CN102906032A - 用于氧化甲烷的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于氧化甲烷的系统，所述系统包括具有至少一个用于空气进入的导管的构筑物，以及围绕所述至少一个导管的矿化废弃物层。本公开还提供一种用于氧化甲烷的方法，所述方法包括使用于氧化甲烷的系统与所要氧化的材料接触。

Description

用于氧化甲烷的系统和方法

背景

甲烷是强效温室气体，据估计其在捕获热上比二氧化碳更有效约23倍。此外，甲烷在足够高浓度爆炸，并且因此在释放甲烷的地点构成安全担心。

填埋是主要的甲烷释放源。由固体废弃物通过微生物活动和化学反应的分解产生的甲烷可以在固体废弃物内积累并被释放至大气中，导致极大的环境问题和安全担心。

已经使用了多种方法减少填埋处的甲烷释放，包括收集甲烷用于能源用途和将甲烷在其释放之前氧化。然而，现有的方法在多个方面受限，如低氧化效率和对昂贵设备的需求。

概述

一方面，本公开提供一种用于氧化甲烷的系统，所述系统包括具有至少一个配置成用于空气进入的导管的构筑物；和配置成围绕至少一个导管的矿化废弃物层。

另一方面，本公开提供一种用于氧化甲烷的方法，所述方法包括使用于氧化甲烷的系统与所要氧化的材料接触，其中所述系统包括具有至少一个配置成用于空气进入的导管的构筑物，以及围绕所述至少一个导管的矿化废弃物层。

以上概述仅为了举例说明并且不意图以任何方式限制。除了上面描述的示例性方面、实施方案和特征之外，通过参考附图和以下的详述，其他方面、实施方案和特征将是显而易见的。

附图简述

图1显示本公开的用于氧化甲烷的系统的一个示例实施方案。

图2显示本公开的用于氧化甲烷的系统的一个示例实施方案。

图3显示本公开的用于氧化甲烷的系统的四个不同的示例实施方案。

图4显示本公开的用于氧化甲烷的系统的一个示例实施方案的示意图。

图5显示三个矿化废弃物柱中甲烷转化率的结果。

图6显示在不同的入口甲烷负载下，中等尺寸的矿化废弃物柱中甲烷转化率的结果。

图7显示具有用于氧化甲烷的系统的实验填埋单元的横截面图。

图8显示对于对照单元和实验单元分别在150天研究期间的过程中出口气体中的甲烷浓度。

图9显示在150天研究期间的过程中与对照单元比较，实验单元中甲烷释放的减少率。

详述

在以下详述中，将参考所附附图，所述附图形成详述的一部分。在详述、附图和权利要求中描述的示例性实施方案并不意欲是限制性的。在不脱离这里所给出主题的精神或范围的情况下，可以采用其它实施方案，并且可以进行其它变更。

本公开提供用于氧化甲烷的系统和方法。一方面，本公开提供一种用于氧化甲烷的系统，所述系统包括具有至少一个配置成用于空气进入的导管的构筑物和配置成围绕所述至少一个导管的矿化废弃物层。

术语“矿化废弃物”是指含有能够氧化甲烷的生物的固体废弃物。这些生物被称为甲烷-氧化生物。甲烷-氧化生物可以将甲烷氧化以产生物质如甲醛、甲酸、二氧化碳和水。

在某些实施方案中，甲烷-氧化生物是微生物，所述微生物包括但不限于，细菌和古菌。在某些实施方案中，甲烷-氧化细菌是属于甲基球菌科(Methylococcaceae)和甲基孢囊菌科(Methylocystaceae)的细菌。在某些实施方案中，甲基球菌科(Methylococcaceae)包括属于甲基球菌属(Methylococcus)、甲基单胞菌属(Methylomonas)、甲基微菌属(Methylomicrobium)、甲基细菌属(Methylobacter)、甲基暖菌属(Methylocaldum)和甲基球状菌属(Methylosphaera)的细菌。在某些实施方案中，甲基孢囊菌科(Methylocystaceae)包括属于甲基孢囊菌属(Methylocystis)、甲基弯曲菌属(Methylosinus)和甲基球形菌属(Methylopila)的细菌。甲烷-氧化细菌的示例性实例包括甲烷甲基单胞菌(Methylomonasmethanica)、荚膜甲基球菌(Methylococcus capsulatus)、发孢甲基弯曲菌(Methylosinus trichosporium)和小甲基孢囊菌(Methylocystis parvus)。

在某些实施方案中，甲烷-氧化古菌来自甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)，甲烷八叠球菌科(Methanosarcinaceae)和甲热球菌科(Methermicoccaceae)。

甲烷-氧化生物在合适的条件下可以在矿化废弃物中自然地生长和发育。通常，当在固体废弃物中存在甲烷的积累时，甲烷-氧化生物在固体废弃物中生长。甲烷可以在固体废弃物中积累，因此废弃物材料随时间分解和腐烂。含有甲烷-氧化生物的固体废弃物成为矿化废弃物并且可以在本公开的用于氧化甲烷的系统中使用。在某些实施方案中，矿化废弃物是已经储存或埋藏特定时间期间的固体废弃物。在被储存或埋藏的同时，固体废弃物分解并产生甲烷，并且甲烷在固体废弃物中的积累建立用于甲烷-氧化生物在其中的自然生长和发育所需的环境。在某些实施方案中，将矿化废弃物储存在一个或多个容纳装置或设备中特定时间期间，以允许甲烷-氧化生物发育。在某些实施方案中，将矿化废弃物埋藏在废弃物填埋场。

将矿化废弃物的储存或埋藏期间称为矿化废弃物的“年龄”。随着废弃物老化，甲烷-氧化生物在矿化废弃物中积累并生长。在某些实施方案中，将矿化废弃物老化特定时间期间，以使得它自身不再释放任何渗出液或甲烷气体。在某些实施方案中，矿化废弃物已经老化约2至约30年，约2至约25年，约2至约20年，约2至约15年，约2至约10年，约2至约8年，或约2至约5年。在某些实施方案中，矿化废弃物已经老化约5至约30年，约5至约25年，约5至约20年，约5至约15年，约5至约10年，约5至约8年，或约8至约10年。在某些实施方案中，矿化废弃物已经老化至少1年，或至少2年，或至少3年，或至少4年，或至少5年，或至少6年，或至少7年，或至少8年，或至少9年，或至少10年，或至少15年，或至少20年，或至少25年，或至少30年。

可以将甲烷-氧化生物人工地引入至固体废弃物以形成矿化废弃物。例如，在特定示例实施方案中，可以取得来自填埋的老化废弃物并且将其溶解在如下面的实施例1中所述的营养液中。将混合物温育合适的时间期间以允许甲烷-氧化生物从废弃物生长，并且从培养物收集甲烷-氧化生物。允许所收集的甲烷-氧化生物再次在营养液中生长，直至达到所需的浓度。对于另一个实例，在特定示例实施方案中，可以将商购自组织如AmericanType Culture Collection(ATCC)的甲烷-氧化生物的已知菌株(例如，荚膜甲基球菌(Methylococcus capsulatus)，ATCC19069)在实验室中培养直至达到所需的浓度。甲烷-氧化生物的甲烷转化率可以通过将甲烷-氧化生物放置在具有气体入口和气体出口的容器中测量。甲烷气体通过气体入口进入至容器中，并且将来自容器的气体从出口收集。计算入口气体的甲烷浓度和通过甲烷氧化生物的出口气体的甲烷浓度之比。在某些实施方案中，可以在实验室中培养甲烷-氧化生物并将其加入至固体废弃物中。在某些实施方案中，可以将甲烷-氧化生物从老化固体废弃物分离，培养至合适的浓度，并且加入至固体废弃物中。在某些实施方案中，可以将含有甲烷-氧化生物的固体废弃物加入至新鲜的废弃物，以制成要在本公开的系统中使用的矿化废弃物。在某些实施方案中，可以将在不同的位置老化或者老化不同的时间期间的矿化废弃物混合在一起，以制成要在本公开的系统中使用的矿化废弃物。

可以通过测量并计算矿化废弃物的甲烷转化率，测量矿化废弃物将甲烷氧化成其他物质的能力。在时间期间t(t＝t₁-t₀)内的甲烷转化率可以使用以下公式计算：

甲烷转化率可以通过在时间t₀和t₁测量甲烷浓度并且之后使用以上公式计算转化率确定。用于测量并计算甲烷转化率的方法的一个示例实施方案在下面的实施例1中描述。

在某些实施方案中，矿化废弃物在24小时的期间内的甲烷转化率为至少50％，或至少60％，或至少70％，或至少80％，或至少85％，或至少90％，或至少95％，或至少97％，或至少98％，或至少99％。在某些实施方案中，矿化废弃物在24小时的期间内的甲烷转化率为50％至100％之间，50％至90％之间，50％至80％之间，50％至70％之间，50％至60％之间，60％至100％之间，70％至100％之间，80％至100％之间，以及90％至100％之间。在某些实施方案中，矿化废弃物在48小时的期间内的甲烷转化率为至少50％，或至少60％，或至少70％，或至少80％，或至少85％，或至少90％，或至少95％，或至少97％，或至少98％，或至少99％。在某些实施方案中，矿化废弃物在48小时的期间内的甲烷转化率为50％至100％之间，50％至90％之间，50％至80％之间，50％至70％之间，50％至60％之间，60％至100％之间，70％至100％之间，80％至100％之间，以及90％至100％之间。

矿化废弃物的水含量可以影响甲烷的氧化效率。在某些实施方案中，矿化废弃物的水含量为5％至30％之间，5％至25％之间，5％至20％之间，5％至15％之间，5％至10％之间，或5％至8％之间。在某些实施方案中，矿化废弃物的水含量为10％至30％之间，10％至25％之间，10％至20％之间，或10％至15％之间。在某些实施方案中，矿化废弃物的水含量为15％至30％之间，15％至25％之间，或15％至20％之间。可以将矿化废弃物的水含量通过任何合适的方法调节至合适的水平。在某些实施方案中，可以将矿化废弃物干燥以减少水含量。干燥方法可以包括，不带有限制地，自然干燥方法如通过空气或太阳，或通过机器干燥，或它们的任何组合，或者任何其他合适的方法。在某些实施方案中，可以将矿化废弃物弄湿以增加水含量。这些弄湿方法可以包括，不带有限制地，喷水、弄湿和增湿。在某些实施方案中，将矿化废弃物在加入至系统中之前弄湿至合适的水含量。在某些实施方案中，在将矿化废弃物填充至系统中的过程中将水喷至矿化废弃物上。

在某些实施方案中，将矿化废弃物通过合适的筛筛选以移除其中含有的岩石，石头，玻璃，橡胶，塑料，木棒，以及其他碎屑，并且以帮助将大块的矿化废弃物破碎为较小的部分。在某些实施方案中，将矿化废弃物通过合适的筛筛选以获得具有合适尺寸的粒子和土壤的矿化废弃物。可以选择筛的筛目大小，以使得可以将矿化废弃物中不合需要的组分与所希望的组分分离。在某些实施方案中，将矿化废弃物通过0.3-0.5cm筛，0.5-1cm筛，1-2cm筛，2-4cm筛，4-6cm筛，或6-8cm筛筛选。在某些实施方案中，将矿化废弃物在筛选之前粉碎为小块或者磨碎为细粒。

在某些实施方案中，矿化废弃物还可以包含选择以促进甲烷-氧化生物的生长的营养液。营养液可以含有可以促进甲烷-氧化生物的生长和活性的溶解在水或缓冲液中的多种成分。在某些实施方案中，营养液可以含有磷酸盐、硝酸盐或硫酸盐，或它们的任何组合。用于甲烷-氧化生物的生长，营养液的pH值可以在合适的范围内。在一个示例实施方案中，营养液的pH值为5至9之间，6至8之间，6.1至7.9之间，6.2至7.8之间，6.3至7.7之间，6.4至7.6之间，6.5至7.5之间，6.6至7.4之间，6.7至7.3之间，6.8至7.2之间，和6.9至7.1之间。在另一个示例实施方案中，营养液的pH值为7。在一个示例实施方案中，营养液包含磷酸盐和硝酸盐。在一个示例实施方案中，营养液包含磷酸盐和硫酸盐。在一个示例实施方案中，营养液包含硝酸盐和硫酸盐。在一个示例实施方案中，以浓度计，营养液包含1-20g/l磷酸盐、0.3-9g/l硝酸盐和/或0.05-3g/l硫酸盐，并且之后可以将其按以下营养液相对于矿化废弃物的体积(ml)与重量(g)之比施加至废弃物：1ml/100g至50ml/100g之间，3ml/100g至50ml/100g之间，5ml/100g至50ml/100g之间，10ml/100g至50ml/100g之间，20ml/100g至50ml/100g之间，30ml/100g至50ml/100g之间，40ml/100g至50ml/100g之间，1ml/100g至40ml/100g之间，1ml/100g至30ml/100g之间，1ml/100g至25ml/100g之间，1ml/100g至20ml/100g之间，和1ml/100g至10ml/100g之间。在另一个示例实施方案中，营养液与废弃物的重量比为4ml/100g至6ml/100g。在一个示例实施方案中，以施加至废弃物时的最终浓度计，营养液包含1-10g/l磷酸盐，0.3-9g/l硝酸盐，和/或0.05-3g/l硫酸盐。在示例实施方案中，以施加至废弃物时的最终浓度计，营养液包含1-7g/l磷酸盐，0.3-9g/l硝酸盐，和/或0.05-3g/l硫酸盐。在一个示例实施方案中，营养液包含磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸钙、磷酸镁、磷酸亚铁、磷酸铁、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、硝酸镁、硝酸亚铁、硝酸铁、硫酸钾、硫酸钠、硫酸镁、硫酸钙、硫酸亚铁和/或硫酸铁。在一个示例实施方案中，营养液包含磷酸二氢钾和/或磷酸氢二钠。在一个示例实施方案中，营养液包含硝酸钠。在一个示例实施方案中，营养液包含硫酸钾、硫酸镁和/或硫酸亚铁。在一个示例实施方案中，营养液还包括选自由以下各项组成的组的一些痕量元素：ZnSO₄、MnSO₄、H₃BO₃、Na₃MoO₄、CoCl₂、KI和CaCl₂。营养液中这些痕量元素的浓度可以是少于100ug/l，少于80ug/l，少于70ug/l，少于60ug/l，少于50ug/l，少于40ug/l，少于30ug/L，少于20ug/l，以及少于10ug/l。营养液中这些痕量元素的浓度可以10ug/l至100ug/l之间，10ug/l至50ug/l之间，50ug/l至100ug/l之间，以及1ug/l至10ug/l之间。

在某些实施方案中，矿化废弃物还可以包括矿化泥渣。术语“矿化泥渣”是指含有甲烷-氧化生物如细菌和古菌的废弃物泥渣。可以将甲烷-氧化生物通过天然生长和发育或以人工方式引入至矿化泥渣。例如，可以商购甲烷-氧化生物或使用如上面描述的从老化废弃物分离的菌株在实验室中培养。甲烷-氧化生物的甲烷转化率可以通过将甲烷-氧化生物放置在具有气体入口和气体出口的容器中测量。使甲烷气体通过气体入口进入容器中，并且将来自容器的气体从出口收集。计算入口气体的甲烷浓度和通过甲烷-氧化生物的出口气体的甲烷浓度之比。在某些实施方案中，可以将甲烷-氧化生物在实验室中培养并且加入至废弃物泥渣中。在某些实施方案中，可以将甲烷-氧化生物从老化固体废弃物分离，培养至合适的浓度，并且加入至废弃物泥渣中。在某些实施方案中，可以将含有甲烷-氧化生物的固体废弃物加入至废弃物泥渣，以制备要在本公开的系统中使用的矿化泥渣。在某些实施方案中，可以将在不同的位置老化或老化不同的时间期间的矿化泥渣混合在一起以制备要在本公开的系统中使用的矿化泥渣。

在某些实施方案中，将矿化泥渣老化特定时间期间以允许甲烷-氧化生物生长并发育。可以将矿化泥渣埋藏在地下或储存在一个或多个储存装置或设备中以被老化。在某些实施方案中，将矿化泥渣老化2至30年，2至25年，2至20年，2至15年，2至10年，2至8年，或2至5年。在某些实施方案中，将矿化泥渣老化5至30年，5至25年，5至20年，5至15年，5至10年，或5至8年。在某些实施方案中，将矿化泥渣老化至少1年，或至少2年，或至少3年，或至少4年，或至少5年，或至少6年，或至少7年，或至少8年，或至少9年，或至少10年，或至少15年，或至少20年，或至少25年，或至少30年。

矿化泥渣可以具有合适的水含量。在某些实施方案中，矿化泥渣的水含量在以下范围内：30％至60％，30％至55％，30％至50％，30％至45％，30％至40％，或30％至35％。在某些实施方案中，矿化泥渣的水含量在以下范围内：40％至60％，40％至55％，40％至50％，或40％至45％。

矿化废弃物可以以任何合适的混合比含有矿化泥渣。在某些实施方案中，矿化废弃物中矿化泥渣的重量百分比为约0％至约50％，或约0％至约40％，或约0％至约30％，或约0％至约20％，或约0％至约10％，或约40％至约50％，或约30％至约50％，约20％至约50％，或约10％至约50％。矿化废弃物中含有的矿化泥渣的合适的百分数可以由本领域技术人员确定。

在某些实施方案中，矿化废弃物层的厚度为约0.2m至约2m，或约0.2m至1.5m，或约0.2m至1m，或约0.2m至0.8m，或约0.4m至约2m，或约0.4m至约1.5m，或约0.4m至约1m，以及约0.4至约0.8m。在某些实施方案中，矿化废弃物层的厚度为至少0.2m，或至少0.3m，或至少0.4m，或至少0.5m，或至少0.6m，或至少0.7m，或至少0.8m，或至少0.9m，或至少1m，或至少1.5m。

在某些实施方案中，围绕所述至少一个导管的矿化废弃物层具有与所述至少一个导管的尺寸成正比的厚度。在某些实施方案中，矿化废弃物的厚度与所述至少一个导管的直径之比为约0.5至约6之间，约0.5至约5之间，约0.5至约4之间，约0.5至约3.5之间，约0.5至约3之间，约0.5至约2.5之间，约0.5至约2之间，约0.5至约1.5之间，或约0.5至约1之间。在某些实施方案中，矿化废弃物的厚度与所述至少一个导管的直径之比为约1至约10之间，约1至约8之间，约1至约6之间，约1至约5之间，约1至约4之间，约1至约3之间，约1至约2之间，或约1至约1.5之间。

用于氧化甲烷的系统可以包括具有至少一个配置成用于空气进入的导管的构筑物。该构筑物可以具有多于一个导管。当该构筑物具有多于一个导管时，导管可以彼此连接，也可以彼此不连接。可以将所述一个或多个导管配置成用于通过任何合适的方式的空气进入。例如，在特定示例实施方案中，该构筑物由从废弃物延伸出至废弃物外侧的空间中的一个或多个管组成，并且从而允许气体释放至环境中。对于另一个实例，在特定示例实施方案中，该构筑物由一个或多个管组成，其中每个管在其末端含有可以吸收甲烷的空气过滤器。对于另一个实例，在特定示例实施方案中，该构筑物由一个或多个埋在废弃物中具有伸出废弃物的至少一个末端的筐蓝组成。在某些实施方案中，该构筑物的一个或多个导管可以延伸出废弃物以允许气体释放。在某些实施方案中，该构筑物的一个或多个导管可以以这样一种方式连接至装置：所述方法可以将来自废弃物的气体在将其释放至大气中之前进一步过滤或处理。

导管可以具有将允许空气在其内流动或穿过导管的任何合适的形状。导管可以是管道、管、导管、通道或其他合适的结构，并且可以是直的、弯的或分叉的。任何导管的截面可以是圆形、三角形、正方形、矩形，或者任何其他规则或不规则形状。在某些实施方案中，导管是圆柱形管道或管。在某些实施方案中，圆柱形管道和管的直径为10cm至100cm之间，20cm至100cm之间，30cm至100cm之间，40cm至100cm之间，50cm至100cm之间，5cm至50cm之间，10cm至50cm之间，20cm至50cm之间，30cm至50cm之间，或40cm至50cm之间。

所述一个或多个导管可以由任何合适的材料制成。用于导管的合适的材料的示例性实例是金属如钢、铁、铜和合金、塑料、橡胶、玻璃、水泥和石头。在某些实施方案中，所述一个或多个导管由空气可渗透材料制成。在某些实施方案中，所述一个或多个导管可以是穿孔的。在某些实施方案中，所述一个或多个导管是沿导管的整个长度穿孔的。在某些实施方案中，该构筑物的一个或多个导管是在其长度的三分之二，其长度的一半，或其长度的三分之一，或其长度的四分之一穿孔的。在某些实施方案中，一个或多个导管是在其长度的下面三分之二，或在其长度的下面一半，或在其长度的下面三分之一，或在其长度的下面四分之一穿孔的。在某些实施方案中，一个或多个导管是在其长度的上面三分之二，或在其长度的上面一半，或在其长度的上面三分之一，或在其长度的上面四分之一穿孔的。

在某些实施方案中，该构筑物的每个导管由矿化废弃物层围绕。在某些实施方案中，该构筑物的一个或多个导管由矿化废弃物层围绕。在某些实施方案中，该构筑物的一个或多个导管由多于一个矿化废弃物层围绕。

在某些实施方案中，系统可以包括导管与围绕其它的矿化废弃物层之间的分离层。可以将分离层配置成促进导管与矿化废弃物层之间的空气循环和空气流动。在某些实施方案中，分离层的厚度为约100mm至约500mm，约100mm至约400mm，约100mm至约300mm，和约100mm至约200mm。在某些实施方案中，分离层的厚度为至少50mm，或至少60mm，或至少70mm，或至少80mm，或至少90mm，或至少100mm，或至少120mm，或至少150mm。在图1中所示的一个示例实施方案中，用于氧化甲烷的系统100含有用于空气进入的导管101、分离层102和矿化废弃物层103。

在某些实施方案中，系统可以包括围绕一个或多个导管的多个分离层和多个矿化废弃物层，其中每个矿化废弃物层邻近至少一个分离层。在某些实施方案中，系统可以包括多个分离层和多个矿化废弃物层，其中每个分离层位于导管与矿化废弃物层之间或两个相邻的矿化废弃物层之间或矿化废弃物层与所要氧化的材料之间。在图2中所示的一个示例实施方案中，用于氧化甲烷的系统200含有导管201、导管201与第一矿化废弃物层203a之间的第一分离层202a，以及第一矿化废弃物层203a外侧的第二分离层202b，以及第二分离层202b外侧的第二矿化废弃物层203b。

所述一个或多个分离层可以含有配置用于促进空气循环的任何合适的材料。分离层中的材料的示例性实例为石子、木棍、塑料片、砾石、轮胎碎片、碎玻璃，以及它们的任何组合。在某些实施方案中，分离层含有砾石、轮胎碎片和/或碎玻璃。

在某些实施方案中，分离层由砾石构成。在某些实施方案中，砾石的直径为约50mm至约150mm，约50mm至约140mm，约50mm至约120mm，约50mm至约100mm或约50mm至约80mm。在某些实施方案中，砾石的直径为不少于40mm、50mm、60mm、70mm或80mm，并且不大于100mm、110mm、120mm、130mm、140mm或150mm。

在某些实施方案中，分离层中的砾石可以是随机分布。在某些实施方案中，分离层中的砾石可以以使得促进空气交换的方式排列。在某些实施方案中，砾石可以在较大尺寸的砾石接近于由分离层围绕的导管的中心的情况下排列。在某些实施方案中，砾石层的厚度为约100mm至约500mm，约100mm至约400mm，约100mm至约300mm，和约100mm至约200mm。

在某些实施方案中，砾石层的厚度为至少50mm，或至少60mm，或至少70mm，或至少80mm，或至少90mm，或至少100mm，或至少120mm，或至少150mm。

在某些实施方案中，该系统还包括用于分隔系统的不同结构的一个或多个间隔物。在某些实施方案中，该系统包括导管与围绕它其的矿化废弃物层之间的间隔物。在某些实施方案中，该系统包括导管与围绕它的分离层之间的间隔物。在某些实施方案中，该系统包括每个矿化废弃物层与由它围绕的每个导管之间的间隔物。在某些实施方案中，该系统包括每个分离层与由它围绕的每个导管之间的间隔物。在某些实施方案中，该系统包括分离层与邻近于分离层的矿化废弃物层之间的间隔物。在某些实施方案中，该系统包括每个矿化废弃物层与每个分离层之间的间隔物。在某些实施方案中，该系统包括围绕矿化废弃物层的间隔物。在某些实施方案中，系统包括围绕分离层的间隔物。在图1中所示的示例实施方案中，系统100含有导管101与分离层102之间的间隔物105a，以及分离层102与矿化废弃物层103之间的间隔物105b。

可以将间隔物配置成空气可渗透的。可以使用任何合适的材料制备间隔物。合适的材料的示例实施方案是金属、塑料、橡胶、石头、玻璃、织物等。在某些实施方案中，间隔物是多孔的或穿孔的。在某些实施方案中，间隔物是钢网、筛、砂网、金属丝网、穿孔的金属、多孔塑料或筐蓝。

该系统可以在对于甲烷氧化存在需要的任何位置使用。在某些实施方案中，该系统用于在固体废弃物填埋场氧化甲烷。在某些实施方案中，将该系统在用于废弃物的储存地使用。在某些实施方案中，该系统在存在高浓度的甲烷的区域或场地使用。在某些实施方案中，将用于空气进入的构筑物在安装矿化废弃物层和/或分离层之前安装在废弃物场地。在某些实施方案中，将用于空气进入的构筑物在安装矿化废弃物层和/或分离层之后安装在废弃物场地。在某些实施方案中，将用于空气进入的构筑物和矿化废弃物层和/或分离层安装在一起安装到废弃物场地中。

另一方面，本公开提供一种用于氧化甲烷的方法，所述方法包括使用于氧化甲烷的系统与所要氧化的材料接触，其中该系统包括具有至少一个配置成用于空气进入的导管的构筑物，以及围绕所述至少一个导管的矿化废弃物层。

所要氧化的材料可以是含有或产生甲烷的任何材料。所要氧化的材料可以包括，不带有限制地，固体废弃物和污水废弃物。在某些实施方案中，所要氧化的材料是固体废弃物。

可以使该系统与所要氧化的材料以任何合适的方式接触。在某些实施方案中，将用于氧化甲烷的系统基本上垂直地放置在所要氧化的材料中。在某些实施方案中，将用于氧化甲烷的系统倾斜地放置在所要氧化的材料中。在某些实施方案中，将该系统基本上水平地放置在所要氧化的材料中。术语“基本上垂直地”意指在用于空气进入的构筑物的大约中心的纵轴与地面成约90°的角度。术语“倾斜地”意指在用于空气进入的构筑物的大约中心处的纵轴与地面成0°至90°的角度。术语“基本上水平地”意指在用于空气进入的构筑物的大约中心的纵轴与地面成约0°的角度。

该系统可以具有不同的部分，其中每个部分相对于地面以不同的角度取向。在某些实施方案中，系统具有基本上垂直地取向的部分，倾斜地取向的部分，和/或基本上水平地取向的部分。在图3a中所示的一个示例实施方案中，系统300具有基本上与地面水平地取向的第一部分301，以及与地面基本上垂直地取向的第二部分302。在图3b中所示的一个其他示例实施方案中，系统310具有与地面基本上水平地取向的第一部分311，以及与地面倾斜地取向的第二部分312。在图3c中所示的一个其他示例实施方案中，系统320具有基本上水平地取向的第一部分321，倾斜地取向的第二部分322，以及基本上垂直地取向的第三部分323。在图3d中所示的另一个示例实施方案中，系统330具有U形。可以将不同的部分制成连续的整体结构，或者可以将其由分离的部件组装。每个部分可以具有相同的内部结构，例如，每个部分可以含有由一个矿化废弃物层和一个分离层围绕的一个空气传导管道。备选地，不同的部分可以具有不同的内部结构，例如，一个部分可以具有由一个矿化废弃物层和一个分离层围绕的一个空气传导管道，以及另一个部分可以具有由分离层分开的两个矿化废弃物层，以及第一矿化废弃物层内被围绕的空气传导管。

在某些实施方案中，具有至少一个用于空气进入的导管的构筑物具有伸出所要氧化的材料的至少一个末端。在某些实施方案中，将用于氧化甲烷的系统基本上垂直地或倾斜地放置至所要氧化的材料中，并且所述至少一个用于空气进入的导管的顶部高于所要氧化的材料的顶部表面。在某些实施方案中，将系统水平地放置在所要氧化的材料中，并且所述至少一个用于空气进入的导管的至少一个末端从所要氧化的材料的那侧伸出。

在某些实施方案中，所要氧化的材料可以部分地或完全地围绕系统的含有矿化废弃物的部分。在某些实施方案中，所要氧化的材料可以至少部分地围绕该系统。在某些实施方案中，该方法还包括将另外的矿化废弃物加入至矿化废弃物层。在某些实施方案中，当加入所要氧化的材料时，该方法包括将另外的矿化废弃物加入至矿化废弃物层。在某些实施方案中，当将用于氧化甲烷的系统基本上垂直地或倾斜地放置至所要氧化的材料中时，该方法包括将另外的矿化废弃物加入至矿化废弃物层中，以便将矿化废弃物的高度保持与所要氧化的材料在基本上相同的水平。

在某些实施方案中，该方法包括将营养液加入至矿化废弃物层中。在某些实施方案中，该方法包括对于加入至矿化废弃物层的在高度上每1-2米的矿化废弃物将营养液喷射在矿化废弃物层上。在某些实施方案中，该方法包括当矿化废弃物层达到所需高度时，将营养液喷洒到矿化废弃物层的表面上。在某些实施方案中，该方法包括在将矿化废弃物填充至系统之前将营养液与矿化废弃物混合。加入至矿化废弃物层的营养液的量可以由本领域技术人员适当时选择。在某些实施方案中，对于每100g的矿化废弃物，加入约1-100ml营养液，其中，每1升的营养液含有1-20g磷酸盐，0.3-9g硝酸盐，0.05-3g硫酸盐，少于100ug ZnSO₄，少于100ug MnSO₄，少于100ug H₃BO₃，少于100ug Na₃MoO₄，少于100ug CoCl₂，少于100ugKI和少于100ug CaCl₂。

实施例

给出以下实施例以有助于本公开的理解，并且其不应被理解为以任何方式限制如在跟随在其后的权利要求中限定的本发明的范围。

实施例1

使用来自上海老港(Laogang)填埋场的固体废弃物用于制备建立用于氧化甲烷的系统的矿化废弃物。矿化废弃物通过将在1992年在填埋场沉积的固体废弃物和在2001年在填埋场沉积的固体废弃物以7∶3(w/w)的比例混合制成。将矿化废弃物粉碎为较小的碎片并且使用大尺寸筛筛选。收集筛过筛的材料。将所收集的废弃物进一步粉碎为细材料并且使用2-4cm筛筛选。收集筛过筛的材料作为要在系统中使用的矿化废弃物。表1显示了在实验中使用的矿化废弃物的化学性质。

表1.矿化废弃物的参数

将营养液，即NMS溶液，加入至矿化废弃物。1L NMS溶液的制剂包含：1.06g KH₂PO₄、4.34g Na₂HPO₄·12H₂O、1.70g NaNO₃、0.34g K₂SO₄、0.074g MgSO₄·7H₂O、22.4mg FeSO₄·7H₂O以及2mL痕量元素溶液。溶液的pH为7.0。痕量元素溶液的组成在下面的表2中给出。将6g NMS溶液加入至每100g的矿化废弃物中。

表2.痕量元素溶液的组成

如图4中所示，建立用于氧化甲烷的系统-系统400。在实验中使用三个塑料筒(具有盖)，其中405表示具有80mm的直径的小尺寸的筒；406表示160mm的中等尺寸的筒，并且407表示240mm的大尺寸的筒。筒在高度上是35cm，在直径上是26cm，并且在容积上是18L。将具有40mm的直径和0.4m的高度的通风管403垂直地放置在每个筒的中心。通风管的顶部从每个筒的顶部伸出。通风管在下面的2/3部分是穿孔的以促进管道内的气体流动。通风管的上面1/3部分是不穿孔的，以使得气体可以在那里积累。将每个通风管用砂网缠绕以防止通风管中的穿孔由矿化废弃物的粒子阻塞。将具有80mm、160mm和240mm的直径的筐蓝404分别放置围绕三个通风管。筐蓝的直径分别为通风管的直径的2、4和6倍。

将矿化废弃物层402填充至每个筒中的缠绕的通风管和筐蓝之间的空间中。三个筐蓝中的矿化废弃物的厚度分别为20mm、60mm和100mm。矿化废弃物的厚度是在矿化废弃物柱的直径与通风管的直径之间的差值。矿化废弃物柱的直径为从通风管的中心至筐蓝的外边界的水平距离。对于每100g填充在筐蓝中的矿化废弃物，将6g营养液喷至矿化废弃物的表面上。

将气体入口阀设定在用于甲烷和空气进入的每个筒的外壁的下面部分。甲烷得自钢瓶中的气体混合物(CH₄∶CO₂＝1∶1)。将空气通过由阀411控制的氧气(aerobic)泵412泵入。每个筒中甲烷的流动速率通过流量计414测量并且将其控制在6ml/分钟和空气60ml/分钟。允许甲烷和空气在瓶410中混合并被湿润，并且所得到的甲烷和空气的潮湿混合物沿入口管道流动并且进入筒的入口阀。

通过入口阀打开，甲烷和空气的气体混合物进入至矿化废弃物柱中并且在矿化废弃物中扩散。甲烷-氧化细菌将甲烷氧化为二氧化碳。来自矿化废弃物的其余气体从通风管离开，并且被收集在气体收集瓶408中，并且在量筒409测量。

使用注射器针头在相应的气体管道取出入口气体和出口气体的样品。使用由SHIMADZU制造的GC-14B气相色谱仪测量样品。

实验持续37天，并且分别在规则的时间点在入口管道中的取样口413处和出口管道中的取样口401处取得入口和出口气体样品。测量入口气体样品和出口气体样品中的甲烷浓度。使用以下公式计算甲烷转化率：

图5显示具有不同的厚度的矿化废弃物柱的三个筒中的甲烷转化率。图5中的S(小)、M(中)和L(大)分别表示具有80mm、160mm和240mm的直径的矿化废弃物柱。在37天研究期间的过程中，中等和大尺寸的矿化废弃物柱显示比小尺寸的柱更高的甲烷转化率和更稳定的氧化效果。中等尺寸的矿化废弃物柱显示格外好的结果，并且其甲烷转化率在研究期间的过程中具有较小的波动的情况下稳定地增加并且最终达到约95-97％的稳定水平。

在不同的入口甲烷浓度下进一步测试中等尺寸的矿化废弃物柱。除了在实验中使用入口气体中不同的甲烷浓度以外，使用如上所述相同的方法继续实验10天。分别测量入口气体和出口气体中的甲烷浓度，并且计算甲烷转化率。结果在图6中给出。在不同的入口甲烷浓度下，甲烷转化率保持稳定。除了测试开始中的轻微波动以外，在10天研究期间的过程中甲烷转化率基本上都高于90％，并有97.8％的最高比率。

实施例2

使用上海老港(Laogang)填埋场中的#42填埋单元用于研究。填埋单元具有10,000m³的总容量，并且被分割为两个分开的单元，每个单元具有5000m³的平均容量。填埋高度为7m，并且坡度为1∶1。两个分开的单元的每一个是梯形的，并且每个单元的顶部的长度和宽度为33.5m乘33.5m；底部为9.5m乘19.5m。两个单元由垃圾坝分隔，并且坝的顶部的宽度为1m。将单元的底部和侧面用两层的200g/m²土工布织物以及一层的1.5mm HDPE膜处理以避免泄漏。将用于衍生气体的渗出液管道和通风管设立在该单元中。

使用两个单元之一作为对照单元，并且使用另一个单元作为用于甲烷释放减少研究的实验单元。

如这里所概述的准备对照单元。该单元填充有5,000m³新鲜垃圾，并且之后用在厚度上为0.6m的泥(500m³)覆盖。将表面用塑料片覆盖。将渗出液收集管(直径250mm，长度55m)放置在单元的底部。将用于衍生气体的通风管(De250，7.8m)放置在渗出液收集管的中点(通风管不与渗出液收集管连接)。填埋渗出液收集管从填埋单元伸出并且与渗出液收集桶连接。

如这里所概述的制备实验单元700。除了渗出液收集管706与通风管701连接，并且将在直径上为1.25m的筐蓝702放置围绕通风管以隔开在该围绕区域的新鲜废弃物704以外，以与对照单元中相同的方式准备填埋场。在筐蓝内，将具有50-150mm的尺寸的砾石填充围绕通风管，在筐蓝内形成在厚度上为100mm的内层；将矿化废弃物703填充在砾石层与筐蓝之间的空间中，在筐蓝内侧形成在厚度上约400mm的外层。将矿化废弃物筛选并且在研究中使用具有低于4cm的粒径的粒子。将砾石层和矿化废弃物层通过砂网705分隔。该系统的示意性截面图在图7中示出。当将新鲜废弃物加入至填埋场中时，将矿化废弃物加入至筐蓝中，以使得将筐蓝中矿化废弃物的高度保持为：与在该围绕区域的新鲜废弃物的高度相同。

实验进行超过150天。在实验期间的过程中在不同时间点，将从两个单元的通风管离开的气体取样并且通过便携式气体分析仪分析。结果在图8和图9中给出。

图8显示与对照单元中比较，在实验单元中出口气体中的甲烷浓度显著减少。在实验期间的过程中，对照单元中的甲烷浓度达到高于60％的最高浓度，并且在最后三个月的过程中保持在约60％附近。然而，对于具有矿化废弃物的实验单元，甲烷浓度遍及该研究低于25％，具有小得多的波动，显示本文提供的系统较少地由周围环境影响。

图9证明与对照单元比较，由实验单元的甲烷释放的减少。对照单元代表填埋场中甲烷的自然释放。通过以下公式计算相对于对照单元中的甲烷浓度实验单元中的甲烷减少率：

图9显示甲烷减少率在迅速增长之后保持在60％附近，并且在约3个月之后达到约65％的最大减少率。结果显示实验单元显著地减少填埋场中甲烷的释放。

原则

对于本文中基本上任何的复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以按照对于上下文和/或应用是合适的从复数转换为单数和/或从单数转化到复数。

本领域技术人员将理解，通常，本文中并且尤其是所附权利要求中(例如，所附权利要求的主体)使用的术语，一般意欲作为“开放性”术语(例如，应该将术语“包括(including)”解释为“包括但不限于”，应该将术语“具有”解释为“至少具有”，应该将术语“包括(includes)”解释为“包括但不仅限于”等)。本领域技术人员还将理解，如果意欲引入特定数量的权利要求列举项，这样的意图将在权利要求中明确地列举，并且在不存在这种列举项的情况下不存在这样的目的。例如，为了有助于理解，以下所附权利要求可以包含引导性的短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以引入权利要求列举项。然而，即使当同一个权利要求包含引导短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词例如“一个”或“一种”时，也不应将这种短语的使用解释为暗示通过不定冠词“一个”或“一种”引入的权利要求列举项将任何包含这样引入的权利要求列举项的特定权利要求限定为仅包含一个这种列举项的实施方案(例如，应将“一个”和/或“一种”解释为意指“至少一个”或“一种或多种”)；这对于用以引入权利要求列举项的定冠词的使用也同样适用。此外，即使明确地叙述特定数量的所引入的权利要求列举项，本领域技术人员也将理解应将这种列举项典型地解释为意指至少所叙述的数目(例如，不带有其他修饰的裸列举项“两个列举项”意指至少两个列举项，或者两个以上列举项)。

此外，在以马库什组的方式描述本公开的特征或方面的情况下，本领域技术人员将认识到从而也以马库什组的成员中的任何单独成员或子组的方式描述了本公开。

如本领域技术人员将理解的，用于任何和所有目的，如以提供书面描述的方面，本文公开的所有范围也包含其任何和所有的可能的子范围和子范围的组合。可以将任何所列举的范围容易地认为是充分地描述并能够将所述范围至少分解为相等的二等分、三等分、四等分、五等分、十等分等。作为非限制性实例，可以将本文描述的每个范围容易地分解为下三分之一、中三分之一和上三分之一等。如本领域技术人员也将理解的，所有术语如“至多”、“至少”、“多于”、“少于”等包括所列举的数字，并且是指可以随后分解为如上述所的子范围的范围。最终，如本领域技术人员将理解的，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1-3个单元的组是指具有1、2或3个单元的组，等。

本公开不以本申请中描述的具体实施方案的方式受限制，所述具体实施方案意欲作为不同方面的说明。如本领域技术人员将明白的，可以进行许多修改和变更而不背离其精神和范围。除了在本文列举的那些以外，本公开的范围内的功能等价的方法和装置也从以上说明中将对于本领域技术人员是显见的。这些修改和变更也要落入后附权利要求的范围内。本公开仅以后附权利要求，连同这些权利要求授权的全部范围的等价物的方式受限制。应该理解本公开不限于具体的方法、试剂、化合物组合物或生物体系，其当然可以变化。还应该理解的是本文所使用的术语仅是用于描述具体实施方案的目的，并且不意欲是限制性的。

虽然本文已经公开了多个方面和实施方案，其它方面和实施方案对于本领域技术人员将是明显的。本文公开的多个方面和实施方案用于说明的目的并且不意欲限制，并通过后附的权利要求表明真实的范围和精神。

Claims (36)

1.一种用于氧化甲烷的系统，所述用于氧化甲烷的系统包含：

具有至少一个配置成用于空气进入的导管的构筑物；以及

配置成围绕所述至少一个导管的矿化废弃物层。

2.权利要求1所述的系统，其中所述矿化废弃物已经老化5至30年。

3.权利要求1或2所述的系统，其中所述矿化废弃物具有10％至30％之间的水含量。

4.权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述矿化废弃物已经由2-4cm筛筛选。

5.权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述矿化废弃物还包含营养液。

6.权利要求5所述的系统，其中所述营养液含有磷酸盐、硝酸盐或硫酸盐，或它们的任何组合。

7.权利要求1-6中任一项所述的系统，其中所述矿化废弃物还包括矿化泥渣。

8.权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述矿化废弃物层的厚度为0.4m-2m。

9.权利要求1-8中任一项所述的系统，其中所述至少一个导管在下三分之二部分穿孔。

10.权利要求1-9中任一项所述的系统，其中所述至少一个导管是圆筒形的并且具有40mm至100mm之间的直径。

11.权利要求1-10中任一项所述的系统，所述系统还包括围绕所述矿化废弃物层的间隔物。

12.权利要求1-11中任一项所述的系统，所述系统还包括所述导管与所述矿化废弃物层之间的分离层。

13.权利要求12所述的系统，其中所述分离层具有100mm-500mm的厚度。

14.权利要求12或13所述的系统，所述系统还包括在所述矿化废弃物层外侧的第二分离层。

15.权利要求12-14中任一项所述的系统，其中所述分离层由选自由砾石、轮胎碎片和碎玻璃组成的组的材料构成。

16.权利要求15所述的系统，其中所述分离层由砾石构成。

17.权利要求16所述的系统，其中所述砾石具有50-150mm的直径。

18.权利要求16-17中任一项所述的系统，其中将所述砾石在较大尺寸的砾石接近于所述导管的中心的情况下排列。

19.权利要求16-18中任一项所述的系统，其中所述砾石层具有100mm-500mm的厚度。

20.权利要求12-19中任一项所述的系统，所述系统还包括在所述分离层与所述矿化废弃物层之间的间隔物。

21.权利要求1-20中任一项所述的系统，所述系统还包括在所述导管与所述矿化废弃物层之间的间隔物。

22.权利要求12-21中任一项所述的系统，所述系统还包括在所述矿化废弃物层与所述分离层之间的间隔物。

23.权利要求20-22中任一项所述的系统，其中所述间隔物是多孔网。

24.权利要求1-23中任一项所述的系统，其中所述系统在固体废弃物填埋场使用。

25.一种用于氧化甲烷的方法，所述方法包括使用于氧化甲烷的系统与所述所要氧化的材料接触，其中所述系统包括具有至少一个配置成用于空气进入的导管的构筑物，以及围绕所述至少一个导管的矿化废弃物层。

26.权利要求25所述的方法，其中所述所要氧化的材料是固体废弃物。

27.权利要求25或26所述的方法，其中将所述用于氧化甲烷的系统基本上垂直地放置至所述所要氧化的材料中。

28.权利要求25或26所述的方法，其中将所述用于氧化甲烷的系统倾斜地放置至所述所要氧化的材料中。

29.权利要求27-28中任一项所述的方法，其中所述至少一个导管的顶部高于所述所要氧化的材料的顶部表面。

30.权利要求25-29中任一项所述的方法，其中所述所要氧化的材料部分地或完全地围绕所述系统的含有矿化废弃物的部分。

31.权利要求25-30中任一项所述的方法，所述方法还包括将另外的矿化废弃物填充至所述矿化废弃物层，以便将所述矿化废弃物的高度保持在与所述所要氧化的材料基本上相同的水平。

32.权利要求25-31中任一项所述的方法，所述方法还包括对于每1-2m的填充至所述矿化废弃物层中的矿化废弃物，将营养液加入至所述矿化废弃物层中。

33.权利要求25-32中任一项所述的方法，其中所述用于氧化甲烷的系统还包括所述导管与所述矿化废弃物层之间的分离层。

34.权利要求33所述的方法，其中所述用于氧化甲烷的系统还包括在所述分离层与所述矿化废弃物层之间的间隔物。

35.权利要求33或34所述的方法，其中所述用于氧化甲烷的系统还包括在所述矿化废弃物层外侧的第二分离层。

36.权利要求35所述的方法，其中所述用于氧化甲烷的系统还包括在所述第二分离层与所述矿化废弃物层之间的间隔物。

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