专利名称：一种基于异化铁还原的垃圾填埋场甲烷深度控制技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及生活垃圾填埋场的CH4减排领域，特别涉及一种基于异化铁还原作用利用有机络合三价铁一梓檬酸铁抑制生活垃圾填埋场CH4产生的方法。
背景技术：
CH4是一种重要的温室气体，其温室效应潜力是CO2的25倍，对加速全球温室效应贡献约占15%。有研究结果显示，CH4在近200年内呈加速上升态势，若无相应的温室气体减排措施，预计2030年大气中CH4将达2. 34 μ L/L，温室效应的贡献率将达50%。目前已经证实，生活垃圾填埋场是由人类活动引起的最重要的CH4释放源，全球释放量达2(T70Tg/年。2005年我国垃圾填埋场的CH4总产量占人为总排放量的11%，而该比例在2010年可能达到
12.6% (2006年预计值，目前尚未统计报道)。据估计，至2020年，填埋场CH4释放将占全球CH4释放总量的19%，而我国垃圾填埋场的CH4排放量将达到3. 6X IO8当量CO2,占全国CH4排放的31%。目前，我国约90%以上的生活垃圾采用填埋处理，填埋场的CH4减排形势相当严峻。铁在垃圾中的含量非常高，据统计，填埋场内铁储量高达700Tg，被誉为“世界第三大铁库”。国内生活垃圾中Fe含量更高，可达48490mg/kg。作为最容易被生物圈利用的变价金属之一，它在厌氧环境中能进行异化铁还原过程，对有机物的代谢过程具有极大影响。 厌氧环境中的异化铁还原过程是一种微生物代谢，被认为是地球上最早的呼吸形式之一。该过程中Fe(III)作为电子受体，接受由无机和有机电子供体提供的电子，氧化有机物，并且自身被还原。垃圾厌氧降解过程一般可以分为四个阶段。(I)水解阶段复杂的高分子有机物首先在水解发酵性细菌产生的胞外酶的作用下分解为溶解性的小分子有机物。(2)酸化阶段溶解性小分子有机物进入发酵菌细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢等，同时合成细胞物质。(3)产乙酸阶段酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。(4)产甲烷阶段在此阶段，产甲烷菌通过以下两个途径之一，将乙酸、氢气和二氧化碳等转化为甲烷。其一是在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷。其二是利用乙酸裂解直接生成甲烷。目前尚未有将异化铁还原作用过程应用于生活垃圾降解中的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种异化铁还原作用在对生活垃圾填埋场甲烷产生过程进行原位深度控制中应用。本发明所提供的应用具体为有机络合三价铁在抑制生活垃圾填埋场甲烷产生中的应用；或有机络合三价铁在抑制有机物降解过程中甲烷的产生中的应用。在本发明的实施例中，所述有机络合三价铁具体为柠檬酸铁。在上述应用中，所述生活垃圾填埋场可为厌氧生活垃圾填埋场，也可为设有厌氧填埋区的好氧或准好氧生活垃圾填埋场；所述有机物降解具体为有机物的厌氧降解。即所述异化铁还原作用过程发生于厌氧环境下。一种厌氧降解生活垃圾的方法也属于本发明的保护范围。本发明所提供的降解生活垃圾的方法，具体可包括如下步骤向待降解生活垃圾中添加有机络合三价铁，使之厌氧降解所述待降解生活垃圾。 在上述方法中，所述有机络合三价铁具体可为柠檬酸铁。在上述方法中，所述柠檬酸铁与所述待降解生活垃圾的质量配比大于等于4000mg :1kg。在上述方法中，所述降解温度为35±5°C。在本发明的一个实施例中，所述降解温度具体为35 °C。 在本发明的一个实施例中，向人为混合的有机物中添加厌氧污泥及铁源，从而模拟生活垃圾填埋场实际情况。上述本发明所提供的降解生活垃圾的方法在本发明具体实施例中，体现如下向待降解有机物中添加本底铁元素质量含量为373± 10. 8mg/L的厌氧污泥，形成降解体系，再向所述降解体系中添加柠檬酸铁，使之厌氧降解所述待降解有机物。所述柠檬酸铁与所述降解体系的质量配比大于等于4000mg :1kg。在本发明的一个实施例中，所述柠檬酸铁与所述降解体系的质量配比具体为4000mg :1kg。在所述降解体系中，所述厌氧污泥的重量为所述待降解有机物干基重量的5%。所述反应的温度为35±5°C (如35°C);所述降解体系中含水质量百分比为75±5%(如 75%)。上述所有的所述有机物均可为蛋白质、脂肪、淀粉和纤维素的混合物；其质量配比可为蛋白质脂肪淀粉纤维素=2. 0 2· 2:1. (Tl. 2:3. 3^3. 6:2. 2 2. 5。在本发明的一个实施例中，上述所有的所述有机物均具体为蛋白质、脂肪、淀粉和纤维素的混合物，其质量配比具体为蛋白质脂肪淀粉纤维素=24. 4 11. I 39. I 25. 4，折算为 C、H、N、0和 S元素的质量配比为C:H:N:0:S=45. 74 :6. 56 :3. 45 :41. 09 :0. 19。实验证明，柠檬酸铁能够在厌氧环境中，通过异化铁还原作用很好的抑制生活垃圾有机物降解过程中CH4的产生，与未处理的对照组，以及其他形式Fe处理组相比，柠檬酸铁处理组整个降解体系中CH4的产量非常低，CH4的消减量基本达到100%。柠檬酸铁具有更好的生物可利用性，不仅能促进生活垃圾有机物的厌氧降解，同时能被铁还原菌等微生物利用，进行异化铁还原过程，实现有机质的“好氧矿化”及CH4的控制。本发明可为源头减少填埋场CH4排放提供强大的技术支持，具有广阔应用前景。
图I为填埋场内传统生物降解产甲烷(左)及基于异化铁还原的甲烷深度控制(右)原理图。图2为添加不同铁源条件下H2浓度的变化曲线。其中，A为添加还原性铁组；B为添加氧化铁组；C为添加柠檬酸铁组；D为添加硫酸铁组。图3为添加不同铁源条件下CH4浓度变化曲线。其中，A为添加还原性铁组；B为添加氧化铁组；C为添加柠檬酸铁组；D为添加硫酸铁组。
图4为添加不同铁源条件下CH4累积产量变化曲线。其中，A为添加还原性铁组；B为添加氧化铁组；C为添加柠檬酸铁组；D为添加硫酸铁组。图5为添加不同铁源对CH4产量的贡献率。图6为主要产氢途径的机理图。
具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例I、基于异化铁还原作用控制生活垃圾中甲烷的产生
一、实验材料与方法 本实施例使用蛋白质、脂肪、淀粉和纤维素混合物模拟易降解有机物，混合基质的配比及元素分析如表I和表2。表I混合基质的配比(%)
权利要求
1.有机络合三价铁在抑制生活垃圾填埋场甲烷产生中的应用。
2.根据权利要求I所述的应用，其特征在于所述有机络合三价铁为柠檬酸铁。
3.根据权利要求I或2所述的应用，其特征在于所述生活垃圾填埋场为厌氧生活垃圾填埋场，或设有厌氧填埋区的好氧或准好氧生活垃圾填埋场。
4.有机络合三价铁在抑制有机物降解过程中甲烷的产生中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于所述有机络合三价铁为柠檬酸铁。
6.根据权利要求4或5所述的应用，其特征在于所述有机物降解为有机物的厌氧降解。
7.一种厌氧降解生活垃圾的方法，包括如下步骤向待降解生活垃圾中添加有机络合三价铁，使之厌氧降解所述待降解生活垃圾。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述有机络合三价铁为柠檬酸铁。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述柠檬酸铁与所述待降解生活垃圾的质量配比大于等于4000mg :1kg。
10.根据权利要求7-9中任一所述的方法，其特征在于所述方法中，降解温度为35±5°C。
全文摘要
本发明公开了一种基于异化铁还原作用利用有机络合三价铁抑制生活垃圾填埋场CH4产生的方法。本发明所提供方法包括如下步骤向待降解生活垃圾中添加有机络合三价铁，使之厌氧降解所述待降解生活垃圾。实验证明，机络合三价铁—柠檬酸铁处理组生活垃圾降解体系中CH4的产量非常低，CH4的消减量基本达到100%，这表明柠檬酸铁具有更好的生物可利用性，能进行异化铁还原作用；本发明为源头减少生活垃圾填埋场中CH4排放提供强大的技术支持，具有广阔应用前景。
文档编号C02F11/04GK102826732SQ201210311149
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者陆文静, 王洪涛, 龙於洋, 朱勇, 任路路, 盛萱宜 申请人:清华大学