垃圾填埋场是全球重要的甲烷排放源。在没有填埋气收集装置的中小型及老旧填埋场，填埋体所释放的甲烷气体经由覆盖层直接排放到大气中。即使在配备集气装置的填埋场，仍有部分甲烷气体逃逸，且填埋气浓度较低时，启用集气系统并不经济，造成甲烷气体长期、低强度地经覆盖层逃逸至大气中，加剧全球温室效应。因此，亟需对传统填埋场覆盖层进行改性，打造生态型覆盖层系统，实现更加经济、持续、有效地减排逃逸甲烷气体。
甲烷氧化菌是以甲烷为唯一碳源和能源的微生物。研究表明，在覆盖层中掺入甲烷氧化菌，可有效减少甲烷气体排放。因此，优化覆盖层材料，营造适宜的甲烷氧化菌生长环境，提高其数量和活性，是增强覆盖层甲烷去除效能的有效途径。生物炭是一种经济、环境友好的“绿色材料”，具有较大的比表面积、疏松多孔的稳定结构及丰富的含氧官能团，不仅本身具备良好的甲烷吸附去除效能，而且在掺入土体后可改善土体微气候及物理-化学性质，为甲烷氧化菌提供良好的栖息环境，有助于促进其生长并提高甲烷氧化去除效能。因此，本研究将生物炭搭载甲烷氧化菌，掺入黏土覆盖层，构造生物炭-甲烷氧化菌-黏土覆盖层（Biochar-Methanotroph-Clay cover, BMCC），如图1所示，以期满足工程性能标准，又兼具高效削减逃逸甲烷的能力。
然而，外部环境变化以及土颗粒与生物炭的长期作用，容易引起生物炭老化。同时，微生物在生物炭中的生长代谢以及两者间的相互作用，又将引起BMCC微观孔隙结构改变，进而影响宏观层面覆盖层的甲烷去除效能。因此，本文研究不同生物炭掺量（α=0、5%、10%、15%）、氧化老化次数（H=0、1、3、6次）及充甲烷培养天数（D=0、10、20、30天）对BMCC甲烷去除效能的影响规律，并从微观角度探究BMCC甲烷去除效能的调控机制，研究结果为生态型覆盖层的设计、施工和服役维护提供指导。
随生物炭掺量增加，生物炭-甲烷氧化菌-黏土混合土的甲烷去除量呈先显著增大后减小的趋势，如图2a所示。在黏土中掺入少量生物炭，可显著提高土体的甲烷去除效能，归因于生物炭的疏松多孔结构。由图2b所示的不同生物炭掺量下混合土的孔径分布曲线可知，当生物炭掺量为5%时（BMC5），生物炭在混合土中形成炭颗粒骨架，中孔数量显著增多，比表面积增加，对甲烷气体的吸附作用增强。因此，BMC5混合土的甲烷去除量达到峰值，是纯黏土（BMC0）的1.87倍。然而，继续掺入生物炭至15%（BMC15），中孔数量大幅减少，且总孔容积减小，混合土形成紧密的结构，甲烷去除效能减弱。
随氧化老化次数增加，掺生物炭混合土的甲烷去除量呈平缓增长的趋势，如图2a所示，对于BMC5混合土，未经氧化时甲烷去除量为12.39 mg/g，经1、3、6次氧化后分别增至13.17 mg/g、13.79 mg/g、14.05 mg/g，其甲烷去除量是纯黏土（BMC0）的1.5~1.7倍。以BMC5混合土为例，如图2c所示，氧化老化6次后，BMC5的孔隙孔径增大，中孔、大孔数量增多，新增的孔隙为甲烷氧化菌提供生长空间和气体通道，甲烷氧化作用增强。同时，化学氧化老化破坏生物炭的孔隙结构，引起生物炭吸附作用弱化。此消彼长之下，甲烷去除量呈缓慢上升的趋势。
图2 BMCC甲烷去除量随生物炭掺量、氧化老化次数的变化规律及机理
随充甲烷培养天数增多，混合土的甲烷去除量呈增加且逐渐放缓的趋势，如图3a所示。对于生物炭掺量为5%且未经氧化老化的混合土（BMC5-H0），充甲烷培养10天后甲烷去除量从5.3 mg/g增加至10.7 mg/g，增加1倍，而充甲烷培养20、30天后的甲烷去除量分别为12.0 mg/g、12.4 mg/g，增长趋势逐渐变缓。比较充甲烷培养前后混合土微观孔隙形貌可知，在初始状态，混合土中有较多的孔隙如图3b所示，甲烷氧化菌的生长空间充足，充甲烷培养10天后其甲烷氧化去除能力快速提高，甲烷去除量显著增加。而随充甲烷培养天数继续增加，如图3c所示，甲烷氧化菌数量增多，部分孔隙被菌体或其代谢产生的胞外聚合物填充，混合土的孔隙数量减少、体积减小，引起甲烷去除量增幅逐渐放缓。
图3 BMCC甲烷去除量随充甲烷培养天数的变化规律及机理
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