填埋场生物覆盖层及其降解甲烷气体行为研究

1、从研究我国典型垃圾填埋场甲烷排放的典型浓度和通量范围入手，确定填埋场生物覆盖层甲烷氧化的基本指导参数；制备各种规格的嗜甲烷菌基质，研究评价其作为生物覆盖层材料的性能；提出生物覆盖层结构设计方法，并在实验室建造相应的模拟装置；开展甲烷在生物覆盖层内的降解动力学研究，阐释不同排放条件下，甲烷在不同生物覆盖层构造中的降解规律。本研究旨在探索适合中国国情的填埋场甲烷减排理论和技术，为经济有效的减少我国温室气体排放开辟新的途径。填埋场，生物覆盖层，甲烷氧化Landfill Bio-cover and its Mechanismfor MethaneDegradationLandfill, bio-cov

2、er, methane oxidation填埋场生物覆盖层及其降解甲烷气体行为研究报告正文（一） 立项依据与研究内容（4000-8000字）：1、 项目的立项依据（附主要的参考文献目录）。随着京都议定书于2005年2月26日的正式生效，垃圾填埋场CH4作为最具潜力的温室气体减排领域，正在全世界范围内形成项目开发的热潮（张相锋，2006）。垃圾填埋场是CH4最大的人类活动释放源，据估计2000年全球垃圾填埋场释放的CH4为8.42亿吨当量CO2，占当年CH4释放总量的13，其中来自美国、中国、俄罗斯和乌克兰的填埋场CH4释放占全球填埋场CH4释放的47；至2020年，填埋场CH4释放将占全球CH

3、4释放总量的19（USEPA，2005）。我国的城市生活垃圾处理处置以填埋为主，据预测至2020年我国填埋场CH4排放将达35990万吨当量CO2，占全国CH4总排放量的31.6 （赵玉杰等，2004）。目前，垃圾填埋场相关的温室气体减排技术主要有CH4能源回收、焚烧以及生物氧化（张相锋，2006）。其中，垃圾填埋场CH4气体能源回收技术和火炬焚烧技术已经比较成熟，而且该技术已经被写入政府间气候变化委员会（IPCC）的相关技术报告（IPCC，2000；CDM Executive Board，2004）。只有规模较大的生活垃圾卫生填埋场CH4具备能源回收潜力，其余垃圾填埋场的CH4只能以火炬焚烧

4、的形式进行处理（USEPA，1996）。而火炬焚烧法需要昂贵的设备，且CH4浓度低于20 %时需要辅助燃料。对我国这样的发展中国家而言，垃圾产气潜力和填埋场规模和管理水平均明显低于发达国家，经济可行的垃圾填埋场CH4能源回收项目较少；火炬焚烧投入大又没有回报，在我国少见实施。借助清洁发展机制（CDM）的融资，垃圾填埋场CH4能源回收和火炬焚烧项目有望在我国得以大量开展（张相锋，2006）。值得注意的是，填埋场CH4能源回收和火炬焚烧的前提是收集到足够多的CH4气体。即使是在美国这样的发达国家，垃圾填埋场释放气体的收集效率也只能保持在75左右（USEPA，2003）。而我国正在开展的几个垃圾填埋

5、场CH4回收项目的气体收集效率估计在5568（EcoSecurities Ltd., 2005；Millennium Capital Services, 2004）。这意味着，即使开展CH4的能源回收，我国垃圾填埋场CH4仍将有3245%无控释放到大气环境中。而且，我国的垃圾填埋场中小型居多，不具备能源回收条件，城市经济水平低，无法实施填埋气火炬焚烧技术，大量的CH4持续无控排放。同时，我国垃圾的特点是厨余比例高，CH4产生速度快，下降速度也快，产气高峰往往在填埋场封场不久迅速结束，届时CH4的释放速率和浓度将明显下降，可能不再具备能源回收和火炬焚烧的基本条件。考虑到国际社会要求我国减排温室气

6、体的压力日益增大（美国退出京都议定书即为一例），开展适合中国国情的垃圾填埋场CH4替代减排技术研究，对于像我国这样的高温室气体排放国家至关重要。利用填埋场覆盖土层中嗜甲烷菌（Methanotrophic Bacteria）的作用将高GWP（Global Warming Potential）的CH4氧化为CO2，可以有效降低填埋场的CH4排放强度，是一种极具潜力的填埋场温室气体减排技术（Hanson, 1996；Barlazet al.,2004；Bergeret al.,2005）。项目的研究将提高对生物覆盖层设计及其CH4降解机理的认识，强化生物覆盖层的CH4氧化能力，填补我国在该领域的研究

7、空白，为我国在未来履行温室气体减排承诺提供技术储备。本研究不仅具有深广的生产背景，而且具有重大的理论价值和工程应用价值。尽管人们已经从多种水生好氧环境中分离出嗜甲烷菌，但垃圾填埋场表层土壤中的CH4生物氧化研究起步较晚（Anthony, 1982；Whalenet al., 1990）。美国的Whalen等（1990）较早开展了填埋场覆盖土CH4氧化能力的研究，氧化能力可达45g·m-2·day-1，遗憾的是该文献没有指出相应的土壤类型，实验持续的时间也仅数小时，不足以反映真实的CH4微生物氧化能力。随后人们发现，土壤类型对CH4氧化能力影响较大：肥沃的土壤持水力强、营养丰

8、富，更有利于CH4氧化过程的进行，CH4氧化能力可达15mol · m-2· day-1；粗砂土孔隙率大，导气性好，CH4氧化能力可达10.4 mol · m-2· day-1，CH4氧化率达61；黏土和细砂导气性差，CH4氧化能力稍低，分别为6.8 mol · m-2· day-1和6.9 mol · m-2· day-1，CH4氧化率分别40和41（Kightleyet al., 1995；Börjessonet al., 1998；Visscheret al., 1999）。受填埋场覆盖层条件的影响

9、，氧气的传输往往受到限制，CH4氧化主要发生在表面30cm以内（Visscheet al., 1999）。气候条件、环境条件（温度、水分）、营养条件（氮源等）以及CH4的本底浓度（新旧填埋场）对CH4氧化能力有不同程度的影响。在夏季，新填埋场的CH4氧化率在4150，旧填埋场的CH4氧化率在6094；到了冬季，特别是温度低于零度，填埋场的CH4氧化几乎停止（Börjessonet al., 2001）。不同温度条件下的嗜甲烷菌种群各不相同，型嗜甲烷菌在低温条件下（510）生长迅速，而型嗜甲烷菌在20以上才开始快速生长（Börjessonet al., 2004）。在CH4本

10、底浓度较低的条件下，NH4+对CH4氧化能力的影响最大，土壤含水率次之，温度的影响最小；NH4+的添加对CH4氧化的影响更多是由于硝化作用和CH4氧化作用间相互竞争O2，而不是NH4+浓度本身；土壤最佳含水率为15.618.8，大约为土壤最大持水力的50，超过该范围均不利于嗜甲烷菌的生长；最佳温度随土壤含水率的升高（5%30）呈下降（3020）趋势（Boeckxet al., 1996）。进一步的研究表明，NH4+对CH4氧化的影响取决于CH4的本底浓度：在低浓度CH4条件下，如< 5 %，NH4+供应过多，会抑制CH4的氧化；而在高浓度CH4条件下，添加NH4+可补充氮源，反而能刺激C

11、H4的氧化（Visscher and Cleemput, 2003）。1997年UNFCCC 缔约方第三次大会（COP3）通过京都议定书，全世界就温室气体减排基本达成共识，CH4生物氧化作为一种潜在的填埋场CH4低成本减排替代技术开始引起学者的兴趣，人们开始考虑将堆肥物的有机质含量高、持水力大、多孔性、微生物丰富等特性与填埋场覆盖层土壤的CH4生物氧化功能相结合，从而强化CH4的生物氧化功能（Humer and Lechner, 1999；Dammannet al.,1999）。相关的研究总体可分为生物覆盖层和生物过滤器两类，生物覆盖层旨在替代填埋场原有的每日覆盖层、中间覆盖层和最终覆盖层，同

12、时减少CH4的排放强度；而生物过滤器是在填埋场外建造工程设施，减少CH4的排放。澳大利亚的Humer and Lechner（1999）较早开展了堆肥覆盖层的CH4氧化能力研究，覆盖层材料分别为垃圾堆肥物、污泥堆肥物、填埋场表层土和花园肥沃土，在模拟填埋场CH4的排放条件下，熟化60周的垃圾堆肥物的CH4氧化能力明显高于土壤类覆盖层材料，几乎能氧化所有老年填埋场排放的CH4，但熟化20周的污泥堆肥物甚至观察不到CH4的明显氧化，说明覆盖层材料的性质对于CH4氧化能力影响巨大。美国的Barlaz等（2004）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

13、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-1.731.33 g · m-2· day-1，即使在填埋场气体回收系统停止运行的时间段，生物覆盖层的CH4排放强度也没有明显增加，而对应的土壤覆盖层在气体回收系统停止运行时，CH4排放通量高达15g · m-2· day-1；试验采用稳定碳同位素分析技术测定CH4氧化率，发现生物覆盖层的CH4氧化率约为55，明显高于土壤覆盖层的21。Berger等（2005）在人工环境室内开展了33周模拟填埋场密封层和最终覆盖层的4层复合生物覆盖层中试研究，研究分别模拟了气温、降雨等各种气候条件对CH4氧化

14、的影响，监测了不同深度气体浓度的变化，发现模拟降水前CH4最大氧化速率发生在约30cm处，但降水后氧化能力下降，且出现CH4氧化最大值的位置上移，由此推断氧气向下扩散受限是影响系统性能的最重要因素，应设计更为合理的生物覆盖层系统。德国的Dammann等（1999）较早开展了堆肥生物滤池的CH4氧化模拟研究，1.7（v/v）的CH4在堆肥生物滤池（H27cm，24cm）内的氧化能力最高可达53 g/m3·h（折合294.5mol· m-2· day-1），远远高于土壤的CH4氧化能力（Kightleyet al., 1995；Visscheret al., 1999

15、）。Gebert等（2003）用多孔黏土丸作为过滤材料，设计了一种5层植草生物过滤器，进行了低浓度（3%v/v）CH4氧化动力学研究，获得了高达109 g /m3·h的CH4氧化速率；研究还发现，氧气浓度对CH4氧化影响显著，当氧气浓度低于1.72.6（v/v）时，CH4氧化活动几乎停止。Streese等（2003）研究对比了单一过滤材料（庭院堆肥物）和复合过滤材料（等量的庭院堆肥物、草炭、云杉纤维混合组成）的生物滤池CH4氧化性能，发现过滤材料为庭院堆肥物的试验装置在良好运行进行5个月后，过滤器内产生了胞外聚合物（EPS）堵塞孔隙，CH4氧化能力下降，而复合过滤材料的过滤器一直运行

16、良好，CH4氧化速率可达20g/m3·h。Wilshusen等（2004）的研究发现，在高O2浓度条件下，应用树叶堆肥物进行CH4氧化时所产生的EPS是低O2浓度条件下的250，这意味着O2供应并非多多益善。德国的Gebert等（2004）在填埋场现场开展了生物过滤法高浓度（56 v/v）CH4氧化研究，CH4去除效率达63，采用磷脂肪酸分析法（PLFA）分析生物滤池内的微生物群落结构发现，在生物滤池的不同深度存在不同的微生物群落。与臭气净化相比，生物滤池法氧化CH4速度慢，所需占地是臭气生物滤池的100倍，这必将成为该技术推广应用的瓶颈因素。我国在填埋场CH4氧化方面的研究少见报道

17、。综合国内外的相关研究，主要取得以下成果：认识到填埋场覆盖土层有CH4氧化能力；初步理解了土壤类型、气候、环境条件、营养条件等复杂因素对填埋场覆盖土层CH4氧化能力的影响；认识到生物覆盖层和生物过滤器的CH4氧化能力远大于传统覆盖土层；认识到堆肥物在CH4氧化研究中的巨大作用。还存在下列问题有待进一步解决：填埋场的CH4排放强度在0.00044000 g · m-2· day-1变化很大（Bogneret al., 1997），我国填埋场CH4的排放规律和覆盖土壤层CH4氧化能力尚不清楚，缺乏准确的基础数据；没有科学的生物覆盖层材料质量评价方法，材料选择随意性大，导致CH4

18、氧化效果不稳定（Humer and Lechner, 1999；Streeseet al., 2003）；植被是传统覆盖层的一部分，在目前的生物覆盖层研究中很少考虑植被的功能；生物覆盖层设计处于摸索阶段，尚未提出可靠的生物覆盖层设计方法；生物覆盖层内的CH4氧化动力学机制还不清楚。参考文献：Anthony, C., 1982. Biochemistry of Methylotrophs. Academic Press, Inc., New York.Barlaz, M.A., R.B. Green, J.P. Chanton et al., 2004. Evaluation of a Biol

19、ogically ActiveCover for Mitigation of Landfill GasEmissions. Environmental Science & Technology, 38: 4891-4899.Berger, J., L.V. Fornés, C. Ott et al., 2005. Methane Oxidation in a Landfill Cover with Capillary Barrier. Waste Management, 25(4): 369-373.Boeckx, P., O.V. Cleemput and I. Villa

20、ralvo, 1996. Methane Emission from a Landfill and the Methane Oxidising Capacity of its Covering Soil. Soil Biology & Biochemistry, 28: 1397-1405. Bogner, J.E., K.A. Spokas and E.A. Burton, 1997. Kinetics of Methane Oxidation in aLandfill Cover Soil: TemporalVariations, a Whole-LandfillOxidation

21、 Experiment, and Modelingof Net CH4 Emissions. Environmental Science & Technology, 31: 2504-2514.Börjesson, G., I. Sundh, A. Tunlid et al., 1998. Microbial Oxidation of CH4 at High Partial Pressures in an Organic Landfill Cover Soil under Different Moisture Regimes. FEMS Microbiology Ecolog

22、y,26: 207-217.Börjesson, G., J. Chanton and B.H.Svensson, 2001. Methane Oxidation in Two Swedish Landfill Covers Measured with Carbon-13 to Carbon-12 Isotope Ratios. Journal of Environmental Quality, 30: 369-376.Börjesson, G., I. Sundh and B. Svensson, 2004. Microbial Oxidation of CH4 at D

23、ierent Temperatures in Landll Cover Soils. FEMS Microbiology Ecology, 48: 305312.CDM-Executive Board, 2004. Approved consolidated baseline methodology ACM0001“Consolidated baseline methodology for landfill gas project activities”. Dammann, B., J. Streese and R. Stegmann, 1999. Methane Oxidation in C

24、ompost Cover Layers on Landfills. In Proceedings Sardinia 99, Seventh International Waste Management and Landfill Symposium.EcoSecurities Ltd., 2005. CDM-PDD: Nanjing Tianjingwa Landfill Gas to Electricity Project in China. 13Gebert, J., A. Groengroeft and G. Miehlich, 2003. Kinetics of Microbial La

25、ndll Methane Oxidation in Biolters. Waste Management, 23: 609619.Gebert, J., A. Gröengröft, M. Schloter et al.,2004. Community Structure in a Methanotroph Biolter as Revealed by Phospholipid Fatty Acid Analysis. FEMS Microbiology Letters,240: 61-68.Hanson, R.S. and Hanson T.E., 1996. Metha

26、notrophic Bacteria. Microbiological Reviews, 60: 439-471.Humer, M. and P. Lechner, 1999. Methane Oxidation in Compost Cover Layers on Landfills. In Proceedings Sardinia 99, Seventh International Waste Management and Landfill Symposium.IPCC, 2000. Good Practice Guidance and Uncertainty Management in

27、National Greenhouse Gas InventoriesKightley, D., D.B. Nedwell and M. Cooper, 1995. Capacity for Methane Oxidation in Landfill Cover Soils Measured in Laboratory-Scale Soil Microcosms. Applied and Environmental Microbiology, 61(2): 592-601.Millennium Capital Services, 2004. CDM-PDD: Anding Landfill G

28、as Recovery and Utilization Project Beijing, PR China. 10.Streese, J., R. Stegmann, 2003. Microbial Oxidation of Methane From Old Landfills in Biofilters. Waste Management, 23: 573580.USEPA, 1996. Turning a Liability into an Asset:A Landfill Gas-to-Energy Project Development Handbook. 2-3USEPA, 2003

29、. User's Manual Mexico Landfill Gas Model, 17-20.USEPA, 2005. International Non-CO2 Greenhouse Gas Marginal Abatement Report.Visscher, A.D., D. Thomas, P. Boeckx Et Al., 1999. Methane Oxidation in SimulatedLandfill Cover Soil Environments. Environmental Science & Technology, 33: 1854-1859.Vi

30、sscher, A.D. and O. V. Cleemput, 2003. Induction of Enhanced CH4 Oxidation in Soils: NH4+ Inhibition Patterns. Soil Biology & Biochemistry, 35: 907-913.Whalen, S.C., W. S. Reeburgh, and K. A. Sandbeck, 1990. Rapid Methane Oxidation in a Landfill Cover Soil. Applied and Environmental Microbiology

31、, 56(11): 3405-3411.Wilshusen, J.H., J.P.A. Hettiaratch, A. De Visscher et al.,2004. Methane Oxidation and Formation of EPS in Compost: Effect of Oxygen Concentration. Environmental Pollution, 129: 305-314.张相锋，肖学智, 何毅等, 2006. 垃圾填埋场的甲烷释放及其减排. 中国沼气, 24(1): 3-5.赵玉杰, 王伟, 2004. 垃圾填埋场甲烷气的排放及减排措施. 环境卫生工程,

32、12(4): 217-219.2、 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。研究目标：² 调查研究我国典型填埋场的CH4排放规律，为本研究提供基本数据，为我国参加气候变化的政府间谈判提供一定的数据支持；² 开发出适合中国国情的填埋场生物覆盖层CH4减排技术，为经济有效的减少我国温室气体排放开辟新的途径；² 揭示CH4在生物覆盖层内的降解行为。研究内容：（一）我国典型填埋场的CH4排放² 监测典型填埋场的CH4排放速率和排放浓度；² 研究典型填埋场的CH4排放规律；（二）生物覆盖层材料质量评价² 各种生物覆盖层材料的制备及其物性

33、分析；² 各种自制堆肥物做嗜甲烷菌载体时的CH4氧化动力学，评价相应的动力学参数，作为相应的质量评价依据。（三）生物覆盖层构造设计² 单一生物覆盖层构造设计；² 复合生物覆盖层构造设计（含水气分布系统设计）。（四）CH4在生物覆盖层内的降解行为² CH4在生物覆盖层内的降解动力学；² 不同生物覆盖层构造的CH4降解规律；² 不同CH4排放条件（浓度、通量）下的生物覆盖层CH4降解规律；² 植被生长对生物覆盖层内CH4降解的影响。拟解决的关键问题： 典型填埋场的筛选与CH4排放监测； 各种堆肥物的制备； 生物覆盖层构造要满足C

34、H4降解的特殊需要：持水力强、渗透性强、有机质含量高、结构稳定性好、生物稳定性好等； CH4通量和浓度变化的条件下，生物覆盖层系统的稳定性； 不同嗜甲烷菌载体条件和不同生物覆盖层构造条件下，CH4降解动力学分析； 植物在生物覆盖层降解CH4中的作用分析。3、 拟采取的研究方案及可行性分析。研究方案：本研究首先选择若干个典型的垃圾填埋场，确定我国填埋场CH4排放的典型浓度范围和通量范围，作为生物覆盖层CH4氧化的基本运行参数；然后，制备各种规格的天然土壤和堆肥物，作为嗜甲烷菌的固相载体，并通过研究，确定生物覆盖层材料的质量评价标准；针对CH4氧化对覆盖层的特殊要求，同时结合填埋场对每日覆盖层和最

35、终覆盖层的不同要求，经过实验室模拟试验，分别设计出单一生物覆盖层和复合生物覆盖层结构，以满足填埋场不同运行阶段对覆盖层的要求；最后分别建造若干实验室水平的生物覆盖层，开展CH4在生物覆盖层内的降解动力学研究，揭示不同生物覆盖层构造的CH4降解规律，揭示不同CH4排放条件（浓度、通量）下的生物覆盖层CH4降解规律，以及考察植被生长对生物覆盖层内CH4降解的影响；最终整合研究成果，得到一整套适合中国国情的填埋场生物覆盖层CH4减排理论和技术，为在中试尺度上进一步开展填埋场生物覆盖层CH4减排研究奠定坚实的基础。（一）我国典型填埋场的CH4排放研究结合我国填埋场运行情况和垃圾填埋深度，选择4个典型填

36、埋场，用静态通量箱技术监测目标填埋场的填埋气排放通量，现场采集填埋气体，回实验室用气相色谱分析其CH4浓度，从而确定CH4的排放速率和排放浓度。该项研究计划在一年内完成，每个填埋场分别在春夏秋冬四个季节里分4次监测，每次监测持续3天的时间。主要目标是获得各填埋场在不同气象条件下的CH4排放数据，作为开发适合中国国情的填埋场生物覆盖层研究的基本依据。利用这些数据，还可分析研究我国典型填埋场的CH4排放规律，为我国参加气候变化的政府间谈判提供一定的数据支持。（二）生物覆盖层材料质量评价生物覆盖层的备选材料包括主要功能材料和辅助材料。主要功能材料是指可作为嗜甲烷菌固相载体的材料，辅助材料主要包括用于

37、植被生长、布水布气以及用于增强氧气传输性能的的材料。鉴于研究报道某些堆肥物的CH4最大氧化能力显著高于天然土壤，某些堆肥物又不具备此种能力，本研究拟广泛考察各种堆肥物的潜在CH4氧化性能，进而提出其质量评价标准。1堆肥物制备选择有机城市垃圾、市政污水厂污泥、农业秸秆、畜禽粪便等富含有机成分的固体废物，用先进的堆肥工艺堆积30300天，制作出不同生物稳定化性能的堆肥物12种，分析其生物稳定度、有机质含量、持水力、孔隙度、N的各种组分、pH值等可能影响其CH4氧化性能的参数。2堆肥物CH4氧化动力学分析开展堆肥物CH4氧化接种试验，CH4接种浓度分别为2.5，5，10，20，40和60%的条件下，

38、研究12种堆肥物的CH4氧化动力学，建立动力学方程，获得相应的动力学参数：CH4最大氧化速率值Vmax和反应速率常数k。将动力学参数Vmax和k作为关键参数，将堆肥物按CH4氧化性能分为5个等级，作为评价堆肥物作为嗜甲烷菌固相载体的产品质量标准。3辅助材料评价用于植被生长的材料选自填埋场表层覆盖土。植被材料选择应用广泛的黑麦草。用于布水布气及增强氧气传输能力的材料主要包括：粗砂、陶粒、中砂。测试辅助材料的相关物性，如渗透系数、持水力、孔隙度等，并按照透水、透气性能将材料分为5个等级，作为辅助材料的产品质量标准。（三）生物覆盖层构造设计生物覆盖层构造设计分为单一生物覆盖层构造设计和复合生物覆盖层

39、构造设计。单一生物覆盖层用于替代传统填埋场的每日覆盖层和中间覆盖层，复合生物覆盖层用于替代传统填埋场的最终覆盖层。1单一生物覆盖层构造设计设计上主要考虑覆盖层厚度和覆盖材料的配合比。拟设计1550cm厚度的生物覆盖层，选用堆肥物、陶粒、中粗砂为基本材料，以堆肥物CH4氧化潜力等级、混合料的透水透气等级为基本设计标准，设计出6个单一生物覆盖层构造设计方案，并搭建相应的试验装置。2复合生物覆盖层构造设计在设计上考虑既保持传统覆盖层的基本功能，又强化生物覆盖层的CH4氧化功能。为此，拟设计厚度在50120cm的复合生物覆盖层，主要包括：CH4氧化层、水气分布层、弱透水层及最上层的黑麦草。最终设计出6

40、个复合生物覆盖层构造设计方案，并搭建相应的试验装置。（四）CH4在生物覆盖层内的降解行为结合所调查的4个典型填埋场的CH4排放通量和排放浓度，确定模拟试验的4种CH4负荷：高浓度、高通量，高浓度、低通量，低浓度、高通量，低浓度、低通量。拟用1218个月的时间，研究CH4在生物覆盖层内的降解动力学机制，着重考察：1生物覆盖层构造对CH4降解性能的影响：对6个单一生物覆盖层和6个复合生物覆盖层分别进行不同CH4负荷的CH4氧化试验，试验周期为3个月。测试相应的CH4氧化能力、生物覆盖层不同部位的CH4浓度、氧气浓度、温度、湿度、pH、氧化还原电位等参数，分析其时空动态变化，评价各生物覆盖层的性能。

41、将最佳单一生物覆盖层设计和复合生物覆盖层设计用于后续研究的试验装置建造。2供氧方式对CH4降解能力的影响：供氧方式分为表面扩散供氧和底部强制供氧。其中，底部强制供氧又可分为3种供氧水平。本研究拟选择高浓度、高通量和高浓度、低通量对2个生物覆盖层分别进行不同供氧方式的CH4氧化试验，试验周期为3个月。测试相应的CH4氧化能力、生物覆盖层不同部位的CH4浓度、氧气浓度、温度、湿度、pH、氧化还原电位等参数，分析氧气对生物覆盖层CH4氧化的动态影响，评价两种生物覆盖层对氧气供应的响应能力。3营养物质对CH4氧化性能的影响：本研究拟分别添加2种剂量的硝态氮/氨态氮，测试相应的CH4氧化能力、生物覆盖层

42、不同部位的CH4浓度、氧气浓度、温度、湿度、pH、氧化还原电位等参数，分析氮源对生物覆盖层CH4氧化的动态影响，评价两种生物覆盖层对氮源供应的响应能力。4气候条件变化对CH4降解性能的影响：拟模拟3种降雨条件，考察在降雨前后两种生物覆盖层不同部位的CH4浓度、氧气浓度、温度、湿度、pH、氧化还原电位等参数的变化，分析降雨对CH4降解性能的影响，评价两种生物覆盖层对降雨的响应能力。5植被生长对生物覆盖层内CH4降解的影响：以黑麦草为例，考察有植被和没有植被时，两种复合生物覆盖层不同部位的CH4浓度、氧气浓度、温度、湿度、pH、氧化还原电位等参数的变化，分析植被对CH4降解性能的影响，特别注意考察

43、植被的氧气输送能力。可行性分析：填埋场覆盖层中的CH4氧化研究已经有十几年的历史，人们已经比较透彻的理解了天然土壤中CH4氧化的内在机制。本研究提出的生物覆盖层内CH4降解行为，是以人造堆肥物为主要研究对象，天然土壤中CH4的氧化行为研究成果为本研究的顺利进行奠定了坚实的理论基础。最近，应用堆肥物作为生物覆盖层和生物过滤器的主要材料用于强化CH4氧化也有一些报道，但研究比较凌乱。本项目提出的生物覆盖层设计和材料质量评价方法是在这些研究的基础上提出的，可以为生物覆盖层的进一步发展提供技术支持。项目申请者一直从事有机固体废物生物处理的科学研究工作，积累了较为丰富的科研和实践经验。项目申请者曾作为国

44、家环保总局垃圾填埋气项目咨询专家参与了国内数个垃圾填埋气CDM项目前期开发，对国内垃圾填埋场的情况比较熟悉，在典型填埋场的筛选与监测方面有较好的基础。项目申请者已经着手试验平台的搭建，并拟在近期开展预备试验研究，有望在本项目的资助下，将研究推向深入。项目组中既有熟悉堆肥物制备的教师，又有熟悉垃圾填埋工程和植被恢复的科研人员，还有一批富有朝气的博硕士研究生，实现了学科领域的交叉互补和科研力量的优化组合。这种合理的研究梯队是本研究所有目标顺利实现的人力保障。申请者所在单位北京师范大学是环境模拟与污染控制国家联合重点实验室的依托单位之一，学院有气相色谱-质谱仪(GC-MS)、高压液相色谱仪、激光扫描

45、显微镜等大型仪器设备，能够提供研究所需的自动化堆肥反应器、小型测试仪器及处理数据所需的软、硬件设备。这些良好的软硬件设施是本项目研究内容顺利开展的物质保障。总之，本项目研究无论从技术支撑、人员组成和设备条件方面都能保证整个计划的顺利进行，有望通过学科交叉在填埋场温室气体减排技术方面取得突破性的研究成果。4、 本项目的特色与创新之处。本项目创新之处l 首次在我国开展填埋场温室气体减排的生物技术研究，填补国内在该方面的研究空白；l 首次提出填埋场生物覆盖层材料质量评价方法；l 首次提出填埋场生物覆盖层设计方法；l 首次开展填埋场生物覆盖层中的甲烷降解动力学研究。5、 年度研究计划及预期研究结果。年

46、度研究计划主要工作内容07年14月07年510月07年11月08年4月08年510月08年11月09年4月09年510月09年1112月资料收集、前期准备工作*典型填埋场的CH4排放研究*生物覆盖层材料质量评价*堆肥物制备*堆肥物CH4氧化动力学分析*辅助材料评价*生物覆盖层构造设计单一生物覆盖层构造设计*复合生物覆盖层构造设计*CH4在生物覆盖层内的降解行为*生物覆盖层构造对CH4降解性能的影响*供氧方式对CH4降解能力的影响*营养物质对CH4氧化性能的影响*气候条件变化对CH4降解性能的影响*植被生长对生物覆盖层内CH4降解的影响*数据分析*整理、发表研究成果*课题总结*注： *表示相应工

47、作内容的实施和工作量。预期研究成果( 完成一份填埋场甲烷排放及其控制的建议性报告，供国家相关决策机构和地方填埋场管理部门参考。)( 发表SCI论文23篇，国内核心期刊34篇，通过项目研究培养硕士生12，培养博士生12名。)（二）研究基础与工作条件1、研究基础北京师范大学环境模拟与污染控制国家联合重点实验室在固体废物生物处理（如堆肥化）领域开展了一系列的研究，建立了固体废物实验室，自制了先进的固体废物生物反应器及其自动化控制系统。课题申请人一直从事有机固体废物生物处理的理论与应用研究工作，2000-2003年参加了我国第一个面源污染控制研究项目、国家重大科技攻关专项滇池流域面源污染控制技术研究，

48、从事其中的农业固体废物堆肥化的建模、试验与工程应用研究。2003-2005年参加了国家863高技术资助的“城市生活垃圾资源化技术与设备”项目，主要负责有机垃圾高效降解工艺与设备的研发。在国内较早发表了“垃圾填埋场的甲烷释放及其减排”等学术论文，并向有关学术刊物投送“甲烷气体在填埋场生物覆盖层内的降解研究进展”、“垃圾填埋场覆盖层的甲烷氧化”等学术论文，介绍填埋场甲烷氧化对全球气候变化的影响。目前课题申请人已着手填埋场甲烷氧化的实验室模拟工作。上述研究工作和试验积累为本项目的顺利开展提供了坚实的技术支撑和基础保障。2、工作条件北京师范大学环境模拟与污染控制国家联合重点实验室能够提供基本的测试仪器

49、和实验条件。必要时可借助北京师范大学分析测试中心的仪器设备及实验技术人员力量。北京师范大学环境学院能够提供试验数据整理和统计分析的软、硬件设备支持。3、申请人简历课题主持人张相锋，男，33岁，博士，讲师，主要研究领域为固体废物生物处理及其相关的温室气体控制。2000年农业部可再生能源重点实验室获工学硕士学位，2003年清华大学环境科学与工程系获工学博士学位，2003年至今北京师范大学环境学院任讲师，其中2005年2月9月任国家环境保护总局对外经济合作中心CDM项目咨询专家。参加完成国家重大科技攻关专项、国家863高技术项目等国家级课题数项，在国内外专业期刊发表论文近20篇（其中EI检索论文4篇

50、），申报和固体废物生物处理相关的国家发明专利5项，其中1项已经获得授权，其余4项已经进入实质审查阶段。在本项目中全面负责课题的设计、组织和研究工作。与本项目相关的主要成果有：1. 张相锋，肖学智, 何毅等, 2006. 垃圾填埋场的甲烷释放及其减排. 中国沼气, 24(1): 3-5.2. 张相锋, 2006. 垃圾填埋场覆盖层的甲烷氧化（已投稿，中国沼气）3. 张相锋, 葛垚, 2006. 甲烷气体在填埋场生物覆盖层内的降解研究进展（已投稿，环境污染治理技术与设备）4. 张相锋, 2006. 垃圾填埋场甲烷减排分析及其表层氧化（已投稿，中国安全科学学报）5. 张相锋, 2006. 垃圾填埋场甲烷的生物过滤（已投稿，城市环境与城市生态）6. 张相锋, 2005. 我国垃圾填埋气发电项目利用清洁发展机制的潜力（已投稿，太阳能学报）7. 殷勇, 王洪涛, 张相锋, 2002. 垃圾填埋场水分迁移模型的应用研究. 环境污染治理与设备.3(10)：36-40.8. 张相锋, 王洪涛, 聂永丰, 2005. 通风速率对农业蔬菜花卉废