[发明专利]一种生活垃圾填埋场甲烷氧化覆盖材料

说明书

技术领域

一种生活垃圾填埋场甲烷氧化覆盖材料，涉及一种使生活垃圾填埋场温室气体减排的场覆盖材料。属于固体废物资源化领域。

背景技术

甲烷是一种重要温室气体，对全球气候温室效应的贡献约20％。由于甲烷产生和消耗之间的不平衡，在过去的300年中，大气中的甲烷浓度已经由0.75hd/L上升到1.71hd/L，并以1％-2％的速度在快速上升。

近年来的研究认为，填埋场是继湿地和稻田之后，大气中甲烷的第三大发生源。据统计，到2002年全世界每年排放的固体废物约为80～100亿吨，我国约为6亿吨。城市垃圾是固体废弃物的重要组成部分。据全国24个省会城市统计，城市垃圾年平均递增率为9.6％。对于排放量日益增加的城市垃圾末端处置，填埋目前在世界多数国家都选择填埋为主要的处理途径。美国现在有数万个垃圾填埋场，我国几乎每个大中城市均设有垃圾填埋场。填埋场中的有机垃圾在压实、有产甲烷菌作用的条件下发酵会释放出有温室效应的气体甲烷和CO₂。而这两种产物中，甲烷的温室效应要比后者强很多倍。

嗜甲烷菌能够将CH₄作为能源和碳源，氧气为电子受体，通过甲烷单氧化酶、甲醇脱氢酶、甲醛脱氢酶和甲酸脱氢酶四步催化反应，将生活垃圾填埋场中的CH₄最终氧化为H₂O，CO₂并形成细胞质。甲烷氧化菌氧化甲烷生成CO₂，并在此过程中获得生长所需的能量。第一步由甲烷单氧化酶(MMO)将甲烷活化生成甲醇，甲醇进一步氧化为甲醛，甲醛再同化为细胞生物量或通过甲酸氧化为CO₂，然后经过一系列的脱氢反应生成CO₂重新回到大气的碳库中，即甲醇→甲醛→甲酸→CO₂和水。其中，甲烷氧化的关键酶是甲烷单氧化酶(MMO)，它是一种对底物选择性很低的酶，容易与很多化合物发生偶然的代谢作用。

嗜甲烷菌在河流沉积物、农田、森林土壤和沼泽中均有发现，对全球甲烷循环影响巨大。

填埋场覆土中也含有大量的嗜甲烷菌，这些细菌对于控制填埋场覆盖层甲烷的排放非常重要。覆盖土对甲烷的氧化大幅度降低了甲烷的释放量。Whalen等(1990)研究已废弃的垃圾填埋场时，观察到覆盖土甲烷氧化速率达到45g/m²·d，是目前所报道的任何环境中甲烷的最高氧化值，而且覆盖土对浓度从<1mg/L到>104mg/L的甲烷都能快速氧化。

砂土对甲烷的氧化是由甲烷氧化菌来完成的，甲烷氧化菌在好氧条件下利用甲烷作为唯一的碳源和能源，经过一系列的过程将甲烷氧化为二氧化碳和水。由于甲烷的氧化产物CO₂的温室效应比甲烷弱20倍，因此，填埋场覆盖土的甲烷氧化可以阻止大气甲烷浓度增大和全球变暖。Kightley等经过长达6个月的研究，考察了三种不同类型(粗砂、黏土和细砂)土壤作为填埋场覆盖层时的CH₄氧化能力，发现粗砂的CH₄氧化能力最高可达10.4mol·m^-2d^-1(折合g·m^-2d^-1)，氧化率达61％；黏土和细砂的CH₄氧化能力稍低，分别为6.8mol·m^-2d^-1和6.9mol·m^-2d^-1，氧化率分别40％和41％。

美国的Barlaz等在填埋场现场开展了近14个月的生物覆盖层CH₄减排能力研究，生物覆盖层以庭院堆肥物为主要结构层，辅以植被层和排水层，生物覆盖层的CH₄排放通量保持在1.73～1.33g·m^-2d^-1，即使在填埋场气体回收系统停止运行覆盖层的CH₄氧化率约为55％，明显高于土壤覆盖层的21％。

一些与本专利相近的研究有：杨石飞等在自来水厂污泥、脱水疏浚污泥、焚烧炉底灰、污水厂未消化污泥和消化污泥中初步筛选出自来水厂污泥能基本满足填埋场覆盖材料工艺要求。但该类材料收缩性较大，需要进行改性处理。

近年来也有研究用工业渣土和建筑弃土替代土壤作为覆盖材料。虽然这种覆盖材料能解决自然土取用问题，并且能为废弃渣土的处理提供出路，但不能遏制甲烷产生释放。