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生物炭改良的填埋场覆盖用于填埋场气体的降低排放量中的发展
作者：波帕克.雅各比
外文翻译：
前 言
在厌氧生物降解和城市固体废物填埋产生的气体中，主要由甲烷和二氧化碳构成。填埋气体减缓是为防止污染和控制全球变暖至关重要的手段。一般情况下，垃圾填埋场覆盖层土壤可部分与甲烷氧化菌氧化活性除去CH4。不过，在控制CH4排放量大幅减少中，最佳土壤成分仍需要提高甲烷氧化活性。列和批次实验分别使用土壤和土壤改良进行，通过甲烷氧化菌具有生物炭在生物炭降解甲烷中产生的影响的性质。在甲烷吸附到生物炭和生物炭土改良的影响进行了研究后发现，其中提供了有利条件为甲烷氧化罩内提高甲烷降解。生物炭填埋场覆盖土改良方案提高了物理和化学特性。生物炭土壤的改良方案增加了pH值，具有透气性好和增加了土壤的有机质含量，这使得土壤更有利于甲烷氧化菌生长和繁殖。从而，它提高了土壤的抗剪强度，降低其压缩性。
结果表明生物炭的修正案，生物炭覆盖土壤改良剂可以大大提高CH4氧化能力的垃圾填埋场覆盖土系统。生物炭的氧化过程有利于扩大氧化层垃圾覆盖和提供更多的微生物培养密度，这将导致更高的氧化效率。通过生物炭修订填埋覆土甲烷产生的吸附，随着它的降解它生活在生物炭的孔隙的甲烷会使垃圾填埋场覆土对十六从甲烷减排可持续的行为，从而减少这种温室气体的全球变暖的影响。甲烷由生物炭修正填埋场覆盖土吸附与它由生物炭生活毛孔内的甲烷氧化菌降解一起将朝从垃圾填埋场甲烷减排可持续发展的行为。覆盖的土壤，从而减少这种温室气体的全球变暖效应。
总体而言，这一研究表明，生物炭修订的土壤覆盖可能最适合那些不需要气体收集系统，气体转化为能源系统是不适用的小和或旧的，废弃的垃圾填埋场。
第1章
1.1 研究概述
存在的甲烷（CH4）已逐渐成为一个主要的问题，因为在100年时间内，全球气候变暖的潜在可能中甲烷是25倍的二氧化碳。垃圾填埋场是世界上最大的人为甲烷来源之一，是甲烷的农业（畜牧养殖和水稻种植）和化石燃料配送，加工和采矿损失之后的第三大来源人为。许多研究已经表明，甲烷氧化活动的填埋场覆盖系统自然存在，这可以部分减少填埋场甲烷排放量。为了除去大部分的CH 4来自于填埋内产生，在2008年，许茨等人通过微生物氧化甲烷技术，审查了CH4排放减缓的工艺和技术，比较不同生物覆盖系统。他们指出有存在的遗留问题，他们指出，还有许多问题如在垃圾填埋场甲烷氧化中，CH4减排具有商业价值和覆盖量化，从而需要一种可靠的方法。他们还表明，环境因素如土壤质地，温度，土壤水分含量，CH 4和O 2供给，营养物等，可以在垃圾填埋覆盖土壤影响甲烷氧化。
在填埋场覆盖中的甲烷氧化水平是一个两难选择是否保留填埋场覆盖高或低水分含量的一部分。在垃圾填埋场覆盖层甲烷氧化水平是否保持垃圾填埋场覆盖高或低水分含量的困境部分。当水分含量较高，甲烷运输成为氧化过程的限制因素。当水分含量低，限制因素是微生物活性。在2011年，博格纳和斯波克斯等人已经表明，季节性运输甲烷，氧化和净排放率填埋场覆盖土取决于季节土壤湿度和温度的变化在一个典型的年度周期。为了提高甲烷排放逸出气体收集系统（无组织排放）的控制氧化过程，以及在小型或则旧网站减排将甲烷产量太低，燃烧或能源回收和气体收集系统安装不适用，工程生物覆盖可用于气体排放控制。
调查人员研究了垃圾填埋场覆盖具体的改良，大部分这些研究集中在堆肥的利用率。当它被修改成比当填埋场覆盖不修改传统的垃圾填埋场覆盖材料可以为微生物更好的环境。然而，这些材料不能也为水分含量的窘境适当的解决方案。生物炭是当基于植物的生物质在很少或没有可用的氧的密闭容器中加热所得到的富碳产物，具有兼具高表面积和高孔隙率，具有增加土壤持水能力，阳离子交换量（CEC），和表面吸附能力。当它被加入到土壤中的能力，生物炭的改良填埋场覆盖土可以改变填埋场覆盖的基本物理化学特性，影响气体的运输行为，也许是提高其减轻甲烷的途径。为了了解生物炭修正填埋场覆盖范围内的甲烷减排的原则和机制，有必要研究的特点，吸附和氧化炭修正封面行为。
1.2 研究目的和目标
这项研究调查了生物炭修正生存能力填埋场覆盖土通过促进氧化甲烷减轻甲烷排放量。为了实现这一目标，具体的研究目标是：
1、调查由于生物炭的改良而垃圾填埋场覆盖土而改变的特性。
2、调查生物炭和炭修正土填埋气体吸附性能。
3、探讨生物炭修正案对微生物活动的刺激效果。
4、表征影响生物炭修正填埋场覆盖范围内氧化甲烷的主要因素。
第2章
2.1.介绍概况
固体废物管理方案已在过去的几十年里迅速发展，但填埋仍然是世界许多地方的主要做法。垃圾填埋气（LFG）是由城市固体废弃物（MSW）的有机组分的厌氧降解产生的。填埋气体主要包括二氧化碳（CO 2），甲烷（CH4），以及微量的一些挥发性有机化合物（VOC）的量。根据填埋操作，类型和配置在它的废物的量，而在填埋场降解的条件下可以对堆填区关闭后的长时间发生气体的排放。城市生活垃圾填埋场产生的填埋气体是有机废弃物生物降解的产品，主要含有CO2和CH4。甲烷是二氧化碳25倍的全球变暖潜能值。人为CH4排放占总甲烷预算的约60％。垃圾填埋场是世界上最大的人为甲烷源，排名靠后的是农业排放量（牲畜养殖和水稻种植）和损失的化石燃料分布，加工和采矿。监管机构识别引起的不受控制的填埋气排放到大气中的环境的影响。填埋气的正确收集是非常重要的，因为甲烷可与空气形成爆炸性混合物并且还可以迁移地下地方有污染地的电位水。对垃圾填埋气体的利用是能源的经费来源。首先是在70年代中期实施环境保护的主要目标。垃圾填埋气发电直接用于燃烧的合理和有效的替代品，通过在减少CH4排放的先进设计方法，气体收集系统大大减少有害的环境影响的新的垃圾填埋场。然而,在旧的或废弃的垃圾填埋场低CH4生产在经济上是不可行的，因为集气系统的安装和集气系统不能在新的垃圾填埋场填埋气体排放减轻所有。即使有先进的收集系统，无组织排放 是一个问题。因此，有必要制定符合成本效益的方法减轻甲烷在堆填区，否则将释放到大气中。垃圾填埋场覆盖土壤的氧化过程，以减少甲烷排放量。曼奇内里和麦凯观察到的发生细菌能够氧化在垃圾填埋场甲烷。自上世纪90年代初以来，许多相关的研究已经进行了关于如何在垃圾填埋场甲烷氧化的研究，分析了减少甲烷氧化从垃圾填埋场的气体排放的影响。
本章首先介绍了甲烷在垃圾填埋场中的微生物氧化过程，比较了不同填埋场覆盖的甲烷氧化反应，以及以往的研究调查了影响甲烷微生物氧化的程度和影响因素。然后，利用生物炭以增强土壤甲烷氧化修正案提出的潜力。具体介绍了原料和生产过程的各种类型的用于生产生物炭和生物炭的产生特性变化。生物炭适用于农业土壤呈现和潜在的修改填埋场覆盖土与生物炭，以提高甲烷氧化突出潜力。
2.2 甲烷的微生物氧化内垃圾填埋场覆盖土
微生物甲烷消耗仅由甲烷氧化菌完成。根据托德等人的研究，从它们的内部膜结构及其碳同化途径，甲烷氧化菌分为I型和II型。
其中之一的甲烷菌的特征是利用酶甲烷单加氧酶（MMO）的催化作用，甲烷氧化成甲醇。有两种类型的甲烷单加氧酶： MMO具有低底物特异性和对铜有限的依赖;而pMMO具有较高的底物特异性和强烈的依赖于铜。
I型甲烷氧化菌具有膜结合微粒甲烷单加氧酶（pMMO）与变形菌纲集群系统发育，并且在高氧低甲烷条件增殖。 II型甲烷氧化菌有pMMO酶。然而，在铜的限制的条件下它能够产生可溶性甲烷单加氧酶，单加氧酶。 II型甲烷细菌不能通过单加氧酶的细菌细胞的存在加上低亲和力甲烷低浓度的甲烷的氧化。大部分甲烷氧化菌是革兰氏阴性细菌 。
甲烷氧化反应可如下简化：
（1）
CH 4的摩尔将由O 2的两摩尔导致产生CO 2的摩尔被氧化。甲烷转化为能量和生物量的2个阶段。
第一阶段是甲烷在氧和甲烷存在下变化成甲醇，单加氧酶，它包含铜，铁等。
第二阶段包括生产甲醛，这是任一氧化成甲酸或由细胞吸收的。然后甲酸会被氧化成CO 2，这将从细胞中移除或将其吸收。
甲烷氧化过程的动力学通常是由米氏方程，它最初被引入来描述酶动力学描述：
（2）
其中V = 反应实际速率（）;
= 最大反应速率（ ）;
= 米氏常数（ ）;和C=浓度（）。
垃圾填埋场覆盖土的结构可以根据特定的土壤元素的大小和形状来描述。在这些因素的变化都会对材料的性能影响很大。此外，较高的孔隙率和比表面积的材料，更可为微生物活动会 ，在粉质粘土，甲烷的能力是基于扩散。由于较高的孔隙度，他们拥有粗砂和砂质土壤具有较高的氧化能力比粉砂质粘土。在一项研究中得到的是其他材料61%和40%是在粗砂CH4氧化程度，这项研究表明，这种差异的原因是，有气体扩散在土壤中，有一个更多孔结构更易出现。
温度和湿度影响气体的土壤中的扩散率。扩散过程中干燥土壤比在潮湿土壤更易出现。然而，如果甲烷氧化被剥夺水甲烷氧化会减少。另一方面，水的块过量CH4和O 2的，因为这些气体的扩散率的扩散是比在空气中慢于水中约104倍 。
2.3生物炭产生
生物炭是当基于植物的有机物在密闭容器中，在很少或没有可用的空气中加热所得到的富碳产物。该过程类似于生产木炭的，但生物炭旨在被施加到土壤作为土壤改良剂。生物炭可以提高土壤生产力和碳（C）存储。在热解和气化过程，废生物质在无氧的加热以产生一系列的能量的产品，如生物油，合成气和生物炭。如表2.1所示出的炭，天然气和石油产品中热解的分布及其对加热速率的关系，生物油和合成气可以被捕获并作为能量载体。与此同时，生物油也可以在石油精炼用作温室气体中性的，可再生原料。
表2.1 合成气和生物油在不同的热解和气化过程
|
过程 |
液体% |
固体% |
气体% |
|
快速热解：温度适中（500 ~˚C），热蒸汽停留时间短（小于2s） |
75% (25% 水) |
12 |
13 |
|
中间热解：低中温、中热蒸汽停留时间 |
50% (50% 水) |
15 |
25 |
|
慢速热解：低-中温，长停留时间 |
30% (70% 水) |
25 |
85 |
|
气化：高温（＞800˚C），气相停留时间长 |
5% (5% 水) |
30 |
35 |
生物炭可以用作任一个燃料或土壤改良剂。当作为土壤改良剂使用，生物炭可以提高土壤肥力，防止水土流失，并通过提高土壤pH值，水分捕捉，吸引了更多有益的真菌和微生物改善土壤质量。这改善了的阳离子交换容量，并有助于该土壤保持营养物。此外，生物炭比堆肥和粪便更稳定的营养源。因此，生物炭作为土壤改良剂可以增加作物产量，降低了化学肥料的需求，并减少农药对环境的不利影响。用生物炭用作土壤改良剂相关联的一个潜在的巨大的环境益处是，它可以螯合大气中的碳。在自然的碳循环，植物占用二氧化碳从大气，因为它们生长，并且当植物物质分解后迅速的植物死亡随后CO 2被发射。因此，总的自然周期是碳中性的。相比之下，热分解方法可以锁定这个大气中的生物炭作为长期（百年甚至千年时间尺度）。考虑CO 2从空气中拉出，使生物炭，净处理是碳负。因此，生物炭的方法是一个有吸引力的解决方案，以缓解全球变暖的担忧。此外，由于其优异的特性，生物炭有可能成为一项修正案，垃圾填埋场覆盖土，以提高甲烷减排活动显著的潜力。生物炭具有潜在刺激土壤微生物的活性，可极大地影响土壤的微生物学性质。
2.4生物炭表征
在原料性质和生产条件的广泛变化对生物炭性能的巨大影响，并使其难于预测生物炭性质。在一般情况下，生物炭的特征在于分子结构（如孔隙率和表面积）在氮，磷和钾的方面，有机碳含量，灰分含量，pH值，阳离子交换量（CEC），和生物炭的营养价值（NPK ）。
2.4.1有机碳含量
安塔尔和格兰利报道了在温度高于500℃时，超过80％以上的木材生产生物炭的碳组成；但是对于一些生
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