焚烧炉渣与生活垃圾混合填埋甲烷产生规律及微生物学机制研究

A new pattern of landfill co-disposed with municipal solid waste (MSW) incineration bottom ash (BA) and MSW has been gradually developed. However, its stabilization process and methane (CH4) production rules are affected by the operation mode of co-disposal. And due to the complexity of the waste degradation process and the double-sides impact of key component of BA on the stabilization of refuse, the production rules of CH4 during the co-landfill process is ambiguity, resulting in the difficulty in effectively control of CH4 production and emission. Therefore, a series of simulated experiment devices loaded with BA and MSW will be established to study the dynamic production rules of CH4 under different operation modes. Combining with the relationships between the varying properties of BA-refuse-leachate-landfill gas and CH4 dynamic production rules, as well as the BA component single/multiple factors experiments, the major influencing factors of BA and their recombination effects on CH4 production will be specified. Furthermore, from the perspectives of microbial community structure, key enzyme gene abundance and transcription activity, the response of different nutrient types of methanogen to CH4 production will be elucidated, and the driving effect of geochemical evolution of BA on various microbiological characters will be clarified, so as to reveal the microbiological mechanisms for CH4 production dynamic rules in co-landfill.

焚烧炉渣—原生垃圾混合填埋正逐渐成为一种新型填埋模式，但其稳定化进程及产甲烷（CH4）规律受混合填埋运作方式的影响，且由于垃圾降解过程的复杂性以及炉渣各关键组分对垃圾稳定化影响的双向性，导致混合填埋过程中CH4产生规律的不明确性，从而难以有效地针对混合填埋场CH4的产生与排放进行控制。鉴于此，本项目拟通过构建焚烧炉渣与生活垃圾混合填埋装置，在明确运作方式（混合比例和时序）对混合填埋过程中CH4产生动态变化规律影响的基础上，结合炉渣-垃圾-渗滤液-填埋气等指标的动态变化与CH4动态变化规律之间的内在联系及炉渣组分的单/多因素实验，明确炉渣影响CH4产生变化规律的关键组分及其复合作用机制；进一步从物种组成、关键酶基因丰度与转录活性等层面上阐明不同营养型产甲烷菌对CH4产生规律的响应及炉渣地球化学演变对各微生物因子的驱动作用，揭示混合填埋过程中CH4产生动态规律的微生物学机制。

焚烧炉渣—原生垃圾混合填埋正逐渐成为一种新型填埋模式，但其稳定化进程及产甲烷（CH4）规律受混合填埋运作方式的影响，且垃圾降解过程复杂以及炉渣关键组分对垃圾降解作用具有双重性，导致混合填埋过程中CH4产生规律不明确，从而难以有效地针对混合填埋场CH4的产生与排放进行控制。鉴于此，本项目通过构建焚烧炉渣与生活垃圾混合填埋装置，研究了不同运作方式下混合填埋过程中CH4产生动态变化规律，解析了炉渣-垃圾-渗滤液-填埋气等指标的动态变化与CH4动态变化规律之间的内在联系，并从物种组成、产甲烷代谢途径及其功能丰度等层面揭示了混合填埋过程中CH4产生动态规律的微生物学机制。进一步通过炉渣关键组分的单/多因素实验，明确了炉渣中碱性物质和铁磁性物质对CH4产生变化规律的影响及其微生物学机制。结果表明，炉渣添加比例的增加（5%~20%）有利于提高渗滤液pH值，促进有机物降解并加速产甲烷进程，且炉渣添加比例越高的系统将优先进入稳定产甲烷阶段，垃圾有机质降解程度与腐殖化程度也越显著。渗滤液pH和垃圾pH与CH4浓度呈强正相关，而垃圾有机质（OM）和生物可降解物质（BDM）与CH4浓度呈负相关。原始炉渣的促CH4产生效应优于单独碱性物质和单独铁磁性物质的促进效应，且炉渣中碱性物质起关键驱动作用。混合填埋过程中甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales）为优势菌目，其次为甲烷微菌目（Methanomicrobiales）和甲烷杆菌目（Methanobacteriales）。甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）为优势菌属，H2还原CO2产甲烷和乙酸裂解产甲烷是混合填埋系统内主要的产甲烷途径，且填埋中后期产甲烷代谢途径丰度随炉渣添加比例增加而增加。单独碱性物质和铁磁性物质系统内优势产甲烷途径为氢营养型产甲烷途径，而添加10%炉渣有利于填埋层内乙酸裂解产甲烷途径的发生。研究成果将为焚烧炉渣—原生垃圾混合填埋场温室气体的减排与控制提供研究基础。