淺談垃圾填埋場填埋氣的收集與利用

楊華明，李彩東，韓根深

（中國船舶重工集團公司 第七0三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151）

1 引言

我國是垃圾生產大國，僅生活垃圾的年產量就約2億t，垃圾對大氣、水體、土壤造成污染，從而影響生態環境及人們的生存環境。

目前國內外垃圾處理方式有：垃圾填埋、垃圾堆肥、制造衍生燃料、焚燒等。我國大部分生活垃圾采用填埋處理，填埋垃圾產生的大量沼氣就地排放至大氣中，不僅污染了空氣，而且資源化利用率很低。根據生活垃圾填埋處理的工藝特點，垃圾填埋場將產出大量的沼氣。沼氣是一種清潔衛生的生物燃氣，是一種燃燒值較高的綠色能源。但它又是一種不易輸送和儲藏的易燃易爆危險氣體，如果不及時合理地處理和利用，不僅會造成不必要的浪費，也會帶來一系列的安全隱患。而大量的生物沼氣流入空氣中，對環境有較大的影響，增加大氣的溫室效應。而與此同時，垃圾在填埋、污水處理過程中也需要消耗大量的電能和熱能。利用垃圾填埋場填埋氣在保護環境、減少大氣污染的同時，能夠化廢為寶。利用垃圾填埋場填埋氣也是一項資源綜合利用的項目。開展資源綜合利用，是我國一項重大的技術經濟政策，也是國民經濟和社會發展中一項長遠的戰備方針。

2 垃圾填埋氣的產生

填埋場產生的氣體往往需要幾個月才能達到一個穩定的量。在填埋的最初幾個星期或幾個月內，場內進行好氧的反應，主要產生CO2，滲入堆場的水及堆物的沉降將擠走垃圾空隙中的空氣，這樣，好氧階段釋放出的氣體仍然含有O2和N2。當堆場變成厭氧時，O2的釋放量降到幾乎為零，N2為低于1%的基本量。厭氧過程主要的氣體終產物為CO2和CH4。當甲烷菌增殖時，CH4產量的聚集相當緩慢。氣體的最終比率通常為甲烷占55%，二氧化碳占45%。該百分比因不同填埋場的條件會有很大變化。同時存在的微量的N2、H2S及乙烷、辛烷、庚烷等氣態碳氫化合物。一般垃圾填埋后要經歷以下4個階段（圖1）。

圖1 填埋場氣體成分隨時間的變化規律

Ⅰ 好氧期：持續時間為幾天到數周，產生的主要氣體是CO2；Ⅱ 厭氧、不產甲烷期：厭氧分解開始，產生大量的CO2和H2；Ⅲ厭氧、產甲烷不穩定期：出現甲烷，CO2的產生量減少，H2被耗盡；Ⅳ 厭氧、產甲烷穩定期：氣體的成分趨于穩定，通常要達到厭氧穩定狀態需1～2年的時間。

由于國內大部分城市填埋垃圾均未分揀和壓實，垃圾容重為340kg／m3，垃圾中水分、易腐蝕的有機物含量高，導致填埋垃圾產氣時間短、產量變化幅度大、氣體熱值較低。根據國內現有的研究數據，填埋垃圾在填埋后的1～2年內就開始產氣，并且迅速達到產氣高峰，在隨后的幾年中又迅速下降，整個產氣周期不超過15年。

3 填埋場產氣量預測

國外對沼氣量產生總結出了較為成熟的計算模式。這里主要介紹的計算方法是根據CDM方法學ACM0001（09.1 版）及相應工具“Tool to determine methane emissions avoided from disposal of waste at a solid waste disposal site”，事先計算出項目的減排量（tCO2e）（采用的是垃圾降解一級模型），再除以甲烷的全球增溫潛勢，得到填埋氣的產生量。

計算公式如下：

式中：BECH4，SWDS，y：項目活動開始到y 年末，因避免生活垃圾填埋處置而避免的甲烷產量（tCO2e）。

φ：模型不確定性校正因子；f：填埋氣收集后用于火炬燃燒、焚燒或其他用途的甲烷百分比；：甲烷全球增溫潛值（tCO2e／tCH4）；OX：填埋場甲烷氧化因子。采用2006IPCC缺省值；F：填埋氣中甲烷含量（體積比）。采用2006IPCC缺省值；DOCf：可降解有機碳（DOC）百分比。采用2006IPCC缺省值；MCF：甲烷校正因子。采用2006IPCC缺省值；Wj，x：第x年未填埋的j成分有機垃圾的量（tons）；DOCj：j成分垃圾中可降解有機碳的百分比（質量比）。采用2006IPCC缺省值；kj：j成分垃圾的降解速率。采用2006IPCC缺省值；j：垃圾種類；x：減排計入期，從第一個減排計入期第一年（x＝1）到計算減排的第y年（x＝y）；y：計算甲烷排放的年份。

式中：Wj，x：第x年未填埋的j成分有機垃圾的量（tons）；Wx：第x 年未填埋的有機垃圾的總量（tons）；Pn，j，x：第x年收集的樣本n 中j成分有機垃圾的重量比；z：第x年收集的樣本數量。

(2)FeCl2 溶液中Cl-、Fe2+、OH-等離子都可能在陽極上被氧化,若在該條件下(x≥a)Cl-放電最強,就可能只是Cl-放電生成Cl2,生成的Cl2再將Fe2+氧化。反應的方程式為:2Cl--2 e-==Cl2,2Fe2++Cl2==2Fe3++2Cl-

在任何情況下，總是有一部分生產的填埋氣體是難以收集的。

①困在中間粘土層的填埋氣體無法到達集氣井；②如果沒有完全覆蓋，一部分填埋氣體會從表面逸出。填埋氣收集率的確定考慮到了如下表格的因素（表1）。

表1 填埋氣收集率計算

根據表1，收集率以60%計。由公式和垃圾量，可計算得產甲烷量和甲烷收集量。

4 填埋氣的收集技術

填埋場氣體收集系統需合理設計和建造，以保證填埋場氣體的有序收集和遷移而不造成填埋場內不必要的氣體高壓。填埋氣收集和導出通常有兩種形式：豎向收集導出和水平收集導出方式。其中豎向收集導出方式應用較廣，其填埋氣收集系統主要包括隨垃圾填埋逐漸建造的垂直收集井以及以每個豎井為中心，向四周均勻敷設多根水平導氣支管。隨著垃圾填埋作業的推進，填埋氣井將以有效地收集、導排、處理和利用填埋氣。

水平收集系統以每個收集井為中心，向四周均勻敷設多根水平導氣支管。導氣水平收集支管敷設在淺層碎石盲溝內，盲溝內填64～100mm碎石。如果庫區堆高大的話，水平收集系統在高度方向上，可以每6m設置一層。

收集井頂部設置集氣裝置，并采用HDPE管與集氣站相連后通過集氣干管連著至輸送總管，最終送至貯器容器或用戶。

5 填埋氣的利用

填埋氣體的利用方法取決于其處理程度。未處理的填埋氣體熱值是天然氣的1／2。填埋氣體的低位熱值約17MJ／m3。處理程度影響應用的經濟性，為適合氣體的最終使用需要，填埋氣體預處理系統更改了填埋氣體的組成。經不同處理可以進行不同的利用，進而得到不同產品。國內外常見的填埋氣體利用方式有如下幾種。

5.1 用于發電

利用填埋氣體作為燃料，或者利用填埋氣體燃燒產生的熱煙氣或鍋爐蒸汽來帶動發電機發電。這種利用方式投資少，工藝技術和設備成熟，需要對填埋氣體進行冷卻脫水處理，是比較常用的一種填埋氣體利用方式。

我國已建成多個垃圾填埋氣發電電站，其中目前亞洲最大的垃圾填埋氣發電項目上海老港垃圾填埋氣發電項目（建設規模為15MW級燃氣內燃機發電機組）已經正式并網。該項目的并網標志著上海老港填埋場將逐漸由單一的無害化處理基地向資源回收與循環利用的費固基地轉變。

5.2 用于鍋爐燃料

這種利用方式是用填埋氣體作為鍋爐燃料，用于采暖和熱水供應。這是一種比較簡單的利用方式，這種利用方式不需要對填埋氣體進行凈化處理。設備簡單，投資少，適合于附近有熱用戶的地方。

5.3 用于民用燃氣

該種方式是將填埋氣體凈化處理后，用管道輸送到居民用戶，作為生活燃料。此種利用方式需要對填埋氣體進行比較細致的處理，包括去除CO2、少量有害氣體、水蒸汽以及顆粒物等。這種利用方式投資大。技術要求高。適合于大規模的填埋場氣體利用工程。

5.4 生產壓縮天然氣

此種方式是將填埋氣體凈化后，壓縮成液態天然氣，罐裝儲存，用作汽車燃料。這種方法需要對填埋氣體施加高達20MPa的壓力，工藝設備復雜，不易推廣。

5.5 其他利用方式

最近國外對填埋氣體又開發了一些新的用途，主要有：用于填埋氣體制造燃料電池，用填埋氣體制造甲醛產品以及制造輕柴油等。這些利用方案均在研究和開發中，離實際應用尚有一定的距離。

6 結語

垃圾填埋氣的收集與利用不僅解決了垃圾處理問題，同時提高了垃圾填埋場的資源利用率，減少填埋場填埋氣直接排放對溫室效應的影響，是實現城市垃圾資源化、減少環境污染的重要途徑，具有良好的經濟效益。

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