城市生活垃圾填埋氣測(cè)算及資源化利用研究

石建屏，徐黎黎，孫會(huì)寧，王忠祥，申?yáng)|

（1.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川綿陽(yáng)621000；2.綿陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621000）

城市生活垃圾填埋氣測(cè)算及資源化利用研究

石建屏1，徐黎黎1，孫會(huì)寧1，王忠祥1，申?yáng)|2

（1.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，四川綿陽(yáng)621000；2.綿陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621000）

應(yīng)用IPCC（2006）模型，對(duì)綿陽(yáng)市生活垃圾填埋場(chǎng)2005—2014年填埋氣產(chǎn)生量進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)可回收填埋氣計(jì)算甲烷燃燒實(shí)現(xiàn)的CO2減排量、產(chǎn)生的熱量和發(fā)電量，分析垃圾填埋場(chǎng)甲烷氣體回收利用潛力和環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明甲烷產(chǎn)量、CO2減排量、甲烷直接利用和發(fā)電項(xiàng)目能源輸出量快速增長(zhǎng)；2014年各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最大值，其中甲烷產(chǎn)生量6.52×106m3、CO2減排量58.89×103t、產(chǎn)生熱量13 627 MJ/h、發(fā)電量1.14 MW·h，該年度之后各項(xiàng)均呈逐年下降趨勢(shì)。通過(guò)甲烷直接燃燒及碳減排量交易及甲烷用作民用燃料或發(fā)電，可獲得良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

城市垃圾；填埋氣；甲烷；回收利用

我國(guó)城市生活垃圾每年產(chǎn)生量近1.6億t，60%以上采用衛(wèi)生填埋方式進(jìn)行處理；雖然具有投資小、管理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但是填埋場(chǎng)產(chǎn)生氣和滲濾液對(duì)環(huán)境形成二次污染的壓力。填埋氣主要成分甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排入大氣中，CH4溫室效應(yīng)是CO2的21倍，對(duì)全球氣候造成不利影響。CH4在填埋氣中占45%～50%，總發(fā)熱量40 020 kJ/m3，是一種利用價(jià)值較高的清潔燃料。應(yīng)用IPCC（2006）模型對(duì)垃圾填埋場(chǎng)填埋氣產(chǎn)量進(jìn)行估算，我國(guó)城市垃圾的甲烷潛在產(chǎn)量為299.3萬(wàn)t，體積41.86億m3，發(fā)電量128億kW·h。歐洲委員會(huì)的機(jī)構(gòu)EurObserv'ER 2010年11月報(bào)告顯示，2009年歐盟回收利用的填埋氣相當(dāng)于300萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)油，發(fā)電量達(dá)93.6億kW·h[1-3]。填埋氣中的甲烷是巨大的可再生資源，測(cè)算甲烷產(chǎn)量和研究回收利用價(jià)值對(duì)于城市垃圾的資源化利用具有重要意義。

國(guó)外估算模型包括理論模型（動(dòng)力學(xué)模型、化學(xué)方程式模型、可生物降解成分模型）和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停↙and GEM模型、Scholl Canyon模型）兩大類(lèi)型[4-5]。采用聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)的推薦IPCC（2006）模型，對(duì)四川省綿陽(yáng)市垃圾填埋場(chǎng)填埋氣LFG（Landfill Gas）產(chǎn)生量進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)甲烷回收利用實(shí)現(xiàn)的碳減排量（CO2當(dāng)量）和用于發(fā)電時(shí)可輸出的能量進(jìn)行回收利用潛力分析，提出城市垃圾填埋場(chǎng)甲烷回收利用方式選擇的建議。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 IPCC模型

垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)氣階段所持續(xù)的時(shí)間受填埋垃圾的可生物降解性、溫度、濕度、初始?jí)簩?shí)程度及能否得到營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等因素的影響。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[6]，如式（1）。

式中：Q為第t年的甲烷產(chǎn)量；MSW（Tx）為城市固廢產(chǎn)生總量（t）；MSW（Fx）為垃圾填埋率；A=（1-e-k）/k，為修正總量的歸一化因子，k為甲烷產(chǎn)生速率，1/a；L0為產(chǎn)甲烷潛能，t/t。產(chǎn)甲烷潛能，t/t；MCF(t)為第t年的甲烷修正因子；DOC(t)為第t年的可降解有機(jī)碳含量比例，%；DOCf為可降解有機(jī)碳降解百分比，%；F為填埋氣中甲烷所占的比例，%。

劉桐武等對(duì)中國(guó)城市生活垃圾可降解有機(jī)碳成分研究，將我國(guó)垃圾降解有機(jī)碳分為5類(lèi)：廚余垃圾（A）、紙類(lèi)（B）、織物（C）、竹木（D）、灰渣（E），計(jì)算公式修正如式（2）[4]。

DOC（t）=0.07A+0.26B+0.3C+0.28D+0.037E （2）

垃圾中可降解有機(jī)物紙類(lèi)、織物等在L0的計(jì)算中貢獻(xiàn)很大，而灰渣等不可降解物質(zhì)則很小。

（1）k值：k值大小由垃圾濕度、產(chǎn)甲烷的微生物是否有足夠的營(yíng)養(yǎng)、pH值和溫度等因素決定。k值越高，填埋場(chǎng)總體甲烷產(chǎn)生量在填埋垃圾期間就會(huì)上升得越快，同時(shí)在到達(dá)產(chǎn)氣高峰后也會(huì)下降得越快。模型給出了我國(guó)3個(gè)氣候區(qū)域k值的推薦值，如表1[7]。

表1 甲烷產(chǎn)生率k值

參考國(guó)內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)如深圳下坪、廣州大田山和重慶長(zhǎng)生橋等均取k值為0.162，四川與重慶自然條件幾乎一樣，但灰渣等不可降解的物質(zhì)含量稍高，可取k值0.15[8]。

（2）L0值：IPCC方法通過(guò)對(duì)我國(guó)不同地理位置垃圾成分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算，并與數(shù)個(gè)填埋場(chǎng)實(shí)際氣體回收量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得出L0的推薦值。我國(guó)3個(gè)氣候區(qū)域L0推薦值如表2[7-8]。

表2 我國(guó)三大氣候區(qū)L0的推薦值 m3·t-1

L0計(jì)算值：甲烷修正因子MCF根據(jù)IPCC提供的參考值（表3）取1.0；降解比例DOCf根據(jù)IPCC提供的值為0.5～0.6，取0.5；填埋氣中甲烷所占比例F取0.5；可降解有機(jī)碳含量比例DOC(t)根據(jù)公式（2）和城市生活垃圾的組成進(jìn)行計(jì)算。

（3）MSWT（x）×MSWF（x）為垃圾填埋量：可根據(jù)城市生活垃圾填埋量實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定。

表3 固廢處置場(chǎng)所分類(lèi)及其甲烷修正因子（MCF）

1.2 甲烷回收利用潛力

應(yīng)用模型估算填埋氣體是否具有回收利用價(jià)值，再進(jìn)行甲烷利用方式的設(shè)計(jì)。甲烷是填埋氣中的主要成分，也是重要的溫室氣體；根據(jù)其溫室效應(yīng)是CO2的21倍，計(jì)算回收填埋氣可獲得的CO2減排量（以CO2當(dāng)量計(jì)）[6-8]，如式（3）。

式中： TAvail.CO2eq指總減排量，以CO2當(dāng)量噸數(shù)計(jì)；調(diào)整因子AF（本項(xiàng)目為0%）；%VOL是甲烷在填埋氣中所占的百分比；QAvail是填埋氣總量；ρCH4為甲烷密度，0.000 716 8 t/m3。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

綿陽(yáng)市地處中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)的四川盆地亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候四季分明；年平均空氣相對(duì)濕度在70%以上，城區(qū)平均氣溫在16.8℃左右；夏、秋雨水充沛，平均年降水量為798 mm。城區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)和東北東風(fēng)，平均風(fēng)速為1.6～2 m/s。全市總面積20 249.45 km2，城市建成區(qū)面積103 km2。2015年總?cè)丝跒?45.48萬(wàn)人，城鎮(zhèn)化率48.0%，2012年邁入大城市行列。2015年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）1 700.33億元，社會(huì)消費(fèi)品零售總額879.16億元。隨著城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，市民物質(zhì)文化生活水平提高，日益增長(zhǎng)的消費(fèi)能力為城市帶來(lái)了大量的生活垃圾。2013年中心城區(qū)每天生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到700 t，相當(dāng)于人均產(chǎn)生生活垃圾0.7 kg，垃圾的分類(lèi)收集、衛(wèi)生填埋和資源化利用成為城市管理的工作。2004—2013年綿陽(yáng)市人口、GDP、填埋垃圾量等數(shù)據(jù)來(lái)源于《四川省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《綿陽(yáng)市國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2 結(jié)果與討論

2.1 甲烷產(chǎn)生量測(cè)算值

根據(jù)公式（2）和表4數(shù)據(jù)計(jì)算可降解有機(jī)碳含量比例DOC(t)為8.32%，L0值為23.07 kg/t，折合為32.18 m3/t。基于計(jì)算值和IPCC推薦值，本次垃圾填埋甲烷產(chǎn)生潛力L0值取42 m3/t，k值取0.15。

垃圾填埋場(chǎng)的甲烷產(chǎn)生量和可回收量如圖1，垃圾填埋當(dāng)年2005年的甲烷產(chǎn)量均為零，每年甲烷產(chǎn)量實(shí)際是上一年度每年垃圾填埋產(chǎn)氣量的疊加值。最大產(chǎn)氣量年份出現(xiàn)在2014年，即垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)之后的第一年，甲烷產(chǎn)量為6.52×106m3；2005年至2014年甲烷的產(chǎn)生量呈快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；2014年之后甲烷產(chǎn)生量逐年下降。

表4 綿陽(yáng)市生活垃圾的組成[8]

圖1 填埋場(chǎng)的甲烷產(chǎn)生量和可回收量

填埋場(chǎng)可回收氣體的多少直接關(guān)系到利用方式和利用效率，確定本填埋場(chǎng)產(chǎn)氣量的收集率為60%，可以計(jì)算出甲烷的可回收量，如圖1，2014年甲烷最大可回收量為3.91×106m3。

2.2 可獲得碳減排量

填埋場(chǎng)收集的甲烷進(jìn)行能源利用，用于替代部分其他能源如天然氣、煤等，可從替代能源中獲得額外的碳減排量。在估算甲烷回收量的基礎(chǔ)上，按公式（2）計(jì)算甲烷燃燒后可獲得的CO2減排量和碳交易收益；對(duì)收集的填埋氣通過(guò)火炬燃燒的方式進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)溫室氣體的減排。由圖2看出，在2014年可實(shí)現(xiàn)最大減排量58.89×103t；按北京碳排放權(quán)交易所場(chǎng)外交易價(jià)格約50元/t計(jì)算[7]，對(duì)收集的甲烷進(jìn)行火炬燃燒時(shí)可實(shí)現(xiàn)CO2減排量的碳交易收益，最高一年可獲得收益超過(guò)294萬(wàn)元。碳交易收入在100萬(wàn)元以上的年份共計(jì)有14年。因此，將甲烷燃燒后實(shí)現(xiàn)的碳減排量用于市場(chǎng)交易，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于一個(gè)填埋場(chǎng)來(lái)說(shuō)將是一筆不少的收入。

2.3 甲烷的能源效益

填埋場(chǎng)收集的甲烷作為能源利用，可以產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益，填埋氣的能源利用方式主要有兩種，即直接利用和發(fā)電項(xiàng)目。直接利用項(xiàng)目指甲烷用于鍋爐燃燒產(chǎn)生熱能，轉(zhuǎn)換效率為85%的能源輸出量；發(fā)電項(xiàng)目可得能源輸出量指氣體用于機(jī)組消耗發(fā)電，轉(zhuǎn)換效率為30%時(shí)的能源輸出量。甲烷直接利用和發(fā)電項(xiàng)目的能源輸出量如圖3。甲烷用于鍋爐燃燒產(chǎn)生熱能，如果在10 000 MJ/h以上具有利用價(jià)值時(shí)，2012—2016年5年間可以回收利用的熱能總量為58 924 MJ/h；若將甲烷預(yù)處理后，輸入城市管網(wǎng)用作居民生活用氣，按照當(dāng)?shù)靥烊粴鈨r(jià)格1.98元/m3計(jì)算，平均每年可獲得670萬(wàn)元的收入，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。甲烷用于機(jī)組發(fā)電，假設(shè)能源輸出量在800 kW·h以上具有利用價(jià)值，2011—2016年 6年間可回收利用的電能總量為5.72 MW·h，能夠供應(yīng)一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)往復(fù)式內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組運(yùn)行；若將電能輸入國(guó)家電網(wǎng)，按照居民生活用電最高檔次價(jià)格計(jì)算，不足萬(wàn)元收入，不具有太大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 甲烷回收獲得的CO2減排量和碳交易收益

圖3 甲烷直接利用和發(fā)電項(xiàng)目的能源輸出量

因此，甲烷達(dá)到回收利用價(jià)值的時(shí)間段長(zhǎng)短取決于垃圾填埋場(chǎng)甲烷產(chǎn)量，產(chǎn)氣量過(guò)低則回收利用價(jià)值降低。發(fā)電項(xiàng)目的一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)往復(fù)式發(fā)電機(jī)組（814 kW）投資成本高達(dá)284萬(wàn)美元[6]，加上管理維護(hù)成本、發(fā)電設(shè)備使用年限等因素，一般垃圾填埋場(chǎng)不適宜建發(fā)電項(xiàng)目；填埋氣直接利用項(xiàng)目用于生產(chǎn)或生活燃燒能源具有可觀經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)該考慮燃?xì)夤芫W(wǎng)等基建的投資和運(yùn)行維護(hù)成本。

2.4 討論

城市生活垃圾填埋場(chǎng)從開(kāi)始運(yùn)行至封場(chǎng)一般10～15年時(shí)間，多采用火炬燃燒的方式處理填埋氣，其他利用方式對(duì)于大型垃圾填埋場(chǎng)，從規(guī)劃建設(shè)、工程施工、垃圾填埋直至封場(chǎng)整個(gè)過(guò)程，應(yīng)該考慮填埋氣的處理問(wèn)題。收集利用填埋氣體具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益：（1）推廣垃圾分類(lèi)收集方法。填埋氣的產(chǎn)生量與垃圾成分有關(guān)，可降解垃圾比例越大，填埋氣中甲烷含量也會(huì)更高。（2）中小城鎮(zhèn)及農(nóng)村垃圾集中填埋。大型填埋場(chǎng)甲烷產(chǎn)量具有回收利用價(jià)值的時(shí)間段較長(zhǎng)，估算結(jié)果為填埋氣處理方式設(shè)計(jì)及填埋場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供依據(jù)。（3）經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益三者兼顧。特大型以上城市垃圾填埋場(chǎng)應(yīng)考慮配套甲烷回收利用項(xiàng)目；大型城市通過(guò)火炬燃燒至少可以消除部分甲烷對(duì)環(huán)境的影響，或經(jīng)過(guò)預(yù)處理用作民用燃料。

3 結(jié)論

應(yīng)用IPCC模型，對(duì)城市生活垃圾填埋場(chǎng)的甲烷產(chǎn)氣量實(shí)證計(jì)算，并對(duì)甲烷產(chǎn)氣量回收利用的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益研究分析，可以得到以下結(jié)論。

（1）甲烷產(chǎn)生量的主要影響因素為填埋場(chǎng)地的自然環(huán)境、生活垃圾的組成特性和累積填埋量，最大產(chǎn)氣量出現(xiàn)在垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)之后的第一年，即該年度之前甲烷產(chǎn)量呈快速增長(zhǎng)隨后逐年下降。

（2）甲烷回收直接利用或火炬燃燒，可以減少溫室氣體的排放，最高年份可實(shí)現(xiàn)碳減排58.89×103t（CO2當(dāng)量值）；通過(guò)碳排放權(quán)市場(chǎng)交易，可獲得超過(guò)294萬(wàn)元的收益，具有可觀的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）甲烷直接用于鍋爐燃燒產(chǎn)生熱能或用于機(jī)組發(fā)電產(chǎn)生電能，按標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)，具有5～6年的回收利用價(jià)值，時(shí)間段長(zhǎng)短取決于垃圾填埋場(chǎng)每年甲烷產(chǎn)量。甲烷利用方式對(duì)比結(jié)果說(shuō)明，直接利用項(xiàng)目具有比較好的經(jīng)濟(jì)效益，最高一年可獲得774萬(wàn)元的收入；而發(fā)電項(xiàng)目則不適宜一般垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)。

[1]卜美東，張?zhí)?中國(guó)城市生活垃圾填埋氣甲烷產(chǎn)量評(píng)估[J].可再生能源，2012，30(5):89-94.

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Estimation of gas production from urban solid waste landfill and its utilization benefit

SHI Jianping1,XU Lili1,SUN Huining1,WANG Zhongxiang1,SHEN Dong2
（1.Department of Materials Engineering,Mianyang Occupation Technical College,Mianyang 621000,China; 2.School of Natural Resource and Environmental Engineering,Mianyang Normal University,Mianyang 621000,China）

The IPCC 2006 model was used to estimate the production amount and the recoverable amount of landfill gas(LFG)from 2005 to 2014 in Mianyang City.According to the amount of recycling methane(CH4),the carbon dioxide emission reduced and thepowerenergy outputgenerated by methane combustion were calculated,and the LFG's recoverable and utilizable potential was analyzed.The results indicated that methanegas production,reducing carbon dioxide emission and power energy outputincrease rapidly during 2005～2014,themethane production6.52×106m3,the carbon dioxideemission reduced 58.89×103t,methane direct utilization 13 627 MJ/h and energy output 1.14 MWh of the project is largest in 2014,then the change trend of the result curve is decreased gradually.In addition to the environmental benefit,the good economicbenefits can be obtained from boiler combustion and electricity generation are really huge for a landfill site.

urbansolid waste;landfill gas(LFG);methane(CH4);recycling

X799.3

A

1674-0912（2016）12-0032-04

2016-10-11）

四川省教育廳科研項(xiàng)目（16ZB0461）；全國(guó)建材職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)科研課題（JCZY1509）

石建屏（1963-），女，教授，研究方向：分析化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。