垃圾填埋場甲烷氣體排放技術探究

陳丹 張霞

垃圾填埋場甲烷氣體排放技術探究

陳丹 張霞

（重慶市市政環衛監測中心 重慶 401121）

垃圾填埋場是溫室氣體甲烷的重要人為排放源之一，垃圾分解產生的甲烷會發生垂向和側向遷移，并被氧化固定在垃圾填埋場中。研究顯示與硫酸鹽還原作用耦合的甲烷厭氧氧化作用在垃圾填埋場內及其滲濾液羽狀體中均可發生，形成自生碳酸鹽和硫化物等沉積。本文重點就當前垃圾填埋場甲烷氣體排放技術進行了研究。

垃圾填埋場；甲烷氣體；排放技術

隨著社會的發展，城市生活廢棄物的數量日益增多，成份日益復雜，處理日益困難，成為各國的重大環境問題。城市生活廢棄物主要來源包括。生活垃圾、商業垃圾、灰燼、動物糞便、生物醫藥廢棄物、建筑垃圾、工業固體廢棄物、污水、可生物降解廢棄物、不可生物降解廢棄物和危險廢棄物。目前，填埋處理固體廢棄物仍然是最經濟的處置形式是生物質廢棄物處理過程中排放的溫室氣體，有20%源自城市固體廢棄物處置，填埋場是溫室氣體較集中的排放源，具有較大的減少排放潛勢。垃圾填埋氣中包含 45～60%（體積分數，下同）甲烷（CH4），40～60%二氧化碳（CO2），0～0.2%氫（H2），2～5%氮（N2），0～1.0%硫化氫（H2S）和 0～0.2%一氧化碳（CO），可嚴重污染大氣、地下水和生態環境，并對全球氣候變化產生影響。因此，由垃圾引發的安全隱患和環境問題得到了社會各界的廣泛關注。

1 填埋場CH4產生原因分析

垃圾中可降解有機物的含量及其纖維素、蛋白質和脂肪的構成比例，對LFG的產生起著決定性作用。淀粉、膳食纖維、蛋白質、脂肪和木質纖維類成分，厭氧發酵的CH4產率差異較大。餐廚垃圾產沼利用、生活垃圾LFG收集利用的低碳化程度最高，分別為93.7%和75.3%。易降解有機物含量越高，填埋場產氣越快。含水率是決定垃圾降解過程中LFG產生量的主要因素。水分的運動有助于營養物質和微生物的轉移，同時有助于有機物的水解及微生物的吸收和利用，一般認為適于垃圾產氣的含水率（質量分數）范圍在50～60%，填埋場中的含水率取決于自身含水率、填埋區降水量、填埋場覆蓋層、場底防滲設施和管理方式（如滲濾液回灌、壓實作業等）。溫度決定了填埋場內微生物群落的空間分布和LFG的產氣速率，多數產甲烷菌是中溫菌，生長適宜溫度為15～45℃，且40℃時垃圾的降解速度最快，此時氣體的產生速率是30℃時的3倍，但溫度升高到55℃時，CH4的產生就停止，垃圾填埋深度、垃圾密度、環境溫度和微生物活性等因素均會影響垃圾的填埋溫度。溫度會影響廢棄物降解的程度，高溫能夠加速廢棄物降解和導致較大的滲濾液化學需氧量（COD）和氨氮濃度，CH4排放與土壤溫度顯示出良好的時間相關性。

2 填埋氣體的減排技術分析

2.1 資源化利用技術

由于LFG具有熱值高的特點，資源化利用技術已經成為國內外競相研究開發的熱點，包括收集LFG用于供熱或并網發電和作為管道氣、動力燃料、化工原料等。CH4在LFG排放總量中所占比例達40～60%，是一種利用價值較高的可再生能源，LFG可以用于生活供熱以及其他用熱途徑，也可以通過熱電轉換裝置來發電，這既可以能源回收利用，也是減少溫室氣體排放的有效方式。LFG發電具有顯著的CO2，減排效益，其碳減排成本低于其他可再生能源發電技術，具有很強的競爭力，經過預處理手段，可以將垃圾LFG中的CH4體積分數提高到95%，純化的LFG體是優良的居民生活燃氣，并且接入方便。其主要限制因素是凈化和安全，以及輸氣距離和成本問題，壓縮天然氣作為汽車燃料目前正逐步為市場所接受，LFG用作車輛燃料具有熱值較高，抗爆性好等優點，但由于受到生產量的限制，很難達到商業化規模的經營。因為CH4的化學性質，轉化CH4是很困難的，在特定條件下，通過催化反應LFG中的CCH4可以轉化成芳烴。或作為化工原料直接轉化成芳烴和乙烯。填埋場CH4所能創造的價值是相當可觀的，而我國絕大多數垃圾填埋場產生的CH4都自由排空，收集和利用填埋場中CH4對于能源相對短缺的今天具有重要的意義。

2.2 原位減排技術

填埋層CH4原位減排技術可分為可持續填埋、好氧填埋和準好氧填埋等，可持續填埋是從源頭對垃圾減量、回收利用，入場前進行預處理，使垃圾進入填埋場快速穩定化，以及在填埋場選址、防滲、填埋工藝、污染控制、終場修復、后續環境監測等各個299環節采取嚴格的控制措施，并在封場后對土地資源和礦化垃圾作為資源加以利用。可持續填埋技術將緩解填埋場用地緊張、可用資源浪費和環境污染等矛盾，為我國垃圾處置提出了新的方向，傳統厭氧填埋產生CH4的體積分數變化范圍為35～50%，準好氧填埋結構下CH4的體積分數變化范圍只有7～13%，好氧填埋可以有效降低70～90%的CH4氣體排放，在中國絕大多數沒有設置LFG回收裝置的填埋場采用準好氧填埋結構，對于減少填埋層氣體中CH4的產生量，減緩溫室效應具有較好的效果。

2.3 末端控制技術

末端控制技術包括火炬燃燒和覆蓋層CH4氧化，因為單位質量CH4的溫室效應在100年尺度上是CO2的25倍。燃燒CH4生成CO2，可大幅降低LFG的溫室氣體排放強度，過去燃燒LFG使用的是簡單的露天堆積燃燒，沒有任何隔離，能看到很大的火焰，而現在正逐漸被可控制溫度的室內燃燒代替。垃圾填埋場上方所設置的覆蓋層對氣體向外部釋放有良好的抑制作用，其受溫度、含水率、有機質含量、厚度、孔隙度、pH值、無機氮、植被和下層產生的CH4和CO2的體積比共同影響，且含水率（質量分數）在10～15%和溫度在25～35℃時，對CH4生物過濾系統中的清除能力的影響最大。

3 結束語

由于我國城市垃圾產生量在逐年增多，有機物含量也在不斷提高，我國對垃圾的管理也由過去的簡單堆放發展到集中收集、運輸和處理的方式。綜上所述，考慮到國際社會要求我國減排溫室氣體的壓力日益增大，開展適合中國國情的垃圾填埋場溫室氣體減排替代技術研究，比如生物覆蓋層CH4生物氧化，對于像我國這樣的高溫室氣體排放國家至關重要。

[1]吳兌.溫室氣體與溫室效應[M].北京：氣象出版社，2014.

[2]肖學智.垃圾填埋場的甲烷釋放及其減排[J].中國沼氣，2016.

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2016-10-18