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垃圾中含有大量难降解物质 ,而且垃圾填埋 场在许多情况下并非严格的厌氧条件 ,尤其 是我国目前大部分垃圾填埋场仍然采取未经 压实和覆盖的简单处置方式 ,实际上垃圾处 于半厌氧状态 ,该式的计算结果将高于实际 产生量 。 21113 COD 估算模型[8]
该模型由政府间气候变化委员会 ( Inter2 governmental Panel on Climate Change , 简 称 IPCC) 提出 : ECH4 = MSW ×η×DOC ×r ×(16/ 12) ×0. 5 式中 , MSW 为城市生活垃圾量 (t) ;η为填埋 垃圾占生活垃圾总量的百分比 ;DOC 为垃圾 中可降解有机碳的含量 ( %) , IPCC 推荐对发 展中国家取值为 15 % ,发达国家为 22 % ; r 为垃圾中可降解有机碳的分解百分率 , ( IPCC 推荐值为 77 %) ;比值 16/ 12 为 CH4 和 C 的 转换系数 ;数值 015 为 CH4 中的碳与总碳的 比率 。
该模 型 是 建 立 在 质 量 守 恒 定 律 基 础 上 的 ,假设垃圾中的 COD 值等于产气中甲烷燃 烧的耗氧量 。此模型同样也是用于计算一定 数量垃圾的最终产气总量 。该模型的数学形 式为 :
YCH4 = 0. 35 ×(1 - ω) ×V ×COD 式中 , YCH4为 1 kg 填埋垃圾的理论产 CH4 量 (m3·kg - 1) ;ω为填埋垃圾的含水率 ; V 为 1 kg 填埋垃圾的有机物含量 ( %) ; COD 为填埋垃 圾中 1 kg 有机物的 COD 值 ( kg·kg - 1) ; 0135 为 1 kgCOD 的 CH4 理论产量 (m3·kg - 1) 。该 模型的计算结果同样会导致与化学计量式模 型相同程度的正偏差 。
Study on Methane Generation from Landfills in China / WANG Wei1 , HAN Fei1 ,YUAN Guangyu1 , JIANG Jianguo1 , WANG zhiren2 / ( Eng , Tsinghua University , Beijing 100084 ; 21Envir Monitoring station of Longgang District , Shen Zhen 518116 , China) Abstract : In order to control the total emission of methane efficiently ,different models of methane generation from landfills were analyzed in this paper. The mathematical model of methane generation from landfills of the next 20 years in China is de2 scribed. The results indicate that with the increasing of Municipal Solid Waste (MSW) landfilled ,the fraction of methane from landfills in GHGs emitted in China would increase from 3. 83 % (in 2000) to 7. 19 % (in 2020) . Therefore its contribution to global warming can’t be ignored. The emission control and resource exploitation of landfill methane have the important tasks in MSW management . Keyword : methane ,municipal solid waste (MSW) ; landfill ;estimation model .
1 概述
众所周知 ,全球变暖已经成为世界关注 的重大环境问题 ,由于其影响的深度和广度 不断加大 ,越来越多的人们认识到 ,要制止全 球变暖的趋势 ,唯一有效的途径就是世界各 国联合 起 来 共 同 削 减 全 球 温 室 气 体 的 排 放 量 。为此 ,联合国气候变化框架公约的第三 次缔约方大会 (COP3) 于 1997 年 12 月在京都 召开 。会上通过了京都议定书 ,发达国家同 意在 2008～2012 年期间将温室气体的排放 量比 1990 年削减至少 5 %。表 1 列出了环 境中各种主要温室气体的情况 ,在这些温室 气体中 ,虽然 CO2 的排放量和温室效应贡献
增暖潜力 3
1
21
250
温室效应供献率/ %
1880～1980 66
15
3
1980s
49
18
6
10 pptv 4 65
3 500
8 14
注 : 3 排放 1 kg 气体 ,相对于 CO2 的潜在增暖作用 。
最大 ,但其在全球变量的贡献率在逐渐减少 , 其中一 个 重 要 的 原 因 是 年 增 长 率 的 相 对 降
全世界每年 CH4 排放量大约 5 亿 t ,其中 有 2 200～3 600 万 t 来自垃圾填现场[2] 。表 2 列出了世界 CH4 的主要排放源 , 它 包 括 湿 地 、稻田 、反刍动物 、垃圾填埋场 、油气田 、煤
矿等 。虽然在各种人为 CH4 排放源中 ,垃圾 处置排放的 CH4 量仅列为第三位 ,但是相对 于来自稻田和反刍的甲烷而言 ,控制填埋场 CH4 排放是减缓 CH4 排放量增长的最可行和 最有效的措施 。例如 ,英国填埋场 CH4 约占 CH4 总量的 20 % ,估计每年有 220 万 t CH4 排放自填埋场[3] ,被认为可能是最大的 CH4 排放源 ;在美国 ,填埋垃圾每年排放 CH4 1116 Mt ,占总 CH4 排放量的 37 %[4] ,一项估算显 示 ,1995 年日本填埋场的 CH4 产量为 0132 Mt2C·年 - 1 ,对总量的贡献率达到 2118 %～ 3414 %[5 ] 。
N. Gardner 和 S. D. Probert 提出下述公 式 ,式中 , P 为单位质量垃圾在 t 年内产 CH4 量 (kg·kg - 1) ; Cd 为垃圾中可降解有机碳的比 率 (kg·kg - 1) ; X 为填埋场产气中 CH4 的分额 ;
表 2 全球主要 CH4 排放量
CH4 排放源
湿 地 稻 田 废物处置 采 矿 天然
排放量 / Mt·a - 1
70～150 50～150 30～80 25～50 35～60
CH4 排放源
海 洋 动物反刍 地质因素 白 蚁 总 计
排放量 / Mt·a - 1 5～20 60～100 5～15 15～30
因此 ,建立适合我国国情的预测模型 ,正确预 测和评价我国垃圾填埋场 CH4 产生量及其 对气候变化的影响 ,对于将来制订国家城市 垃圾处理处置技术政策 ,履行减排温室气体
的国际义务具有重要意义 。
2 填埋场产气模型
目前 ,国外研究者开发的填埋场产甲烷 模型大致可以分为动力学模型和统计模型两 种类型 。 211 统计模型 21111 IPCC 模型[7 ]
低 。表中氯氟烃 (CFC - 11) 的增长率虽然较 高 ,但是随着它在全球范围内逐步禁止生产
收稿日期 : 2000 - 11 - 22 修回日期 : 2001 - 03 - 14
作者简介 : 王伟 (1960 - ) ,男 ,山东人 ,清华大学教授 ,环境与卫生工程专业博士 ,主要从事固体和危险废物管理 、处理 处置与资源化方面的教学与研究 。
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和使用 ,其作用将逐渐减小和消失 。如表 1 所示 , CH4 在 大 气 中 浓 度 的 增 长 速 度 接 近 CO2 的 2 倍 ,因此 ,CH4 对温室效应的贡献率 将会持续增加 ,所以削减全球 CH4 排放量的 作用将不亚于 CO2 。
(a/ 2 + b/ 8 - c/ 4 - 3d/ 8) CH4 + (a/ 2 - b/ 8 + c/ 4 + 3d/ 8) CO2 + dNH3 根据此式 ,当城市垃圾的典型化学计量 式为 C99 H149O59N ,含水率为 50 %时 ,则可降 解的碳含量占湿垃圾总量的 26 % ,1 kg 湿垃 圾具有的 CH4 产生潜力在常温常压下约为 259 L 。这说明在填埋 场 产 气 期 内 , 大 约 有 1815 %的垃圾质量将被转化为 CH4 。该模型 是假设垃圾中的碳均为可降解有机碳 ,其计 算结果是甲烷产量的最大理想值 。但实际上
IPCC 模型属宏观统计模型 ,用于计算某 一垃圾统计量最终产生的甲烷总量 。由于 IPCC 模型使用的η、r 推荐值为统计均值 ,当 利用此式针对某一国家进行估算时 ,应采用 该国实际的参数值进行校核 。 21112 化学计量式模型
垃圾的 CH4 产量也可以采用垃圾中有 机物分解的化学计量方程式来确定 : Ca HbOcNd + (a - b/ 4 - c/ 2 + 3d/ 4) H2O =
表 1 大气中主要温室气体参数[1]
温室气体 浓度 (1990)
CO2
CH4
N2O CFC - 11
353 ppmv 1172 ppmv 310 ppbv 280 pptv
年均增长量 118 ppmv 01015 ppmv 018 ppbv
年变化率/ % 0150
0190
0125
存留时间/ a 50～200 10 150～170
500
我国的城市垃圾产生量已经超过 1 亿 t· a - 1[6] ,目前大部分采用填埋方式处置 ,填埋 场产生的 CH4 对温室效应的贡献不容忽视 。 但是 ,我国在填埋场 CH4 产生预测和评价研 究方面处于刚刚起步阶段 ,尚缺乏准确的预 测方法和评价数据 。由于我国的垃圾特性和