吳重實，鄭德會

（成都市城市環(huán)境管理科學(xué)研究院，四川 成都 610031）

成都市長安垃圾填埋場填埋氣體產(chǎn)氣規(guī)律及其應(yīng)用研究

吳重實，鄭德會

（成都市城市環(huán)境管理科學(xué)研究院，四川 成都 610031）

通過成都長安垃圾填埋場現(xiàn)場打井抽氣試驗，對城市生活垃圾填埋氣體的產(chǎn)氣過程及規(guī)律進行研究，結(jié)果表明：該填埋場填埋氣體主要成分為CH459．5%、CO237．5%，呈現(xiàn)出了較高的甲烷濃度。垃圾分解狀態(tài)良好，保持了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。采用IPCC指南推薦公式算出長安垃圾填埋場2010—2033年每年填埋氣體產(chǎn)生速率為1 400～4 500 m3/h，在2010年后的10 a中，該產(chǎn)氣量能保證3 MW的發(fā)電量，具有較好的經(jīng)濟效益。

垃圾填埋場；填埋氣體成分；填埋氣體產(chǎn)氣量

在垃圾填埋過程中，由于微生物的厭氧作用，垃圾中的可降解生物質(zhì)在穩(wěn)定化降解過程中產(chǎn)生大量填埋氣體（LFG）。由于填埋氣體含有硫化氫、硫醇、硫醚、氨氣、鹵代烴等多種惡臭性、刺激性和有害性氣體，對人體健康和環(huán)境帶來不良影響，但同時含大量甲烷，具有很高的熱能價值，又是一種很好的再生資源，處理得當(dāng)，會變廢為寶，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。因此，對城市生活垃圾填埋氣體的產(chǎn)氣過程及規(guī)律進行研究，旨在為提高填埋氣體的安全控制與綜合應(yīng)用提供基本技術(shù)參數(shù)。

1 成都市長安垃圾填埋場基本概況

成都市長安垃圾填埋場始建于1993年，分為一期工程和二期工程。一期工程占地55．73 hm2，庫容1 135萬m3，同年投入使用，于2009年封場，并于同年啟用二期工程。根據(jù)垃圾填埋場管理辦公室的進場統(tǒng)計結(jié)果顯示，截至2008年，進場填埋垃圾量共計約為1 530萬t。

根據(jù)政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC） 分類標(biāo)準，對2008年長安垃圾填埋場中的進場垃圾進行了物理成分分析，其結(jié)果如表1所示。

結(jié)果顯示，成都市長安垃圾填埋場進場垃圾可降解物質(zhì)組成比例為74．24%，含量相對較高。

表1 成都市長安垃圾填埋場進場垃圾物理成分 %

2 試驗場地及方法

本次試驗主要針對一期工程垃圾填埋氣體成分及產(chǎn)氣規(guī)律進行分析與研究。

2.1 試驗場地

在現(xiàn)場安裝了3口垂直檢驗井。檢驗井的安裝位置為：垃圾填埋場上側(cè)覆土面2個，中間填埋段1個。

檢驗井的設(shè)置綜合考慮了垃圾填埋涵蓋的時期、填埋深度、垃圾場的地形等因素。

2.2 試驗方法

檢驗井采用鉆頭直徑200 mm的鉆井機，鉆孔深度為15 m，鉆孔完畢后在其中安放了直徑100 mm的碳鋼孔管，周圍填充卵石。在上方500 mm深度位置加蓋了膨潤土進行密封處理。在檢驗井的上方分別安裝了變徑接頭、彎頭和球閥，為采樣提供了較佳的便利性，而且有效防止了非采樣期間填埋氣體外泄等問題，如圖1所示。

3 填埋氣體檢測與分析

本次試驗主要檢測分析了填埋氣體中CH4、CO2和O2的體積濃度。檢驗井安裝完畢后，分別在1月和3月采用GA2000型沼氣監(jiān)測儀對填埋氣體基本成分進行了分析，其結(jié)果如表2、3所示。

圖1 檢驗井垂直剖面示意

表2 第1次填埋氣體基本成分分析結(jié)果%

表3 第2次填埋氣體基本成分分析結(jié)果%

檢測結(jié)果表明，CH4和CO2總體平均濃度分別為59．5%和37．5%，說明垃圾分解狀態(tài)良好，且分解有機性物質(zhì)含量較高，保持較為穩(wěn)定狀態(tài)。

另外在2次測試中，3口井的甲烷平均濃度為58．0%～65．8%，有差異但差值不大，由此可以判斷整個填埋區(qū)垃圾腐熟度相似，均處于比較良好的分解狀態(tài)。

4 填埋氣體產(chǎn)生量預(yù)測

4.1 填埋氣體產(chǎn)氣預(yù)測模型

目前，國內(nèi)外研究者對填埋氣體產(chǎn)生量研發(fā)有多種模型［1-5］，筆者選用《IPCC-國家溫室氣體清單優(yōu)良作法指南和不確定性管理》 （以下簡稱《IPCC指南》） 指導(dǎo)公式進行計算。

CH4在某年（t）的產(chǎn)生量（Gg/a）=Σx［（A×k×MSWT（x）×MSWF（x）×L0（x））×e-k（t-x）］。

其中x為起始年至計算當(dāng)年（t）。

式中：t為清單計算當(dāng)年；x為應(yīng)加上投入數(shù)據(jù)的年份；A=（1-e-k）/k為修正總量的歸一化因子；k為甲烷產(chǎn)生率常數(shù)（a-1）；MSWT（x）為某年 （x） 的固體廢物 （MSW） 總量 （Gg/a）；MSWF（x） 為某年（x）在固體廢物處理場處理的廢物的比例；L0為垃圾潛在甲烷產(chǎn)生量（Gg/Gg）。

潛在甲烷產(chǎn)生量是根據(jù)填埋的垃圾種類及成分來決定的。根據(jù)《IPCC指南》，在進場垃圾的物理成分中，將可降解物質(zhì)中含有的碳含量及可分解的有機碳含量（DOC）作為標(biāo)準來計算潛在甲烷產(chǎn)生量（L0）。

式中：DOC為可分解有機碳含量；DOCf為DOC實際分解比例；MCF為甲烷修正因子；F為填埋氣體中甲烷濃度；16/12為甲烷/碳分子質(zhì)量比。

4.2 長安垃圾場填埋氣體預(yù)測參數(shù)確定

4.2.1 潛在的填埋氣體產(chǎn)生量（L0）

根據(jù)2008年對成都市長安垃圾填埋場的垃圾進行物理成分的分析結(jié)果來看，對可分解的有機碳含量（DOC）進行測算，選用《IPCC指南》所提供的公式，利用缺省的碳含量對潛在填埋氣體產(chǎn)生量進行了計算。

式中：A為固體廢物中紙張和織物所占的比例；B為固體廢物中花園廢物、公園廢物或其他非食物有機物易腐爛物質(zhì)所占的比例；C為固體廢物中食物廢物所占的比例；D為固體廢物中木材或秸稈所占的比例。

計算得出，成都市長安垃圾場垃圾的DOC為15．77%，根據(jù)《IPCC指南》所提供的L0公式，得出L0=0．046（t/）t。

4.2.2 填埋氣體產(chǎn)生速度常數(shù)（k）及其他變數(shù)

k通過垃圾中含有的水分、垃圾分解后生成CH4和CO2的微生物所產(chǎn)生的營養(yǎng)物質(zhì)利用度、垃圾的pH、垃圾層的溫度等諸多因素來予以確定。

垃圾填埋場的氣候條件若不是高溫多濕的熱帶氣候，通常采用默認值0．05；年度降雨量不足635 mm的區(qū)域，則適用干旱地區(qū)的標(biāo)準。成都市的年均降雨量為800 mm左右，年平均氣溫為16℃左右。成都地區(qū)不屬于熱帶氣候區(qū)域或干燥地區(qū)，因此采用常規(guī)數(shù)值0．05 a-1。

作為其他適用的變數(shù)，通過現(xiàn)場調(diào)查，從檢驗井中測量的CH4濃度為57%～63%。而這一濃度為自然產(chǎn)氣狀態(tài)下的測量值，而如果加強采氣量時，通常填埋氣體濃度會降低。因此，作為泛用標(biāo)準，在本案例中以50%作為CH4濃度標(biāo)準。長安垃圾填埋場從1993年開始啟用，早期管理尚未達到國際普遍水平，但普遍填埋深度均大于5 m，按照《IPCC指南》選擇MCF值為0．8，DOCf為0．5～0．6 范圍內(nèi)，取值為 0．55。

4.3 長安垃圾填埋場填埋氣體產(chǎn)生量預(yù)測結(jié)果

按照成都市固廢處理計劃，2011年將無原生垃圾進場，因此填埋垃圾量以1993—2010年填埋量來計算。

通過上述預(yù)測模型及確定的參數(shù)以及長安垃圾場歷年的垃圾填埋量，最終計算出長安垃圾場從2010—2033年填埋氣體產(chǎn)生速率為1 400～4 500 m3/h，如圖2所示。

圖2 1993—2033年甲烷產(chǎn)氣量

從圖2可以看出，2010年產(chǎn)氣量達到1個峰值，之后逐年下降，但到2020年產(chǎn)氣量仍達到2 750 m3/h，具有較好的應(yīng)用前景。目前常用的填埋氣體利用方式一般有用于鍋爐燃料、民用或作工業(yè)燃氣、汽車燃氣或者用于發(fā)電，而用于發(fā)電的工程實例最多。從成都長安垃圾填埋場甲烷產(chǎn)氣量來看，在2010年后的10 a中，該流量能保證3 MW的發(fā)電量，具有較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論與建議

1）成都長安垃圾填埋場垃圾填埋氣體主要成分為CH459．5%，CO237．5%，呈現(xiàn)出了較高的甲烷濃度。垃圾分解狀態(tài)良好，且分解的有機性物質(zhì)含量較高，保持了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

2） 采用《IPCC指南》指導(dǎo)公式預(yù)測出長安垃圾填埋場2010—2033年每年填埋氣體產(chǎn)生速率為1 400～4 500 m3/h，在2010年后的10 a中，該產(chǎn)氣量能保證3 MW發(fā)電量，具有較好的經(jīng)濟效益，同時又帶來很大的環(huán)境效益和社會效益，應(yīng)盡快加以實施。

［1］ Biswas J，Chowdhury R，Bhattcharya P．Mathematical Modeling for the Prediction of Biogas Generation Characteristics an Anaerobic Digester Based on Food/vegetable Residues［J］．Biomass Bioenergy，2007，31（1）：80-86．

［2］ Associates E．A Feasibility Study of Recovery of Methane from ParcelⅠ：One of the Scholl Canyon Sanitary Landfills for the City of Glendale，California［R］．Michigan：Ann Arbor Science PublishersInc，1978．

［3］ Ritzkowski M，Stegmann R．Controlling Greenhouse Gas Emissions through Landfill in Situ Aeration［J］．Int J Greenh Gas Con，2007，1 （3）：281-288．

［4］侯貴光．垃圾填埋氣體產(chǎn)氣模型研究［D］．北京：北京師范大學(xué)，2003．

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Generation Regularities and Application of LFG from Chengdu Chang’an Waste Landfill Site

Wu Zhongshi,Zheng Dehui
（Chengdu Urban Environment Management Science Institute,Chengdu Sichuan 610031）

Through landfill gas(LFG)onsite extraction trial in Chengdu Chang’an Waste Landfill Site,the LFG generation process and regularities of municipal domestic waste were studied．The results showed that the main LFG components were CH4(59．5%)and CO2(37．5%)．It showed a high level content of CH4,and good and stable state of waste degradation．According to the IPCC guide,the LFG output was 1 400～4 500 m3/h during 2010 to 2033,and it also can provide enough gas to generate electricity of 3 MW at least in the following 10 years after 2010 with better economic benefits．

waste landfill site；landfill gas component；output of landfill gas

X701

A

1005-8206（2012）05-0046-03

2012-07-09

吳重實（1981─），工程師，主要從事固體廢物處理方面的研究與工程設(shè)計。

E-mail：2873449@qq．com。

（責(zé)任編輯：鄭雯）