張笑千， 宮 徽， 王凱軍， 甘海南， 張廣蘭

(1.清華大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084； 2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院 農(nóng)村環(huán)境保護(hù)中心， 北京 100012； 3.山東十方環(huán)保能源股份有限公司， 濟(jì)南 250101)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的不斷增加，我國生活垃圾的產(chǎn)生量也日益增大。據(jù)我國環(huán)保部門發(fā)布的《全國大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報(bào)》報(bào)道，2015年我國246個(gè)大、中城市生活垃圾產(chǎn)生量約為1.86億噸；預(yù)計(jì)到2020年，垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到2.2億噸。為了消納生活垃圾防止其產(chǎn)生環(huán)境污染，我國80%以上的垃圾采用衛(wèi)生填埋方式處理[1]，高含水率、易腐蝕性垃圾在填埋降解過程中會產(chǎn)生大量填埋氣。垃圾填埋氣成分較為復(fù)雜，主要成分為甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，還含有H2S，NH3，H2，烷烴、芳烴等揮發(fā)性有機(jī)物[2-3]。其中，CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是CO2的20倍以上，而且其在大氣中的滯留時(shí)間高達(dá)10年[4]。垃圾填埋場特殊的氣體產(chǎn)物使之成為不可忽視的溫室氣體排放源和大氣環(huán)境污染源。

另一方面，垃圾填埋氣還是一種清潔可再生能源和資源。填埋氣中CH4含量約占45%～60%，高位熱值約為18～23 MJ·m-3[5]，成分與性質(zhì)與天然氣相近，經(jīng)過提純精制后形成的生物天然氣可以作為天然氣的替代燃料。因此，制定適合我國國情的垃圾填埋氣收集利用全流程系統(tǒng)解決方案，在降低溫室效應(yīng)的同時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)填埋氣的資源化利用，彌補(bǔ)天然氣缺口，具有重大的資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)多重效益。

1 我國垃圾填埋氣收集利用現(xiàn)狀及存在問題

1.1 綜合管理環(huán)節(jié)薄弱、填埋氣收集與利用水平不高的現(xiàn)狀

我國頒布了多項(xiàng)城市生活垃圾處理方面的政策法規(guī)，大大促進(jìn)了垃圾填埋氣收集利用工作的順利開展。截止到2016年，我國生活垃圾無害化處理廠達(dá)到940座，其中衛(wèi)生填埋場數(shù)量為657個(gè)，占69%；隨著垃圾無害化處理廠數(shù)量增多，生活垃圾無害化日處理能力達(dá)到621351 噸，無害化處理率由2006年的52.2%增長到96.6%[6]。

然而，由于我國城市生活垃圾的衛(wèi)生填埋起步較晚，綜合管理環(huán)節(jié)薄弱，早期垃圾填埋場收集與利用填埋氣的技術(shù)水平較低，大量填埋氣仍處于無組織及無控制排放狀態(tài)，存在著嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和潛在的安全隱患。據(jù)報(bào)道，上海、北京、重慶、岳陽等城市均發(fā)生過填埋氣爆炸事故[1]。

1.2 收集、利用、裝備3方面欠缺的問題

基于對國內(nèi)外垃圾填埋場管理經(jīng)驗(yàn)及對我國垃圾填埋場行業(yè)現(xiàn)狀的分析，本文提出了我國垃圾填埋氣收集與高值利用工作仍存在的一些問題。

1.2.1 垃圾填埋氣收集模式粗放、收集效率低下

由于受到技術(shù)手段及設(shè)備成本的限制，國內(nèi)外均存在垃圾填埋場氣體收集模式粗放、收集效率低下的問題。國外有學(xué)者估計(jì)填埋氣收集系統(tǒng)的集氣效率普遍只有50%～60%。截至2010年底，我國已有的450座垃圾填埋場中，進(jìn)行填埋氣開發(fā)利用的填埋場僅有30余座，不足填埋場總量的7%[7]。在有限的填埋氣開發(fā)利用項(xiàng)目中，垃圾填埋氣高效收集技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)非常薄弱，常規(guī)集氣效率僅在40%左右[8-9]。因此，為了實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場溫室氣體減排及填埋氣規(guī)模性資源化開發(fā)利用，垃圾填埋氣的高效收集作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，相關(guān)核心技術(shù)及系統(tǒng)亟待研發(fā)。

1.2.2 垃圾填埋氣資源化利用手段單一、能效差

傳統(tǒng)垃圾填埋氣資源化利用方式包括直接燃燒、發(fā)電供熱等途徑。其中，直接燃燒的處理方式能量轉(zhuǎn)化率低，浪費(fèi)了填埋氣的高值利用潛力，已逐步被其它資源化方式所取代。而填埋氣發(fā)電易于實(shí)施且不受外部環(huán)境制約，近年來應(yīng)用逐漸增多，但填埋氣發(fā)電也存在局限：一方面發(fā)電效率與填埋氣產(chǎn)量和收集效率密切相關(guān)，因而填埋氣發(fā)電應(yīng)用受到填埋場規(guī)模、技術(shù)手段及設(shè)備成本的限制，使得大型填埋場更適合發(fā)電機(jī)組的要求，更易推廣應(yīng)用填埋氣發(fā)電這一利用途徑，而大多數(shù)中小型填埋場仍舊采用火炬燃燒甚至于任意排放的措施；另一方面，填埋場自身對電、熱的消耗需求有限，導(dǎo)致填埋氣甲烷的綜合資源化利用水平依然存在提高空間。

1.2.3 我國填埋氣甲烷分離技術(shù)的裝備水平低、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展不足

我國填埋氣甲烷分離技術(shù)的應(yīng)用起步晚，裝備水平低，早期技術(shù)裝備常依賴進(jìn)口，尤其是變壓吸附工藝與新興的膜分離工藝。與國內(nèi)大城市可以投入大量市政資金引進(jìn)國外先進(jìn)的填埋氣甲烷分離設(shè)備不同，中小城市受財(cái)政限制無力購買相關(guān)技術(shù)設(shè)備，從而限制了國內(nèi)填埋氣資源化利用規(guī)模的擴(kuò)大[10]。近年來雖然多種填埋氣甲烷分離技術(shù)在國內(nèi)取得一定的工程應(yīng)用與實(shí)踐，但是由于缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)的填埋氣甲烷分離與高值利用關(guān)鍵技術(shù)，而且配套裝備體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，需投入大量資金，因此，嚴(yán)重影響了我國填埋場溫室氣體減排及資源化利用的整體行業(yè)水平[7, 11]。

2 垃圾填埋氣收集利用環(huán)節(jié)優(yōu)化方案

2.1 垃圾填埋氣高效收集系統(tǒng)

本文提出垃圾填埋場專用的填埋氣高效收集系統(tǒng)，具體分為垃圾填埋場作業(yè)過程中填埋氣高效收集系統(tǒng)和填埋場封場后填埋氣高效收集系統(tǒng)。

2.1.1 垃圾填埋場作業(yè)過程中的填埋氣高效收集系統(tǒng)

目前我國的垃圾填埋場多采用傳統(tǒng)厭氧生物反應(yīng)器填埋，存在惡臭污染嚴(yán)重、滲濾液蓄積較深等問題。垃圾填埋場作業(yè)過程中，填埋作業(yè)面的CH4排放是填埋場的主要排放源，因此，有效控制填埋作業(yè)面的CH4排放是促進(jìn)填埋場甲烷減排的關(guān)鍵。針對此技術(shù)難點(diǎn)，本文提出小單元覆膜填埋與水平井收集相結(jié)合的填埋氣高效收集系統(tǒng)(見圖1)，利用高密度聚乙烯膜(HDPE膜)覆蓋垃圾填埋體，起到良好的氣體密封效果，并在膜下增設(shè)水平抽氣，收集遷移到膜下的填埋氣，從而提高垃圾填埋氣的收集效率。除此之外，該系統(tǒng)無需專門的鉆井設(shè)備，具有施工簡單、可同步進(jìn)行填埋作業(yè)與收集系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。

2.1.2 垃圾填埋場封場后的填埋氣高效收集系統(tǒng)

研究表明，垃圾填埋場封場后30～50年內(nèi)仍有填埋氣逸散的污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對封場后填埋氣的收集，也是實(shí)現(xiàn)填埋場溫室氣體控制減排不容忽視的重要環(huán)節(jié)。本文提出通過填埋場全面覆膜技術(shù)、滲濾液立體導(dǎo)排工藝與豎井收集系統(tǒng)(見圖2)，實(shí)現(xiàn)填埋場水分均勻分布和通暢導(dǎo)排的綜合控水技術(shù)思路，有效控制封場后垃圾填埋場的氣體逸散問題。

傳統(tǒng)豎井集氣系統(tǒng)采用螺旋鉆頭成孔安裝集氣管的建造方法。然而，由于鉆頭的擠壓與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得成型豎孔形成抹面，透氣性差，嚴(yán)重影響填埋氣的收集。除此之外，還存在滲濾液腐蝕鉆井設(shè)備、施工成本高等問題。本文基于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專有集氣豎井施工方法，形成了收集效率高，流量、壓力及成分穩(wěn)定的豎井高效收集系統(tǒng)。在連續(xù)長期運(yùn)營和監(jiān)測條件下，填埋場穩(wěn)定化可加速1倍以上，填埋氣體收集效率可由20%～40%提高到65%以上，滲濾液和惡臭污染得到有效控制，控制了填埋氣逸散。

2.2 基于變壓吸附的垃圾填埋氣甲烷高效分離技術(shù)優(yōu)化

垃圾填埋氣甲烷高效分離技術(shù)即去除填埋氣中的CO2，提高CH4含量，是實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場溫室氣體減排及填埋氣資源化利用的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用最為廣泛的甲烷分離提純工藝為變壓吸附法(Pressure Swing Adsorption, PSA)。基于變壓吸附的垃圾填埋氣甲烷分離工藝優(yōu)化可從以下兩個(gè)角度出發(fā)考慮。

圖2 福建省某處垃圾填埋場豎井高效收集系統(tǒng)工程現(xiàn)場照片

1.集氣管； 2.集氣管密封板； 3.排水管； 4.膨潤土層； 5.卵石； 6.垃圾堆體圖3 集氣豎井結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 新型高效吸附劑的研發(fā)

針對國產(chǎn)吸附劑性能較差的短板，通過研發(fā)硅膠基、炭基等新型高效吸附劑，促進(jìn)吸附材料的國產(chǎn)化，以滿足產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求。有學(xué)者[12]采用浸漬法對吸附材料進(jìn)行堿金屬及堿土金屬改性，比較了改性硅膠對CH4/CO2混合氣體的吸附分離性能，發(fā)現(xiàn)在吸附硅膠表面修飾1%BaCl2為最優(yōu)擔(dān)載量和修飾離子，增強(qiáng)了對CO2的誘導(dǎo)能力，可實(shí)現(xiàn)CH4/CO2混合氣體的分離因子達(dá)到9.55，與未改性吸附材料相比提高幅度達(dá)116%，是一種具有工業(yè)應(yīng)用潛力的硅膠基吸附劑。新型吸附劑的研發(fā)已逐漸應(yīng)用在多項(xiàng)填埋氣精制工程中，可為基于變壓吸附的垃圾填埋氣甲烷高效分離工藝優(yōu)化提供一條有效的技術(shù)路徑。

2.2.2 基于二級PSA過程的一體化高效甲烷分離工藝

針對常規(guī)變壓吸附技術(shù)甲烷回收率低(80%)的局限，本文提出基于二級PSA過程的一體化高效甲烷分離工藝，提高甲烷系統(tǒng)回收率達(dá)到98%以上。一體化系統(tǒng)一級變壓吸附過程選取四塔工藝，以實(shí)現(xiàn)分離甲烷濃度超過95%為目標(biāo)，優(yōu)化參數(shù)選取操作壓力0.6 MPa，兩次均壓、步長20s；第二級變壓吸附以實(shí)現(xiàn)一級系統(tǒng)CO2分離氣中甲烷的分離回收為目標(biāo)，采用雙塔吸附系統(tǒng)。填埋氣經(jīng)一體化系統(tǒng)分離提純后，CH4系統(tǒng)回收率達(dá)到98%以上，從而大大減少了填埋氣逸散。此外，CO2/CH4分離系數(shù)為50，提高了CH4分離效果，CH4和CO2產(chǎn)品氣的純度均可穩(wěn)定在95%以上，有利于后續(xù)資源化高值利用，其中CH4產(chǎn)品氣各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)《車用壓縮天然氣》(GB18047-2000)的要求。

2.3 基于變壓吸附、膜分離技術(shù)的集成化撬裝式垃圾填埋氣分離提純裝備

傳統(tǒng)填埋氣甲烷分離技術(shù)工藝的設(shè)備集成化程度有待提高。改善我國填埋氣甲烷分離技術(shù)裝備水平低、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展不足的現(xiàn)狀，是未來行業(yè)的重要任務(wù)。本文提出在填埋氣精制領(lǐng)域應(yīng)率先開展各處理單元的設(shè)備化、系列化、集成化研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用。以寧夏省某處垃圾填埋場對甲烷分離提純裝備的集成化為例，該工程自主研發(fā)設(shè)計(jì)了基于變壓吸附技術(shù)的集成化撬裝式垃圾填埋氣甲烷分離提純裝備，進(jìn)一步縮短了施工周期，減小了占地面積，為有效推廣變壓吸附技術(shù)應(yīng)用在填埋氣收集利用領(lǐng)域提供了一種新的解決方案(見圖4)。

圖4 寧夏省某處垃圾填埋氣分離提純裝備集成化工程現(xiàn)場照片

3 垃圾填埋氣收集利用全流程系統(tǒng)解決方案

結(jié)合國內(nèi)多處典型垃圾填埋場實(shí)際工程案例，我國垃圾填埋場在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和配套裝備示范方面已作出了一系列努力與嘗試。具體地來說，在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)方面，針對不同階段的填埋場(填埋作業(yè)中和封場后)，提出了垃圾填埋場溫室氣體高效收集系統(tǒng)；針對以變壓吸附過程為基礎(chǔ)的填埋氣甲烷高效分離技術(shù)，研發(fā)了新型吸附材料；針對傳統(tǒng)變壓吸附工藝甲烷回收率低(50%～80%)的局限，研發(fā)了基于二級PSA的一體化高效甲烷分離工藝，實(shí)現(xiàn)了回收率提升(90%以上)。在關(guān)鍵工藝單元設(shè)備化研發(fā)與裝備示范方面，針對變壓吸附填埋氣分離提純技術(shù)路線，分別完成了成套化設(shè)備開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了工藝的裝備化、系列化、集成化，形成了集成化撬裝式垃圾填埋氣精制裝置。本文以垃圾填埋場溫室氣體減排和填埋氣資源化利用為目標(biāo)，基于現(xiàn)有國內(nèi)工程案例實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出“高效收集-凈化提純預(yù)處理-資源化利用”的全流程系統(tǒng)解決方案(見圖5)，以期對垃圾填埋氣收集利用的各個(gè)流程環(huán)節(jié)提供技術(shù)支撐。

圖5 垃圾填埋氣收集利用全流程系統(tǒng)解決方案