植物作用下非饱和土质覆盖层臭气运移的机理及理论模型研究

Odor emission from municipal landfill causes serious environment pollution in China. The transfer of odor through landfill cover is affected by vegetation and microbe in soils. Limited studies have been conducted to investigate the vegetation-odor-microbe interaction. Understanding transfer and breakthrough mechanism of odor in vegetated landfill cover is crucial for controlling odor pollution. In this study, element tests will be conducted to quantify effects of roots on transfer parameters of water and typical odor components; soil column tests will be carried out to investigate effects of root characteristics on microbial decomposition of odor. Based on experimental results, a fully coupled model for water-gas-heat reactive transfer considering effects of vegetation and microbial decomposition of odor will be developed. Numerical code will be developed for the proposed theoretical model. Then flume test will be conducted to verify the newly developed theoretical model. Furthermore, both the flume test and theoretical/numerical model will be adopted to investigate factors influencing odor transfer and breakthrough in vegetated landfill cover, including vegetation, microbe, sloping angle of landfill cover, atmospheric condition (drying and wetting) and temperature. The outcome of this study will throw lights to the influence of vegetation on odor transfer and breakthrough in landfill cover, as well as provide a scientific basis for the design of landfill cover.

我国垃圾填埋场臭气污染问题突出。臭气在覆盖层中的运移受到植物与土壤中微生物的影响，揭示臭气在植被覆盖层中的运移与击穿机理是臭气污染防控的关键。目前缺乏覆盖层中植物-臭气-微生物间相互作用的研究. 本项目拟针对典型臭气成分，开展单元试验，测量植物根系对土体水、气运移参数的影响；开展土柱试验，研究植物根系特征对土壤中微生物降解臭气作用的影响。基于上述试验结果，建立考虑植物与臭气降解作用的水-气-热耦合运移模型，开发数值计算程序，并开展模型试验验证理论模型的正确性。在此基础上，结合模型试验与理论模型，综合研究植物、微生物、覆盖层坡度、气候条件（干燥与降雨）、温度等对典型覆盖层中臭气运移与击穿的影响规律。本项目的研究有助于揭示植物对典型土质覆盖层臭气运移与击穿规律的影响，为填埋场覆盖层设计提供科学依据。

填埋是我国城市生活垃圾处理的主要方式之一。填埋的垃圾经过降解产生包括臭气在内的污染性填埋气，容易诱发臭气扰民问题。覆盖层是填埋场生态恢复的重要技术之一，覆盖层浅层土体存在降解污染性填埋气的微生物，为臭气减排提供绿色环保的方法。臭气在覆盖层中的运移受到植物根系、植物蒸腾作用等影响。当前亟需研究植物-微生物-臭气的相互作用规律，为填埋场臭气减排提供科学依据。本项目研发了一系列测量非饱和土体的气体运移参数的单元尺度、土柱尺度与现场尺度的测量装置，为研究多场多相作用下非饱和土体气体运移参数奠定基础；利用研发的测量装置，测试并分析了根系特征对土体的气体渗透系数与扩散系数的影响规律，发现由于根土界面存在环状大孔隙，导致根系增大土体的气体渗透系数与扩散系数，且根系对气体运移参数的影响与根系体积比的关联性最强，为分析臭气在植被覆盖的土体中的运移提供科学依据；开展了土柱等模型试验，发现典型臭气——硫化氢气体具有杀菌能力，能够提高百慕大草抵抗由于土体含水量高而引起的腐霉病，在干旱时期硫化氢导致叶片上气孔关闭，降低植物诱导的土体的基质吸力，而在降雨时期种植百慕大草的工况的入渗率均高于裸土工况，这可能与根系腐烂导致的优势流有关，上述试验结果为揭示植物与硫化氢的相互作用规律提供科学指导；在上述研究基础之上，建立了考虑植物与微生物降解作用的非饱和土的水-气-热耦合运移理论模型，并开发了数值计算程序，为覆盖层水气运移分析提供有效分析工具。项目组于2019-2021年间共发表或录用13篇SCI论文，1篇EI论文。授权发明专利3项与软件著作权1项。培养硕士研究生4名，已经毕业2名。