基于垃圾產(chǎn)氣速率差異的填埋氣體產(chǎn)生量預(yù)測(cè)模型的探討

于 淼，張 芳，安建杰

（天津市環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院，天津 300201）

基于垃圾產(chǎn)氣速率差異的填埋氣體產(chǎn)生量預(yù)測(cè)模型的探討

于 淼，張 芳，安建杰

（天津市環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院，天津 300201）

根據(jù)大韓莊垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)垃圾的特性，對(duì)CJJ 133—2009的產(chǎn)氣預(yù)測(cè)模型進(jìn)行探討。將垃圾分為快速降解和慢速降解2部分，對(duì)產(chǎn)氣速率常數(shù)分別取值。結(jié)果表明：產(chǎn)氣峰值發(fā)生在封場(chǎng)后的第1年，達(dá)到3 029．6萬(wàn)m3/a，封場(chǎng)后第10年產(chǎn)氣量降低至峰值的29．0%。與CJJ 133—2009推薦模型相比，填埋期間本研究使用模型的產(chǎn)氣量更高，峰值可高出9．8%。封場(chǎng)后該模型產(chǎn)氣量的衰減速率也更快，但在第10年后兩者的產(chǎn)氣量開(kāi)始逐漸趨同。

填埋氣體；產(chǎn)氣模型；產(chǎn)氣速率常數(shù)

CJJ 133—2009生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范推薦的產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)模型來(lái)源于美國(guó)環(huán)保局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的背景文件，其以混合垃圾確定1個(gè)降解速率常數(shù)為依據(jù)在國(guó)外有著廣泛的應(yīng)用。但我國(guó)生活垃圾成分與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距，主要體現(xiàn)為垃圾含水率高、廚余垃圾比例較大等，造成垃圾降解周期短，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)早，可利用的產(chǎn)氣階段持續(xù)時(shí)間相對(duì)短［1］，不同垃圾組分的降解速率存在差異。而且S．G．Arigala等［2］按照降解能力將垃圾劃分為若干組分并建立產(chǎn)氣模型，取得較好的預(yù)測(cè)效果。因此，筆者根據(jù)我國(guó)垃圾成分的主要特點(diǎn)，充分考慮垃圾中不同組分降解能力的差異，對(duì)CJJ 133—2009產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行探討。

1 研究實(shí)例

大韓莊生活垃圾填埋場(chǎng)位于天津市津南區(qū)南八里臺(tái)鎮(zhèn)大韓莊村，總占地面積約66．67 hm2。填埋庫(kù)區(qū)采用分期建設(shè)形式，其中1號(hào)庫(kù)區(qū)于2005年竣工并投入使用，有效庫(kù)容約400萬(wàn)m3，目前進(jìn)入地面以上的填埋作業(yè)階段。填埋氣體采用被動(dòng)排放方式，利用導(dǎo)氣石籠及導(dǎo)氣管作為填埋氣體的導(dǎo)出通道，直接排放至大氣。

2 研究方法

CJJ 133—2009中認(rèn)為廚余、紙類(lèi)、竹木、織物、灰土（含有無(wú)法撿出的有機(jī)物）等5類(lèi)可以分解產(chǎn)生填埋氣體。其中，廚余垃圾的產(chǎn)氣速率較快，能夠快速到達(dá)產(chǎn)氣高峰，屬于快速降解垃圾；而紙類(lèi)、織物、竹木的降解速率較慢，降解周期長(zhǎng)，較晚才能到達(dá)產(chǎn)氣峰值期，屬于慢速降解垃圾。本研究將垃圾分為快速、慢速降解垃圾，對(duì)兩者的降解速率進(jìn)行討論，分別計(jì)算各組分所產(chǎn)生的填埋氣體，并將結(jié)果與CJJ 133—2009的推薦方法加以比較分析。

2.1 預(yù)測(cè)模型

本研究參考 CJJ 133—2009推薦的 Scholl Canyon一維動(dòng)力學(xué)模型，分別計(jì)算垃圾中快速、慢速降解成分的理論產(chǎn)氣量，見(jiàn)公式（1）：

式中：Gn為填埋場(chǎng)在投運(yùn)后第n年的填埋氣體產(chǎn)氣量，m3/a；Mt為填埋場(chǎng)在第t年填埋的垃圾量，t；i=1，2，分別代表快速、慢速降解垃圾；Li為單位質(zhì)量垃圾中快速（或慢速） 降解成分的最大產(chǎn)氣量，m3/t；ki為快速（或慢速）降解垃圾的產(chǎn)氣速率常數(shù)，a-1；n為自填埋場(chǎng)投運(yùn)年至計(jì)算年的年數(shù)，a；f為填埋場(chǎng)封場(chǎng)時(shí)的填埋年數(shù)，a；t為從垃圾進(jìn)入填埋場(chǎng)時(shí)算起的時(shí)間，a。

可以看出，Li和ki的確定是計(jì)算理論產(chǎn)氣量的關(guān)鍵參數(shù)。CJJ 133—2009給出這2個(gè)參數(shù)的估算方法。

2.2 參數(shù)的確定

2.2.1 垃圾填埋量Mt的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)

大韓莊垃圾填埋場(chǎng)2005—2010年累計(jì)填埋垃圾約126萬(wàn)t，平均填埋量為21萬(wàn)t/a。根據(jù)填埋作業(yè)規(guī)劃，預(yù)計(jì)2011年垃圾處理量為27萬(wàn)t/a，此后逐年遞增5%，使用年限至2018年。本文計(jì)算2011—2035年的產(chǎn)氣量，以掌握填埋期間及封場(chǎng)的產(chǎn)氣變化規(guī)律。

2.2.2 垃圾最大產(chǎn)氣量Li

CJJ 133—2009中Li的估算采用可生物降解模型，該模型認(rèn)為可降解垃圾在降解過(guò)程中遵循質(zhì)量守恒原理。填埋氣體主要成分是CH4和CO2，因此可近似認(rèn)為填埋氣體是由垃圾中的碳元素轉(zhuǎn)化而來(lái)。但垃圾中只有具備可生物降解性的部分能夠轉(zhuǎn)化為填埋氣體，并且還要考慮可降解有機(jī)碳的降解率。其計(jì)算公式為：

式中：1．867為有機(jī)碳完全轉(zhuǎn)化為CH4和CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)；ω為垃圾含水率，%；fj為快速（或慢速） 降解垃圾中第j種成分的比例，%；Cj為干基狀態(tài)下第j種成分的有機(jī)碳含量，%；φj為第j種成分的可降解有機(jī)碳降解率，%。

1）垃圾成分。據(jù)調(diào)查，該填埋場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)垃圾主要包括津南區(qū)、西青區(qū)、和平區(qū)、河西區(qū)、南開(kāi)區(qū)的生活垃圾。參考2009年和2010年《天津市城市生活垃圾調(diào)查》，經(jīng)計(jì)算，垃圾平均含水率為57．81%，干基狀態(tài)下的垃圾各組分的均值見(jiàn)表1。

表1 大韓莊填埋場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)垃圾物理組成的均值 %

2） 可降解有機(jī)碳含量Cj。CJJ 133—2009給出了干基狀態(tài)下的各類(lèi)成分的Cj推薦值，如表2所示?？紤]到灰土的主要成分是街掃土，其中“無(wú)法撿出的有機(jī)物”成分難以辨別、含量較低、可降解性不高，故本研究不考慮灰土成分。

表2 生活垃圾中可降解有機(jī)碳含量推薦值（干基） %

3） 可降解有機(jī)碳降解率φj。CJJ 133—2009對(duì)可降解有機(jī)碳的降解率進(jìn)行了解釋?zhuān)唇o出推薦值。在實(shí)際的降解情況中，一部分可降解有機(jī)碳會(huì)隨滲瀝液排出，或成為微生物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此降解率應(yīng)小于1。《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)導(dǎo)則》第9章給出了典型垃圾中各組分的φ值，見(jiàn)表3。因此，廚余、紙類(lèi)、織物的φ采用導(dǎo)則的推薦值，分別為 0．8、0．5、0．2；竹木為庭院和木材φ推薦值的均值，即為0．6。

表3 可降解有機(jī)碳降解率的推薦值

2.2.3 產(chǎn)氣速率常數(shù)ki

產(chǎn)氣速率常數(shù)ki反映垃圾厭氧降解的速率，它受含水率、溫度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH、微生物量等多種因素的影響，是產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)。表4列出了部分模型的推薦值以及某些實(shí)驗(yàn)所得到的k值。

表4 國(guó)內(nèi)外研究的k參數(shù)數(shù)值

國(guó)內(nèi)大型填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)一般采用CJJ 133—2009推薦方法，將所有垃圾作為一個(gè)整體來(lái)考慮，不按照降解率進(jìn)行組分劃分，k一般取推薦范圍上下限的均值，即0．10 a-1。

本文模型需要對(duì)快速和慢速降解垃圾分別取ki值，體現(xiàn)2種組分降解能力的差異。ki的確定主要參考文獻(xiàn)［5-6］，取其均值，快速降解垃圾k1定為 0．16 a-1，慢速降解垃圾 k2定為0．06 a-1。

3 結(jié)果與討論

3.1 最大產(chǎn)氣量Li

經(jīng)計(jì)算，快速降解垃圾L1為100.04 m3/t，慢速降解垃圾L2為29.19 m3/t。垃圾中廚余垃圾所占比例較大，其可降解有機(jī)碳的降解率較高，使得快速降解垃圾的產(chǎn)氣潛能較大。

美國(guó)環(huán)保局推薦的L為140～180 m3/t，其下限仍高于本研究的L=129.23 m3/t。這是因?yàn)楸疚闹械睦瘦^高，達(dá)到57.8%，導(dǎo)致其有機(jī)含量偏低，產(chǎn)氣潛能低于國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。我國(guó)垃圾的產(chǎn)氣潛能普遍低于國(guó)外［3］，因此，在預(yù)測(cè)填埋氣體產(chǎn)生量時(shí)，應(yīng)對(duì)垃圾的物理組分進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，根據(jù)CJJ 133—2009的方法計(jì)算L，避免使用經(jīng)驗(yàn)值而造成較大誤差。

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)本研究模型對(duì)大韓莊垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體產(chǎn)生量進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖1所示。在填埋期間，隨著垃圾進(jìn)場(chǎng)量的增加，填埋氣體產(chǎn)氣量逐漸提高，并在封場(chǎng)后的第1年（2019年）達(dá)到峰值，產(chǎn)氣量為3 029.6萬(wàn)m3/a。隨后產(chǎn)氣量逐年降低，在封場(chǎng)后的第10年（2028年） 降至878.4萬(wàn)m3/a，為產(chǎn)氣峰值的29.0%，到2035年降至376.2萬(wàn)m3/a，僅為產(chǎn)氣峰值的12.4%。

圖1 填埋氣體產(chǎn)氣量組成分析

從圖1中可以看出，快速降解垃圾的產(chǎn)氣量占總氣量比例較大，填埋期間從86.9%小幅度降為84.7%，封場(chǎng)后貢獻(xiàn)率迅速降低，最終降至52.7%。

3.3 與CJJ 133—2009推薦模型的對(duì)比

利用本研究模型和CJJ 133—2009推薦模型分別進(jìn)行產(chǎn)氣量的計(jì)算，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，無(wú)論采用何種計(jì)算方法，產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)大體相同。

本研究模型考慮了垃圾中不同組分降解能力的區(qū)別，由于快速降解垃圾的含量較高、降解速率較快，使得填埋期間的預(yù)測(cè)值大于CJJ 133—2009推薦模型，平均高出218.3萬(wàn)m3/a，其產(chǎn)氣峰值（3 029.6萬(wàn)m3/a） 高出推薦模型峰值（2 759.3萬(wàn) m3/a） 達(dá) 9.8%。

封場(chǎng)后，本研究模型產(chǎn)氣量的衰減速率更快，第3年2種模型的產(chǎn)氣量大體相同，隨后逐年低于推薦模型，并在第10年（2028年） 差異達(dá)到最大，為243.4萬(wàn)m3/a。隨后2種模型的產(chǎn)氣量差值逐漸減少，預(yù)計(jì)在預(yù)測(cè)期以后的年份內(nèi)，兩者的產(chǎn)氣量逐漸趨同。

在集氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)備選型時(shí)，一般使用產(chǎn)氣峰值作為設(shè)計(jì)依據(jù)。本研究模型和傳統(tǒng)模型的最大理論產(chǎn)氣量存在較大的差異，尤其對(duì)于國(guó)內(nèi)的大型填埋場(chǎng)，峰值的差距將會(huì)比本研究的數(shù)值更大。本研究模型為產(chǎn)氣量的預(yù)測(cè)提供了新的思路和方法，但模型的合理性、參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性仍需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)修正。

圖2 2種模型填埋氣體產(chǎn)氣量預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

1） 大韓莊垃圾填埋場(chǎng)的進(jìn)場(chǎng)垃圾含水率較高，且廚余垃圾所占比例較大，計(jì)算得到快速降解垃圾L1為100.04 m3/t，慢速降解垃圾L2為29.19 m3/t，其總量低于國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2）本研究模型將垃圾分為快速降解和慢速降解2類(lèi)，分別確定兩者的產(chǎn)氣速率常數(shù)。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，產(chǎn)氣峰值發(fā)生在封場(chǎng)后的第1年，達(dá)到3 029.6萬(wàn)m3/a，封場(chǎng)后第10年產(chǎn)氣量降至峰值的29.0%。

3） 與CJJ 133—2009的推薦模型相比，填埋期間本研究模型的產(chǎn)氣量更高，峰值可高出9.8%。封場(chǎng)后該模型產(chǎn)氣量的衰減速率更快，在第3年后低于推薦模型，但在第10年兩者的產(chǎn)氣量開(kāi)始逐漸趨同。

［1］龔少鵬.填埋氣體產(chǎn)量及處置方案評(píng)選研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［2］ Arigala S G，Theodre T T，Webster I A.Gas

Generation，Transport，and Extraction in Landfil［lJ］．J Environ Eng-ASCE，1995，121 （1）：33-44．

［3］劉景岳，徐文龍，黃文雄，等．垃圾填埋氣回收利用在我國(guó)的實(shí)踐［J］．中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007（10）：34-38．

［4］李志華，勾紅英．城市生活垃圾可生物降解組分降解規(guī)律的研究［J］ ．陜西建筑，2008，34（29）：339-340．

［5］劉磊，薛強(qiáng)，梁冰，等．垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)后氣體產(chǎn)出及釋放規(guī)律研究［J］．環(huán)境衛(wèi)生工程，2010，18 （1）：19-21．

［6］龔利華．生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣產(chǎn)生量估算模型［J］．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32 （9）：73-76．

Landfill Gas Generation Model Based on Difference of Gas Generation Rate of Waste

Yu Miao，Zhang Fang，An Jianjie
（Tianjin Environmental Sanitation Engineering Design Institute，Tianjin 300201）

According to the waste characteristics of Dahanzhuang Waste Landfill Site，the gas generation model in CJJ 133—2009 was discussed．The waste was divided into rapid biodegradable group and slowly biodegradable group while values of gas generation rate constant were taken for two groups respectively．The results showed that the peak volume of gas generation was 30．296 million m3/a occurred in the first year after closure，and gas volume in the tenth year will decrease to 29．0%of peak volume．Compared with the model recommended by CJJ 133—2009，the improved model had higher gas generation volume and peak volume was 9．8%higher than that of the recommendation model during landfill operations．And after closure，the improved model had the more rapid decay rate，but gas volumes of two models begin to reflect convergence in the tenth year．

landfill gas；gas generation model；gas generation rate constant

X701

A

1005-8206（2012）04-0045-04

2012-06-24

于淼（1985—），主要從事固體廢物處理處置與資源化。E-mail：yumiao_85@sina．com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）