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        西藏日喀則市垃圾填埋場(chǎng)甲烷產(chǎn)量預(yù)測(cè)及資源化利用研究

        2019-11-23 09:04:02周鵬周文武窮達(dá)卓瑪汪晶李揚(yáng)旦增
        關(guān)鍵詞:日喀則市填埋場(chǎng)甲烷

        周鵬,周文武,窮達(dá)卓瑪,汪晶,李揚(yáng),旦增

        (西藏大學(xué)理學(xué)院,西藏拉薩市850000)

        伴隨著城市化的快速發(fā)展,我國(guó)城市生活垃圾處理已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的又一個(gè)突出問題[1]。相關(guān)研究表明:近幾年我國(guó)城市生活垃圾的產(chǎn)生量正以5%~10%的速度逐年遞增[2],截至2016年底,我國(guó)城市生活垃圾年產(chǎn)生量已達(dá)2.15億t,約占世界生活垃圾總產(chǎn)量的1/4[3]。而垃圾填埋處理方式因其建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和管理成本低,對(duì)進(jìn)場(chǎng)垃圾要求低以及操作方便等原因在我國(guó)被廣泛應(yīng)用[4],截至2016年底,我國(guó)城市生活垃圾的61.7%主要以衛(wèi)生填埋的方式進(jìn)行處理[5]。垃圾填埋場(chǎng)在投入運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的垃圾滲濾液和填埋氣體等對(duì)周邊環(huán)境造成較高的二次污染風(fēng)險(xiǎn)。如填埋氣體,其主要成分甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2):(1)CH4的溫室效應(yīng)影響是CO2的21倍,將對(duì)全球氣候造成不利影響[6-8];(2)甲烷是易燃?xì)怏w,當(dāng)其在空氣中體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 5%~15% 時(shí),極易發(fā)生爆炸[9,10];(3)填埋氣體中的揮發(fā)性有機(jī)化合物毒性較大,對(duì)附近居民的健康具有較高的危害性;(4)填埋氣體會(huì)遷移至土壤,造成植物根系缺氧,影響植物生長(zhǎng)等[9,10]。同時(shí),填埋氣體也可以作為一種清潔的可再生能源利用,研究表明:CH4在填埋氣中占 45%~50%,總發(fā)熱量可達(dá)40020 kJ/m3,是一種利用價(jià)值較高的清潔燃料[11,12]。

        西藏作為我國(guó)國(guó)家重要生態(tài)安全屏障,其生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)一直備受關(guān)注[13]。然而,由于西藏地廣人稀、鄉(xiāng)鎮(zhèn)間距甚遠(yuǎn)的特點(diǎn),生活垃圾運(yùn)輸、處理和管理不利,致使西藏地區(qū)城鎮(zhèn)生活垃圾主要以填埋方式進(jìn)行處理處置[14],覆蓋全區(qū)七地(市)各縣。據(jù)西藏自治區(qū)住建廳相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料,西藏地區(qū)已建設(shè)運(yùn)營(yíng)了104座生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)。通過對(duì)日喀則市生活垃圾填埋場(chǎng)甲烷產(chǎn)生量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估,探究其綜合利用方式,可減少?gòu)U氣排放,營(yíng)造良好的區(qū)域生態(tài)環(huán)境;可節(jié)約資源、提高資源利用率,對(duì)城市垃圾資源化利用具有重要意義,也是減少溫室氣體的有效途徑。

        1 填埋場(chǎng)概況

        日喀則市垃圾填埋場(chǎng)所在區(qū)域?qū)俑咴瓬貛О敫珊禋夂?,年均降雨量?39 mm,年均蒸發(fā)量為2448 mm,年均日照時(shí)間為3233 h。填埋場(chǎng)位于距日喀則市城南辦事處曲夏居委會(huì)多林溝內(nèi),地理坐標(biāo)為東經(jīng):88°55′18.23″—88°55′35.16″,北緯:29°17′55.37″—29°18′16.63″,海拔約 3860 m。該垃圾填埋場(chǎng)采用分區(qū)、分格堆置法,垃圾進(jìn)場(chǎng)先經(jīng)計(jì)算稱重后,按預(yù)先劃好的區(qū)、格卸下,再用推土機(jī)將其推平攤鋪均勻,垃圾壓實(shí)機(jī)壓實(shí)后覆土。其總庫(kù)區(qū)面積約15萬(wàn)m2。由于日喀則市人口數(shù)量少(2000年建場(chǎng),2010年約16.4萬(wàn)人),垃圾收集、運(yùn)輸機(jī)械化程度低,初期建設(shè)庫(kù)容量約為125萬(wàn)m3,垃圾日處理量為155 t左右;隨著日喀則市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、機(jī)械化程度的提高以及衛(wèi)生配套設(shè)施的完善,垃圾收運(yùn)效率將會(huì)有很大提高,此外,預(yù)計(jì)2010年日喀則市總?cè)丝跀?shù)量將達(dá)到25萬(wàn)人,因此,2012年場(chǎng)區(qū)進(jìn)行了改擴(kuò)建工程,擴(kuò)建庫(kù)容量達(dá)到了215萬(wàn)m3,垃圾日處理量為267 t左右,2020年投入運(yùn)營(yíng),設(shè)計(jì)使用年限為20年。

        2 生活垃圾組分及產(chǎn)生量

        2.1 生活垃圾組分

        由于目前對(duì)日喀則市生活垃圾組分調(diào)查分析的研究較少,日喀則作為西藏自治區(qū)第二大城市(拉薩為西藏自治區(qū)首府),兩者生活水平、飲食結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等相差不大,因此,借鑒、引用旦增等教授[15]“西藏拉薩市市區(qū)生活垃圾物理特性分析”的研究結(jié)果為文中的分析評(píng)估依據(jù),其組分詳細(xì)見表1。

        表1 拉薩市生活垃圾組分表 %

        2.2 生活垃圾產(chǎn)生量(估算)

        依據(jù)西藏日喀則市生活垃圾填埋場(chǎng)一期和二期工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)文件以及第五次和第六次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù):2000年日喀則市常住人口約10萬(wàn)人;2010年約17萬(wàn)人;2020年約50萬(wàn)人;2010年日喀則市區(qū)垃圾產(chǎn)生量約194 t/d,清運(yùn)量約155 t/d;2020年垃圾產(chǎn)生量約295 t/d,清運(yùn)量約267 t/d,此外,日喀則市生活垃圾填埋場(chǎng)也是附近部分縣域生活垃圾傾倒場(chǎng)。結(jié)合填埋場(chǎng)實(shí)際進(jìn)場(chǎng)垃圾量,期間生活垃圾清運(yùn)量變化如表2所示。

        表2 日喀則市生活垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)垃圾量預(yù)測(cè)

        3 研究方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

        目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于填埋場(chǎng)CH4排放量的計(jì)算模型主要有動(dòng)力學(xué)模型(包括Gardner動(dòng)力學(xué)模型和Marticoren動(dòng)力學(xué)模型)[16]和統(tǒng)計(jì)模型(包括IPCC模型、化學(xué)計(jì)量式模型)[16]兩種類型[17]。IPCC模型是聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)《國(guó)家溫室氣體排放清單》中提出的填埋氣產(chǎn)生量估算模型[18],用于計(jì)算某一垃圾統(tǒng)計(jì)量最終產(chǎn)生的甲烷總量。其評(píng)價(jià)模型如下:

        式中:Q 為第 t年產(chǎn)生的 CH4量,m3/a;DOC(t)為某年可降解有機(jī)碳。

        劉桐武等[19]對(duì)中國(guó)城市生活垃圾中可降解有機(jī)碳成分進(jìn)行了相關(guān)研究,將我國(guó)垃圾降解有機(jī)碳分為5類:廚余垃圾(A)、紙類(B)、織物(C)、竹木(D)、灰渣(E),計(jì)算公式如下:

        此外,參考國(guó)內(nèi)相關(guān)研究,取值0.09;其他相關(guān)參數(shù)見表3。

        表3 IPCC一階衰減模型參數(shù)的意義及取值方法

        4 結(jié)果與討論

        4.1 甲烷產(chǎn)生量預(yù)測(cè)結(jié)果

        依照IPCC預(yù)測(cè)模型,對(duì)日喀則市垃圾填埋場(chǎng)自封場(chǎng)后甲烷產(chǎn)生量進(jìn)行了預(yù)測(cè)評(píng)估,結(jié)果如表4所示。

        表4 甲烷產(chǎn)生量變化趨勢(shì)

        結(jié)果表明:日喀則市垃圾填埋場(chǎng)在2020年封場(chǎng)之后,其甲烷氣體的產(chǎn)氣量緩慢下降,2021年產(chǎn)氣量為387.49 m3/h,今后10年其平均產(chǎn)氣量為225.286萬(wàn)m3/a。

        4.2 甲烷的回收價(jià)值及效益評(píng)估

        (1)填埋氣體中甲烷的能源效益評(píng)估,首先應(yīng)通過相關(guān)模型計(jì)算其是否具有回收利用價(jià)值。其主要依據(jù)為甲烷導(dǎo)致的溫室效應(yīng)是CO2的21倍,可以通過計(jì)算甲烷收集、回收利用后可獲得的CO2減排量(以CO2當(dāng)量計(jì))來(lái)衡量其利用價(jià)值大小,其計(jì)算公式如下[18,23,24]:

        式中:TAvail·CO2eq為總減排量,以 CO2當(dāng)量噸數(shù)計(jì);AF 為調(diào)整因子(本研究為0%);%VOL為甲烷在填埋氣中所占的百分比;QAvail為填埋氣總量;ρCH4為甲烷密度,0.0007168 t/m3。

        由于降水、溫度等因素導(dǎo)致甲烷實(shí)際收集量一般小于理論收集量,一般實(shí)際收集率在40%~60%,文中取值60%。結(jié)果表明:以2021年為研究基準(zhǔn)年,甲烷焚燒利用,可使得當(dāng)年CO2排放量減少729.6 t;自2021—2030年,CO2排放量減少 4844 t。

        (2)相關(guān)研究表明:垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體的熱值約為18 MJ/m3(甲烷體積分?jǐn)?shù)為50%),則1 m3填埋氣體的熱能相當(dāng)于1.5 kW·h電能[25]。日喀則市生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體經(jīng)焚燒發(fā)電產(chǎn)生的電能見表5。

        表5 日喀則垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體發(fā)電能力預(yù)測(cè)

        結(jié)果表明:理論上近10年內(nèi),日喀則市垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體經(jīng)焚燒發(fā)電可產(chǎn)生231.45 kW/h的電能。但是,由于填埋場(chǎng)整體產(chǎn)氣量較少,發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷較低,因此,日喀則市垃圾填埋場(chǎng)不適宜進(jìn)行填埋氣發(fā)電項(xiàng)目,需要采用其他方式收集和處理填埋氣體。

        5 結(jié)論與建議

        5.1 結(jié)論

        通過對(duì)日喀則市垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估,得出以下結(jié)論。

        (1)日喀則市垃圾填埋場(chǎng)自封場(chǎng)后填埋氣體產(chǎn)生量將逐年減少,近10年產(chǎn)氣量約2252.86萬(wàn)m3,平均產(chǎn)氣量為225.286萬(wàn)m3/a。

        (2)日喀則市垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體經(jīng)焚燒后可減少CO2排放量約4844 t(以CO2當(dāng)量計(jì)),對(duì)減少溫室氣體的排放、營(yíng)造良好的氣候環(huán)境具有重要意義。

        (3)經(jīng)評(píng)估分析,西藏日喀則市垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體不適宜進(jìn)行焚燒發(fā)電,其甲烷氣體產(chǎn)生量不能滿足發(fā)電機(jī)組工作負(fù)荷,需采取其他處理方式。

        5.2 建議

        通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn),垃圾填埋場(chǎng)填埋氣的利用方式主要有:甲烷燃燒發(fā)電將其轉(zhuǎn)換成電能;甲烷和燃煤聯(lián)合發(fā)電;直接用作鍋爐、窯爐等的加熱燃料;凈化后與城市天然氣/煤氣混合作民用燃料;凈化和壓縮后作為汽車燃料;作化工材料、燃料電池等利用方式[26-28]。其中心理念為收集回收利用甲烷氣體,提高資源利用率,降低填埋氣體及其他成分造成的大氣環(huán)境污染。結(jié)合文中預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果、日喀則垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)狀及環(huán)保理念,建議日喀則市垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體采用火炬焚燒的方式進(jìn)行處理,以減少大部分甲烷對(duì)環(huán)境的影響。

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