专利名称：一种加强填埋场覆盖层甲烷氧化的方法
技术领域：
本发明涉及一种强化填埋场覆盖层甲烷氧化能力的方法，具体是能富集矿化垃圾 内部嗜甲烷微生物方法，属于环境污染防治技术与温室气体减排技术领域。
背景技术：
大气中的甲烷是仅次于CO2的重要温室气体，其温室效应贡献率达26%。全球每年甲烷的排放量达到5. 35X 108t，其中人为源甲烷排放量为3. 75X 108t。生活垃圾填埋场 中的有机废物在厌氧状态下分解，会产生填埋气。近年来的研究认为，生活垃圾填埋场已成 为大气中甲烷的最大人为排放源之一。甲烷氧化菌能够将甲烷作为碳源和能源，以氧气为电子受体，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甲烷转化成二 氧化碳并形成细胞质。二氧化碳是菌体的代谢产物，即甲烷最后被氧化成为二氧化碳。已有 研究表明，功能覆盖层甲烷氧化可有效促进人为源甲烷末端转化，0 30cm 土层中甲烷氧 化菌数量最多，活性最强，甲烷氧化速率最高可达290g/(m2 .d)。影响功能覆盖层甲烷氧化 的主要因素有土壤结构、养分状况、湿度、温度、甲烷和氧气的浓度、NH4+以及土壤pH值等。 尽管对功能覆盖层甲烷氧化微生物以及影响甲烷氧化因素的研究已经比较普遍，但通过覆 盖层进行甲烷氧化的效率并不十分理想，这其中的最大的问题就是由于甲烷氧化菌的细胞 生长速度慢、密度低、催化反应受还原性辅酶影响等许多瓶颈限制了甲烷氧化菌的应用发 展。甲烷氧化菌由于仅能以甲烷或甲基化合物为碳源而难以用琼脂平板的方法分离出来， 这样使得菌体富集和扩大培养手段难于在工程上应用。因此为了确保覆盖层甲烷氧化的工 程应用，必须提高单位覆盖层的氧化率。
发明内容
本发明的目的是公开一种工艺简单、成本低廉且适用于中小型生活垃圾填埋场提 高覆盖层甲烷氧化效率的方法。为了达到上述目的，本发明受伯杰细菌手册关于甲基单胞菌科的介绍中提及的 “许多细菌是能利用多碳化合物以及单碳化合物，而不是专依靠甲烷或甲醇作为碳源和能 源”启发，更多的关注甲烷氧化菌对多碳化合物的降解后发现添加糖类化合物可以加强覆 盖层的甲烷氧化能力，该发现从根本上解决了传统覆盖层甲烷氧化能力难以提高的瓶颈， 避免了释放甲烷造成的温室效应。进而对矿化垃圾的研究中发现向矿化垃圾中添加蔗糖、 葡萄糖等糖类化合物为碳源，经过一段时间的驯化，矿化垃圾的甲烷氧化效果得到了明显 的加强。本发明所指的矿化垃圾之定义为以干基计，当填埋场生活垃圾通过8年或 以上的生物降解后，其固体产物的降低到有机质含量9 15%、离子交换容量120 140mmol/100g、细菌数1 9X106个/g、pH值近中性的7. 5、饱和水力渗透系数KsI 1. 3cm/min时即成为稳定的矿化垃圾，其吸附比表面积5 6m2/g，总氮0. 5%、总磷和总钾均为左右。矿化垃圾经过长时期填埋条件下的甲烷驯化含有大量既可氧化甲烷又可以 利用糖的微生物。因此，以矿化垃圾为功能覆盖材料，通过糖强化，可以有效的促进覆盖层 甲烷氧化效率。具体工艺如下
首先，按照每吨矿化垃圾中加入0. 5 3kg糖的比例量取糖，然后，将1 3份质量 糖加入到100份质量水中搅拌均勻，配置成为糖溶液；将糖溶液加入矿化垃圾中混合均勻， 再经过7 10天的驯化(常温下静止)成为覆盖层材料；最后，在生活垃圾填埋单元作业 结束后，按照终场覆盖层40-60cm厚度的常规覆盖工艺将覆盖层材料均勻铺撒在生活垃圾 表面；经检测，甲烷氧化效率提高至810g/(m2 · d)。所述的矿化垃圾是填埋8年以上，粒径为0. 5 4mm，含水率为20 30%的矿化垃圾。所述的糖是市售的蔗糖、葡萄糖、甘露糖、果糖、棉籽糖、乳糖或淀粉。本发明具有如下的优点1、由于本发明利用的原料是加了糖溶液后经过驯化的覆盖层材料，因此有效的促 进覆盖层甲烷氧化效率，而且，工艺简单，是以废治废，实现填埋场温室气体减排的方法，具 有明显的社会效益和经济效益。2、将本发明按照终场覆盖层40-60cm的常规覆盖工艺进行作业，甲烷氧化效率可 达到810g/(m2 · d)，比普通的填埋场覆盖材料的甲烷氧化效率高出2 3倍。3、本发明成本低，工艺简单，对于中小型生活垃圾填埋场提高覆盖层甲烷氧化效 率特别适用，可以广泛的推广。
图1为本发明的工艺流程2为本发明的矿化垃圾中混合菌对不同糖的利用量图3为本发明的添加不同糖对矿化垃圾混合菌浓度影响图4为本发明的添加蔗糖对矿化垃圾氧化甲烷的影响曲线5为本发明的添加淀粉对矿化垃圾氧化甲烷的影响曲线6为本发明的添加甘露糖对矿化垃圾氧化甲烷的影响曲线7为本发明的添加乳糖对矿化垃圾氧化甲烷的影响曲线8为本发明的添加果糖对矿化垃圾氧化甲烷的影响曲线9为本发明的添加棉籽糖对矿化垃圾氧化甲烷的影响曲线图
具体实施例方式实施例1选取7种糖进行碳源优化实验，7种糖包括了蔗糖、甘露糖、乳糖、棉籽糖、淀粉、果 糖和葡萄糖。将它们分别加入到水中搅拌均勻配置成为糖溶液，每种糖溶液的初始浓度为 30.Og/Lo用500mL蒸馏水和IOg矿化垃圾混合，得到富含甲烷氧化微生物的混合菌液。将 糖溶液按照3. Og/L加入混合菌液中考察70h后的消耗情况。混合菌液对不同糖的消耗情况可以通过糖的消耗浓度确定，糖浓度的检测采用硫酸蒽酮法。将含糖的混合菌液用离心 机离心后得到不含细菌的糖溶液，取2. 5mL上述糖溶液用50mL的容量瓶稀释，取ImL置于 IOmL具有塞子和刻度的试管中，然后在试管中分别加入4mL蒽酮试剂，准确煮沸10分钟后 取出，立刻用自来水冷却，室温下放置十分钟左右后，得到糖的显色溶液，在635nm处测定 吸光度。由图2可知，7种糖类化合物都可以被混合菌液利用，其中棉籽糖消耗得最快，说明 棉籽糖对混合菌的生长就有较好的促进作用。菌液的吸光度可以定性表征菌体的浓度，吸光度越高说明菌体长势越好。采用分 光光度计检测，波长为560nm。用5mL的玻璃注射器抽取3mL左右加了糖溶液的混合菌液加 入比色皿中，以蒸馏水为参比。请看图3，由菌液的吸光度可知，棉籽糖和甘露糖为碳源，菌 体长势较好。而蔗糖、淀粉和葡萄糖为碳源长势一般。菌体的生长情况定性的表征了甲烷 氧化微生物的生长情况，而甲烷生物氧化的能力还需要通过实际的对甲烷气体的氧化率进 行判断，请看实施例2。实施例2选取了 6种糖类化合物，其中包括了蔗糖、甘露糖、乳糖、棉籽糖、淀粉和果糖。将 它们分别加入到水中搅拌均勻配置成为糖溶液，每种糖溶液的初始浓度为1. Og/L，加入装 有20g矿化垃圾(填埋8年以上，粒径为0. 5 4mm，含水率为20 30%的稳定的矿化垃 圾)的密封血清瓶中，并在瓶中冲入甲烷，模拟生活垃圾填埋场实际情况。考察其矿化垃圾 对甲烷氧化的情况。气相中甲烷和产生的二氧化碳的测定均采用气相色谱气相色谱仪为 SHIMADZU公司的GC-14B型，热导检测器，不锈钢填充柱，柱长2m ；担体为⑶X-104，80 100 目；载气为氢气，载气流量30mL/min，桥电流120mA;检测器、进样器及色谱柱温度分别为 90°C、40°C、4(rC ；采用ImL的气体进样针采样，进样量为0. 2mL。组分的体积分率通过标准 曲线换算得到，甲烷的消耗量用来表征矿化垃圾降解甲烷的能力，而二氧化碳的生成量用 来表征矿化垃圾中菌体的代谢特征。由图4 图9可知，添加了糖的矿化垃圾都具备了较强的甲烷消耗能力。其中，甘 露糖为碳源时矿化垃圾甲烷降解的能力相对较弱，培养了 30d后甲烷含量由30%降至10% 左右(图4)，同样的结果也发生在以棉籽糖和果糖为碳源的实验过程中(图5和图6)。由图7可知，蔗糖为碳源的矿化垃圾在培养了 15d后，甲烷出现了明显的下降，并 在1周内实现了甲烷的完全消耗。淀粉也出现了相似的现象，甲烷的迅速降解发生在培养 IOd之后，并在之后的IOd内甲烷完全消耗(图8)。这说明了以蔗糖和淀粉为碳源的代谢 途径和以甲烷为碳源的代谢途径是非常相近的，因此可以确保菌体在利用糖的同时，还保 持了与氧化甲烷相关生物酶的活性。此外，添加糖的矿化垃圾基本都需要7 10天的驯化 (常温下放置)才可以确保氧化甲烷的活性。以添加淀粉的矿化垃圾为例，经换算可知甲烷 氧化率为810g/(m2 · d)，与未加糖溶液的空白实验相比，甲烷氧化效率高出约3倍。由图9可知，以乳糖为碳源的矿化垃圾可以很好地降解甲烷，但同时发现甲烷在 降解的过程中，二氧化碳并没有明显的增加，这说明了甲烷主要转化为了菌体。
权利要求
一种加强填埋场覆盖层甲烷氧化的方法，其特征在于首先，按照每吨矿化垃圾中加入0.5～3kg糖的比例量取糖，然后，将1～3份质量糖加到100份质量水中，搅拌均匀，配置成为糖溶液后加入矿化垃圾中，混合均匀，再在常温下静止7～10天，成为覆盖层材料；最后，在生活垃圾填埋单元作业结束后，按照终场覆盖层40-60cm厚度的常规覆盖工艺，将覆盖层材料均匀铺撒在生活垃圾表面；经检测，甲烷氧化效率达到810g/(m2·d)。
2.根据权利要求1所述的一种加强填埋场覆盖层甲烷氧化的方法，其特征在于所述 的矿化垃圾是填埋8年以上，粒径为0. 5 4mm，含水率为20 30%的矿化垃圾。
3.根据权利要求1所述的一种加强填埋场覆盖层甲烷氧化的方法，其特征在于所述 的糖是市售的葡萄糖、甘露糖、果糖、蔗糖、棉籽糖、乳糖或淀粉。
全文摘要
一种加强填埋场覆盖层甲烷氧化的方法，涉及一种能富集矿化垃圾内部嗜甲烷微生物的方法。首先，按照每吨矿化垃圾加入0.5～3kg糖的比例称取糖，然后，将1～3份质量糖加到100份质量水中搅匀，配置成为糖溶液后加入矿化垃圾中，混合均匀后经过7～10天的驯化成为覆盖层材料；最后，在生活垃圾填埋单元作业结束后，按照终场覆盖层40-60cm厚度的常规覆盖工艺将覆盖层材料均匀铺撒在生活垃圾表面；经检测，甲烷氧化效率提高至810g/(m2·d)。本发明以废治废，成本低，比普通的填埋场覆盖材料的甲烷氧化效率高2～3倍，实现填埋场温室气体的减排，具有明显的社会效益和经济效益，可广泛用于生活垃圾填埋场，特别适用于中小生活垃圾填埋场甲烷氧化覆盖层的强化。
文档编号B09B3/00GK101823072SQ20101015744
公开日2010年9月8日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者周海燕, 柴晓利, 牛冬杰, 石峰, 赵天涛, 赵由才, 陈浩泉, 黄仁华 申请人:同济大学