生活垃圾填埋场覆盖层甲烷氧化能力的原位测试方法技术

本发明专利技术涉及一种生活垃圾填埋场覆盖层甲烷氧化能力的原位测试方法，所述方法主要适合于我国北方地区垃圾填埋场覆盖层CH4氧化速率的原位测试及估算。此原位测试方法建立于两个假设之上：①产CH4阶段填埋层产生的填埋气中CO2与CH4体积分数比在监测时段内保持恒定；②针对北方寒冷地区，冬季环境温度较低时，覆盖层的CH4氧化作用完全停止。通过静态箱法定期对监测点位的填埋气进行采样，并采用气相色谱仪进行分析，根据CO2和CH4释放通量相对关系结合有关公式得出CH4氧化速率。此方法具有较好的适用性，且操作简单、精度高，适合于我国北方地区垃圾填埋场覆盖层CH4氧化速率的原位测试及估算，尤其在定量分析覆盖层CH4氧化长期变化规律方面有明显优势。

【技术实现步骤摘要】
生活垃圾填埋场覆盖层甲烷氧化能力的原位测试方法
本专利技术涉及一种生活垃圾填埋场覆盖层甲烷氧化能力的原位测试方法，特别涉及一种用于测试我国北方地区垃圾填埋场覆盖层CH4氧化速率的原位测试方法。
技术介绍
CH4(甲烷)作为一种重要的温室气体，其100年的全球增温潜势值(GlobalWarmingPotential，GWP)是CO2的25倍。研究表明，全世界每年CH4排放量有5％～20％来自生活垃圾填埋场。在各种人为CH4排放源中，生活垃圾填埋场排放CH4总量已列第3位。在生活垃圾填埋场的CH4减排研究中，覆盖层的CH4氧化作用一直是研究的热点。研究表明，垃圾填埋场产生的CH4在通过覆盖层过程中被CH4氧化菌氧化去除，在不同环境条件下覆盖层的CH4氧化能力可从忽略不计到实现100％氧化。作为垃圾填埋场CH4减排的重要途径，覆盖层土壤的密度、含水量、温度、理化性质等因素都将直接影响CH4氧化菌的氧化作用。覆盖层的存在使垃圾填埋层处于与外界相对隔离的环境中，覆土层对CH4的氧化作用以及覆土层自身的通透性成为影响生活垃圾填埋场CH4释放规律的主要因素。由于影响覆盖层CH4氧化能力的因素众多，因此给其CH4氧化量的估算带来了巨大困难。目前，覆盖层CH4氧化能力的测试方法主要包括：厌氧瓶培养实验、静态通量箱法(结合CH4氧化抑制剂)、覆盖层土柱模拟法和稳定碳同位素原位测定法等[1]。(1)厌氧瓶培养实验：厌氧瓶培养实验是将供试物料装于血清瓶中，并充入CH4和O2进行培养，通过测定培养前后CH4浓度的变化来确定材料的CH4氧化能力。厌氧瓶培养实验测试具有精度高、易于控制等特点，但该法仅限于实验室操作，不能反映实际条件下覆盖层的CH4氧化能力。(2)静态通量箱法(结合CH4氧化抑制剂)：静态通量箱法是常用的测定覆盖层CH4释放通量的方法，该法通过覆盖层表面安装静态通量箱，并在通量箱内加入CH4氧化抑制剂(包括氮气、乙炔、氟甲烷和二氟甲烷等)，比较添加抑制剂前后CH4释放通量的变化获得覆盖层的CH4氧化速率。静态通量箱法(结合CH4氧化抑制剂)在原位测定覆盖层CH4氧化速率方面具有一定的优越性。但是，目前关于CH4氧化抑制剂添加浓度还没有统一的标准，不同抑制剂对于CH4氧化抑制效率等方面还存在不确定性。同时，CH4氧化抑制剂在抑制CH4氧化的同时也会减少或者促进CH4的产生，从而导致对覆盖层CH4氧化速率的计算存在不确定性。(3)覆盖层土柱模拟法：该法是在实验室内建立覆盖层模拟实验土柱，土柱自下而上由砾石透气层和覆盖材料层组成，以一定的气体流速分别向土柱底部和顶部鼓入模拟填埋气和空气以模拟覆盖层的CH4氧化过程，通过比较模拟填埋气浓度的变化来评估覆盖层的CH4氧化速率。通过对模拟土柱的不同设计，该法可用于覆盖材料CH4氧化速率及覆盖层最大CH4氧化深度等方面的研究。覆盖层土柱模拟法具有实验条件可控性强、操作简单等优点，并在覆盖层CH4氧化研究中广泛采用，但是该法受到覆盖层材料填装操作和扰动的影响较大，且在实验室条件下模拟很难客观反映覆盖层的实际CH4氧化速率。(4)稳定碳同位素原位测定法：该法的原理是CH4氧化菌更喜好由轻C同位素构成的CH4因而在不同程度上优先氧化12CH4，从而导致未被氧化而排向大气的CH4同位素组成发生变化(即CH4氧化过程发生同位素分馏作用)。因此，稳定碳同位素原位测定法就是通过测定覆盖层CH4氧化过程中CH4同位素组成δ13C的变化，从而计算获得覆盖层的CH4氧化率。该法可在自然条件下测定覆盖层的CH4氧化速率，具有无破坏性、灵敏度高等优点，但是测定的覆盖层CH4氧化速率受到同位素分异系数α值(同位素分异系数是指两种物质(或物相)之间同位素比值，表示同位素的分馏程度)变化的影响较大，而α值的相关计算方法还不成熟。此外，该法对于技术设备要求较高，因此目前该法在CH4氧化研究中的应用较少。基于上述分析可知，目前虽然开展了大量生活垃圾填埋场CH4减排及CH4氧化的研究，但是由于受到现有研究方法的限制，目前研究成果在覆盖层CH4氧化量估算方面的应用还存在问题。因此，在现有研究的基础上开发一种适用于生活垃圾填埋场覆盖层CH4氧化原位测试方法具有重要意义。本专利技术在分析覆盖层CH4氧化影响因素和填埋场生活垃圾降解规律的基础上，建立了基于北方地区典型生活垃圾填埋场CO2和CH4释放通量相对关系的覆盖层CH4氧化能力原位测试方法，并对该法的适用性和有效性进行了现场实验验证。[1]马静，徐华，蔡祖聪.稻田甲烷氧化研究方法进展[J].土壤，2007，39(2)：153-156。
技术实现思路
本专利技术的目的在于开发一种适用于北方地区生活垃圾填埋场覆盖层CH4氧化原位测试方法。本方法可以克服传统覆盖层CH4氧化测试方法的各种缺陷，为原位估算我国北方地区生活垃圾填埋场覆盖层的CH4氧化能力提供方法学支持。本专利技术包括如下方面：<1>.一种生活垃圾填埋场覆盖层甲烷CH4氧化能力的原位测试方法，所述方法包括如下步骤：第一步，在垃圾填埋场覆盖层选择合适的原位测试点位，要求所测试的区域完成封场且填埋垃圾仍处于甲烷气体释放期间，并且是具有导气层的完整的终场覆盖系统；第二步，采用静态箱法定期对监测点位的填埋气进行采样，即，采用静态箱法定期测定填埋场覆盖层表面CO2和CH4释放通量；第三步，分析所取填埋气样品中的CH4和CO2气体的浓度；第四步，根据第三步的样品分析结果计算气体释放通量垃圾填埋堆体覆盖层表面CH4和CO2气体的释放通量计算如公式(9)所示：其中，f为CH4或者CO2气体的释放通量，mgC/(m2·h)；V为箱盖和固定部分形成的空间体积，m3；A为固定部分的覆盖面积，m2；ΔC/Δt为单位时间内箱内CH4或者CO2浓度的变化，mgC/(m3·h)；T为静态箱内温度，℃；第五步，计算覆盖层CH4氧化速率和氧化率式中和分别为覆盖层表面CO2和CH4释放通量，mgC/(m2·h)；M为单位面积覆盖层的CH4氧化速率，mgC/(m2·h)；为覆盖层底部CH4向单位面积覆盖层的传输速度，mgC/(m2·h)；OX为覆盖层对CH4的氧化率，％，Z1为填埋层产生的填埋气中CO2和CH4的释放通量比，其在监测期内保持恒定；其中所述式(6)-(8)的建立基础是覆盖层CH4氧化菌活性的影响因素和覆盖层CH4氧化原位测试方法的理论基础，并依此推断出的两个假设：①产CH4阶段填埋层产生的填埋气中CO2与CH4体积分数比在监测时段内保持恒定；②针对冬季环境温度低于零度时，覆盖层的CH4氧化作用完全停止。<2>.根据<1>所述的测试方法，所述第二步骤的填埋场覆盖层表面CO2和CH4释放通量采用静态箱法定期测定中，应测试夏季和冬季不同温度时期的表面CO2和CH4释放通量。<3>.根据<1>所述的测试方法，在所述第二步骤中，采样时应在0min时进行一次采样，作为通量箱中CH4和CO2浓度的初始值。<4>.根据<1>所述的测试方法，在所述第二步骤中，采样时应在0min时进行一次采样，作为通量箱中CH4和CO2浓度的初始值，之后每隔5min采一次样，整个采样时间为20m本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生活垃圾填埋场覆盖层甲烷CH4氧化能力的原位测试方法，所述方法包括如下步骤：第一步，在垃圾填埋场覆盖层选择合适的原位测试点位，要求所测试的区域完成封场且填埋垃圾仍处于甲烷气体释放期间，并且是具有导气层的完整的终场覆盖系统；第二步，采用静态箱法定期对监测点位的填埋气进行采样，即，采用静态箱法定期测定填埋场覆盖层表面CO2和CH4释放通量；第三步，分析所取填埋气样品中的CH4和CO2气体的浓度；第四步，根据第三步的样品分析结果计算气体释放通量垃圾填埋堆体覆盖层表面CH4和CO2气体的释放通量计算如公式(9)所示：f=VΔCAΔt·273T+273---(9)]]>其中，f为CH4或者CO2气体的释放通量，mg C/(m2·h)；V为箱盖和固定部分形成的空间体积，m3；A为固定部分的覆盖面积，m2；ΔC/Δt为单位时间内箱内CH4或者CO2浓度的变化，mg C/(m3·h)；T为静态箱内温度，℃；第五步，计算覆盖层CH4氧化速率和氧化率M=fCO2_out-fCH4_out×Z10.529+Z1---(6)]]>fCH4_in=fCH4_out+M---(7)]]>OX=MfCH4_in---(8)]]>式中和分别为覆盖层表面CO2和CH4释放通量，mg C/(m2·h)；M为单位面积覆盖层的CH4氧化速率，mg C/(m2·h)；为覆盖层底部CH4向单位面积覆盖层的传输速度，mg C/(m2·h)；OX为覆盖层对CH4的氧化率，％，Z1为填埋层产生的填埋气中CO2和CH4的释放通量比，其在监测期内保持恒定；其中所述式(6)‑(8)的建立基础是覆盖层CH4氧化菌活性的影响因素和覆盖层CH4氧化原位测试方法的理论基础，并依此推断出的两个假设：①产CH4阶段填埋层产生的填埋气中CO2与CH4体积分数比在监测时段内保持恒定；②针对冬季环境温度低于零度时，覆盖层的CH4氧化作用完全停止。...

【技术特征摘要】
1.一种生活垃圾填埋场覆盖层甲烷CH4氧化能力的原位测试方法，所述方法包括如下步骤：第一步，在垃圾填埋场覆盖层选择合适的原位测试点位，要求所测试的区域完成封场且填埋垃圾仍处于甲烷气体释放期间，并且是具有导气层的完整的终场覆盖系统；第二步，采用静态箱法定期对所述原位测试点位的填埋气进行采样；第三步，分析所取填埋气样品中的CH4和CO2气体的浓度；第四步，根据第三步的样品分析结果计算气体释放通量垃圾填埋场覆盖层表面CH4和CO2气体的释放通量计算如公式(9)所示：其中，f为CH4或者CO2气体的释放通量，mgC/(m2·h)；V为箱盖和固定部分形成的空间体积，m3；A为固定部分的覆盖面积，m2；ΔC/Δt为单位时间内箱内CH4或者CO2浓度的变化，mgC/(m3·h)；T为静态箱内温度，℃；第五步，计算覆盖层CH4氧化速率和氧化率式中和分别为覆盖层表面CO2和CH4释放通量，mgC/(m2·h)；M为单位面积覆盖层的CH4氧化速率，mgC/(m2·h)；为覆盖层底部CH4向单位面积覆盖层的传输速度，mgC/(m2·h)；OX为覆盖层对CH4的氧化率，％，Z1为填埋层产生的填埋气中CO2和CH4的释放通量比，其在监测期内保持恒定；其中所述式(6)-(8)的建立是基于覆盖层CH4氧化菌活性的影响因素和覆盖层CH4...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳波，禾海伶，李海玲，黄启飞，吴小卉，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11