 体积分数从工业革 命前的0 6 0 8 肛l l 一，增加到1 9 9 2 年的1 7 2 9 l l 一，增加了大约1 4 5 。全球变暖的现 实正不断向世界各国敲响警钟，而扭转全球变暖趋势，给人类的子孙后代留下一个可供 生存、可持续发展的环境，便成为世界各国的共识。 每年6 月5 日是“世界环境日”，1 9 8 9 年的主题便是“警惕，全球要变暖”。而联 合国环境规划署确定的1 9 9 1 年“世界环境日 的主题是“气候变化一需要全球合作”。 气候的变化确实已经成为限制人类生存和发展的重要因素，成为全球所关注的话题。联 合国气候变化框架公约缔约方于1 9 9 7 年1 2 月在京都召开了第三次大会( c o p 3 ) ，并于会 上通过了京都议定书，规定发达国家同意2 0 0 8 - 2 0 1 2 年期间将温室气体的排放量在 1 9 9 0 年排放水平上至少削减5 2 【1 1 。可见，抑制全球变暖已经成为全世界共同的责任。 抑制全球变暖的关键就是减少温室气体的排放量。但是提到温室气体，人们首先想到的 就是而二氧化碳，却忽视了对甲烷排放的控制。在所有的温室气体中，c 0 2 、c r h 和c f c s 构成了最主要的附加温室效应。c 0 2 的温室效应最大，但其在全球变暖中的作用在逐渐 降低；c f c s 的贡献率虽然较高，但蒙特利尔议定书已经要求在2 0 0 6 年以前全球禁止生 产，其附加温室效应将逐渐减弱和消失；c h 4 在近2 0 0 年内呈加速上升态势。科学家估 计，到2 0 3 0 年大气中c h 4 浓度将达2 3 4 9 l l ，甲烷对温室效应的贡献将达到5 0 ，成 为头号温室气体。c h 4 在大气中的寿命约为1 2 年，当前的人为造成的温室相应中有1 5 2 0 是由甲烷引起的【2 1 。通过极地的空气分析估算出的年c h 4 排放量，在1 5 世纪 为1 8 x 1 0 1 4 9 。y r 1 ，在1 8 世纪初为2 x 1 0 1 4 9 y r - 1 。最近( i p c c ) 估算的2 0 0 0 年的甲烷排放 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 量大约为3 x 1 0 1 4 9 ，到2 0 1 0 年达到4 - - 一6 x 1 0 1 4 92 _ l 日- j t 3 1 。与控制其他温室气体相比，控制 c h 4 的减排将起到立竿见影的效果【4 】。 人类活动中的c h 4 释放源主要是湿地、水稻田、反刍动物、垃圾堆填等，随着城市 化发展与人类水平的提高，垃圾填埋场己日益成为大气甲烷的主要产生释放源。据估计， 2 0 0 0 年全球垃圾填埋场释放的c h 4 为8 4 2 亿吨当量c 0 2 ，占当年c h 4 释放总量的1 3 ，其 中来自美国、中国、俄罗斯和乌克兰的填埋场c h 4 释放占全球填埋场c h 4 释放的4 7 【5 】； 至2 0 2 0 年，填埋场c h 4 释放将占全球c h 4 释放总量的1 9 【6 】。城市生活垃圾填埋场在填埋 过程中会产生大量填埋气体，其典型的组成成分包括：c h 4 6 4 ，c 0 2 3 5 以及少于1 的其他微量气体【刀。全球每年向大气中排放的甲烷量为5 7 1 0 1 4 9 ，其中垃圾填埋场每 年排放9 7 0 1 0 1 2 9 甲烷，约占全球排放总量的1 5 - - - , 1 5 t 8 】【9 】，由此可见，有效控制填 埋场的甲烷排放对于抑制全球变暖具有十分重要的现实意义。 国家环保总局的相关资料显示，“九五”期间全国垃圾产生量为1 4 亿t ，处理率 为6 5 ，但是真正达到无害化处理的却不到1 0 ，我国大中城市的近千座垃圾填埋场中， 9 0 左右仍是简易的堆放。随着我国社会经济的发展，城市化和居民化生活消费水平的 提高，城市生活垃圾的产量迅速增加，我国已有6 8 8 个城市，2 0 0 3 年城市生活垃圾产生 量到1 4 8 亿吨，且正以每年8 1 0 的速度递增，城市生活垃圾的堆存量已达6 0 0 亿吨， 有2 0 0 多座城市已陷入垃圾包围之中，城市生活垃圾的污染己成为环境污染的主要因素 之一，阻碍了我国城市的发展。目前，根据我国目前的经济状况和今后城市生活垃圾的 发展趋势，在相当长的一段时间内，卫生填埋法仍将是我国城镇生活垃圾无害化处理的 主要方式和主要处理手段。据预测，到2 0 1 5 年，我国的城市生活垃圾产量将达到1 8 亿t 左右，其中6 0 将采用卫生填埋的方式处置，则每年需要填埋处置1 1 亿t 城市生 活垃圾。由于填埋气的气味，空气污染，和温室效应问题，减少填埋气的排放成为了各 地区乃至全球关注的问题。中国作为抑制全球变暖和气候变化京都议定书( 己于2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效) 的签约国，控制垃圾填埋场的c h 4 释放是我国履行减少温室气 体排放义务的一个重要方面。 目前，垃圾填埋场相关的温室气体减排技术主要有c h 4 能源回收、焚烧以及生物氧 化【l0 1 。其中，垃圾填埋场c h 4 气体能源回收技术和火炬焚烧技术已经比较成熟，而且该 技术已经被写入政府间气候变化委员会( i p c c ) 的相关技术报告【l l 】。通过管道系统主 动收集和利用填埋气( l f g ) 是控制生活垃圾填埋场c i - h 释放的有效方法；然而填埋气 收集和利用系统造价昂贵，对于中小型填埋场可能缺乏经济可行性。同时，封场后填埋 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 场的c h 4 产生强度降低，当填埋场产甲烷浓度小于4 5 时，就不适于主动收集系统的正 常运行【1 2 】；而火炬焚烧法需要昂贵的设备，且c h 4 浓度低于2 0 时需要辅助燃料。对 我国这样的发展中国家而言，垃圾产气潜力和填埋场规模和管理水平均明显低于发达国 家，经济可行的垃圾填埋场c h 4 能源回收项目较少；火炬焚烧投入大又没有回报，在我 国少见实施。借助清洁发展机制( c d m ) 的融资，垃圾填埋场c h 4 能源回收和火炬焚 烧项目有望在我国得以大量开展。值得注意的是，填埋场c h 4 能源回收和火炬焚烧的 前提是收集到足够多的c h 4 气体。即使是在美国这样的发达国家，垃圾填埋场释放气体 的收集效率也只能保持在7 5 左右【1 引。而我国正在开展的几个垃圾填埋场c h 4 回收项 目的气体收集效率估计在5 5 - - 6 8 【1 4 1 。这意味着，即使开展c h 4 的能源回收，我国 垃圾填埋场c h 4 仍将有3 2 - 4 5 无控释放到大气环境中。而且，我国的垃圾填埋场中小 型居多，不具备能源回收条件，城市经济水平低，无法实施填埋气火炬焚烧技术，大量 的c h 4 持续无控排放。在这些情况下，强化利用填埋场终场覆盖层土壤的甲烷氧化能力 是控制甲烷释放的一种经济和高效的手段。国外对填埋场覆盖层甲烷氧化行为的研究表 明，填埋场终场覆盖层作为大气中0 2 和l f g 的动态混合区域，其中的甲烷氧化细菌可 以在适当的环境条件下将甲烷转化成c 0 2 、水和生物质，从而减少甚至完全消除填埋场 地甲烷释放。许多文献资料显示，普通的填埋场覆盖土本身就能利用微生物作用产生每 年至少1 0 2 5 的甲烷氧化率【1 5 】，且其在常温常压下即可产生氧化效果，运作成本远 远低于利用管道系统收集和利用填埋气。因此，通过改性填埋场覆盖材料来强化其甲烷 氧化活性成为一种经济适行的方法，目前，国内外已有很多专家学者对此进行了详尽的 研究报导 1 6 1 。 然而，虽然社会经济的持续快速发展，城市生活垃圾的卫生填埋技术日益暴露了其 局限性：垃圾填埋场占地面积大，需要大量覆盖土源，不仅消耗大量土地资源，垃圾填 埋作业严重影响了周边生态景观，填埋场中场表面植被自然恢复缓慢，致使垃圾填埋场 大量的土地资源闲置浪费，土壤持水力差，缺乏清污分流特性，导致垃圾填埋场渗滤液 产量增加，恶臭气体直接排放到大气中，已成为周边地区水环境和大气环境重要污染源。 因此，目前有关垃圾填埋场耐性植物的筛选及其耐性机制和填埋场中场植被恢复重建日 渐引起人们的关注，成为关于固体废弃物填埋场研究的一个热点【1 7 】【1 8 】【1 9 】【2 0 【2 1 】【2 2 】【2 3 】【2 4 】【2 5 】 【2 6 】 o 利用填埋场覆盖土层中甲烷氧化细菌( m e t h a n o t r o p h i cb a c t e r i a ) 的作用是将c h 4 氧化为c 0 2 ，可以有效降低填埋场的c i - h 嬲度，是一种极具潜力的填埋场温室气体 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 减排技术【1 7 】【18 1 。然而，随着社会经济的持续快速发展，垃圾填埋场占地面积持续增大， 需要大量覆盖土源，不仅消耗大量土地资源，垃圾填埋作业严重影响了周边生态景观。 本研究将提高有机覆盖层中甲烷降解机理的认识，强化有机覆盖层的甲烷氧化能力。为 我国在未来履行温室气体减排承诺提供技术储备，具有重大的理论价值和工程应用价 值；研究垃圾填场适宜植物耐性生长机制，为加快垃圾填埋场植被恢复进展，恢复土地 利用价值，改善城市景观生态提供理论依据。 1 ，1 1 填埋气的产生与释放 垃圾进入填埋场后，由于垃圾填埋体空隙中含有大量氧气，部分垃圾在耗氧生物 的作用下氧化分解。随着氧气的耗尽，垃圾逐渐转化为厌氧降解阶段，利用厌氧微生物 的代谢活动，将其转化为甲烷、二氧化碳等垃圾填埋气( l a n d f i l lg a s ，l f g ) ，一般需 要几十年甚至上百年。垃圾降解是一个多类群细菌的协同代谢过程与不同微生物的代谢 过程相互影响制约，形成复杂的生态系统【2 9 1 。 垃圾厌氧生物代谢过程大致分为水解、产酸和脱氢、产甲烷三个阶段：1 ) 水解阶段 ( 复杂的高分子物) ，如糖类、脂肪和蛋白质等，首先在水解发酵细菌产生的胞外酶的 作用下分成微溶解性的小分子物。如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，蛋白 质被蛋白质酶水解为短肽及氨基酸【3 0 】。2 ) 产酸和脱氢阶段，水解形成的溶性小分子物被 产酸细菌作为碳源和能源，最终产生短链的挥发酸，如乙酸。有些产酸细菌能利用富发 酸生成乙酸、氢和二氧化碳。3 ) 产甲烷阶段，在厌氧生物处理中，产物的真正稳定发生 在反应的第三阶段，即产生甲烷阶段。产甲烷的反应有严格的专性厌氧菌产甲烷菌来 完成。这类细菌是严格的厌氧菌，对环境因素的变化和影响，j l p h 、碱度、重金属离子、 洗涤剂、氨、氢、硫化物和温度的变化，比消化性细菌敏感的多，并且生长缓慢( 世代 周期长) 。可以从两个途径产生甲烷：其一是将产酸阶段产生的短链挥发酸( 主要是乙 酸) 氧化成甲烷和二氧化碳；其二是在二氧化碳存在时，利用氢气产生甲烷，如下式所 示： 利用乙酸c h b c o o h - c h 4 + c 0 2 利用h 2 和c 0 2h 2 + c 0 2 一c h 4 + h 2 0 1 1 2 垃圾填埋气减排的必要性 垃圾填埋气容易引发危险，主要包括：挥发性物及二氧化碳融入地下水，造成地下 6 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 水源硬度升高；甲烷以5 1 5 体积比与空气混合极易引起爆炸；甲烷温室效应是二氧 化碳的2 1 倍，加剧全球变暖：填埋气的逸处，容易导致填埋场及附近植物根部缺氧死亡 等。研究表明：每吨垃圾填埋后可以产生3 0 0 m 3 左右的填埋气【3 1 1 ，从目前对环境的影响 状况看，如此大量的填埋气若不采取适当的方式进行收集处理，会对环境和人类的生命 造成危害。应当在填埋场尤其是大型填埋场的建设过程中，配备填埋气收集和资源化利 用或无害化处理装置，从而避免对环境的直接污染和二次污染【3 2 】。 1 2 研究进展 1 2 1 填埋场覆盖层的甲烷氧化 对于没有气体收集系统的填埋场，填埋气经过覆盖层后，释放进入大气；而对于那 些有气体收集系统的填埋场总有部分气体未进入收集系统，同样通过覆盖层进入大气 中。许多研究者发现填埋气经过覆盖层后，有一部分甲烷会被氧化减少【3 3 】【3 4 j 。这是因为 填埋土中的嗜甲烷菌能够将c h 4 作为能源和碳源，氧气为电子受体，通过甲烷单氧酶、 甲醇脱氢酶、甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶四步催化反应，将垃圾填埋气中的c h 4 最终氧 化为h 2 0 、c 0 2 并形成细胞质【2 7 j 。 一般的填埋场覆盖层有氧化甲烷的能力，但是其中的氧化效率还很低( 7 5 0 ) ， 覆盖层氧化甲烷的能力受土壤类型的影响而差异很大。因此，为了增加甲烷的氧化，必 须改善垃圾和大气之间甲烷氧化细菌的生活环境。堆肥中有很高细菌含量，一般为1 0 1 1 个g ，而土壤中为1 0 9 + g t 35 1 。各国研究者开始考虑将堆肥物的有机质含量高、持水力 大、多孔性、微生物丰富等特性与填埋场覆盖层土壤的c h 4 生物氧化功能相结合，从而 强化c h 4 的生物氧化功能【2 】【3 6 1 。研究开始从一般覆盖层转向有机覆盖层，有机覆盖层旨 在替代填埋场原有的每日覆盖层、中间覆盖层和最终覆盖层，从而降低c h 4 的排放强度。 澳大利亚学者h u m e r 和l e c h n e r 【2 】较早开展了堆肥覆盖层的c h 4 氧化能力研究，覆盖 层材料分别为垃圾堆肥物、污泥堆肥物、填埋场表层土和花园肥沃土，在模拟填埋场c h 4 的排放条件下，熟化6 0 周的垃圾堆肥物的c h 4 氧化能力明显高于土壤类覆盖层材料，几 乎能氧化所有老年填埋场排放的c h 4 ，但熟化2 0 周的污泥堆肥物甚至观察不到c h 4 的明 显氧化，说明覆盖层材料的性质对于c h 4 氧化能力影响巨大。美国学者b a r l a z 等【2 8 】在填 埋场现场开展了近1 4 个月的有机覆盖层c h 4 减排能力研究，有机覆盖层以庭院堆肥物为 主要结构层，辅以植被层和排水层，覆盖层c h 4 排放通量保持在- 1 。7 3 1 3 3g i n - z d a y ， 7 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 即使在填埋场气体回收系统停止运行的时间段， 覆盖层的c h 4 排放强度也没有明显增 加，而对应的土壤覆盖层在气体回收系统停止运行时，c 地排放通量高达1 5 9 m - l d a y 一。 此外，h u r n e r n l e c h n e r ，s t r e e s e s t e g m a n n 3 7 1 【3 8 】的实验都表明堆肥用作覆盖层有很好 的甲烷氧化效果。堆肥作为覆盖层取得良好效果的主要原因是堆肥具有大孔径且富含有 机质，能在给甲烷氧化菌提供有机质的同时使其处于较好的通气状况中。b e r g e r 等【3 9 】在 人工环境室内开展t 3 3 周模拟填埋场密封层和最终覆盖层的4 层复合覆盖层试验研究， 分别模拟了气温、降雨等各种气候条件对c h 4 氧化的影响，监测了不同深度气体浓度的 变化，发现模拟降水前c h 4 最大氧化速率发生在约3 0 c m 处，但降水后氧化能力下降，且 出现c h 4 氧化最大值的位置上移，由此推断氧气向下扩散受限是影响系统性能的最重要 因素，应设计更为合理的覆盖层系统。 1 2 2 垃圾填埋场环境的绿化生态恢复 植被恢复是重建任何生物群落的第一步，它是以人工手段促进植被在短时间内得以 恢复。只要不是在极端的自然条件下，植被可以在一个较长的时期内自然发生。其过程 通常是适应性物种的进入，土壤肥力的缓慢积累，结构的缓慢改善，毒性的缓慢下降， 新的适应性物种的进入，新的环境条件变化，群落的进a t 4 0 】【4 1 】。目前，我国处理垃圾的 方式主要有焚烧、堆肥、填埋等，填埋处理以建设投资少、运行成本低、处理量大、操 作工艺简单等优点，为我国的垃圾场广泛采用。但填埋处理不但占用大量土地资源，还 对周边生态环境产生较大负面影响，甚至影响人们的生产生活。面对许多已到库容的垃 圾填埋场，对其进行生态恢复，不但能降低污染，实现持续利用土地资源，还能为居民 提供全新优美的景观和游憩空间【4 2 1 。由于垃圾填埋场的最终生态恢复所形成的植被能美 化周边环境，防止雨水冲蚀土壤，利于径流的收集及倒排【4 3 j ，而且植被工程所形成的小 范围绿地构成的生态系统，能够净化空气、减轻污染，所以垃圾填埋场的生态绿化工作 引起人们的关注t 4 4 1 。然而在植被恢复的过程中会不断遇到各种各样的困难。封场后的生 活垃圾填埋场限制植被生长的因素包括填埋气对植物根系有毒性、土壤含氧量低、离子 交换容量有限、土壤肥力差、土壤持水能力差、含水率低、土壤温度高、土壤结构差以 及植被种类选择不当。这些因素的综合作用将影响植物的生长和分布，其中高浓度填埋 气被认为是垃圾填埋场植被恢复的主要限制因素1 4 5 j 。 国外对城市垃圾填埋场绿化的研究比中国的研究要早一些。由于人口高速增长和经 济的发展，发达国家大都市的旧填埋场址甚至某些正在使用的填埋场址，已经被工业、 8 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 商业和居住区的设施所包围。现代化城区的扩展继续开发新的闲置地来满足其对土地日 益增长的要求，因此一度作为废弃物处置场所的填埋场也成为土地复垦开发的热点。封 场后的填埋场址可以用作公园、娱乐场所、自然保护区、植物园、作物种植、甚至商用 地，这在国外许多城市已有了成功的例子【46 1 。早在1 8 6 3 年，巴黎就将座废弃的石灰 石场和垃圾填埋场改造成比特蒙公园【4 7 】。美国圣地亚哥的m i r a m a r 填埋场在当地环境服 务部门的帮助下，使用高质量的堆肥和填埋场育苗基地培育的本地植物品种，在其 6 0 7 h m z 的封场区域进行了大规模的植被恢复，使封场区域由于干裂贫瘠的不毛之地， 重建为和未作为填埋场使用前的开放绿地【4 引。随着草坪热的升温，德国、荷兰等环保型 国家已有在垃圾填埋场建植草坪的报道【4 9 1 。 从2 0 世纪9 0 年代开始，垃圾填埋场的绿化研究工作在中国才得到重视。周乃杰等 5 0 1 通过调研，发现在封场后的垃圾填埋场上无论是种植草本，灌木或农作物，植被对垃 圾土中的有效成分都有不同程度的利用，由于有效成分被利用，促进了植物的生长，植 被反过来又有强大的固土保水作用，改良土壤的作用，同时，植物对垃圾中重金属吸收 富集的能力使得重金属在植物体内迁移转化，消减净化重金属，加速土壤中有害物质的 去除，从而达到净化目的，为垃圾填埋场的综合利用和开发提供了良好的前景。舒俭民 1 5 ”等通过在青岛湖岛垃圾场的现场试验研究指出，垃圾中有机质发酵所产生的甲烷气体 是抑制树木成活和生长的关键因素，并发现填埋场种植的抗性较强的树种是枸杞、苦楝、 紫穗槐、白腊树、女贞、金银木、正木、臭椿、龙柏等。林学瑞等 s 2 1 对中山市一个关闭 了5 年左右的垃圾卫生填埋场进行了土壤、填埋气和植物自然定居与植被恢复等方面的 调查研究。结果表明：填埋场的植被自然恢复得很好，总盖度达到9 8 ，以草本植物为 主，灌木为辅，另外还有少量的藤本植物和乔木存在。谢东等【5 3 】人的研究发现，甲烷是 影响垃圾填埋场植物成活的主要因素，并筛选出抗性较好的植物枸杞，苦楝、紫穗槐、 刺槐、白腊树、女贞、苜蓿、画眉草、牛筋草和知风草等十几个品种。吉崇拮等【5 4 】对沈 阳赵家沟垃圾填埋场的植被调查共收集野生草本植物有1 6 种，覆盖度由高至低顺序依 次为马氏廖、小黎、大红廖、益母、加蓬、因琛、黄蒿、大蓟、小蓟、水蒿、杨铁酸膜、 胡枝子、萎陵菜、扁蓄、接骨木、野艾蒿。卢螈【5 5 l 以杭州天子岭垃圾填埋场为研究对象， 调查共记录高等植物7 4 种，隶属6 3 属3 0 科，优势种为狗牙根，亚优势种包括苦楝、 胜红蓟、蟛蜞菊、加拿大飞蓬、小牵牛、鸭跖草、少花龙葵、鸡矢藤、红斑一品红、牛 筋草、类芦和田箐等1 2 种植物，其中类芦、加拿大飞蓬和胜红蓟是先锋植物。 9 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 1 2 3 影响填埋场中甲烷氧化的因素 过去几十年很多研究者对垃圾填埋场中的甲烷氧化行为进行了研究，发现许多因素 影响着甲烷氧化： ( 1 ) 垃圾填埋场覆盖层含水率对甲烷氧化菌活性的影响 c h 4 氧化菌功能的发挥需要充足的甲烷、氧气和适宜的环境条件。b e n d e r 等研究发 现细菌功能发挥的最低生理含水量为其细胞干质量的2 3 3 5 6 6 t 56 1 ，覆盖层增加含水率 可使氧化菌由休眠状态转化为活化状态。对某种土壤测定发现，当含水量小于8 时无 甲烷氧化。土壤机械组成与有机质含量决定微生物和植物对水分需求与甲烷和氧气扩散 对土壤水分要求间的平衡点及最佳含水量，使不同土壤呈现不同的最佳含水率值。甲烷 体积分数的增加促进土壤甲烷氧化菌的繁衍，微生物需要更多的水分，土壤含水率增加 所引起的对气体扩散的副作用则因浓度梯度提高而被补偿的机理【5 7 1 。因此，覆盖层含水 率是预测垃圾填埋场中的甲烷氧化的较佳指标。 ( 2 ) 温度对甲烷氧化的影响 一般来说甲烷氧化率随着温度的增加而增加，b o r j e s s o n 认为土壤温度是影响甲烷氧 化的主要因素，作用高达8 5 t 5 引。甲烷氧化细菌适于一定范围内的温度。温度低于3 6 4 c 时，氧化率随着温度的升高而升高，温度超过最佳温度时，氧化率就开始降低，到4 5 时，则不再发生氧化【5 9 1 。b e n d e r 在培养实验的滞后期也可以观察到温度对甲烷氧化细菌 的影响【6 0 】。温度升高，滞后期就缩短这是因为甲烷氧化细菌喜欢温暖的温度条件。h u m e r 和l e c h n e r 3 7 】的研究中提到，4 c 时氧化率约比1 8 c 时减少了7 0 - - 8 0 。在温度极端低 的条件下，覆盖层将会被冰堵塞，氧化量非常低。此时，甲烷排放量也不高。 甲烷氧化的最佳温度大概是2 5 , 3 5 c 。b o e c k x 等【12 】认为最佳的温度是2 0 - - 3 0 。c ， 并随着含水率的增加而降低；而w h a l e n 掣6 1j 认为最佳温度是3 1 。研究者常常使用 q 】o 来量化温度对甲烷氧化的影响，它是指环境氧化温度处在最佳温度以下时，温度每 增加1 0 氧化率提高的倍数。b o e c k x 等 1 2 】发现温度在1 0 - - 2 0 c z i 百 ，平均q l o 值为 1 8 8 + 0 1 4 ，c h r i s t o p h e r s e n 等 6 2 】得到的q l o 值为4 1 3 5 6 0 ，v i s s c h e r 等【6 3 】得到的q 1 0 为 2 8 ：在2 0 - - - 3 0 c 之间，c z e p i e l 等5 9 1 发现的q l o 值为2 4 。w h a l e n 等【6 1 】在1 5 - 2 5 c 之间 得到的q l o 值为1 9 ，而c h r i s t o p h e r s e n 等蚓认为填埋场覆盖土的甲烷氧化q l o 值可以高 达4 1 0 - 7 2 6 。 1 0 甘肃农业大学2 0 0 9 届硕士论文 ( 3 ) 有机质含量对甲烷氧化的影响 一般来说，甲烷氧化率随着土壤中有机质含量的增加而增加【6 2 1 。n o z h e v n i k o v a 等研 究表明对已经在甲烷排放影响一段时间后的填埋场的土壤，它的氧化率要比新鲜土高 6 4 】【6 5 】。这是因为当土壤和甲烷接触反应后，甲烷氧化细菌数量会增加。高有机物含量的 材料，例如堆肥，可以很有效的提高甲烷的氧化效率f 6 6 1 。有机物为甲烷氧化细菌提供了 细孔隙和营养。在适宜的环境下，它们可以将来自于填埋场的甲烷全部降解。无论是草 本植物、灌木，还是农作物，对垃圾填埋地有效成分都有吸收利用【5 3 】。 ( 4 ) c 0 2 浓度对甲烷氧化的影响 土壤中c 0 2 浓度过高也会严重影响甲烷氧化细菌氧化c h 4 的效率。甲烷氧化主要 有两条途径：一条是通过由乙醛酸到丝氨酸的途径，另一条是甲醛结合在磷酸核糖上生 成6 磷酸阿洛酮糖的途径。这些菌可以利用任何一条途径来进行同化。总反应式