矿化垃圾甲烷厌氧氧化与反硝化的耦合系统构建

The Landfill is the important releasing source of greenhouse gas (methane) and nitrogen wastewater (leachate). The methane oxidation and denitrification of wastewater has become an necessary measure to avoid secondary pollution and landfill emissions. Due to the traditional aerobic biological oxidation of methane, methane oxidation and denitrification of wastewater landfill were carryied out seperately. Base on preliminary studies about anaerobic oxidation of methane and research on the mineralization of garbage, the project will character biological conversion of methane and nitrate in mineralized waste, study the coupling mechanism of methen anaerobic oxidation and denitrification, resolve microbial community structure and functional genes in mineralized waste, and optimize ecological factors of anaerobic oxidation of methane coupled with denitrification. Finally a coupled system of anaerobic oxidation of methane and denitrification will built in mineralized waste, which will provide a scientific basis and technical support for controling the release of methane and nitrogen in landfill.

垃圾填埋场是温室气体（甲烷）和高氮废水（垃圾渗滤液）的重要释放源，甲烷氧化与废水脱氮已成为填埋场避免二次污染以及减排的重要措施。基于传统的甲烷好氧生物氧化，垃圾填埋场的甲烷氧化与废水脱氮分别处理。在甲烷厌氧氧化前期研究的基础上，本项目结合项目组前期对矿化垃圾的研究成果，通过解析矿化垃圾对甲烷和硝化盐的生物转化特征，研究甲烷厌氧氧化与反硝化的耦联规律，解析矿化垃圾的微生态菌群及功能基因，并优化矿化垃圾甲烷厌氧氧化耦联反硝化的生态位，最终构建基于矿化垃圾的甲烷厌氧氧化与反硝化的耦合系统，为我国控制填埋场甲烷释放和渗滤液氮排放提供科学依据和技术支撑。

生活垃圾填埋仍然是现在处理城市垃圾的重要方法之一，而含有甲烷、二氧化碳等“温室气体”的填埋气和含高氨氮、高COD等的渗滤液是垃圾填埋场存在的主要环境问题。利用渗滤液曝气回灌技术，把填埋场当做一个大型生物滤床，对COD进行降解，对氨氮进行硝化反硝化进而脱除的生物反应器法是处理填埋场环境问题的最经济有效的方法之一。然而，矿化垃圾中碳源不足，导致反硝化阶段由于C/N失衡而反硝化效率降低，使得硝酸盐和亚硝酸盐无法彻底去除。填埋场底层由于厌氧发酵作用生成的填埋气富含甲烷，逸散到大气中会导致“温室效应”的加剧。近年来，甲烷氧化耦合氧化态污染物还原的研究表明，甲烷可以作为碳源和电子供体来还原硝氮等氧化态污染物，这为矿化垃圾填埋场中氮源污染物的处理提供了新的途径。因此，本研究提出利用甲烷氧化耦合反硝化，将甲烷作为一种外加碳源，提高反硝化效率，使填埋气中甲烷和渗滤液中氮源同时被处理掉。由于填埋场设计一般较深，氧气的含量随深度增加而逐渐降低，从而形成好氧层-微氧层-缺氧层-厌氧层，本研究提出两种甲烷氧化耦合反硝化的形式：1）在微氧层进行的微氧甲烷氧化耦合反硝化；2）在缺氧层进行的缺氧甲烷氧化耦合反硝化。取相应微氧层和缺氧层的垃圾样品，接种至渗滤床生物反应器中，通入甲烷/二氧化碳/氧气混合气，使用含硝酸盐培养基，富集培养甲烷氧化耦合反硝化相关微生物，并考察其去除硝酸盐的能力。实验结果表明，微氧系统中，硝酸盐的去除率可以达到100%，并且总是高于缺氧系统。通过瓶试实验计算其碳氮平衡，揭示微氧系统中CH4/O2/NO3-为1/1.17/0.65，接近理论公式的1/1.02/0.786;缺氧系统中CH4/NO3-为1/1.78，也接近理论公式的1/1.6，证明该两个系统中确实发生了微氧和缺氧甲烷氧化耦合反硝化。并利用同位素示踪实验，揭示其代谢产物有二氧化碳和一氧化二氮。最后，对富集样品进行高通量测序，揭示其群落结构变化，并发掘功能微生物有Ⅰ型好氧甲烷氧化菌Methylomonas和Methylobacter,以及利用甲基有机物为碳源的反硝化细菌Methylobacillus和Methylotenera。