生物炭改良覆盖层粉土甲烷氧化能力试验研究.pdf

生物炭改良覆盖层粉土甲烷氧化能力试验研究谢佳旻张 翔吴浩泽张若彪(.汕头职业技术学院广东 汕头.汕头大学 工学院土木与环境工程系广东 汕头)收稿日期:作者简介:谢佳旻()男广东汕头人硕士助教主要研究方向:环境岩土基金项目:年广东省普通高校青年创新人才类项目:复合材料固化滨海软土的试验研究与机理分析()汕头职业技术学院青年项目:生物炭改性填埋场覆盖层的甲烷减排能力试验研究()联合资助摘 要:生物炭作为填埋场覆盖层的改良材料不但具有缓解温室效应的巨大潜质也为土壤环境污染的修复提供了更多的选择是近年来的一个研究热点 为了更好地了解生物炭的添加对覆盖层土壤甲烷氧化能力的影响通过培养瓶氧化试验和土柱试验分别研究生物炭改良粉土的氧化能力和生物炭改良覆盖层的 氧化能力 试验结果表明:生物炭改良覆盖层粉土的 氧化速率约为原状粉土的 倍左右且其 氧化适宜的含水率高于粉土的 氧化适宜含水率 覆盖层土样的 氧化去除率稳定在 左右产生率与 去除率的比值在 关键词:生物炭甲烷氧化培养瓶试验土柱试验中图分类号:文献标志码:文章编号:():/引 言垃圾填埋场气体是垃圾在厌氧条件和产甲烷菌作用下的分解产物 填埋气主要成分是 和 气体其中 占 目前已成为仅次于 的全球第二大温室气体其分子具有很强的红外吸收能力甲烷单分子的增温潜能是二氧化碳的 倍 目前主要的减排方式包括原位减排技术、气体能源回收技术、火炬焚烧技术和覆盖层生物氧化技术 但是前三种甲烷气体减排方式都对技术要求较高且需要昂贵的设备不适合我国现阶段国情 而覆盖层的甲烷氧化作用是一种环保且运行无需额外费用的措施适合无收集系统的中小型填埋场或停止气体收集的老旧填埋场生物碳作为一种土壤改良材料具有多孔结构其容重小、具有较大的比表面积一般呈弱碱性低密度有较高的/比 在填埋场覆盖层土体内添加生物炭可以增加甲烷细菌增殖促进甲烷氧化 我国是产粮大国因此本文主要探究以水稻秸秆为原料制得的生物炭作为覆盖层改良材料时覆盖层的 氧化能力目前针对生物炭改良覆盖层的 氧化能力研究尚不明确本文通过培养瓶氧化和土柱试验两种方式对覆盖层实际 氧化能力做出试验研究旨在探明水稻秸秆生物炭添加对粉土覆盖层的 氧化能力的具体促进幅度并对比分析两种研究方法所得的试验结果的差异 试验材料及方法 试验用土及生物炭模拟覆盖层土是由生物炭和粉土按干质量比 配制成的炭改良粉土 粉土由的 目石英粉、的 目石英砂和 的 目高岭土配制而成 水稻秸秆生物炭购于南京某秸秆科技有限公司是在 无氧环境下小热解制得 表 对比了粉土和实验用水稻生物炭改良粉土的基本性质 可以看出水稻生物炭的加入增加了土的 值提高土壤的渗透性和孔隙率为促进土壤的甲烷氧化能力提供了理论支撑表 粉土和改良粉土的基本理化指标材料渗透系数/(/)孔隙率/粉土 改良粉土 培养瓶实验设计采用培养瓶试验研究粉土和 水稻秸秆生物炭改良粉土的 氧化能力以及含水率对 氧化能力的影响实验方法参照先前学者提供的培养瓶试验方案 先配制不同含水率下换算为 的干土重量的湿润土装入容积为 的培养瓶中用异丁基瓶塞密封瓶口 然后用注射器从瓶中抽取 空气后注入等量体积比 的 和混合气最后用硅橡胶封住针孔 将密封好的培养瓶放入 恒温培养箱中 后再从培养瓶中抽取气体样本用气象色谱仪分析气体中 的体积浓度 抽样完成后打开瓶塞让瓶口在空气中暴露 使培养瓶中重新充满新鲜空气 后盖上瓶塞每天重复以上步骤持续 天 以每次注气 后抽取样本所测的 体积浓度为初始浓度根据瓶中第二天 体积浓度的变化计算出每天的各土样的氧化速率 土柱实验设计培养瓶试验对原土有扰动不能反映覆盖层在使用过程中的实际工况 为了更好地模拟填埋场覆盖层的结构层次本文采用土柱试验来进一步探究生物炭改良覆盖层粉土的氧化性能 在以往众多学者的土柱试验研究中土柱的高度通常被设置在 左右而大量研究表明填埋场覆盖层的 氧化主要发生在表层至下方 据此土柱填筑高度设计为 依据培养瓶氧化试验结果土样采用水稻秸秆生物炭改良粉土含水率为 一般土质覆盖层的压实度在 左右本文土柱土样的压实度为 研究表明在老旧填埋场中通过覆盖层的 通量约为/而在多数已有的 氧化土柱试验中通量一般为 /此通量数值处于大多数填埋场中 通量的较高水平 在本文试验中从柱底通入 和的混合气来模拟垃圾体产生的自下而上产生的填埋气从柱顶通入空气以保持顶部有充足的氧气来模拟大气环境通过调压阀以及流量控制器控制 与 的流速比为来模拟填埋气中 与 体积分数之比为 气体流量控制如表 所示表 土柱试验中气体流量通量/()(/)流量/()流量/()空气流量/()试验结果分析 生物炭改良土 氧化能力在 的培养期内不同含水率条件下的两种土样的氧化速率的变化规律如图 所示图 不同含水率土样的 氧化速率变化规律由图 可以看出在培养瓶试验中试验土样经过 时间后逐步表现出 氧化性能随后逐渐增大至峰值然后减小 众多学者也在类似的试验中同样发现这种先增大后减小的现象 在整个培养周期内粉土的 氧化速率均低于生物炭改良土的 氧化速率 含水率 与 的粉土的 氧化速率在整个培养周期变化量很小 水稻秸秆炭改良土在含水率时 氧化速率峰值最大相当于粉土所能达到的甲烷氧化速率峰值的约 倍 生物炭改良覆盖层的 氧化能力在土柱实验中每天定时用皂膜流量计测量柱顶出口处气体流速用气相色谱仪分析出气口处、的体积分数再将所得数据相乘得到柱顶气体流出口处 及 的流出速率随时间的变化规律如图 所示图 柱顶()流出速率与通气时间的变化关系根据图 可知当通气 后柱顶的 流出速率小于柱底 流入速率且同时柱顶的 流出速率大于柱底流入速率这说明混合气由柱底经过柱体时被土样中的氧化菌氧化并产生代谢产物 根据单位时间内柱底、的流入速率与其柱顶的流出速率即可利用式()计算出土柱模拟的覆盖层的 去除率、的产生率:()式中:为覆盖层的 的去除率 或 的产生率 为 或 在混合气体中的体积分数 为混合气体流速 为图 中所对应的柱顶 或 流出速率 为柱底 或 的流入速率 根据式()计算结果做出图 由图 可知当通气 后去除率达到随后在 波动而在此阶段土样会产生 说明此时土柱具备 氧化能力 由图 还可以看出水稻炭改良覆盖层粉土的 去除率会受到温度的影响当气温低于 时去除率会明显降低反之 去除率又开始增大有研究表明在甲烷氧化菌最适宜生存温度以下土壤甲烷氧化能力随温度升高而增强 在土柱土样 氧化阶段产生率与 去除率的比值在 浮动较接近于杨益彪土柱试验中 的数值图 去除率及 产生率随通气时间的变化关系 结 论本试验通过培养瓶氧化试验研究了粉土及 水稻生物炭改良粉土的 氧化能力通过土柱模型试验研究了在 通量保持为 /条件下土样含水率、干密 /的水稻秸秆生物炭改良覆盖层的 氧化能力主要得到以下结论)水稻秸秆生物炭能够提高粉土的 氧化性能水稻秸秆生物炭改良粉土的 氧化速率峰值约为原状粉土达到的甲烷氧化速率峰值的 倍且其 氧化适宜的含水率高于粉土的 氧化适宜含水率)土柱实验中覆盖层土样的 氧化去除率在数天内维持在 左右 土柱土样在 氧化阶段产生率与去除率的比值为 )在培养瓶 氧化试验中当土样的 氧化速率在第 达到最大值后氧化速率随培养天数的增加开始逐步递减而在土柱模型试验中 去除率能保持在 内较长时间:参 考 文 献:.().范淑霞.温室效应刍议.运城学院学报():张相锋肖学智何毅等.垃圾填埋场的甲烷释放及其减排.中国沼气():徐新华汪大辉.城市垃圾甲烷气体排放及减排对策.四川环境():.涂欢欢.生物炭改性垃圾填埋场覆盖层的甲烷氧化试验研究.南京:河海大学.杨益彪詹良通陈云敏等.垃圾填埋场覆盖黄土的甲烷氧化能力及其影响因素研究.中国环境科学():.杨益彪.黄土导气性与甲烷氧化能力测试及在覆盖层中的应用.杭州:浙江大学.(下转第 页)抽检共检测 根桩 其中 类桩 根 类桩 根 类桩桩号为 桩其低应变反射波法检测结果与声波透射法检测结果相差悬殊表 地层岩土性状分布表单位:地层编号岩土名称层厚状态 杂填土 松散 素填土 松散 淤泥质黏土 流塑 黏土 可塑 黏土 可塑 黏土 可塑淤泥质黏土 流塑黏土 硬塑粉质黏土夹粉砂 可塑粉砂 中密角砾 中密 粉质黏土 中密残积土 硬塑 强风化泥质粉砂岩 极软岩 中风化泥质粉砂岩未揭穿极软岩 软岩 从图 中看出低应反射波法检测信号曲线明显为 类桩信号而图 中声波透射法检测图中显示在桩身 存在比较严重的缺陷图 低应变桩身完整性检测附图图 桩声波透射法桩身完整性检测附图 为了更公正客观地评价该桩的质量对该桩采取钻芯法检测验证前面两种不同检测结果 结果如图 显示:在 混凝土骨料严重离析与声波透射法检测结果相印证 最后综合判定 桩为 类桩上报设计院后出具处理方案图 桩芯样局部展示图从案例中分析得知低应变发射波法检测在 桩桩身完整性判定上出现重大误判分析有以下原因:一是试验时没有采用合适的力棒进行激振导致能量无法传达到桩底二是数据采集时传感器放置位置离激发位置较近本案例也说明了对于缺陷较为严重情况时钻芯法和声波透射法检测结果表现出较好的一致性两者与低应变反射波法的检测结果差异性较大 低应变检测缺陷桩时存在一定的漏判风险需要经验丰富的检测经验才能获得准确的信号 结 语)单一的检测方法判断桩身质量存在较大的误判、漏判风险 特别是在重要部位桩身质量的漏判会造成工程质量事故 而低应变发射波法声波透射法都是通过信号转换间接判断桩身质量存在误判的可能会导致纠纷 特别是这两种判断有较大出入时需要更为直观的钻芯法来补充验证前者检测结果)在实际工程中无法全面地对每根桩采取两种或两种以上方法的检测使其相互印证让检测结果百分之百准确 但是对于重要部位的基桩建议采用两种及两种以上的检测手段进行综合判断尽可能地排除风险从而保证工程质量)从经济成本来讲钻芯法检测比较耗费时间和成本声波透射法次之低应变反射波法最低 综合考虑经济成本和检测结果的可靠性声波透射法相对钻芯法成本不会太高但可靠性又比低应变更高 因此适当提高声波透射法的检测比例既能得到相对准确的检测结果减少漏判和误判的可能又能相对控制成本:参 考 文 献:刘峰崔妍.桩基工程检测技术应用及研究综述.水运工程():韩亮王向平付永刚等.桥梁基桩声波透射法检测盲区危害性分析.西部探矿工程():.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基桩检测技术规范:.北京:中国建筑工业出版社(上接第 页).():.:.():.():.