摘要：綜合分析垃圾衛(wèi)生填埋產(chǎn)生沼氣，沼氣的主要成分是甲烷及甲烷形成的條件。通過對填埋場沼氣的處理方法探討，得出結(jié)論：在大型填埋場利用沼氣發(fā)電是科學(xué)有效的。

關(guān)鍵詞：填埋場 沼氣 甲烷 發(fā)電

0 引言

衛(wèi)生填埋是目前世界上應(yīng)用最廣泛的垃圾處理方法，近幾年國內(nèi)陸續(xù)建造了一批規(guī)范的衛(wèi)生填埋場，并相繼投入使用。隨著時間的推移，衛(wèi)生填埋場數(shù)量不斷增加，每一填埋場都會產(chǎn)生一定量的沼氣。沼氣是以甲烷和二氧化碳為主，此外還可能有少量的氨氣和硫化氫等。

1 沼氣的危害

甲烷存在填埋場的垃圾層內(nèi)時，由于缺氧，不會發(fā)生什么問題。但它從填埋場內(nèi)逸出時，甲烷含量達到5—15%（爆炸界限）時，就可能引起爆炸。同時，填埋場沼氣中含有大量的二氧化碳，甲烷和二氧化碳從填埋坑逸出的過程中，會向填埋坑周圍的土壤中擴散，使土壤中的PH值下降，使土壤中造成嫌氣性氣氛，從而會引起某些植物死亡。另外，填埋場沼氣中的少量氨氣和硫化氫，還會污染空氣。

2 沼氣的形成

2.1 好氧分解階段 填埋坑中的有機物在好氧微生物的作用下，經(jīng)過一系列復(fù)雜的生物化學(xué)過程，最終分解成穩(wěn)定的產(chǎn)物，這些穩(wěn)定的物質(zhì)，不可能提供什么能量。

2.2 厭氧分解不產(chǎn)生甲烷階段 當(dāng)好氧分解反應(yīng)將廢物填埋坑中存留的氧氣基本耗盡時，厭氧微生物開始活動，在此階段，微生物利用硝酸根、硫酸根作為氧源，產(chǎn)生硫化物、氨氣和二氧化碳，所以在此階段迅速產(chǎn)生二氧化碳而不產(chǎn)生甲烷。

2.3 厭氧分解開始產(chǎn)生甲烷階段 當(dāng)有機物已部分轉(zhuǎn)化成為有機酸，廢物層中的氧氣已經(jīng)耗盡，溫度、濕度、PH值都比較合適時，甲烷菌便開始繁殖，將有機酸轉(zhuǎn)化為甲烷，同時也放出二氧化碳，在這一階段，甲烷產(chǎn)量逐漸增加，坑內(nèi)溫度可能上升到55℃，當(dāng)產(chǎn)氣穩(wěn)定時，表明第三階段結(jié)束。

2.4 穩(wěn)定產(chǎn)氣階段 在此階段中填埋層穩(wěn)定地產(chǎn)生甲烷和二氧化碳。

3 甲烷形成的條件

3.1 厭氧 甲烷菌是嚴(yán)格厭氧的，氧對于甲烷菌是有毒的。

3.2 溫度 甲烷菌有兩大類：一類是中溫菌，它最適宜的繁殖溫度是30—38℃；另一類是喜溫菌或稱高溫菌，其最最適宜的繁殖溫度是50—58℃。因此，40—45℃這一溫度區(qū)間是不適宜甲烷繁殖的，經(jīng)過大量的實驗得出：45℃條件下的產(chǎn)氣量不及40℃和50℃的產(chǎn)氣量高。

3.3 PH值 甲烷菌要求穩(wěn)定的PH中性條件，一般取PH=7.5，但PH值不能低于6.2，有機廢物在產(chǎn)酸階段，PH值會逐漸下降，但PH值也不可能降得很低，因為產(chǎn)酸菌的繁殖條件要求PH=5—6，如果PH值很低，產(chǎn)酸菌也會受到抑制，不再產(chǎn)酸。因此，有機廢物產(chǎn)生沼氣的過程并不是所有的物料全部完成了第一步反應(yīng)再開始第二步反應(yīng)。一般是當(dāng)好氧分解基本結(jié)束之后，水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷幾步反應(yīng)先后陸續(xù)開始，同時接續(xù)進行。

3.4 碳氮比（C/N） 沼氣產(chǎn)生過程是一個生物學(xué)過程，需要提供適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)，除了必須的碳源之外，還必須提供一定的氮源，故必須維持一定的C/N比，C/N比不能大于20：1。而城市垃圾的碳氮比一般在24：1以上。有的垃圾C/N比高達40：1，城市污水處理場產(chǎn)生的污泥C/N較低約16：1。糞便中含氮量較高，所以填埋坑中混合有污泥和人蓄尿時，能提供較低的碳氮比，有利于沼氣的產(chǎn)生。

3.5 有毒物質(zhì) 重金屬以及殺蟲劑等有毒物質(zhì)對甲烷菌是有毒的。甲烷菌對這些有毒物質(zhì)極為敏感，對各種生物過程，重金屬都是有毒的，不過在城市垃圾填埋坑中，一般不可能達到如此高的金屬離子濃度。

3.6 水分 形成甲烷的過程有水分子參加反應(yīng)，尤其是微生物的生存及代謝活動也必須在有充分的水分子存在的條件下才有可能，所以水分是產(chǎn)生沼氣的重要條件。在一定界限內(nèi)，廢物層中水分含量越高，產(chǎn)氣速率也愈大。

4 填埋場沼氣的處理方法

4.1 填埋場設(shè)氣井 在填埋場設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的氣井，以將填埋坑中的沼氣導(dǎo)出，進行處理，但是，在鉆井時常發(fā)生空氣與坑內(nèi)的沼氣混合而引起爆炸的危險，所以須特別注意。

4.2 填埋場沼氣的排放 如果填埋量很小或者分散，對沼氣進行凈化在經(jīng)濟上不合算，則將沼氣無害排放。其無害排放的方法是點燃燒去，將各氣井排出的沼氣引入高聳的煙筒，點燃成火炬。如果未設(shè)火炬系統(tǒng)，只能是自然排入于大氣之中，在這種情況下，在填埋場周圍至少200米之內(nèi)不能有任何建筑物。當(dāng)然這不屬于處理技術(shù)，這僅僅是一種臨時應(yīng)付措施。

4.3 填埋場沼氣的利用 隨著對環(huán)境的日益重視，近十幾年來，垃圾填埋法是處理城市垃圾的主要方式之一，具有簡單易行和費用較低的特點，同時填埋產(chǎn)生的沼氣還可回收利用，正受到世界各國的普遍關(guān)注。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋場，每年可回收沼氣51.42億立方米。

4.3.1 沼氣發(fā)電技術(shù)狀況 沼氣是一種具有較高熱值的可燃氣體，與其它燃氣相比，其抗爆性能較好，是一種很好的清潔燃料，傳統(tǒng)上大多利用沼氣進行取暖、炊事和照明，隨著沼氣產(chǎn)量的不斷增加，如何更高效地利用沼氣，成為擺在我們面前的一項課題。沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項沼氣利用技術(shù)，它將沼氣用于發(fā)動機上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能，是有效利用沼氣的一種重要方式。目前用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要有內(nèi)燃機和汽輪機。我國開展沼氣發(fā)電領(lǐng)域的研究始于八十年代初，1998年全國沼氣發(fā)電量為1，055，160kWh。在此期間，先后有一些科研機構(gòu)進行過沼氣發(fā)動機的改裝和提高熱效率方面的研究工作。我國的沼氣發(fā)動機主要為兩類，即雙燃料式和全燒式。目前，對“沼氣—柴油”雙燃料發(fā)動機的研究開發(fā)工作較多。如：中國農(nóng)機研究院與四川綿陽新華內(nèi)燃機廠共同研制開發(fā)的S195—1型雙燃料發(fā)動機：上海新中動力機廠研制的20／27G雙燃料機等。成都科技大學(xué)等單位還對雙燃料機的調(diào)速、供氣系統(tǒng)以及提高熱效率等方面進行過研究。此外，還有重慶、上海、南通等一些機構(gòu)進行過這方面的研究、研制工作。可以說，目前我國在沼氣發(fā)電方面的研究工作主要集中在內(nèi)燃機系列上。

4.3.2 沼氣發(fā)電前景廣闊 沼氣發(fā)電工程本身是提供清潔能源，解決環(huán)境問題的工程，它的運行不僅解決沼氣工程中的一些主要環(huán)境問題，而且由于其產(chǎn)生大量電能和熱能，又為沼氣的綜合利用找到了廣泛的應(yīng)用前景：①有助于減少溫室氣體的排放。通過沼氣發(fā)電工程可以減少CH4的排放，對緩和溫室效應(yīng)有利。②有利于變廢為寶，提高沼氣工程的綜合效益。我們以沼電在酒廠中的的綜合效益為例：四川榮縣進行了120kW沼氣發(fā)電的生產(chǎn)和示范。用酒糟廢水經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生沼氣，發(fā)電效率為1.69kWh／m3，當(dāng)年成本為0.0465元／kWh。沼電能夠基本滿足該廠的生產(chǎn)用電：山東昌樂酒廠安裝2臺120kW的沼氣發(fā)電機組，170m3酒糟日產(chǎn)沼氣4800m3，發(fā)電8640kwh，全年能源節(jié)約開支29萬元，工程運行一年即收回全部成本。③可減少對周圍環(huán)境的污染。由于綜合利用手段單一，很多沼氣工程產(chǎn)生的沼氣大量排入大氣中，不僅嚴(yán)重污染周圍的環(huán)境，也對工作人員的安全和健康產(chǎn)生了極大的威脅，沼氣發(fā)電則為沼氣找到了一條合理利用的途徑。④小沼電為農(nóng)村地區(qū)能源利用開辟新途徑。我國農(nóng)村偏遠地區(qū)還有許多地方嚴(yán)重缺電，如牧區(qū)、海島、偏僻山區(qū)等高壓輸電較為困難，而這些地區(qū)卻有著豐富的生物質(zhì)原料。因地制宜地發(fā)展小沼電，猶如建造微型“坑口電站”，可取長補短就地供電。

5 結(jié)論

近年來我國垃圾衛(wèi)生填埋場的建設(shè)進入一個高峰期，每一填埋場都會產(chǎn)生一定量的沼氣，沼氣是以甲烷為主的高熱值可燃氣體，隨著沼氣產(chǎn)量的不斷增加，如何更高效地利用沼氣，成為擺在我們面前的一項課題。經(jīng)過大量的研究、調(diào)查得出：在大、中型垃圾衛(wèi)生填埋場周圍建沼氣發(fā)電站或沼氣回收再利用工程是非常必要的，這符合可再生能源利用技術(shù)的進步，即將“廢”轉(zhuǎn)化為寶，又將“害”轉(zhuǎn)化為利，對于改善環(huán)境，創(chuàng)建文明城市都具有十分重要的意義！

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