基于垃圾组成的填埋产甲烷动力学参数变化规律与模型化研究

Methane is a potent greenhouse gas generated from the anaerobic decomposition of waste in landfills. The captured methane can be beneficially used to generate energy. To inventory emissions and assist the landfill industry with energy recovery projects, it is required to model the methane generation based on scientific understanding of solids decomposition in landfills. The empirical basis for widely used first-order decay models to calculate methane generation is the biodegradation of refuse components is independent, which lacks scientific evaluation. The overall objective of this study is to improve the understanding of the relationship on the key gas model parameters, methane generation potentials and decay rates, between the bulk waste and individual waste components, by conducting theoretic analysis, laboratory experiment, and model construction and validation. The expected mathematical model can be used to predict the gas model parameters based on waste composition. This proposed study is expected: a) to enrich the basic theory of solids decomposition and methane generation in landfills; b) to improve the accuracy of methane generation model; and c) to provide technical guidance for methane collection, control, and beneficial utilization.

城市生活垃圾填埋厌氧降解产生甲烷，既是重要的温室气体，又是可利用的清洁能源。为了编制填埋温室气体排放清单和合理规划利用填埋气资源，需要在掌握垃圾填埋降解规律的基础上，利用模型对填埋产甲烷进行估算。目前广泛应用的一级衰减动力学模型的估算经验假设：垃圾组分之间降解行为互不影响，欠缺科学实验验证。本课题拟以城市生活垃圾主要成分为研究对象，采用理论分析、模拟填埋降解产气实验研究和数学回归建模等手段相结合的研究方法，阐明各组分的降解产气属性（产甲烷潜力L0和速率k）与由各组分混合而成垃圾整体的降解产气属性之间的关系，并将之运用于构建和验证可根据垃圾组成估算其填埋降解产气属性参数的数学模型。本课题研究不仅能丰富生活垃圾填埋降解产气过程的基础科学理论，还能为改善填埋产气模型准确度，进而为填埋气的排放统计、收集与资源化利用提供正确的实践指导，具有较高的学术研究和理论价值。

垃圾填埋场是世界公认的一类重要的人类活动造成的甲烷排放源。掌握生活垃圾填埋气（以甲烷为主）产生规律，对于估算填埋场温室气体（甲烷）排放、完善其排放清单编制，以及指导填埋气收集与利用系统的设计和运营具有重要的理论价值和实践意义。.本项目首先分析了我国1979~2016年城市生活垃圾产生和处理的时空演变特征，建立了全国与各地区城市生活垃圾物理组分数据清单，可为计算我国城市生活垃圾填埋场温室气体排放和生物碳储存提供重要的基础数据。为了阐明生活垃圾多组分的混合对其厌氧降解产气性能的影响，本项目通过在中温（37±1℃）条件下对餐厨类、纸类和园林类垃圾组分进行单独和联合厌氧降解产甲烷实验，研究接种物来源对单组分和多组分物料厌氧降解产甲烷性能的影响，应用模型拟合和分析物料产甲烷过程动力学特征，并借鉴和发展评价混合物料联合厌氧降解性能的量化指标方法。试验与模型拟合结果均表明：接种物来源对各组分及其组合的厌氧生物可降解程度无显著影响，但对其降解速率存在明显影响。在2种接种物条件下，相比于3组分分别降解的甲烷产率分别增长了16%和14%。本项目进一步运用基于16S rRNA基因的高通量测序技术，探析不同接种物和不同底物组成对厌氧降解过程中微生物群落结构演替的影响。结果表明不同来源接种物的原生微生物群落结构存在明显差异，这可能是造成不同接种物条件下各底物甲烷降解速率存在显著差异的原因之一。.项目研究结果不仅能丰富生活垃圾填埋降解产气过程的基础科学理论，还能为改善填埋气的排放统计、收集与资源化利用提供更加完善的实践指导，以及为我国履行在全球温室气体减排活动中应尽的国际义务等提供基础数据支持。