好氧生物反应器破解填埋场碳氮循环过程专业磨具

05-10

好氧生物反应器填埋技术是垃圾卫生填埋中最常见和最有效的技术之一。其通过渗滤液曝气回灌使填埋场成为一个复合“净化反应器”，可加速场内微生物降解有机质，去除氨氮等污染物。然而，在矿化垃圾填埋场中使用该技术，存在有机质含量低，无法彻底去除氮素的问题。并且，填埋场下层产生的甲烷，既增加“温室效应”又存在爆炸的潜在风险。

中国科学院成都生物研究所刘晓风课题组成员曹沁在前期的研究中发现，矿化垃圾填埋场中甲烷氧化可有效耦合硝酸盐的反硝化作用。并且，在不同氧气浓度条件下，参与其耦合反应的微生物种类不同。因此，通过同位素示踪技术和高通量测序技术对其耦合微生物和协作机理进行了更深入的研究。通过同位素示踪实验发现，微氧条件下，甲烷首先与氧气反应，生成胞外有机产物，如乙酸、柠檬酸等。进而这些有机产物作为碳源与硝酸盐发生反硝化作用，并生成微量N2O。缺氧条件下，甲烷会执行甲烷发酵作用，生成更丰富的有机中间产物，与硝酸盐耦合发生反硝化作用。通过高通量测序和分析发现，执行微氧甲烷氧化耦合反硝化的主要功能微生物为甲烷氧化菌Methylomonas和甲基营养型反硝化菌Methylotenera。而执行缺氧甲烷氧化耦合反硝化的主要功能微生物为甲烷氧化菌Methylomonas和非甲基营养型反硝化菌Thermomonas。国内外研究主要集中在好氧甲烷氧化耦合反硝化，并报道其产物主要为CO2和N2。本研究的发现为微氧和缺氧条件下甲烷氧化耦合反硝化提供了更多理论基础，扩展了矿化垃圾填埋场中的碳、氮循环。本研究得到了国家自然科学基金（51478448）、应用与环境微生物中心重点实验室开放基金（KLCAS-2017-9）等的支持。

生物反应器填埋场的提出与意义

现行传统垃圾填埋处理技术仅把填埋场作为一个被动接受垃圾的系统，垃圾的生物降解是一个无任何控制的自然降解过程。由于垃圾组成成分复杂，物理、化学和生物学的特性差异大，以及垃圾填埋场结构设计上的问题——垃圾的“干墓穴”填埋，湿度低，无法为微生物生长提供一个适宜的条件，填埋垃圾的生物降解受到了限制。封场后很长一段时间（数十年）内垃圾保持不变或变化很小。

生物反应器垃圾填埋技术由于增加了渗滤液的循环、垃圾水分的控制等措施，为微生物提供了较好的生长环境，微生物的活力增强，垃圾的降解量和降解速率得到了明显的提高。与常规无控制的卫生填埋方法相比，生物反应器填埋场具有较好的动力学特性。包栝可获得较高的填埋气产量和甲烷含量，消纳能力和使用寿命增加，渗滤液稳定快，甚至无需渗滤液处理设施等。生物反应器垃圾填埋技术实现了填埋场从传统的以贮留垃圾为主向多功能方向发展，即一个垃圾填埋场应同时具有贮留垃圾、隔断污染、生物降解和资源恢复等多个功能。

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