垃圾填埋場生物覆蓋材料的篩選及其甲烷減排研究

【摘要】：城市垃圾填埋場作為第三大甲烷排放源不斷加劇著全球溫室效應。目前中國生活垃圾量高達10億噸/年，80%以上的垃圾采用衛(wèi)生填埋方式處理。垃圾在填埋過程中會產(chǎn)生大量以CH_4和CO_2為主的填埋氣，填埋氣通過垃圾體表面大量逸散到空氣中，如何經(jīng)濟有效地控制垃圾體表面甲烷排放，對減緩全球溫室效應具有重大意義。本論文以廣州市興豐垃圾填埋場為調(diào)研對象，調(diào)查了該填埋場氣體產(chǎn)生、收集和擴散情況，監(jiān)測填埋場表面甲烷釋放速率，以了解通過垃圾體表面擴散的甲烷量。在此基礎上進行了實驗室模擬覆蓋層的甲烷氧化實驗，篩選出既滿足工程作業(yè)要求又具有高效甲烷氧化能力的生物覆蓋材料，優(yōu)化材料的影響因子和考察材料的甲烷氧化機制，旨在為垃圾填埋場生物覆蓋材料甲烷減排的工程應用提供理論。主要結(jié)論如下： (1)興豐垃圾填埋場采用水平收集管道收集填埋氣體以用于發(fā)電。對該填埋場填埋氣體調(diào)研分析得出：全場分為4區(qū)作業(yè)，每區(qū)設置3層收集管，三、四區(qū)目前為產(chǎn)氣活躍期，填埋氣收集量分別占總收集效率的37.8%、43.9%。由于收集管管道堵塞問題及收集管布局的不合理導致填埋氣收集效率下降，大量氣體通過填埋場表層釋放到空氣中。填埋場采用HDPE膜作為臨時覆蓋材料，靜態(tài)箱式法監(jiān)測到新填作業(yè)面和陳垃圾覆膜面的甲烷釋放速率分別為0.28mol·m~(-2)·h~(-1)和4.17mol·m~(-2)·h~(-1)，一年排入大氣的CH4量為0.175×107m3，因此控制填埋作業(yè)面的甲烷排放是減少填埋場甲烷排放的關鍵。 (2)通過模擬柱實驗篩選消化污泥、礦化垃圾和黏土作為潛在的垃圾填埋場覆蓋材料，考察其甲烷氧化能力以實現(xiàn)填埋場甲烷減排的目的。實驗表明消化污泥和礦化垃圾甲烷氧化能力顯著，其對甲烷的日氧化率平均值、總氧化率和氧化速率V(CH4)分別為10.27%、75.82%、1.76mmol/(kg·d)和11.05%、75.61%、2.04mmol/(kg·d)，均高于黏土的9.05%、68.15%、1.33mmol/(kg·d)。實驗進一步采用粉煤灰、建筑垃圾和黏土作為改性劑，摻入消化污泥中以改善消化污泥的理化性質(zhì)和甲烷氧化能力。粉煤灰改性后的消化污泥甲烷氧化能力最高，其甲烷日氧化率平均值、總氧化率和V(CH4)分別為17.27%、92.37%、2.35mmol/(kg·d)。粉煤灰不僅發(fā)揮了其肥效作用，又起到了疏松劑和膨脹劑的作用，既改善材料理化性質(zhì)，又顯著提高了材料的甲烷氧化能力。因此生物覆蓋材料粉煤灰改性污泥的甲烷氧化能力比傳統(tǒng)覆蓋層強，可以作為潛在的填埋場甲烷減排技術加以應用。 (3)通過測定粉煤灰改性污泥的土工性質(zhì)，實驗得出粉煤灰與消化污泥混合比在1:1～1.5:1范圍內(nèi)，滲透系數(shù)＜10-4cm/s，抗壓強度≥50kPa，可以滿足填埋場作業(yè)要求且粉煤灰明顯降低了消化污泥的臭度和粘度。L9(34)正交實驗優(yōu)化材料各影響因子得出材料最佳條件為粉煤灰與消化污泥以1:1的混合比，添加0.05mL/g的NMS營養(yǎng)液調(diào)節(jié)其含水率為40%，200mm覆蓋厚度作為日覆蓋厚度，400mm作為區(qū)覆蓋或終場覆蓋厚度。在最優(yōu)條件下，材料的甲烷總氧化率可達到88.6%。 (4)生物覆蓋材料受下層填埋氣中CH4濃度和上層空氣擴散到材料中的O_2的影響，材料的甲烷氧化效率隨著初始CH4、O2濃度的升高而增加。覆蓋材料的甲烷氧化反應以CH4和O2為主要反應物。在室溫條件下，通過測量CH4與O_2的反應速率以建立CH_4氧化動力學方程。實驗得出材料的甲烷氧化速率方程為：-dV(CH_4)/dt=kV(CH_4)V(O_2)，屬2級動力學方程。甲烷濃度越高甲烷氧化速率越大，當土壤中的甲烷濃度飽和時甲烷氧化速率趨于平穩(wěn)。通過動力學Michaelis-Menten模型，利用Origin version7.5軟件擬合得出最大反應速率V max為2.54μmolCH4g~(-1)h~(-1)，半速常數(shù)K m為0.49μmol。 【關鍵詞】：垃圾填埋 生物覆蓋材料 甲烷氧化
【學位授予單位】：暨南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：X705;X502
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 緒論10-21
• 1.1 研究背景與意義10-15
• 1.1.1 生活垃圾排放現(xiàn)狀10-11
• 1.1.2 生活垃圾處理方法11-12
• 1.1.3 垃圾填埋場的甲烷排放12-14
• 1.1.4 垃圾填埋場甲烷減排技術14-15
• 1.2 研究進展15-18
• 1.2.1 生物覆蓋材料研究現(xiàn)狀15-17
• 1.2.2 影響生物覆蓋層甲烷氧化的因素17-18
• 1.3 研究思路18-21
• 1.3.1 課題來源18
• 1.3.2 研究目標18
• 1.3.3 研究內(nèi)容18-20
• 1.3.4 技術路線20-21
• 2. 廣州興豐垃圾填埋場現(xiàn)場調(diào)查與分析21-33
• 2.1 實驗部分21-23
• 2.1.1 實驗儀器21-22
• 2.1.2 實驗方法22-23
• 2.2 結(jié)果與討論23-31
• 2.2.1 填埋場概況及填埋氣收集方式23-25
• 2.2.2 各填埋區(qū)和各填埋層甲烷收集速率25-27
• 2.2.3 填埋場表面甲烷釋放速率27-31
• 2.3 本章小結(jié)31-33
• 3. 生物覆蓋材料的篩選33-44
• 3.1 實驗部分33-35
• 3.1.1 實驗材料與儀器33
• 3.1.2 實驗裝置33-34
• 3.1.3 實驗方法34-35
• 3.2 結(jié)果與討論35-42
• 3.2.1 覆蓋材料篩選35-38
• 3.2.2 消化污泥改性劑的篩選38-42
• 3.3 本章小結(jié)42-44
• 4. 生物覆蓋材料的條件優(yōu)化44-54
• 4.1 實驗部分44-45
• 4.1.1 實驗材料與試劑44
• 4.1.2 實驗儀器44
• 4.1.3 實驗方法44-45
• 4.2 結(jié)果與分析45-53
• 4.2.1 粉煤灰改性污泥的土工性質(zhì)測定45-47
• 4.2.2 覆蓋材料條件優(yōu)化47-49
• 4.2.3 甲烷氧化能力影響因素的研究49-52
• 4.2.4 最優(yōu)條件下的甲烷氧化效率52-53
• 4.3 本章小結(jié)53-54
• 5. 生物覆蓋材料的甲烷氧化動力學研究54-62
• 5.1 實驗部分54-55
• 5.1.1 實驗材料與試劑54
• 5.1.2 實驗儀器54
• 5.1.3 實驗方法54-55
• 5.2 結(jié)果與討論55-60
• 5.2.1 初始 CH_4(%)和 O_2(%)對甲烷氧化效率的影響55-57
• 5.2.2 甲烷氧化動力學方程57-59
• 5.2.3 甲烷氧化動力學參數(shù)59-60
• 5.3 本章小結(jié)60-62
• 6 結(jié)論和展望62-65
• 6.1 結(jié)論62-63
• 6.2 創(chuàng)新之處63
• 6.3 展望63-65
• 參考文獻65-73
• 碩士期間發(fā)表的論文73-74
• 致謝74

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