垃圾填埋场生物覆盖材料的筛选及其甲烷减排研究

【摘要】：城市垃圾填埋场作为第三大甲烷排放源不断加剧着全球温室效应。目前中国生活垃圾量高达10亿吨/年，80%以上的垃圾采用卫生填埋方式处理。垃圾在填埋过程中会产生大量以CH_4和CO_2为主的填埋气，填埋气通过垃圾体表面大量逸散到空气中，如何经济有效地控制垃圾体表面甲烷排放，对减缓全球温室效应具有重大意义。本论文以广州市兴丰垃圾填埋场为调研对象，调查了该填埋场气体产生、收集和扩散情况，监测填埋场表面甲烷释放速率，以了解通过垃圾体表面扩散的甲烷量。在此基础上进行了实验室模拟覆盖层的甲烷氧化实验，筛选出既满足工程作业要求又具有高效甲烷氧化能力的生物覆盖材料，优化材料的影响因子和考察材料的甲烷氧化机制，旨在为垃圾填埋场生物覆盖材料甲烷减排的工程应用提供理论。主要结论如下： (1)兴丰垃圾填埋场采用水平收集管道收集填埋气体以用于发电。对该填埋场填埋气体调研分析得出：全场分为4区作业，每区设置3层收集管，三、四区目前为产气活跃期，填埋气收集量分别占总收集效率的37.8%、43.9%。由于收集管管道堵塞问题及收集管布局的不合理导致填埋气收集效率下降，大量气体通过填埋场表层释放到空气中。填埋场采用HDPE膜作为临时覆盖材料，静态箱式法监测到新填作业面和陈垃圾覆膜面的甲烷释放速率分别为0.28mol·m~(-2)·h~(-1)和4.17mol·m~(-2)·h~(-1)，一年排入大气的CH4量为0.175×107m3，因此控制填埋作业面的甲烷排放是减少填埋场甲烷排放的关键。 (2)通过模拟柱实验筛选消化污泥、矿化垃圾和黏土作为潜在的垃圾填埋场覆盖材料，考察其甲烷氧化能力以实现填埋场甲烷减排的目的。实验表明消化污泥和矿化垃圾甲烷氧化能力显著，其对甲烷的日氧化率平均值、总氧化率和氧化速率V(CH4)分别为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)。实验进一步采用粉煤灰、建筑垃圾和黏土作为改性剂，掺入消化污泥中以改善消化污泥的理化性质和甲烷氧化能力。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、总氧化率和V(CH4)分别为17.27%、92.37%、2.35mmol/(kg·d)。粉煤灰不仅发挥了其肥效作用，又起到了疏松剂和膨胀剂的作用，既改善材料理化性质，又显著提高了材料的甲烷氧化能力。因此生物覆盖材料粉煤灰改性污泥的甲烷氧化能力比传统覆盖层强，可以作为潜在的填埋场甲烷减排技术加以应用。 (3)通过测定粉煤灰改性污泥的土工性质，实验得出粉煤灰与消化污泥混合比在1:1～1.5:1范围内，渗透系数＜10-4cm/s，抗压强度≥50kPa，可以满足填埋场作业要求且粉煤灰明显降低了消化污泥的臭度和粘度。L9(34)正交实验优化材料各影响因子得出材料最佳条件为粉煤灰与消化污泥以1:1的混合比，添加0.05mL/g的NMS营养液调节其含水率为40%，200mm覆盖厚度作为日覆盖厚度，400mm作为区覆盖或终场覆盖厚度。在最优条件下，材料的甲烷总氧化率可达到88.6%。 (4)生物覆盖材料受下层填埋气中CH4浓度和上层空气扩散到材料中的O_2的影响，材料的甲烷氧化效率随着初始CH4、O2浓度的升高而增加。覆盖材料的甲烷氧化反应以CH4和O2为主要反应物。在室温条件下，通过测量CH4与O_2的反应速率以建立CH_4氧化动力学方程。实验得出材料的甲烷氧化速率方程为：-dV(CH_4)/dt=kV(CH_4)V(O_2)，属2级动力学方程。甲烷浓度越高甲烷氧化速率越大，当土壤中的甲烷浓度饱和时甲烷氧化速率趋于平稳。通过动力学Michaelis-Menten模型，利用Origin version7.5软件拟合得出最大反应速率V max为2.54μmolCH4g~(-1)h~(-1)，半速常数K m为0.49μmol。 【关键词】：垃圾填埋 生物覆盖材料 甲烷氧化
【学位授予单位】：暨南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X705;X502
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 绪论10-21
• 1.1 研究背景与意义10-15
• 1.1.1 生活垃圾排放现状10-11
• 1.1.2 生活垃圾处理方法11-12
• 1.1.3 垃圾填埋场的甲烷排放12-14
• 1.1.4 垃圾填埋场甲烷减排技术14-15
• 1.2 研究进展15-18
• 1.2.1 生物覆盖材料研究现状15-17
• 1.2.2 影响生物覆盖层甲烷氧化的因素17-18
• 1.3 研究思路18-21
• 1.3.1 课题来源18
• 1.3.2 研究目标18
• 1.3.3 研究内容18-20
• 1.3.4 技术路线20-21
• 2. 广州兴丰垃圾填埋场现场调查与分析21-33
• 2.1 实验部分21-23
• 2.1.1 实验仪器21-22
• 2.1.2 实验方法22-23
• 2.2 结果与讨论23-31
• 2.2.1 填埋场概况及填埋气收集方式23-25
• 2.2.2 各填埋区和各填埋层甲烷收集速率25-27
• 2.2.3 填埋场表面甲烷释放速率27-31
• 2.3 本章小结31-33
• 3. 生物覆盖材料的筛选33-44
• 3.1 实验部分33-35
• 3.1.1 实验材料与仪器33
• 3.1.2 实验装置33-34
• 3.1.3 实验方法34-35
• 3.2 结果与讨论35-42
• 3.2.1 覆盖材料筛选35-38
• 3.2.2 消化污泥改性剂的筛选38-42
• 3.3 本章小结42-44
• 4. 生物覆盖材料的条件优化44-54
• 4.1 实验部分44-45
• 4.1.1 实验材料与试剂44
• 4.1.2 实验仪器44
• 4.1.3 实验方法44-45
• 4.2 结果与分析45-53
• 4.2.1 粉煤灰改性污泥的土工性质测定45-47
• 4.2.2 覆盖材料条件优化47-49
• 4.2.3 甲烷氧化能力影响因素的研究49-52
• 4.2.4 最优条件下的甲烷氧化效率52-53
• 4.3 本章小结53-54
• 5. 生物覆盖材料的甲烷氧化动力学研究54-62
• 5.1 实验部分54-55
• 5.1.1 实验材料与试剂54
• 5.1.2 实验仪器54
• 5.1.3 实验方法54-55
• 5.2 结果与讨论55-60
• 5.2.1 初始 CH_4(%)和 O_2(%)对甲烷氧化效率的影响55-57
• 5.2.2 甲烷氧化动力学方程57-59
• 5.2.3 甲烷氧化动力学参数59-60
• 5.3 本章小结60-62
• 6 结论和展望62-65
• 6.1 结论62-63
• 6.2 创新之处63
• 6.3 展望63-65
• 参考文献65-73
• 硕士期间发表的论文73-74
• 致谢74

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