对模型进行中等规模评估，以区分静态废物床中同时进行厌氧消化，堆肥和甲烷氧化的速率外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

对模型进行中等规模评估，以区分静态废物床中同时进行厌氧消化，堆肥和甲烷氧化的速率

Reza Rafiee Lizanne Obersky 谢思煌 William·p·Clarke

摘 要

本文的目的是应用和验证一个模型，用于测量厌氧消化，堆肥和CH4氧化的速率和程度。在四个反应器中进行了降解研究，每个反应器都装有粉碎的未分类的城市固体废物，其中一个床覆盖有100mm的土壤层。 测量CH4，CO2，13C-CO2和O2的消耗速率的产生率并用作这些组分的质量平衡表达式的输入以计算厌氧消化，堆肥和CH4氧化的速率。结果表明，厌氧消化，堆肥和CH4氧化同时发生在覆盖和未覆盖的床。分析表明，未覆盖的床中50plusmn;4％的固体（COD基准）在厌氧条件下降解，生成的CH4随后被氧化，并且32plusmn;4％的固体在覆盖床中有氧降解。

关键词：垃圾填埋场；好氧工艺堆肥甲烷氧化；碳稳定同位素质量平衡模型

1.介绍

无论这是工程垃圾填埋还是在开发区内露天堆放，运送全球城市固体废物（MSW）最常见的目的地是静电堆。废物在有氧或无氧条件下降解的程度会影响甲烷产量，并因此影响可能从废物中捕获和利用或释放的甲烷的潜在量。在监管实践方面，假设工程垃圾填埋场的降解完全是厌氧的，而60％和20％的垃圾假设在浅层和深层的非管理垃圾填埋场分别有氧降解（IPCC，2006年）然而，没有办法通过直接测量静态垃圾堆来验证这些估计值，无论这是垃圾填埋场，露天转储还是静态堆肥堆。

就静态堆中废物好氧分解的证据而言，大多数研究都是在土壤覆盖的垃圾填埋场进行的。这完全可以确定气体交换是能发生在土壤覆盖层上的（Kallel等人，2006）。测量O₂垃圾填埋场中的浓度数据显示O₂在垃圾床中渗透到1米（Kjeld，2014; Widory等，2012)。

由于O₂渗透的结果，好氧降解活性的存在已经在土壤覆盖物的研究中得到证实（Abichou等人，2006b; Christophersen＆Kjeldsen，2000; Gebert等人， 2011），但底层废物的有氧降解程度仍然相对被较少研究。从低通量CH₄和高通量CO₂在日常覆盖表面（例如，Bogner等，2011; Abichou等，2006a）和未覆盖废物表面的测量数据看（例如，Abushammala等，2013），显示了在裸露或薄覆盖的废物床中的需氧过程。

Pommier等人（2008年）研究了15天顶空曝气对快速（例如食物）和缓慢（例如纸和纸板）生物可降解废物的床的降解的影响，并显示纸/纸板部分最终消耗了BOD的3-23％，那时大约食品和庭院废物部分60％的BOD被消耗掉了。

热量预算研究进一步表明垃圾填埋细胞需要大量好氧降解。在许多研究中报道了在新鲜废弃物上覆盖着薄薄的土壤的温度剧烈升高（Bonany等人，2013b; Hanson等，2013; Lefebvre等人，2000; Yesiller等人，2005）。尤其是，Lanini 等人（2001年）确定好氧过程作为热量的主要来源，并确定了80％以上的被消耗的O₂从过氧化氢扩散大气进入废物床。进一步的调查也证实了该领域的相同趋势（Bonany等人，2013a)。

本研究的目的是测量充气顶部空间的废物填充床中CO₂，CH₄和¹³C-CO₂通量和O₂消耗量的趋势，并将此数据用于验证质量平衡模型以确定厌氧消化的速度和程度和CH₄在床中的氧化度。该模型适用于任何静态垃圾堆配置，无论是垃圾填埋场，露天垃圾堆还是堆肥堆。这个模型将会用在（i）根据CH₄产量和O₂消耗量的比率，将预测的速率与床中的COD消耗速率进行比较; （ii）通过数据比较累计COD消耗量与输入残余固体的COD的差异。

2.材料和方法

2.1.废物收集和表征

从沙丘填埋场（伊普斯维奇，昆士兰州）的工作间随机收集400公斤新鲜城市固体废物（MSW）。 然后使用桶式研磨机将收集的废物混合并碎成小于10cm的粒度，之后在20℃下储存在气密的桶中，直到反应器在废物收集后的第二天被装载。装载到每个反应器的废物通过在装载反应器时收集3-4kg的随机抓取物而被单独取样。之后分析来自每个反应器的样品的TS，VS，COD和生化甲烷势（BMP）。 使用标准方法（方法2540G，APHA）测定TS和VS。根据文献中 Lay等人描述的方法，在3个1g VS浸软的废物样品（1-5mm）上进行BMP测定(1999)。BMP试验在37℃下运行40天，使用来自当地污水处理厂的中温消化污泥，以2份污泥与1份废物的比例以VS为基础加入。使用谢等人描述的Perkin-Elmer GC-TCD方法（AutoSystem GC，Perkin-Elmer，Waltham，MA，USA）测量CH₄和CO（2016）。COD被采用重铬酸钾/硫酸法和Spectroquant测试试剂盒以及分光光度计SQ118（Merck，德国），基于标准方法5229D（APHA，1998年）进行测试。

在实验结束时对反应器中剩余的残余废物进行了相同的分析。在实验结束时从每个床的顶部，中部和底部收集1kg残余废物样品。将来自这些层中的每一个残余废料子样品混合以形成用于TS和VS，COD和BMP测量的复合样品。

2.2.反应器的安装和运行

这些反应器作为带有顶空通风装置的静态堆肥装置运行，以模拟新鲜的填埋废物暴露于大气中的情况。反应器由不锈钢制成，并由工作空间（圆柱形，ID= 470毫米，高度= 1000毫米）和一个下面的圆锥形油底壳（350毫米深）以及网板支撑油池上方的废物床组成（Chugh，1996年）。渗滤液允许积聚在池中，并通过反应器盖底面上的分配器每周再循环至废物床表面。通过缠绕在反应器外表面上的450W加热带（热电元件，SS编织加热痕迹）将反应器中的温度维持在30℃（布里斯班夏季日平均最高温度）。该反应器用50毫米厚的铝箔面玻璃棉作为反应器周围的最外层进行绝缘。通过捣固废物以消除大的空隙，将反应器填充碎废物至850mm的深度。尽管已经努力粉碎和均质化废物，但填充每个反应器至850毫米深度所需的废物量仍然不尽相同。废物床的密度（表格1）显着低于垃圾填埋场，但足以使厌氧和有氧活动在床中发育，并因此提供数据来验证质量平衡模型。从沙丘垃圾填埋场的土壤覆盖物库存中收集到的100毫米湿润的粉质肥土层被添加到一张床（R3）的表面上。总的来说，实验包括3个复制裸床（R1，R2和R4）和1个土壤覆盖床（R3），如表格1。以这种方式设计实验以探索在相同处理的床中降解行为的可再现性，并探索土壤覆盖度对三种生物降解过程的影响，尽管这只能说明垃圾填埋场的压实密度较高。

表格1反应堆的内容

密封反应器之后，通过给每个床加入约20L的水来提供足够的渗滤液以通过反应器再循环。排出的渗滤液库存每周重新分发一次。

使用质量流量控制器（Burkert 8710）在每小时的循环中以3.32L / min的速率控制到反应器顶部空间的气流为15min。反应器的顶部空间大约为25L，因此假设顶部空间中存在混合条件，该流速将每小时替换85％的顶空气体。在每次顶空冲洗时O₂浓度的最大降幅分别在R1，R2，R3和R4，大气水平为分别为21％至13％，14.5％，17.7％和14％。这些水平远高于堆肥生物的O₂清除水平（Magalhaes等，1993; 米勒，1993年）。通过八个电磁阀（Burket 0330）将气流从一个反应器切换到下一个反应器，这种电磁阀每个反应器的入口和出口管线上各有一个。 在LabVIEW中编程的数据采集设备（National Instruments cRIO-9074）用于控制螺线管并管理在线数据采集。操作系统还记录着来自上游和下游气体分析仪传感器，下游气体流量计和每个反应器中的热电偶的数据。使用两个O₂传感器，一个CH₄传感器和一个CO₂传感器（德国BlueSens，Inc.）来测量进入和离开顶部空间的气体组成。所有传感器都经过工厂校准。传感器的准确度为plusmn;0.2％。 使用Shimadzu G8A-FID对CH₄和CO₂（2m填充的Shincarbon ST柱，100/120目; N₂载气;分别为柱温和注射器温度140和390℃）和用于O₂的Shimadzu G8A-TCD2（在80/100目的2.1m长Molesieve 5A柱; Ar载气; 60和150℃柱温和喷射器温度）进行气体样品的每周平行气相色谱分析，检查传感器的准确性。 使用装备有Shinagawa Uinics Preset（SUP）数字计数器的湿式流量计（Shinagawa，Model WSDa-1A）来测量来自每个反应器的气体流量。 图1显示实验如何设置。 图1中的相关信息显示了有关反应器安装的更多细节。

图1.包括反应器，控制和数据记录系统在内的实验装置

2.3.质量平衡模型

质量平衡模型由Rafiee等人开发（2017），用于区分填充床中厌氧消化（r_AD），CH₄氧化（r_OX）和堆肥（r_COM）的速率。如方程（1）所示，质量平衡代表一个超定的方程组。通过四种组分CH₄，CO₂，O₂和稳定同位素¹³C-CO₂的质量平衡估计三种反应速率。通过（delta;¹³C-CO₂）可以近似估算¹³C-CO₂的浓度，其已经显示等同于简单质量分数（¹³C-CO）/（¹²C-CO₂ ¹³C-CO₂），这个分数可以用于质量平衡计算（Fry，2006）。 模型的输入数据是这些组分进出控制体积的净通量q（= qCH₄，qCO₂，qO₂和qCO₂xd¹³C-CO₂）和三个反应速率r（= r_AD，r_OX，r_COM）被估计的拟合参数。由于CO₂在所有反应中是相同的，所有速率都以摩尔CO₂/ d表示，并且化学计量系数的表示和CO₂的产量有关。

矩阵A代表所有反应的化学计量系数; r是反应速率的集合; B是组分CO₂，CH₄，O₂和delta;¹³C-CO₂的净生产率或消耗率; Y_CH4AD和Y_CH4ox是在厌氧消化和氧化反应中CH₄产生和消耗的分子化学计量系数; Y_O2ox和Y_O2;COM是CH₄氧化和堆肥反应中O₂消耗的分子化学计量系数；delta;_AD; delta;_OX；delta;_COM是由厌氧消化、CH₄氧化和堆肥反应中分别产生的delta;¹³C-CO₂。

分子化学计量系数和delta;项由各种来源确定。CH₄氧化反应的所有项目由甲烷营养定殖的石墨颗粒在CH₄和O₂顶部空间的培养情况决定（Rafiee 等人，2017）。 堆肥和delta;_COM的化学计量依赖于废物组成，并通过对从所有反应器浸渍的1千克抓取物中抽取的20克废物进行有氧培养来确定。厌氧消化和delta;_AD的化学计量可以看做R3（土壤覆盖的反应器）的基部处的三个气相测量值的平均值。（一旦N₂低于在该区域中的反应器的检测极限时。）

我们使用具有广义简化梯度（GRG）非线性算法的Excel求解器来求解超定方程组。目标是最大限度地减少净通

全文共18090字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[9857]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 基于AMESim的不同充装条件下灭火器气体灭火剂释放特性模拟外文翻译资料
• 地下采空区灭火用抑制泡沫的流动特性研究外文翻译资料
• 定期检查的消防泵系统的可用性外文翻译资料
• 消防供水一体化研究外文翻译资料
• 一种新型的用于灭火的水性泡沫的制备及耐高温性能的研究外文翻译资料
• 在中国太湖中磷组分及pH对不同营养区沉积物磷释放的影响外文翻译资料
• 纳米材料融合改造新鲜冻干污水的活性污泥：测试影响了环境协定结果外文翻译资料
• 我国水利水电工程环境保护研究与实践中的主要问题外文翻译资料
• 户外生活用水影响因素关系的研究综述及理论模型外文翻译资料
• 雨水收集：孟加拉国干旱多发地区的水资源综合管理的实践潜力外文翻译资料