王登玉 賈躍然 王淑娜

（河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，張家口075000）

0 引 言

填埋場(chǎng)產(chǎn)甲烷量是衛(wèi)生填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)和填埋氣發(fā)電廠設(shè)計(jì)中很重要的技術(shù)參數(shù)，由于產(chǎn)甲烷量只能在填埋場(chǎng)運(yùn)行的過程中測(cè)得，填埋場(chǎng)和填埋氣發(fā)電廠的設(shè)計(jì)先于填埋場(chǎng)的運(yùn)行，產(chǎn)甲烷量最初只能由估算得到.因此產(chǎn)甲烷量的估算將直接影響生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)和填埋氣發(fā)電廠的投資成本和運(yùn)行成本.

到目前為止，產(chǎn)甲烷模型共分為三類［1］，分別是缺省模型、化學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型.缺省模型和化學(xué)模型用于估算總產(chǎn)甲烷量，動(dòng)力學(xué)模型不僅可以估算總產(chǎn)甲烷量，還可估算逐年產(chǎn)甲烷量.三類模型中，動(dòng)力學(xué)模型考慮了產(chǎn)甲烷量隨時(shí)間的衰減因素更復(fù)雜一些，擁有的模型個(gè)數(shù)又最多.根據(jù)動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)，動(dòng)力學(xué)模型又分為零級(jí)模型、一級(jí)模型和二級(jí)模型.本文以廣州某生活垃圾填埋場(chǎng)為例，用零級(jí)動(dòng)力學(xué)模型估算逐年產(chǎn)甲烷量，并將估算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較.

1 零級(jí)模型簡(jiǎn)介

表1中Q為甲烷產(chǎn)氣速率m3／a；L0－單位質(zhì)量垃圾的產(chǎn)甲烷潛能m3／kg；W為濕垃圾填埋量（kg）；ω為濕垃圾含水率（%）；V0為單位干垃圾理論產(chǎn)沼氣量（m3／kg）；t0為一定量垃圾開始填埋時(shí)間；tf為垃圾產(chǎn)氣結(jié)束時(shí)間；0.35為1kgCOD的CH4理論產(chǎn)量為0.35m3；V為1kg填埋垃圾的有機(jī)物含量（%）；ow為可降解有機(jī)物含量；cw為可降解有機(jī)物含碳量；r為可降解有機(jī)碳分解百分率；1.867為1kg有機(jī)碳可轉(zhuǎn)化為1.867m3（CH4＋CO2）氣體；0.5為CH4和CO2氣體中CH4的含量.

表1 零級(jí)模型表達(dá)式

2 產(chǎn)甲烷量估算

2.1 背景資料

廣州某填埋場(chǎng)截止2010年底，總填埋量［3］達(dá)到1.9×107t，日均填埋量為6271t.該填埋場(chǎng)從2002年8月到2010年12月的各年垃圾填埋噸數(shù)分別是13×104t、134×104t、221×104t、236×104t、217×104t、239×104t、255×104t、288×104t和301×104t.該垃圾場(chǎng)垃圾物理組成如表2所示.

表2 填埋場(chǎng)垃圾組分、含水率及揮發(fā)性固體含量

元素組成如表3所示.

表3 垃圾各組分干基中化學(xué)元素組成

趙超等通過布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，得到2010年該填埋場(chǎng)甲烷的實(shí)際收集量為1.75×107m3.

2.2 參數(shù)確定

相關(guān)參數(shù)值根據(jù)Revised 1996IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoties：Reference Manual［4］、填埋場(chǎng)垃圾資料或文獻(xiàn)值確定.其中，產(chǎn)甲烷時(shí)間取值27年；產(chǎn)甲烷潛能L0為0.065m3／kg垃圾；COD為1.51kgO2／kg干垃圾；濕垃圾含水率為0.558；單位干垃圾理論產(chǎn)沼氣量為0.165m3／kg干垃圾；1kg填埋垃圾的有機(jī)物含量為93.7%；可降解有機(jī)物含碳量為0.524.

3 結(jié)果與討論

根據(jù)填埋場(chǎng)年填埋垃圾資料和該填埋場(chǎng)生活垃圾的物理組成和元素組成資料，利用零級(jí)模型表達(dá)式，計(jì)算出逐年產(chǎn)甲烷量.以產(chǎn)甲烷時(shí)間27年計(jì)，各模型逐年產(chǎn)甲烷量如圖1所示.

圖1 零級(jí)模型估算值與真實(shí)值比較

圖1中，（1）表示以COD模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型，（2）表示以可生物降解為基礎(chǔ)的零級(jí)模型，（3）表示以概化分子模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型，（4）表示SWANA零級(jí)模型，水平虛線和垂直虛線的交點(diǎn)表示2010年產(chǎn)甲烷量實(shí)測(cè)值，垂直虛線和各曲線的交點(diǎn)表示2010年（從2002年8月開始的第9年）產(chǎn)甲烷量估算值.

從圖1可以看出，四個(gè)零級(jí)模型逐年產(chǎn)甲烷量的變化曲線是一致的，即從填埋開始產(chǎn)甲烷量逐漸增大，在運(yùn)行期末達(dá)到最大，此后經(jīng)歷一個(gè)穩(wěn)定產(chǎn)氣期，再在產(chǎn)氣期內(nèi)逐漸衰減為0，這種梯形狀變化曲線是零級(jí)模型逐年產(chǎn)甲烷量的典型變化曲線.

以COD模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型逐年產(chǎn)甲烷量的估算值最大，SWANA零級(jí)模型逐年產(chǎn)甲烷量的估算值最小.由于以COD模型為基礎(chǔ)零級(jí)模型的COD值包含了可降解有機(jī)物和不可降解有機(jī)物的COD值，由該模型得到的產(chǎn)甲烷估算值在所有模型估算值中最大.SWANA零級(jí)模型產(chǎn)甲烷潛能采用了文獻(xiàn)值，估算值與其他零級(jí)模型比最小，這與課題組估算張家口市某填埋場(chǎng)產(chǎn)甲烷量結(jié)果［5］一致.

2010年該填埋場(chǎng)產(chǎn)甲烷量估算值分別是（1）15.4×107m3＞（2）11.4×107m3＞（3）5.1×107m3＞（4）4.5×107m3.同2010年實(shí)測(cè)值相比，與實(shí)測(cè)值差距由小到大的零級(jí)模型的順序是SWANA零級(jí)模型、以概化分子模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型、以可生物降解模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型、以COD模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型.顯然，SWANA零級(jí)模型的可用性最好，估算值與實(shí)測(cè)值的比值為2.6.

4 結(jié) 論

零級(jí)模型逐年產(chǎn)甲烷量在產(chǎn)甲烷年限內(nèi)先增大，后穩(wěn)定，最后減小到0，呈梯形狀曲線；同實(shí)測(cè)值相比，以COD模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型估算值與實(shí)測(cè)值差距最大，以概化分子模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型和以可生物降解模型為基礎(chǔ)的零級(jí)模型差距次之，SWANA零級(jí)模型差距最?。挥昧慵?jí)模型估算產(chǎn)甲烷量，SWANA零級(jí)模型是最適合模型.

［1］王登玉.填埋場(chǎng)填埋氣的產(chǎn)氣量估算［J］.可再生能源，2013，31（4）：112～119

［2］彭緒亞.垃圾填埋氣產(chǎn)生及遷移過程模擬研究［D］.重慶：重慶大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院.2004

［3］趙超，趙玲，陳曉梅，等.城市生活垃圾填埋場(chǎng)甲烷收集效率研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（4）：955～959

［4］IPCC.Revised 1996IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoties：Reference Manual［M］.Geneva：IPCC，1996

［5］王登玉，羅義.新零級(jí)模型估算產(chǎn)甲烷量的研究［J］.可再生能源，2014，32（5）：699～702