甲烷氧化菌菌液的制备方法、垃圾填埋场覆盖材料及垃圾填埋场甲烷减排的方法

摘要

本发明提供了一种甲烷氧化菌菌液的制备方法，包括以下步骤：将矿化垃圾与渗滤液混合，通入甲烷和氧气的混合气体的条件下进行培养，得到甲烷氧化菌菌液，所述矿化垃圾的甲烷氧化率超过50%。本发明提供了一种垃圾填埋场覆盖材料及一种垃圾填埋场甲烷减排的方法。本发明以矿化垃圾作为甲烷氧化菌菌种来源，以渗滤液作为培养基质混合培养甲烷氧化菌，培养体系与填埋场环境较为接近，得到的甲烷氧化菌菌液对垃圾填埋场环境更为适应，且得到的甲烷氧化菌菌液起效迅速，对填埋气中甲烷的氧化效率更高，覆盖7天时甲烷氧化率即可达到84%以上。

说明书

技术领域

本发明属于环保材料技术领域，尤其涉及一种甲烷氧化菌菌液的制备方法、垃圾填埋场覆盖材料及垃圾填埋场甲烷减排的方法。 

背景技术

垃圾填埋场是采用卫生填埋方式下的垃圾集中堆放场地，因为成本低、卫生程度好在国内被广泛使用。对于老龄和中小型生活垃圾填埋场而言，由于产生的填埋气中甲烷浓度低或者产生量少，难以回收利用，因此一般采用设置填埋场覆盖层的方法对甲烷进行生物氧化，从而控制和减少甲烷释放。已有研究表明堆肥有较好的甲烷氧化效果，可用来制备填埋场的生物覆盖层，以提高覆盖层的甲烷氧化能力。但是，对我国大部分生活垃圾填埋场来说，堆肥的获取很不便利，需要寻找更加有效易得的覆盖材料。 

填埋场覆盖层中甲烷氧化菌的数量和活性对甲烷氧化过程有着重要影响，因此是决定甲烷释放量的关键因素。培养制备甲烷氧化菌菌液施加到填埋场覆盖层中是增加覆盖层中甲烷氧化菌数量最直接的方法，同时有利于提供甲烷氧化菌活动的适宜条件，能有效提高覆盖层的甲烷氧化能力，使甲烷氧化快速启动。 

已有的研究和工程应用中为获得高效甲烷氧化微生物体系，培养的甲烷氧化菌菌种大多来自有甲烷气体产生的环境，如水稻田土壤、油田地表土壤、海洋和湖泊的底泥或沉积物等。对于甲烷氧化菌的培养方法，传统环境工程菌的筛选和培养过程比较复杂，包括选用专用的培养基和分离所需的菌种，再通过试管培养、三角瓶培养、一级种子培养、二级种子培养以及发酵罐培养逐步扩培等一系列步骤。但是，这种方法不仅过程复杂，而且得到的菌液不一定能够适应填埋场的复杂环境。 

矿化垃圾中含有甲烷氧化菌，而且菌种长期处于填埋场填埋气的环境中， 对填埋气适应性较强，因此可以作为甲烷氧化菌的菌种来源。如申请号为200710040358.7的中国专利文献公开了一种生活垃圾填埋场甲烷氧化覆盖材料，由矿化垃圾和矿化污泥组成，用于填埋场覆盖层时，甲烷氧化吸收效率可提高20%～30%。但是，该方法得到的覆盖层起效较慢，覆盖一个月后其甲烷氧化效率才能够达到70%～80%。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种甲烷氧化菌菌液的制备方法、垃圾填埋场覆盖材料及垃圾填埋场甲烷减排的方法，本发明提供的覆盖材料起效迅速，在较短时间内即可达到较高甲烷转化率，且成本较低。 

本发明提供了一种甲烷氧化菌菌液的制备方法，包括以下步骤： 

将矿化垃圾与渗滤液混合，通入甲烷和氧气的混合气体的条件下进行培养，得到甲烷氧化菌菌液，所述矿化垃圾的甲烷氧化率超过50%。 

优选的，所述矿化垃圾按照以下方法进行预处理： 

向矿化垃圾原料中通入甲烷和氧气的混合气体进行驯化，驯化至甲烷氧化率超过50%得到矿化垃圾，所述驯化的温度为28℃～37℃。 

优选的，所述矿化垃圾原料为8年龄以上的矿化垃圾，所述矿化垃圾原料的粒径为0.5mm～4cm，所述矿化垃圾原料的含水率为20%～30%。 

优选的，所述渗滤液为垃圾填埋场渗滤液、填埋场渗滤液回灌处理尾水或填埋场渗滤液矿化床处理尾水。 

优选的，所述渗滤液为8年龄以上渗滤液，所述渗滤液中，总氮含量低于1400mg/L，Ni含量低于0.4mg/L。 

优选的，所述矿化垃圾与所述渗滤液的质量体积比为0.5g～2g：100mL。 

优选的，所述矿化垃圾和渗滤液混合后得到的混合液的pH值为7～9，所述培养的温度为25℃～37℃，培养至菌液的细胞浓度OD₆₀₀超过0.6。 

优选的，所述甲烷和氧气的体积比为1:1～1.3。 

本发明提供了一种垃圾填埋场覆盖材料，包括：矿化垃圾和上述技术方案所述的方法制备得到的甲烷氧化菌菌液，所述甲烷氧化菌菌液占所述矿化 垃圾的8wt%～12wt%。 

本发明还提供了一种垃圾填埋场甲烷减排的方法，包括以下步骤： 

在填埋的垃圾上设置覆盖层，所述覆盖层包括上述技术方案所述的垃圾填埋场覆盖材料。 

与现有技术相比，本发明提供了一种甲烷氧化菌菌液的制备方法，包括以下步骤：将矿化垃圾与渗滤液混合，通入甲烷和氧气的混合气体的条件下进行培养，得到甲烷氧化菌菌液，所述矿化垃圾的甲烷氧化率超过50%。本发明以矿化垃圾作为甲烷氧化菌菌种来源，以渗滤液作为培养基质混合培养甲烷氧化菌，培养体系与填埋场环境较为接近，得到的甲烷氧化菌菌液对垃圾填埋场环境更为适应，且得到的甲烷氧化菌菌液起效迅速，对填埋气中甲烷的氧化效率更高，覆盖7天时甲烷氧化率即可达到84%以上。同时，渗滤液和矿化垃圾均为废弃物，分别以其作为培养基质和菌种来源，解决了渗滤液造成的环境污染问题，实现了矿化垃圾的资源化利用，不仅方法简单，有效降低了垃圾填埋场甲烷气体处理的成本，而且有效扩大了垃圾填埋场的填埋容量，延长了垃圾填埋场的使用年限。另外，本发明提供的甲烷氧化菌菌液与矿化垃圾混合后作为覆盖材料覆盖在垃圾填埋场上，能够有效将填埋气中的甲烷氧化，从而控制填埋场的甲烷排放，达到以废治废的目的。 

具体实施方式

本发明提供了一种甲烷氧化菌菌液的制备方法，包括以下步骤： 

将矿化垃圾与渗滤液混合，通入甲烷和氧气的混合气体的条件下进行培养，得到甲烷氧化菌菌液，所述矿化垃圾的甲烷氧化率超过50%。 

本发明以矿化垃圾作为甲烷氧化菌菌种来源，以渗滤液作为培养基质混合培养甲烷氧化菌，培养体系与填埋场环境较为接近，得到的甲烷氧化菌菌液对垃圾填埋场环境更为适应，且得到的甲烷氧化菌菌液起效迅速，对填埋气中甲烷的氧化效率更高，覆盖7天时甲烷氧化率即可达到84%以上。 

本发明以矿化垃圾作为甲烷氧化菌菌种来源，所述矿化垃圾的甲烷氧化率超过50%。当矿化垃圾的甲烷氧化率超过50%时，其才能够以渗滤液作为 培养基质进行培养并得到起效快、效率高的甲烷氧化菌菌液；当矿化垃圾的甲烷氧化率不足50%时，其以渗滤液作为培养基质进行培养得到的甲烷氧化菌菌液并不具有起效快、效率高的特点。 

在本发明中，所述矿化垃圾优选经过如下预处理： 

向矿化垃圾原料中通入甲烷和氧气的混合气体进行驯化，驯化至甲烷氧化率超过50%得到矿化垃圾。 

在本发明中，所述矿化垃圾原料优选为8年龄以上的矿化垃圾，更优选为10年龄以上的矿化垃圾；所述矿化垃圾原料的粒径优选为0.5mm～4cm，更优选为0.8mm～3.5cm；所述矿化垃圾原料的含水率优选为20%～30%，更优选为21%～28%。 

向所述矿化垃圾原料中通入甲烷和氧气的混合气体进行驯化，驯化至甲烷氧化率超过50%即可得到作为甲烷氧化菌菌种的矿化垃圾。在本发明中，所述甲烷和氧气的体积比优选为1：1～1.3；进行驯化时，所述驯化温度优选为28℃～37℃，更优选为30℃～35℃。在驯化过程中，矿化垃圾原料中的甲烷氧化菌得到富集，使矿化垃圾的甲烷氧化率达到50%以上。 

得到甲烷氧化率超过50%的矿化垃圾后，将其与渗滤液混合通入甲烷和氧气的混合气体的条件下进行培养，即可得到甲烷氧化菌菌液。在本发明中，所述渗滤液的作用在于作为培养基质，其中的营养物质提供甲烷氧化菌生长和活动所需要的营养，所述渗滤液可以为垃圾填埋场渗滤液、填埋场渗滤液回灌处理尾水或者填埋场渗滤液矿化床处理尾水。具体而言，所述渗滤液优选为8年龄以上的渗滤液，所述渗滤液中，总氮含量优选低于1400mg/L，更优选低于1200mg/L；Ni含量优选低于0.4g/L，更优选低于0.3g/L。所述矿化垃圾和渗滤液的质量体积比优选为0.5g～2g：100mL，更优选为0.8g～1.8g：100mL。 

将矿化垃圾和渗滤液混合后，得到混合液后进行培养，所述混合液的pH值优选为7～9，更优选为7.3～8.8。本发明以渗滤液为培养基质培养矿化垃圾中的甲烷氧化菌，得到甲烷氧化菌菌液，所述培养的温度优选为25℃～37℃， 更优选为28℃～35℃；所述培养的时间优选为2天～3天，培养至菌液的细胞浓度OD₆₀₀超过0.6即可，其中，OD₆₀₀表示，细胞浓度以600nm波长下的光吸收表示。所述培养在通入甲烷和氧气的混合气体的条件下进行，具体可以为：将矿化垃圾和渗滤液混合后，通入甲烷和氧气的混合气体后密封进行培养，所述培养可以为摇床培养或者本领域技术人员熟知的其他培养方式。在本发明中，所述甲烷和氧气的质量比优选为1：1～1.3。 

得到甲烷氧化菌菌液后，将其与矿化垃圾混合，即可得到用于垃圾填埋场，尤其是生活垃圾填埋场覆盖层以控制甲烷释放的覆盖材料。 

本发明还提供了一种垃圾填埋场覆盖材料，包括：矿化垃圾和上述技术方案所述的方法制备得到的甲烷氧化菌菌液。 

本发明对所述用作垃圾填埋场覆盖材料的矿化垃圾没有特殊限制，优选为6年龄以上的矿化垃圾，其粒径优选为0.5mm～4cm，含水率优选为20%～30%。在所述垃圾填埋场覆盖材料中，所述甲烷氧化菌菌液占所述矿化垃圾的8wt%～12wt%，优选为为8.5wt%～11.5wt%。 

本发明提供的垃圾填埋场覆盖材料可以直接覆盖在垃圾填埋场上形成覆盖层，将填埋气中的甲烷氧化，从而控制和减少甲烷的释放。 

本发明还提供了一种垃圾填埋场甲烷减排的方法，包括以下步骤： 

在填埋的垃圾上设置覆盖层，所述覆盖层包括上述技术方案所述的垃圾填埋场覆盖材料。 

直接将上述技术方案所述的覆盖材料覆盖在填埋的垃圾上形成覆盖层即可控制和减少甲烷的释放。在本发明中，所述垃圾填埋场优选为生活垃圾填埋场，所述覆盖材料可以作为生活垃圾填埋场的中间覆盖或者终场覆盖，即在填埋垃圾的过程中随时进行覆盖或者在垃圾填埋完毕后再进行覆盖。 

本发明将所述覆盖材料填入模拟填埋场条件的填埋柱中，在填埋柱底部通入模拟填埋气（体积比为1：1的甲烷和二氧化碳），填埋柱顶部通入空气，检测覆盖材料对甲烷的氧化率。实验结果表明，本发明提供的覆盖材料覆盖7天后的甲烷氧化率即可达到84%以上，不仅起效迅速，而且甲烷氧化率较高。 

本发明以矿化垃圾作为甲烷氧化菌菌种来源，以渗滤液作为培养基质混合培养甲烷氧化菌，培养体系与填埋场环境较为接近，得到的甲烷氧化菌菌液对垃圾填埋场环境更为适应，且得到的甲烷氧化菌菌液起效迅速，对填埋气中甲烷的氧化效率更高，覆盖7天时甲烷氧化率即可达到84%以上。同时，渗滤液和矿化垃圾均为废弃物，分别以其作为培养基质和菌种来源，解决了渗滤液造成的环境污染问题，实现了矿化垃圾的资源化利用，不仅方法简单，有效降低了垃圾填埋场甲烷气体处理的成本，而且有效扩大了垃圾填埋场的填埋容量，延长了垃圾填埋场的使用年限。另外，本发明提供的甲烷氧化菌菌液与矿化垃圾混合后作为覆盖材料覆盖在垃圾填埋场上，能够有效将填埋气中的甲烷氧化，从而控制填埋场的甲烷排放，达到以废治废的目的。 

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的甲烷氧化菌菌液的制备方法、垃圾填埋场覆盖材料及垃圾填埋场甲烷减排的方法进行描述，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。 

实施例1 

取上海老港生活垃圾填埋场10年龄的矿化垃圾原料，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为26wt%。将所述矿化垃圾装入血清瓶，通入体积比为1:1的CH₄和O₂的混合气体于37℃驯化7d，此时，矿化垃圾的甲烷氧化率达到56.8%，停止培养。 

将取自上海老港生活垃圾填埋场的10年龄渗滤液加入所述矿化垃圾中得到混合液，配比为1g矿化垃圾：100mL渗滤液，混合液的pH值为7.6；将混合液装入血清瓶，通入体积比为1:1的CH₄和O₂的混合气体后密封，于35℃条件下摇床培养。培养3d，此时，混合液的菌体浓度OD₆₀₀达到0.76，停止培养，得到甲烷氧化菌菌液。 

将所述甲烷氧化菌菌液喷洒到矿化垃圾中，所述甲烷氧化菌菌液占矿化垃圾的8wt%，搅拌均匀后填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min， 甲烷氧化效果如表1所示。 

表1 7d后不同覆盖材料的甲烷氧化率 

不同覆盖材料 黄壤 矿化垃圾 矿化垃圾+菌液 甲烷氧化率(%) 6 39 87

由表1可知，本发明提供的覆盖材料起效迅速，7天后甲烷氧化率可达到87%。 

实施例2 

取上海老港生活垃圾填埋场16年龄的矿化垃圾原料，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为23%。将所述矿化垃圾装入血清瓶，通入体积比1:1.3的CH₄和O₂于37℃驯化7d，此时，矿化垃圾的甲烷氧化率达到55%，停止培养。 

将上海老港生活垃圾填埋场渗滤液矿化床处理尾水加入所述矿化垃圾中得到混合液，配比为0.5g矿化垃圾：100mL渗滤液，混合液的pH值为7.5；将混合液装入血清瓶，通入体积比为1:1.3的CH₄和O₂后密封，于35℃条件下摇床培养。培养3d，此时，混合液的菌体浓度OD₆₀₀达到0.82，停止培养，得到甲烷氧化菌菌液。 

将所述甲烷氧化菌菌液喷洒到矿化垃圾中，所述甲烷氧化菌菌液占矿化垃圾的12wt%，搅拌均匀后填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，3天时甲烷氧化率达到84%，1周时达到90%。 

实施例3 

取上海老港生活垃圾填埋场11年龄的矿化垃圾原料，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为28%。将所述矿化垃圾装入血清瓶，通入体积比为1:1.2的CH₄和O₂于37℃驯化8d，此时，矿化垃圾的甲烷氧化率达到53%，停止培养。 

将上海老港生活垃圾填埋场渗滤液回灌处理尾水加入所述矿化垃圾得到 混合液，配比为1g矿化垃圾：100mL渗滤液，混合液的pH值为7.2。将混合液装入血清瓶，通入体积比为1:1.2的CH₄和O₂后密封，于35℃条件下摇床培养。培养3d，此时，混合液的菌体浓度OD₆₀₀达到0.77，停止培养，得到甲烷氧化菌菌液。 

将所述甲烷氧化菌菌液喷洒到矿化垃圾中，所述甲烷氧化菌菌液占矿化垃圾的4wt%，搅拌均匀后填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，1周时，甲烷氧化率达到86%。 

实施例4 

取上海老港生活垃圾填埋场16年龄的矿化垃圾原料，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为23%。将所述矿化垃圾装入血清瓶，通入体积比1:1的CH₄和O₂于37℃驯化7d，此时，矿化垃圾的甲烷氧化率达到55%，停止培养。 

将上海老港生活垃圾填埋场19年龄渗滤液加入所述矿化垃圾，配比为0.5g矿化垃圾：100mL渗滤液，混合液的pH值为7.3。将混合液装入血清瓶，通入体积比1:1的CH₄和O₂后密封，于35℃条件下摇床培养。培养3d，此时，混合液的菌体浓度OD₆₀₀达到0.84，停止培养，得到甲烷氧化菌菌液。 

将所述甲烷氧化菌菌液喷洒到矿化垃圾中，所述甲烷氧化菌菌液占矿化垃圾的8wt%，，搅拌均匀后填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，1周时，甲烷氧化率达到88%。 

比较例1 

取上海老港生活垃圾填埋场16年龄的矿化垃圾，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为23%；取填埋5年龄、含水率为35%的矿化污泥；将矿化垃圾和矿化污泥按照70:30（干基）的质量比混合，搅拌均匀后 填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，3天时甲烷氧化率达到17%，1周时达到19%，1个月时达到76%。 

比较例2 

按照申请号为200910046444.8的中国专利文献实施例1公开的方法制备甲烷氧化菌菌剂，将所述甲烷氧化菌菌剂加入到矿化垃圾中，所述甲烷氧化菌菌液占矿化垃圾的12wt%，搅拌均匀后填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，3天时甲烷氧化率达到70%，1周时达到78%，一个月时达到80%。 

比较例3 

取上海老港生活垃圾填埋场16年龄的矿化垃圾原料，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为23%； 

将20g上述矿化垃圾与0.1g/L的淀粉溶液在密封血清瓶中混合，混合均匀后，填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，3天时甲烷氧化率达到15%，1周时达到35%，一个月时达到48%。 

比较例4 

取上海老港生活垃圾填埋场16年龄的矿化垃圾原料，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为23%。 

将上海老港生活垃圾填埋场渗滤液矿化床处理尾水加入所述矿化垃圾中得到混合液，配比为0.5g矿化垃圾：100mL渗滤液，混合液的pH值为7.5；将混合液装入血清瓶，通入体积比为1:1.3的CH₄和O₂后密封，于35℃条件下摇床培养。培养3d，得到甲烷氧化菌菌液。 

将所述甲烷氧化菌菌液喷洒到矿化垃圾中，所述甲烷氧化菌菌液占矿化垃圾的12wt%，搅拌均匀后填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，3天时甲烷氧化率达到10%，1周时达到23%，一个月时达到60%。 

比较例5 

取上海老港生活垃圾填埋场16年龄的矿化垃圾原料，除杂过筛后得到粒径为0.5mm～4cm的细料，含水率为23%。将所述矿化垃圾装入血清瓶，通入体积比1:1.3的CH₄和O₂于37℃驯化3d，此时，矿化垃圾的甲烷氧化率达到35%，停止培养。 

将上海老港生活垃圾填埋场渗滤液矿化床处理尾水加入所述矿化垃圾中得到混合液，配比为0.5g矿化垃圾：100mL渗滤液，混合液的pH值为7.5；将混合液装入血清瓶，通入体积比为1:1.3的CH₄和O₂后密封，于35℃条件下摇床培养。培养3d，停止培养，得到甲烷氧化菌菌液。 

将所述甲烷氧化菌菌液喷洒到矿化垃圾中，所述甲烷氧化菌菌液占矿化垃圾的12wt%，搅拌均匀后填入模拟填埋场条件的填埋柱作覆盖材料，覆盖材料厚度为60cm，在填埋柱底部通入模拟填埋气，即体积比为1:1的CH₄和CO₂，填埋气负荷为12mL/min；填埋柱顶部通空气，空气的通入量为150mL/min，3天时甲烷氧化率达到19%，1周时达到35%，一个月时达到80%。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。