于 淼，張 芳，安建杰

（天津市環(huán)境衛(wèi)生工程設計院，天津 300201）

基于垃圾產(chǎn)氣速率差異的填埋氣體產(chǎn)生量預測模型的探討

于 淼，張 芳，安建杰

（天津市環(huán)境衛(wèi)生工程設計院，天津 300201）

根據(jù)大韓莊垃圾填埋場進場垃圾的特性，對CJJ 133—2009的產(chǎn)氣預測模型進行探討。將垃圾分為快速降解和慢速降解2部分，對產(chǎn)氣速率常數(shù)分別取值。結(jié)果表明：產(chǎn)氣峰值發(fā)生在封場后的第1年，達到3 029．6萬m3/a，封場后第10年產(chǎn)氣量降低至峰值的29．0%。與CJJ 133—2009推薦模型相比，填埋期間本研究使用模型的產(chǎn)氣量更高，峰值可高出9．8%。封場后該模型產(chǎn)氣量的衰減速率也更快，但在第10年后兩者的產(chǎn)氣量開始逐漸趨同。

填埋氣體；產(chǎn)氣模型；產(chǎn)氣速率常數(shù)

CJJ 133—2009生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范推薦的產(chǎn)氣量預測模型來源于美國環(huán)保局相關(guān)標準的背景文件，其以混合垃圾確定1個降解速率常數(shù)為依據(jù)在國外有著廣泛的應用。但我國生活垃圾成分與發(fā)達國家存在較大差距，主要體現(xiàn)為垃圾含水率高、廚余垃圾比例較大等，造成垃圾降解周期短，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)早，可利用的產(chǎn)氣階段持續(xù)時間相對短［1］，不同垃圾組分的降解速率存在差異。而且S．G．Arigala等［2］按照降解能力將垃圾劃分為若干組分并建立產(chǎn)氣模型，取得較好的預測效果。因此，筆者根據(jù)我國垃圾成分的主要特點，充分考慮垃圾中不同組分降解能力的差異，對CJJ 133—2009產(chǎn)氣量預測模型進行探討。

1 研究實例

大韓莊生活垃圾填埋場位于天津市津南區(qū)南八里臺鎮(zhèn)大韓莊村，總占地面積約66．67 hm2。填埋庫區(qū)采用分期建設形式，其中1號庫區(qū)于2005年竣工并投入使用，有效庫容約400萬m3，目前進入地面以上的填埋作業(yè)階段。填埋氣體采用被動排放方式，利用導氣石籠及導氣管作為填埋氣體的導出通道，直接排放至大氣。

2 研究方法

CJJ 133—2009中認為廚余、紙類、竹木、織物、灰土（含有無法撿出的有機物）等5類可以分解產(chǎn)生填埋氣體。其中，廚余垃圾的產(chǎn)氣速率較快，能夠快速到達產(chǎn)氣高峰，屬于快速降解垃圾；而紙類、織物、竹木的降解速率較慢，降解周期長，較晚才能到達產(chǎn)氣峰值期，屬于慢速降解垃圾。本研究將垃圾分為快速、慢速降解垃圾，對兩者的降解速率進行討論，分別計算各組分所產(chǎn)生的填埋氣體，并將結(jié)果與CJJ 133—2009的推薦方法加以比較分析。

2.1 預測模型

本研究參考 CJJ 133—2009推薦的 Scholl Canyon一維動力學模型，分別計算垃圾中快速、慢速降解成分的理論產(chǎn)氣量，見公式（1）：

式中：Gn為填埋場在投運后第n年的填埋氣體產(chǎn)氣量，m3/a；Mt為填埋場在第t年填埋的垃圾量，t；i=1，2，分別代表快速、慢速降解垃圾；Li為單位質(zhì)量垃圾中快速（或慢速） 降解成分的最大產(chǎn)氣量，m3/t；ki為快速（或慢速）降解垃圾的產(chǎn)氣速率常數(shù)，a-1；n為自填埋場投運年至計算年的年數(shù)，a；f為填埋場封場時的填埋年數(shù)，a；t為從垃圾進入填埋場時算起的時間，a。

可以看出，Li和ki的確定是計算理論產(chǎn)氣量的關(guān)鍵參數(shù)。CJJ 133—2009給出這2個參數(shù)的估算方法。

2.2 參數(shù)的確定

2.2.1 垃圾填埋量Mt的統(tǒng)計與預測

大韓莊垃圾填埋場2005—2010年累計填埋垃圾約126萬t，平均填埋量為21萬t/a。根據(jù)填埋作業(yè)規(guī)劃，預計2011年垃圾處理量為27萬t/a，此后逐年遞增5%，使用年限至2018年。本文計算2011—2035年的產(chǎn)氣量，以掌握填埋期間及封場的產(chǎn)氣變化規(guī)律。

2.2.2 垃圾最大產(chǎn)氣量Li

CJJ 133—2009中Li的估算采用可生物降解模型，該模型認為可降解垃圾在降解過程中遵循質(zhì)量守恒原理。填埋氣體主要成分是CH4和CO2，因此可近似認為填埋氣體是由垃圾中的碳元素轉(zhuǎn)化而來。但垃圾中只有具備可生物降解性的部分能夠轉(zhuǎn)化為填埋氣體，并且還要考慮可降解有機碳的降解率。其計算公式為：

式中：1．867為有機碳完全轉(zhuǎn)化為CH4和CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)；ω為垃圾含水率，%；fj為快速（或慢速） 降解垃圾中第j種成分的比例，%；Cj為干基狀態(tài)下第j種成分的有機碳含量，%；φj為第j種成分的可降解有機碳降解率，%。

1）垃圾成分。據(jù)調(diào)查，該填埋場的進場垃圾主要包括津南區(qū)、西青區(qū)、和平區(qū)、河西區(qū)、南開區(qū)的生活垃圾。參考2009年和2010年《天津市城市生活垃圾調(diào)查》，經(jīng)計算，垃圾平均含水率為57．81%，干基狀態(tài)下的垃圾各組分的均值見表1。

表1 大韓莊填埋場進場垃圾物理組成的均值 %

2） 可降解有機碳含量Cj。CJJ 133—2009給出了干基狀態(tài)下的各類成分的Cj推薦值，如表2所示?？紤]到灰土的主要成分是街掃土，其中“無法撿出的有機物”成分難以辨別、含量較低、可降解性不高，故本研究不考慮灰土成分。

表2 生活垃圾中可降解有機碳含量推薦值（干基） %

3） 可降解有機碳降解率φj。CJJ 133—2009對可降解有機碳的降解率進行了解釋，但未給出推薦值。在實際的降解情況中，一部分可降解有機碳會隨滲瀝液排出，或成為微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，因此降解率應小于1?！渡罾l(wèi)生填埋技術(shù)導則》第9章給出了典型垃圾中各組分的φ值，見表3。因此，廚余、紙類、織物的φ采用導則的推薦值，分別為 0．8、0．5、0．2；竹木為庭院和木材φ推薦值的均值，即為0．6。

表3 可降解有機碳降解率的推薦值

2.2.3 產(chǎn)氣速率常數(shù)ki

產(chǎn)氣速率常數(shù)ki反映垃圾厭氧降解的速率，它受含水率、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)、pH、微生物量等多種因素的影響，是產(chǎn)氣量預測的關(guān)鍵參數(shù)。表4列出了部分模型的推薦值以及某些實驗所得到的k值。

表4 國內(nèi)外研究的k參數(shù)數(shù)值

國內(nèi)大型填埋場的產(chǎn)氣量預測一般采用CJJ 133—2009推薦方法，將所有垃圾作為一個整體來考慮，不按照降解率進行組分劃分，k一般取推薦范圍上下限的均值，即0．10 a-1。

本文模型需要對快速和慢速降解垃圾分別取ki值，體現(xiàn)2種組分降解能力的差異。ki的確定主要參考文獻［5-6］，取其均值，快速降解垃圾k1定為 0．16 a-1，慢速降解垃圾 k2定為0．06 a-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 最大產(chǎn)氣量Li

經(jīng)計算，快速降解垃圾L1為100.04 m3/t，慢速降解垃圾L2為29.19 m3/t。垃圾中廚余垃圾所占比例較大，其可降解有機碳的降解率較高，使得快速降解垃圾的產(chǎn)氣潛能較大。

美國環(huán)保局推薦的L為140～180 m3/t，其下限仍高于本研究的L=129.23 m3/t。這是因為本文中的垃圾含水率較高，達到57.8%，導致其有機含量偏低，產(chǎn)氣潛能低于國外的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。我國垃圾的產(chǎn)氣潛能普遍低于國外［3］，因此，在預測填埋氣體產(chǎn)生量時，應對垃圾的物理組分進行分析統(tǒng)計，根據(jù)CJJ 133—2009的方法計算L，避免使用經(jīng)驗值而造成較大誤差。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)本研究模型對大韓莊垃圾填埋場填埋氣體產(chǎn)生量進行預測，結(jié)果如圖1所示。在填埋期間，隨著垃圾進場量的增加，填埋氣體產(chǎn)氣量逐漸提高，并在封場后的第1年（2019年）達到峰值，產(chǎn)氣量為3 029.6萬m3/a。隨后產(chǎn)氣量逐年降低，在封場后的第10年（2028年） 降至878.4萬m3/a，為產(chǎn)氣峰值的29.0%，到2035年降至376.2萬m3/a，僅為產(chǎn)氣峰值的12.4%。

圖1 填埋氣體產(chǎn)氣量組成分析

從圖1中可以看出，快速降解垃圾的產(chǎn)氣量占總氣量比例較大，填埋期間從86.9%小幅度降為84.7%，封場后貢獻率迅速降低，最終降至52.7%。

3.3 與CJJ 133—2009推薦模型的對比

利用本研究模型和CJJ 133—2009推薦模型分別進行產(chǎn)氣量的計算，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，無論采用何種計算方法，產(chǎn)氣量的變化趨勢大體相同。

本研究模型考慮了垃圾中不同組分降解能力的區(qū)別，由于快速降解垃圾的含量較高、降解速率較快，使得填埋期間的預測值大于CJJ 133—2009推薦模型，平均高出218.3萬m3/a，其產(chǎn)氣峰值（3 029.6萬m3/a） 高出推薦模型峰值（2 759.3萬 m3/a） 達 9.8%。

封場后，本研究模型產(chǎn)氣量的衰減速率更快，第3年2種模型的產(chǎn)氣量大體相同，隨后逐年低于推薦模型，并在第10年（2028年） 差異達到最大，為243.4萬m3/a。隨后2種模型的產(chǎn)氣量差值逐漸減少，預計在預測期以后的年份內(nèi)，兩者的產(chǎn)氣量逐漸趨同。

在集氣管網(wǎng)設計和工藝設備選型時，一般使用產(chǎn)氣峰值作為設計依據(jù)。本研究模型和傳統(tǒng)模型的最大理論產(chǎn)氣量存在較大的差異，尤其對于國內(nèi)的大型填埋場，峰值的差距將會比本研究的數(shù)值更大。本研究模型為產(chǎn)氣量的預測提供了新的思路和方法，但模型的合理性、參數(shù)選擇的準確性仍需要現(xiàn)場試驗進行校驗修正。

圖2 2種模型填埋氣體產(chǎn)氣量預測結(jié)果

4 結(jié)論

1） 大韓莊垃圾填埋場的進場垃圾含水率較高，且廚余垃圾所占比例較大，計算得到快速降解垃圾L1為100.04 m3/t，慢速降解垃圾L2為29.19 m3/t，其總量低于國外的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

2）本研究模型將垃圾分為快速降解和慢速降解2類，分別確定兩者的產(chǎn)氣速率常數(shù)。預測結(jié)果顯示，產(chǎn)氣峰值發(fā)生在封場后的第1年，達到3 029.6萬m3/a，封場后第10年產(chǎn)氣量降至峰值的29.0%。

3） 與CJJ 133—2009的推薦模型相比，填埋期間本研究模型的產(chǎn)氣量更高，峰值可高出9.8%。封場后該模型產(chǎn)氣量的衰減速率更快，在第3年后低于推薦模型，但在第10年兩者的產(chǎn)氣量開始逐漸趨同。

［1］龔少鵬.填埋氣體產(chǎn)量及處置方案評選研究［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［2］ Arigala S G，Theodre T T，Webster I A.Gas

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［3］劉景岳，徐文龍，黃文雄，等．垃圾填埋氣回收利用在我國的實踐［J］．中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007（10）：34-38．

［4］李志華，勾紅英．城市生活垃圾可生物降解組分降解規(guī)律的研究［J］ ．陜西建筑，2008，34（29）：339-340．

［5］劉磊，薛強，梁冰，等．垃圾填埋場封場后氣體產(chǎn)出及釋放規(guī)律研究［J］．環(huán)境衛(wèi)生工程，2010，18 （1）：19-21．

［6］龔利華．生活垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)生量估算模型［J］．環(huán)境科學與技術(shù)，2009，32 （9）：73-76．

Landfill Gas Generation Model Based on Difference of Gas Generation Rate of Waste

Yu Miao，Zhang Fang，An Jianjie
（Tianjin Environmental Sanitation Engineering Design Institute，Tianjin 300201）

According to the waste characteristics of Dahanzhuang Waste Landfill Site，the gas generation model in CJJ 133—2009 was discussed．The waste was divided into rapid biodegradable group and slowly biodegradable group while values of gas generation rate constant were taken for two groups respectively．The results showed that the peak volume of gas generation was 30．296 million m3/a occurred in the first year after closure，and gas volume in the tenth year will decrease to 29．0%of peak volume．Compared with the model recommended by CJJ 133—2009，the improved model had higher gas generation volume and peak volume was 9．8%higher than that of the recommendation model during landfill operations．And after closure，the improved model had the more rapid decay rate，but gas volumes of two models begin to reflect convergence in the tenth year．

landfill gas；gas generation model；gas generation rate constant

X701

A

1005-8206（2012）04-0045-04

2012-06-24

于淼（1985—），主要從事固體廢物處理處置與資源化。E-mail：yumiao_85@sina．com。

（責任編輯：劉冬梅）