成都市長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體產(chǎn)氣規(guī)律及其應(yīng)用研究

吳重實(shí)，鄭德會(huì)

（成都市城市環(huán)境管理科學(xué)研究院，四川 成都 610031）

成都市長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體產(chǎn)氣規(guī)律及其應(yīng)用研究

吳重實(shí)，鄭德會(huì)

（成都市城市環(huán)境管理科學(xué)研究院，四川 成都 610031）

通過成都長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)打井抽氣試驗(yàn)，對(duì)城市生活垃圾填埋氣體的產(chǎn)氣過程及規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明：該填埋場(chǎng)填埋氣體主要成分為CH459．5%、CO237．5%，呈現(xiàn)出了較高的甲烷濃度。垃圾分解狀態(tài)良好，保持了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。采用IPCC指南推薦公式算出長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)2010—2033年每年填埋氣體產(chǎn)生速率為1 400～4 500 m3/h，在2010年后的10 a中，該產(chǎn)氣量能保證3 MW的發(fā)電量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

垃圾填埋場(chǎng)；填埋氣體成分；填埋氣體產(chǎn)氣量

在垃圾填埋過程中，由于微生物的厭氧作用，垃圾中的可降解生物質(zhì)在穩(wěn)定化降解過程中產(chǎn)生大量填埋氣體（LFG）。由于填埋氣體含有硫化氫、硫醇、硫醚、氨氣、鹵代烴等多種惡臭性、刺激性和有害性氣體，對(duì)人體健康和環(huán)境帶來不良影響，但同時(shí)含大量甲烷，具有很高的熱能價(jià)值，又是一種很好的再生資源，處理得當(dāng)，會(huì)變廢為寶，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。因此，對(duì)城市生活垃圾填埋氣體的產(chǎn)氣過程及規(guī)律進(jìn)行研究，旨在為提高填埋氣體的安全控制與綜合應(yīng)用提供基本技術(shù)參數(shù)。

1 成都市長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)基本概況

成都市長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)始建于1993年，分為一期工程和二期工程。一期工程占地55．73 hm2，庫容1 135萬m3，同年投入使用，于2009年封場(chǎng)，并于同年啟用二期工程。根據(jù)垃圾填埋場(chǎng)管理辦公室的進(jìn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，截至2008年，進(jìn)場(chǎng)填埋垃圾量共計(jì)約為1 530萬t。

根據(jù)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)（IPCC） 分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2008年長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)中的進(jìn)場(chǎng)垃圾進(jìn)行了物理成分分析，其結(jié)果如表1所示。

結(jié)果顯示，成都市長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)垃圾可降解物質(zhì)組成比例為74．24%，含量相對(duì)較高。

表1 成都市長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)垃圾物理成分 %

2 試驗(yàn)場(chǎng)地及方法

本次試驗(yàn)主要針對(duì)一期工程垃圾填埋氣體成分及產(chǎn)氣規(guī)律進(jìn)行分析與研究。

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

在現(xiàn)場(chǎng)安裝了3口垂直檢驗(yàn)井。檢驗(yàn)井的安裝位置為：垃圾填埋場(chǎng)上側(cè)覆土面2個(gè)，中間填埋段1個(gè)。

檢驗(yàn)井的設(shè)置綜合考慮了垃圾填埋涵蓋的時(shí)期、填埋深度、垃圾場(chǎng)的地形等因素。

2.2 試驗(yàn)方法

檢驗(yàn)井采用鉆頭直徑200 mm的鉆井機(jī)，鉆孔深度為15 m，鉆孔完畢后在其中安放了直徑100 mm的碳鋼孔管，周圍填充卵石。在上方500 mm深度位置加蓋了膨潤(rùn)土進(jìn)行密封處理。在檢驗(yàn)井的上方分別安裝了變徑接頭、彎頭和球閥，為采樣提供了較佳的便利性，而且有效防止了非采樣期間填埋氣體外泄等問題，如圖1所示。

3 填埋氣體檢測(cè)與分析

本次試驗(yàn)主要檢測(cè)分析了填埋氣體中CH4、CO2和O2的體積濃度。檢驗(yàn)井安裝完畢后，分別在1月和3月采用GA2000型沼氣監(jiān)測(cè)儀對(duì)填埋氣體基本成分進(jìn)行了分析，其結(jié)果如表2、3所示。

圖1 檢驗(yàn)井垂直剖面示意

表2 第1次填埋氣體基本成分分析結(jié)果%

表3 第2次填埋氣體基本成分分析結(jié)果%

檢測(cè)結(jié)果表明，CH4和CO2總體平均濃度分別為59．5%和37．5%，說明垃圾分解狀態(tài)良好，且分解有機(jī)性物質(zhì)含量較高，保持較為穩(wěn)定狀態(tài)。

另外在2次測(cè)試中，3口井的甲烷平均濃度為58．0%～65．8%，有差異但差值不大，由此可以判斷整個(gè)填埋區(qū)垃圾腐熟度相似，均處于比較良好的分解狀態(tài)。

4 填埋氣體產(chǎn)生量預(yù)測(cè)

4.1 填埋氣體產(chǎn)氣預(yù)測(cè)模型

目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)填埋氣體產(chǎn)生量研發(fā)有多種模型［1-5］，筆者選用《IPCC-國(guó)家溫室氣體清單優(yōu)良作法指南和不確定性管理》 （以下簡(jiǎn)稱《IPCC指南》） 指導(dǎo)公式進(jìn)行計(jì)算。

CH4在某年（t）的產(chǎn)生量（Gg/a）=Σx［（A×k×MSWT（x）×MSWF（x）×L0（x））×e-k（t-x）］。

其中x為起始年至計(jì)算當(dāng)年（t）。

式中：t為清單計(jì)算當(dāng)年；x為應(yīng)加上投入數(shù)據(jù)的年份；A=（1-e-k）/k為修正總量的歸一化因子；k為甲烷產(chǎn)生率常數(shù)（a-1）；MSWT（x）為某年 （x） 的固體廢物 （MSW） 總量 （Gg/a）；MSWF（x） 為某年（x）在固體廢物處理場(chǎng)處理的廢物的比例；L0為垃圾潛在甲烷產(chǎn)生量（Gg/Gg）。

潛在甲烷產(chǎn)生量是根據(jù)填埋的垃圾種類及成分來決定的。根據(jù)《IPCC指南》，在進(jìn)場(chǎng)垃圾的物理成分中，將可降解物質(zhì)中含有的碳含量及可分解的有機(jī)碳含量（DOC）作為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算潛在甲烷產(chǎn)生量（L0）。

式中：DOC為可分解有機(jī)碳含量；DOCf為DOC實(shí)際分解比例；MCF為甲烷修正因子；F為填埋氣體中甲烷濃度；16/12為甲烷/碳分子質(zhì)量比。

4.2 長(zhǎng)安垃圾場(chǎng)填埋氣體預(yù)測(cè)參數(shù)確定

4.2.1 潛在的填埋氣體產(chǎn)生量（L0）

根據(jù)2008年對(duì)成都市長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)的垃圾進(jìn)行物理成分的分析結(jié)果來看，對(duì)可分解的有機(jī)碳含量（DOC）進(jìn)行測(cè)算，選用《IPCC指南》所提供的公式，利用缺省的碳含量對(duì)潛在填埋氣體產(chǎn)生量進(jìn)行了計(jì)算。

式中：A為固體廢物中紙張和織物所占的比例；B為固體廢物中花園廢物、公園廢物或其他非食物有機(jī)物易腐爛物質(zhì)所占的比例；C為固體廢物中食物廢物所占的比例；D為固體廢物中木材或秸稈所占的比例。

計(jì)算得出，成都市長(zhǎng)安垃圾場(chǎng)垃圾的DOC為15．77%，根據(jù)《IPCC指南》所提供的L0公式，得出L0=0．046（t/）t。

4.2.2 填埋氣體產(chǎn)生速度常數(shù)（k）及其他變數(shù)

k通過垃圾中含有的水分、垃圾分解后生成CH4和CO2的微生物所產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用度、垃圾的pH、垃圾層的溫度等諸多因素來予以確定。

垃圾填埋場(chǎng)的氣候條件若不是高溫多濕的熱帶氣候，通常采用默認(rèn)值0．05；年度降雨量不足635 mm的區(qū)域，則適用干旱地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。成都市的年均降雨量為800 mm左右，年平均氣溫為16℃左右。成都地區(qū)不屬于熱帶氣候區(qū)域或干燥地區(qū)，因此采用常規(guī)數(shù)值0．05 a-1。

作為其他適用的變數(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，從檢驗(yàn)井中測(cè)量的CH4濃度為57%～63%。而這一濃度為自然產(chǎn)氣狀態(tài)下的測(cè)量值，而如果加強(qiáng)采氣量時(shí)，通常填埋氣體濃度會(huì)降低。因此，作為泛用標(biāo)準(zhǔn)，在本案例中以50%作為CH4濃度標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)從1993年開始啟用，早期管理尚未達(dá)到國(guó)際普遍水平，但普遍填埋深度均大于5 m，按照《IPCC指南》選擇MCF值為0．8，DOCf為0．5～0．6 范圍內(nèi)，取值為 0．55。

4.3 長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體產(chǎn)生量預(yù)測(cè)結(jié)果

按照成都市固廢處理計(jì)劃，2011年將無原生垃圾進(jìn)場(chǎng)，因此填埋垃圾量以1993—2010年填埋量來計(jì)算。

通過上述預(yù)測(cè)模型及確定的參數(shù)以及長(zhǎng)安垃圾場(chǎng)歷年的垃圾填埋量，最終計(jì)算出長(zhǎng)安垃圾場(chǎng)從2010—2033年填埋氣體產(chǎn)生速率為1 400～4 500 m3/h，如圖2所示。

圖2 1993—2033年甲烷產(chǎn)氣量

從圖2可以看出，2010年產(chǎn)氣量達(dá)到1個(gè)峰值，之后逐年下降，但到2020年產(chǎn)氣量仍達(dá)到2 750 m3/h，具有較好的應(yīng)用前景。目前常用的填埋氣體利用方式一般有用于鍋爐燃料、民用或作工業(yè)燃?xì)狻⑵嚾細(xì)饣蛘哂糜诎l(fā)電，而用于發(fā)電的工程實(shí)例最多。從成都長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)甲烷產(chǎn)氣量來看，在2010年后的10 a中，該流量能保證3 MW的發(fā)電量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論與建議

1）成都長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)垃圾填埋氣體主要成分為CH459．5%，CO237．5%，呈現(xiàn)出了較高的甲烷濃度。垃圾分解狀態(tài)良好，且分解的有機(jī)性物質(zhì)含量較高，保持了較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

2） 采用《IPCC指南》指導(dǎo)公式預(yù)測(cè)出長(zhǎng)安垃圾填埋場(chǎng)2010—2033年每年填埋氣體產(chǎn)生速率為1 400～4 500 m3/h，在2010年后的10 a中，該產(chǎn)氣量能保證3 MW發(fā)電量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又帶來很大的環(huán)境效益和社會(huì)效益，應(yīng)盡快加以實(shí)施。

［1］ Biswas J，Chowdhury R，Bhattcharya P．Mathematical Modeling for the Prediction of Biogas Generation Characteristics an Anaerobic Digester Based on Food/vegetable Residues［J］．Biomass Bioenergy，2007，31（1）：80-86．

［2］ Associates E．A Feasibility Study of Recovery of Methane from ParcelⅠ：One of the Scholl Canyon Sanitary Landfills for the City of Glendale，California［R］．Michigan：Ann Arbor Science PublishersInc，1978．

［3］ Ritzkowski M，Stegmann R．Controlling Greenhouse Gas Emissions through Landfill in Situ Aeration［J］．Int J Greenh Gas Con，2007，1 （3）：281-288．

［4］侯貴光．垃圾填埋氣體產(chǎn)氣模型研究［D］．北京：北京師范大學(xué)，2003．

［5］楊軍，黃濤，張西華．有機(jī)垃圾填埋過程產(chǎn)甲烷量化模型研究［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2007，20（5）：81-85．

Generation Regularities and Application of LFG from Chengdu Chang’an Waste Landfill Site

Wu Zhongshi,Zheng Dehui
（Chengdu Urban Environment Management Science Institute,Chengdu Sichuan 610031）

Through landfill gas(LFG)onsite extraction trial in Chengdu Chang’an Waste Landfill Site,the LFG generation process and regularities of municipal domestic waste were studied．The results showed that the main LFG components were CH4(59．5%)and CO2(37．5%)．It showed a high level content of CH4,and good and stable state of waste degradation．According to the IPCC guide,the LFG output was 1 400～4 500 m3/h during 2010 to 2033,and it also can provide enough gas to generate electricity of 3 MW at least in the following 10 years after 2010 with better economic benefits．

waste landfill site；landfill gas component；output of landfill gas

X701

A

1005-8206（2012）05-0046-03

2012-07-09

吳重實(shí)（1981─），工程師，主要從事固體廢物處理方面的研究與工程設(shè)計(jì)。

E-mail：2873449@qq．com。

（責(zé)任編輯：鄭雯）