石建屏，徐黎黎，孫會寧，王忠祥，申東

（1.綿陽職業(yè)技術學院材料工程系，四川綿陽621000；2.綿陽師范學院資源環(huán)境工程學院，四川綿陽621000）

城市生活垃圾填埋氣測算及資源化利用研究

石建屏1，徐黎黎1，孫會寧1，王忠祥1，申東2

（1.綿陽職業(yè)技術學院材料工程系，四川綿陽621000；2.綿陽師范學院資源環(huán)境工程學院，四川綿陽621000）

應用IPCC（2006）模型，對綿陽市生活垃圾填埋場2005—2014年填埋氣產(chǎn)生量進行測算，根據(jù)可回收填埋氣計算甲烷燃燒實現(xiàn)的CO2減排量、產(chǎn)生的熱量和發(fā)電量，分析垃圾填埋場甲烷氣體回收利用潛力和環(huán)境經(jīng)濟效益。結果表明甲烷產(chǎn)量、CO2減排量、甲烷直接利用和發(fā)電項目能源輸出量快速增長；2014年各項指標均達到最大值，其中甲烷產(chǎn)生量6.52×106m3、CO2減排量58.89×103t、產(chǎn)生熱量13 627 MJ/h、發(fā)電量1.14 MW·h，該年度之后各項均呈逐年下降趨勢。通過甲烷直接燃燒及碳減排量交易及甲烷用作民用燃料或發(fā)電，可獲得良好的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

城市垃圾；填埋氣；甲烷；回收利用

我國城市生活垃圾每年產(chǎn)生量近1.6億t，60%以上采用衛(wèi)生填埋方式進行處理；雖然具有投資小、管理簡單等優(yōu)勢，但是填埋場產(chǎn)生氣和滲濾液對環(huán)境形成二次污染的壓力。填埋氣主要成分甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排入大氣中，CH4溫室效應是CO2的21倍，對全球氣候造成不利影響。CH4在填埋氣中占45%～50%，總發(fā)熱量40 020 kJ/m3，是一種利用價值較高的清潔燃料。應用IPCC（2006）模型對垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)量進行估算，我國城市垃圾的甲烷潛在產(chǎn)量為299.3萬t，體積41.86億m3，發(fā)電量128億kW·h。歐洲委員會的機構EurObserv'ER 2010年11月報告顯示，2009年歐盟回收利用的填埋氣相當于300萬t標準油，發(fā)電量達93.6億kW·h[1-3]。填埋氣中的甲烷是巨大的可再生資源，測算甲烷產(chǎn)量和研究回收利用價值對于城市垃圾的資源化利用具有重要意義。

國外估算模型包括理論模型（動力學模型、化學方程式模型、可生物降解成分模型）和經(jīng)驗模型（Land GEM模型、Scholl Canyon模型）兩大類型[4-5]。采用聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會的推薦IPCC（2006）模型，對四川省綿陽市垃圾填埋場填埋氣LFG（Landfill Gas）產(chǎn)生量進行測算，根據(jù)甲烷回收利用實現(xiàn)的碳減排量（CO2當量）和用于發(fā)電時可輸出的能量進行回收利用潛力分析，提出城市垃圾填埋場甲烷回收利用方式選擇的建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 IPCC模型

垃圾填埋場產(chǎn)氣階段所持續(xù)的時間受填埋垃圾的可生物降解性、溫度、濕度、初始壓實程度及能否得到營養(yǎng)物質(zhì)等因素的影響。IPCC模型是聯(lián)合國政府間氣候變化委員會《國家溫室氣體排放清單》中提出的填埋氣產(chǎn)生量估算模型[6]，如式（1）。

式中：Q為第t年的甲烷產(chǎn)量；MSW（Tx）為城市固廢產(chǎn)生總量（t）；MSW（Fx）為垃圾填埋率；A=（1-e-k）/k，為修正總量的歸一化因子，k為甲烷產(chǎn)生速率，1/a；L0為產(chǎn)甲烷潛能，t/t。產(chǎn)甲烷潛能，t/t；MCF(t)為第t年的甲烷修正因子；DOC(t)為第t年的可降解有機碳含量比例，%；DOCf為可降解有機碳降解百分比，%；F為填埋氣中甲烷所占的比例，%。

劉桐武等對中國城市生活垃圾可降解有機碳成分研究，將我國垃圾降解有機碳分為5類：廚余垃圾（A）、紙類（B）、織物（C）、竹木（D）、灰渣（E），計算公式修正如式（2）[4]。

DOC（t）=0.07A+0.26B+0.3C+0.28D+0.037E （2）

垃圾中可降解有機物紙類、織物等在L0的計算中貢獻很大，而灰渣等不可降解物質(zhì)則很小。

（1）k值：k值大小由垃圾濕度、產(chǎn)甲烷的微生物是否有足夠的營養(yǎng)、pH值和溫度等因素決定。k值越高，填埋場總體甲烷產(chǎn)生量在填埋垃圾期間就會上升得越快，同時在到達產(chǎn)氣高峰后也會下降得越快。模型給出了我國3個氣候區(qū)域k值的推薦值，如表1[7]。

表1 甲烷產(chǎn)生率k值

參考國內(nèi)垃圾填埋場如深圳下坪、廣州大田山和重慶長生橋等均取k值為0.162，四川與重慶自然條件幾乎一樣，但灰渣等不可降解的物質(zhì)含量稍高，可取k值0.15[8]。

（2）L0值：IPCC方法通過對我國不同地理位置垃圾成分數(shù)據(jù)計算，并與數(shù)個填埋場實際氣體回收量的數(shù)據(jù)進行對比得出L0的推薦值。我國3個氣候區(qū)域L0推薦值如表2[7-8]。

表2 我國三大氣候區(qū)L0的推薦值 m3·t-1

L0計算值：甲烷修正因子MCF根據(jù)IPCC提供的參考值（表3）取1.0；降解比例DOCf根據(jù)IPCC提供的值為0.5～0.6，取0.5；填埋氣中甲烷所占比例F取0.5；可降解有機碳含量比例DOC(t)根據(jù)公式（2）和城市生活垃圾的組成進行計算。

（3）MSWT（x）×MSWF（x）為垃圾填埋量：可根據(jù)城市生活垃圾填埋量實際統(tǒng)計結果確定。

表3 固廢處置場所分類及其甲烷修正因子（MCF）

1.2 甲烷回收利用潛力

應用模型估算填埋氣體是否具有回收利用價值，再進行甲烷利用方式的設計。甲烷是填埋氣中的主要成分，也是重要的溫室氣體；根據(jù)其溫室效應是CO2的21倍，計算回收填埋氣可獲得的CO2減排量（以CO2當量計）[6-8]，如式（3）。

式中： TAvail.CO2eq指總減排量，以CO2當量噸數(shù)計；調(diào)整因子AF（本項目為0%）；%VOL是甲烷在填埋氣中所占的百分比；QAvail是填埋氣總量；ρCH4為甲烷密度，0.000 716 8 t/m3。

1.3 數(shù)據(jù)來源

綿陽市地處中國東部季風區(qū)的四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，氣候四季分明；年平均空氣相對濕度在70%以上，城區(qū)平均氣溫在16.8℃左右；夏、秋雨水充沛，平均年降水量為798 mm。城區(qū)主導風向為東北風和東北東風，平均風速為1.6～2 m/s。全市總面積20 249.45 km2，城市建成區(qū)面積103 km2。2015年總人口為545.48萬人，城鎮(zhèn)化率48.0%，2012年邁入大城市行列。2015年國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）1 700.33億元，社會消費品零售總額879.16億元。隨著城市建設和經(jīng)濟高速發(fā)展，市民物質(zhì)文化生活水平提高，日益增長的消費能力為城市帶來了大量的生活垃圾。2013年中心城區(qū)每天生活垃圾清運量達到700 t，相當于人均產(chǎn)生生活垃圾0.7 kg，垃圾的分類收集、衛(wèi)生填埋和資源化利用成為城市管理的工作。2004—2013年綿陽市人口、GDP、填埋垃圾量等數(shù)據(jù)來源于《四川省統(tǒng)計年鑒》和《綿陽市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》。

2 結果與討論

2.1 甲烷產(chǎn)生量測算值

根據(jù)公式（2）和表4數(shù)據(jù)計算可降解有機碳含量比例DOC(t)為8.32%，L0值為23.07 kg/t，折合為32.18 m3/t?；谟嬎阒岛虸PCC推薦值，本次垃圾填埋甲烷產(chǎn)生潛力L0值取42 m3/t，k值取0.15。

垃圾填埋場的甲烷產(chǎn)生量和可回收量如圖1，垃圾填埋當年2005年的甲烷產(chǎn)量均為零，每年甲烷產(chǎn)量實際是上一年度每年垃圾填埋產(chǎn)氣量的疊加值。最大產(chǎn)氣量年份出現(xiàn)在2014年，即垃圾填埋場封場之后的第一年，甲烷產(chǎn)量為6.52×106m3；2005年至2014年甲烷的產(chǎn)生量呈快速增長態(tài)勢；2014年之后甲烷產(chǎn)生量逐年下降。

表4 綿陽市生活垃圾的組成[8]

圖1 填埋場的甲烷產(chǎn)生量和可回收量

填埋場可回收氣體的多少直接關系到利用方式和利用效率，確定本填埋場產(chǎn)氣量的收集率為60%，可以計算出甲烷的可回收量，如圖1，2014年甲烷最大可回收量為3.91×106m3。

2.2 可獲得碳減排量

填埋場收集的甲烷進行能源利用，用于替代部分其他能源如天然氣、煤等，可從替代能源中獲得額外的碳減排量。在估算甲烷回收量的基礎上，按公式（2）計算甲烷燃燒后可獲得的CO2減排量和碳交易收益；對收集的填埋氣通過火炬燃燒的方式進行處理，可以實現(xiàn)溫室氣體的減排。由圖2看出，在2014年可實現(xiàn)最大減排量58.89×103t；按北京碳排放權交易所場外交易價格約50元/t計算[7]，對收集的甲烷進行火炬燃燒時可實現(xiàn)CO2減排量的碳交易收益，最高一年可獲得收益超過294萬元。碳交易收入在100萬元以上的年份共計有14年。因此，將甲烷燃燒后實現(xiàn)的碳減排量用于市場交易，可獲得較高的經(jīng)濟效益，對于一個填埋場來說將是一筆不少的收入。

2.3 甲烷的能源效益

填埋場收集的甲烷作為能源利用，可以產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益，填埋氣的能源利用方式主要有兩種，即直接利用和發(fā)電項目。直接利用項目指甲烷用于鍋爐燃燒產(chǎn)生熱能，轉換效率為85%的能源輸出量；發(fā)電項目可得能源輸出量指氣體用于機組消耗發(fā)電，轉換效率為30%時的能源輸出量。甲烷直接利用和發(fā)電項目的能源輸出量如圖3。甲烷用于鍋爐燃燒產(chǎn)生熱能，如果在10 000 MJ/h以上具有利用價值時，2012—2016年5年間可以回收利用的熱能總量為58 924 MJ/h；若將甲烷預處理后，輸入城市管網(wǎng)用作居民生活用氣，按照當?shù)靥烊粴鈨r格1.98元/m3計算，平均每年可獲得670萬元的收入，經(jīng)濟效益非?？捎^。甲烷用于機組發(fā)電，假設能源輸出量在800 kW·h以上具有利用價值，2011—2016年 6年間可回收利用的電能總量為5.72 MW·h，能夠供應一臺標準往復式內(nèi)燃發(fā)電機組運行；若將電能輸入國家電網(wǎng)，按照居民生活用電最高檔次價格計算，不足萬元收入，不具有太大的經(jīng)濟效益。

圖2 甲烷回收獲得的CO2減排量和碳交易收益

圖3 甲烷直接利用和發(fā)電項目的能源輸出量

因此，甲烷達到回收利用價值的時間段長短取決于垃圾填埋場甲烷產(chǎn)量，產(chǎn)氣量過低則回收利用價值降低。發(fā)電項目的一臺標準往復式發(fā)電機組（814 kW）投資成本高達284萬美元[6]，加上管理維護成本、發(fā)電設備使用年限等因素，一般垃圾填埋場不適宜建發(fā)電項目；填埋氣直接利用項目用于生產(chǎn)或生活燃燒能源具有可觀經(jīng)濟效益，實際應用時應該考慮燃氣管網(wǎng)等基建的投資和運行維護成本。

2.4 討論

城市生活垃圾填埋場從開始運行至封場一般10～15年時間，多采用火炬燃燒的方式處理填埋氣，其他利用方式對于大型垃圾填埋場，從規(guī)劃建設、工程施工、垃圾填埋直至封場整個過程，應該考慮填埋氣的處理問題。收集利用填埋氣體具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益：（1）推廣垃圾分類收集方法。填埋氣的產(chǎn)生量與垃圾成分有關，可降解垃圾比例越大，填埋氣中甲烷含量也會更高。（2）中小城鎮(zhèn)及農(nóng)村垃圾集中填埋。大型填埋場甲烷產(chǎn)量具有回收利用價值的時間段較長，估算結果為填埋氣處理方式設計及填埋場基礎設施建設提供依據(jù)。（3）經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益三者兼顧。特大型以上城市垃圾填埋場應考慮配套甲烷回收利用項目；大型城市通過火炬燃燒至少可以消除部分甲烷對環(huán)境的影響，或經(jīng)過預處理用作民用燃料。

3 結論

應用IPCC模型，對城市生活垃圾填埋場的甲烷產(chǎn)氣量實證計算，并對甲烷產(chǎn)氣量回收利用的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益研究分析，可以得到以下結論。

（1）甲烷產(chǎn)生量的主要影響因素為填埋場地的自然環(huán)境、生活垃圾的組成特性和累積填埋量，最大產(chǎn)氣量出現(xiàn)在垃圾填埋場封場之后的第一年，即該年度之前甲烷產(chǎn)量呈快速增長隨后逐年下降。

（2）甲烷回收直接利用或火炬燃燒，可以減少溫室氣體的排放，最高年份可實現(xiàn)碳減排58.89×103t（CO2當量值）；通過碳排放權市場交易，可獲得超過294萬元的收益，具有可觀的環(huán)境和經(jīng)濟效益。

（3）甲烷直接用于鍋爐燃燒產(chǎn)生熱能或用于機組發(fā)電產(chǎn)生電能，按標準估計，具有5～6年的回收利用價值，時間段長短取決于垃圾填埋場每年甲烷產(chǎn)量。甲烷利用方式對比結果說明，直接利用項目具有比較好的經(jīng)濟效益，最高一年可獲得774萬元的收入；而發(fā)電項目則不適宜一般垃圾填埋場建設。

[1]卜美東，張?zhí)?中國城市生活垃圾填埋氣甲烷產(chǎn)量評估[J].可再生能源，2012，30(5):89-94.

[2]周效志，桑樹勛，曹麗文.我國垃圾填埋氣資源化現(xiàn)狀與對策研究[J].可再生能源，2012，30(2):92.

[3]英瑜雯，張樹深.垃圾填埋場填埋氣體產(chǎn)氣量計算方法研究[J].綠色科技，2010，34(5)：34-36.

[4]劉桐武，趙斌陽.沈陽市老虎沖垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)量估算[J].環(huán)境保護與循環(huán)經(jīng)濟，2012(10):57-61.

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Estimation of gas production from urban solid waste landfill and its utilization benefit

SHI Jianping1,XU Lili1,SUN Huining1,WANG Zhongxiang1,SHEN Dong2
（1.Department of Materials Engineering,Mianyang Occupation Technical College,Mianyang 621000,China; 2.School of Natural Resource and Environmental Engineering,Mianyang Normal University,Mianyang 621000,China）

The IPCC 2006 model was used to estimate the production amount and the recoverable amount of landfill gas(LFG)from 2005 to 2014 in Mianyang City.According to the amount of recycling methane(CH4),the carbon dioxide emission reduced and thepowerenergy outputgenerated by methane combustion were calculated,and the LFG's recoverable and utilizable potential was analyzed.The results indicated that methanegas production,reducing carbon dioxide emission and power energy outputincrease rapidly during 2005～2014,themethane production6.52×106m3,the carbon dioxideemission reduced 58.89×103t,methane direct utilization 13 627 MJ/h and energy output 1.14 MWh of the project is largest in 2014,then the change trend of the result curve is decreased gradually.In addition to the environmental benefit,the good economicbenefits can be obtained from boiler combustion and electricity generation are really huge for a landfill site.

urbansolid waste;landfill gas(LFG);methane(CH4);recycling

X799.3

A

1674-0912（2016）12-0032-04

2016-10-11）

四川省教育廳科研項目（16ZB0461）；全國建材職業(yè)教育教學指導委員會科研課題（JCZY1509）

石建屏（1963-），女，教授，研究方向：分析化學、環(huán)境監(jiān)測與評價。