城市生活垃圾填埋场甲烷气资源的产量估算及其利用房怀阳　吴长振　(中山大学环境科学研究所,广州　510275)

摘要:本文论述了填埋场甲烷气体的产生过程及影响因素,介绍了三种产气量估算方法及其主要特点、适用范围,并指出运用数学模型对产气量作出预测,为垃圾填埋场气体收集与处理系统的设计提供可靠的依据。同时,论述了甲烷气体的减排和综合利用措施。关键词:城市生活垃圾,填埋场,甲烷气资源,减排与利用TheIntegratedUsingandYieldEstimationofMethaneResourcefromManicipalSolidWasteLandfill/FangHuaiyang,WuChangzhen(InstituteofEnvironmentalScience,ZhongshanUniversity,Guangzhou510275).Abstract:Thispaperbrieflydiscussedtheproductionanditsinfluencefactorsofmethanefromsolidwastelandfillsite.Threeestima2tionmethodsoftheyieldofmethaneinrubbish,includingtheircharactersandapplicationscopewereanalyzed.Basingonthem,thispaperforecasedtheproductionofmethaneandprovidedthecrediblereferenceforthedesigntodisposalsystemofthegasesfromlandfillsite.Keywords:municipalsolidwaste,landfill,methaneresource,reducingandusing

收稿日期:1999-09-25 近十余年来,随着城市人口的增加,城市生活垃圾也在逐年增加。1992年以后,我国垃圾、粪便清运量年均达到1亿t以上,1997年增加到114亿t,人均440kg/a。同时,垃圾构成也发生了很大的变化,表现为有机物增加,可燃物增多,可利用价值增大。造成这一变化的主要原因是近年来人们生活习惯、生活水平和燃料结构都发生了不同程度的改变[1,2]。目前,我国主要采用卫生填埋法处理、处置城市生活垃圾。这一方法与其它方法相比,具有投资少、处理费用低、处理量大的特点,对垃圾热值无特殊要求,并可回收沼气,因此在世界各国仍广泛采用。由于填埋场沼气的可利用量随当地气候、地理条件及填埋场的填埋量、垃圾组份不同而异,所以各垃圾填埋场在设计沼气回收利用时应根据准确的气体发生量为依据。实际上,该发生量的测定较复杂,所用仪器的费用很高。因此,探求一种理论模型来精确地估算填埋场气体中可回收利用的沼气量是非常有意义的。1　甲烷气体的产生及影响因素投入填埋场中的垃圾,含有丰富的有机物质。通常家庭生活垃圾中含有水果皮、食物残渣、菜叶、纸等有机物,庭院垃圾中也有一定数量的有机物质。垃圾埋入填埋场后,微生物(如甲烷菌等)首先进行好氧分解,消耗填埋场中的O2,产生大量的热,造成厌氧环境;随之进入第二步,即厌氧分解。这一过程较为复杂,场内产生的气体组份目前已被发现的有100种以上,其中以CO2、CH4为主。在分解过程中,填埋场有机物首先转变成可溶性分子态有机物,在甲烷菌的作用下进一步降解为高分子有机酸,然后分解为醋酸及盐酸盐,随之产生CH4及CO2[3]。影响垃圾填埋场内甲烷产量的因素很多,主要有生活垃圾的组成、垃圾颗粒的大小、有机质含量、填埋年限、温度、含水量和湿度、渗滤液的pH值、毒素含量。具体来讲,当垃圾中有机物含量增高时,甲烷的产量则升高。在不同温度条件下,甲烷的产生速率差异很大,一般认为在一个深的、封闭好的环境中,产生甲烷的最适温度为40℃。此时,产生速率为30℃的3倍,为背景温度1817℃的718倍,但温度升高到55℃时甲烷气的产生就停止。含水量或湿度也会影响甲烷的生成,含水量高时,各生化反应组成成分间接触程度大,可促进细菌的新陈代谢,产气量提高。甲烷的产量随湿度的高低呈曲线变化,

湿度为55%时甲烷气的产生明显高于湿度为33%

的产气量,只有当湿度大于50%时才能满足甲烷生成的需要。但是,湿度过高时甲烷气的产量会降低。pH值的高低也会影响甲烷气的产量,最适于垃圾发酵的pH值为618～712。此外,根据张淑娟等对甲烷浓度与环境因子的定量关系研究表明,甲烷产量的影响因子,如垃圾湿度、渗滤液的pH值等在不同的地区、不同的小环境、不同的发酵阶段各因子对甲烷产率的影响程度也不尽相同[4]。

2　甲烷气体产生量与产率的计算目前,填埋场甲烷产量、产率在理论上有三种计算方法,即质量平衡和理论产气量模型、理论动力学模型和生物降解理论最大产气量模型。211　质量平衡和理论产气量模型此公式由IPCC1995年推荐[5],主要是用于计

算生活垃圾的产气总量,其公式为:

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资源开发与市场ResourceDevelopment&Market199915(6

)

・研究方法・ECH4=MSW×η×DOC×r×(16/12)×0.5

式中,MSW为城市生活垃圾量;η为垃圾填埋率;DOC为垃圾中可降解有机碳的含量,IPCC推荐值发展中国家为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%。运用该模型计算产气量快捷方便,只要知道某个城市的生活垃圾总量以及填埋率就能估算出产气量。但由于没有直接考虑垃圾产气的规律及其影响因素,往往计算值过于粗略,仅适用于估算较大范围的产气量,如一个国家、一个省或一个城市。以广州市大田山填埋场[6]为例,日进场垃圾1600t,年垃圾量5814万t,那么年产甲烷气:

ECH4=1600×365×100%×15%×77%×(16/

12)×0.5=4.4968(t/a)这个数值接近415万t,相当于5125万t煤炭的能源潜力。212　理论动力学模型N.Gardner和S.D.Probert提出下述公式[5]:

P=CdX∑ni=1Fi(1-e-Kit)

式中,P为单位重量垃圾在时间t内的甲烷排放量,Cd为垃圾中可降解的有机碳的百分率(推荐值为0115),X为填埋场产气中CH4分额,n为可降解组分的总数(i=1,2,3…n),Fi为各降解组分占有机碳的含量,Ki为各降解组分的降解系数,t为填埋时间。这一模型可以表征垃圾产生甲烷气随时间的动态变化,有利于对各个产气阶段的分析,从而运用这一详细资料设计收集系统。213　生物降解理论最大产气量模型该方法依据垃圾成分和元素分析,并通过生化反应计算产气量,计算公式[7]如下:

C=∑ni=1KPi(1-Mi)ViEi

式中,C为单位质量垃圾中产生的甲烷量[L

(CH4)/kg(湿垃圾)];K为经验常数,单位质量的挥

发性固体物质标准状态下产生的甲烷量,其值为52615L(CH4)/kg;Pi为某有机组分占单位质量垃圾

的湿重百分比(%);Mi为某有机组分的含水率(%);V

i为某有机组分的挥发性固体含量(干

重%);Ei为某有机组分中挥发性固体的可降解物的含量(%)。该方法的特点是利用了有机物的可生物降解特性,更切合实际,并能较准确地反映出垃圾中产生甲烷气的主要成分,但最终计算值偏高。

3　甲烷气体的减排与利用近几年的研究认为,填埋场是仅次于湿地和稻

田的第三大甲烷气发生源,而且单位质量甲烷比CO2的温室效应强20倍。因此,研究填埋场甲烷的

减排具有非常重要的意义。根据减排的方式可分为两大类,即自然减排与人工减排[8]。311　自然减排生活垃圾含有一定的土质组份,在卫生填埋中是一层垃圾一层土交替进行,生长在覆盖土中的甲烷氧化菌能氧化有机物降解过程中产生的CH

4,

这

种氧化作用主要发生在表土层。据国外有关资料表明,其氧化速率最高可达45g/m2・d,氧化量有时可达产量的50%,而且对浓度小于1mg/L到大于104mg/L的CH4都能快速氧化。因此,在填埋场覆

土可以阻止由于大气中CH4浓度增加而导致的温室效应。312　人工减排人工减排主要是采取人为措施,减少甲烷气体的产生或回收利用CH

4,主要有以下几个措施:

①降

低生活垃圾的产生量,通过回收利用和城市净菜上市等措施来实现。②降低垃圾中有机物和水份的含量。生活垃圾中营养成份和含水量是影响甲烷产生的两大重要因素,可通过有机物的综合利用(如堆肥等)措施来实现。填埋场封顶后,可覆盖一层防水材料,防降水淋失。③收集利用填埋场产生的CH4气体,用于发电或民用。目前,填埋场气体的收集系统已逐渐成熟。

4　结语城市垃圾填埋场的甲烷气资源是一种新型的能源,它的收集与处理在技术方法上还存在一定的困难。本文列出的估算模型旨在对产气量的预测提供参考,从而依据合理的预测值更有效地设计与管理填埋场产气处理系统,避免人力与物力的不必要浪费。

5　参考文献1　臧文超.我国城市生活垃圾现状与管理问题.环境保护,1998,(8):41～43

2　徐文龙.我国城市垃圾处理技术的现状与展望.环境卫生工程,

1996,41(4):36～403　顾建良等.垃圾填埋场气体的收集与处理.环境保护,1997,232(2):18～20

4　张淑娟等.环境科学研究与应用———中山大学环境科学研究所论文集.北京:中国环境科学出版社,1998

5　徐新华.垃圾中甲烷产率计算及全国垃圾甲烷气资源估算.自然资源学报,1997,12(1

)

6　王志刚.环境科学研究与应用———中山大学环境科学研究所论文集.北京:中国环境科学出版社,1998

7　焦学军等.城市生活垃圾填埋产气规律研究.上海环境科学,

1996,15(9):30～338　孟范平.固体废物填埋场甲烷气生成与减少途径.上海环境科学,1996,15(6):34～36

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・研究方法・