垃圾填埋场甲烷的释放及氧化[精选].doc

垃圾填埋场甲烷的释放及氧化 摘要 由于温室效应的日益加剧，温室气体甲烷的减排势在必行。而甲烷的氧化是一种经济有效的减排方式。本文论述了填埋场甲烷的产生、甲烷氧化菌、甲烷的氧化过程。 关键词 甲烷 填埋气 甲烷氧化菌 前言 人类活动排放的温室气体所导致的全球变暖已成为世界重大环境问题之一。在温室气体中，CO2、CH4 和氟氯烃构成了最主要的附加温室效应[1]。研究结果显示，CH4 在近200 年内呈加速上升态势，若不加以控制，预计2030 年大气中CH4 将达2.34 μL·L-1，可能成为温室效应的主要因素。由于CH4的温室效应为CO2的21 倍，故CH4的减排对于控制其温室效应效果更显著[2,3]。 人类活动中的CH4 释放源主要包括：水稻田、反刍动物、垃圾堆填、煤炭开采、石油与天然气工业等。随着城市化发展与人类生活水平的提高，生活垃圾填埋场也已日益成为重要的CH4释放源 [4]。我国的垃圾填埋场绝大多数都采用厌氧填埋工艺，此种工艺甲烷产生率较高，稳定态填埋气中CH4含量约占45%～60%[5]。作为《京都议定书》签约国，找到一种经济高效的减少填埋场CH4排放的方法十分必要。而填埋场终场覆盖层土壤的甲烷氧化是控制甲烷释放的一种经济高效的手段。本文从垃圾填埋场CH4 产生和覆盖层CH4 氧化等方面论述。 甲烷的释放 1.1 填埋气的产生 垃圾填埋场可以被简化为一个生态系统, 此系统的主要输入为垃圾和水, 主要输出为渗滤液和填埋场气体, 二者的产生是填埋场内生物、化学和物理过程共同作用的结果。填埋场气体主要是填埋垃圾中可生物降解有机物在微生物作用下的产物。填埋气的主要组成成分如下表： 表一 填埋气主要成分 成分 体积百分比(%) 甲烷 45～60 二氧化碳 氮气 40～60 2～5 氧气 0.1～1.0 硫化氢 0～0.1 氨气 0.1～1.0 氢气 0～0.2 一氧化碳 0～0.2 微量气体 0.001～0.006 填埋场气体的产生是一个复杂的过程，包含了物理、化学、生物作用，其产生过程大致分为5个阶段[6]： 第一阶段：好氧阶段。废物一进人填埋场, 好氧阶段就开始进行。复杂的有机物通过微生物胞外酶分解成简单有机物, 简单有机物通过好氧分解转化成小分子物质或。这时填埋场中氧气已几乎被耗尽。好氧阶段微生物进行好氧呼吸, 释放出能量较大。此阶段开始产生CO2。 第二阶段：过渡阶段。此阶段O2被耗尽，开始形成厌氧环境。复杂有机物如多糖、蛋白质等在微生物作用或化学作用下水解、发酵, 由不溶性物质变为可溶性物质, 并迅速生成挥发性脂肪酸、CO2和少量H2。由于水解、发酵作用生成挥发性有机物、CO2及其它一些气体, 使填埋场气体组成较好氧阶段复杂,但气体成分仍以CO2为主, 另外会存在少量N2和H2、高分子有机气体, 但基本上不含CH4。 第三阶段：产酸阶段。发酵性细菌将小分子有机物分解为乙酸、丙酸、丁酸、H2和CO2等，再由产氢产乙酸菌将其转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。CO2是这一阶段的主要产生气体，也有少量H2产生。 第四阶段：产甲烷阶段。前几个阶段的产物如甲酸、乙酸、氢气在产甲烷菌的作用下, 转化为CH4和CO2。该阶段是能源回用的黄金时期,甲烷产生率稳定, 浓度保持在50%～65%。 第五阶段：填埋场稳定阶段。当第四阶段中大部分可降解有机物转化成CH4和CO2后, 填埋场释放气体的产生速率显著减小, 填埋场处于相对稳定阶段。该阶段几乎没有气体产生，渗滤液及废物的性质稳定，填埋场中微生物量极贫乏。 以上各个阶段的持续时间, 则根据不同的废物、填埋场条件而有所不同。因为填埋场中垃圾是在不同时期进行填埋的, 所以在填埋场的不同部位, 各个阶段的反应都在同时进行。其中CH4的产生主要在第四阶段。 1.2 甲烷的产生 垃圾厌氧降解时起作用的是两大类细菌：不产甲烷菌和产甲烷菌。甲烷气体的产生依赖于产甲烷菌，它是甲烷发酵阶段的主角。产甲烷菌是一群非常特殊的微生物，都是严格厌氧细菌，其生活环境的氧化还原电位要求在-300mv 以下。和不产甲烷菌相比，甲烷菌对氧气、温度、pH 值、有毒物质更为敏感，在产生甲烷时使氢的分压保持低至10Pa。 1967 年 Bryant 在分离培养奥式杆菌（Methanobacterium Omelianskii）的研究中发现此菌并非纯种，而是由一种甲烷菌 M.OH.和一种不产甲烷菌 M.S.组成。奥式杆菌并不像人们以前认为的能简单地直接利用产酸阶段的产物乙醇产生甲烷，而必须先在 M.S.的作用下使乙醇氧化为乙酸并放出 H2，然后 M.OH.利用产生的H2还原 CO2产生甲烷。这个发现揭示出能够产甲烷的微生物所能利用的底物种类是有限的，其中主要包括乙酸、H2、CO2、甲醛和甲醇等[