垃圾填埋场气体产量的预测
六里屯垃圾卫生填埋场填埋气产生量预测及资源化研究
六里屯垃圾卫生填埋场填埋气产生量预测及资源化研究
王艳秋
（ 北京 市海淀 区环境 卫 生科研 所 ，北 京 １ ０ ０ ０ ８ ６ ）
【 摘要 】 对北京市海淀 区六里屯垃圾 卫生填埋 场的工程概 况、历年垃圾填埋量 、填埋气收集 系统现 状、填埋 气
资 源 化 利 用 现 状 、六 里 屯场 区 能耗 情 况 现 状 进 行 了调 研 ， 对 填埋 区 的 填 埋 气体 进 行 了检 测 ，并 利 用 产 气 速 率 模 型 对 六 里 屯垃 圾 卫 生 填 埋 场 填 埋 气体 的 产 生量 进 行 了预 测 。 对 填 埋 气 用 于 发 电 、制 作 汽 车 燃 料 、锅 炉余 热 和 焚 烧 浓 缩 渗
ｉ ｔ ａ ｒ ｙ Ｌａ ｎ ｄｆ ｉ ｌ ｌ Ｓｉ ｔ ｅ ．Ａｎｄ ｔ ｈｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏｆ ４ ｗａ ｙ ｓ ｏｆ ｌ ａ ｎｄ ｉｌ ｆ ｌ ｇ ａ ｓ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｗａ ｓ ａ ｎａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ，ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｐｏ ｗｅ ｒ ｐｒ ｏｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，ａ ｕｔ ｏｍ ｏ ｂｉ ｌ ｅ ｆ ｕｅ ｌ ， ｈｅ ａ ｔ ｒ ｅ ｃ ｏｖ ｅ ｒ ｙ ｂｏ ｉ ｌ ｅ ｒ ， ａ ｎｄ ｂｕ ｎｉ ｒ ｎｇ ｃ ｏ ｎｃ ｅ ｎｔ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｌ ｅ ａ ｃ ｈａ ｔ ｅ ｗａ ｓ ｏｐ ｔ ｉ ｍａ ｌ ｔ ｅ ｃ ｈｎ ｏｌ ｏ ｇ ｙ ｓ ｃ ｈｅ ｍｅ ｏ ｆ ｌ ａ ｎｄ ｉ ｆ ｌ ｌ ｇ ａ ｓ ｒ ｅ ｓ ｏ ｕｒ ｃ ｅ ｕｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ．
１ 六 里 屯垃圾 卫 生填埋 场概 况 １ ． １ 基本 概况
Ｐｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｉ ｔ ｏ ｎ Ｐｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｒｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ Ｕｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｌａ ｎ ｄ ｉ ｆ ｌ ｌ Ｇａ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ Ｌｉ ｕ ｌ ｉ ｔ ｕ ｎ Ｗａ ｓ ｔ ｅ Ｓ ａ ｎ ｉ ｔ ａ ｒ ｙ Ｌａ ｎ ｄ ｉ ｆ ｌ ｌ Ｓ ｉ ｔ ｅ
污泥填埋场气体产量的预测方法研究_朱英
中国环境科学 2010,30(2)：204~208 China Environmental Science 污泥填埋场气体产量的预测方法研究朱英1,2,赵由才2*,李鸿江3(1.山东省科学院新材料研究所,山东济南 250014；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海 200092；3.深圳市环境工程科学技术中心,广东深圳 518001)摘要：为有效利用污泥填埋场内产生的沼气,以上海白龙港污水处理厂污泥为例,对污泥填埋场中气体产生率及产生量进行了预测.应用元素的归一化摩尔化方法得到该污水处理厂污泥有机物的近似分子式为C28H52O16N4.用化学计量法和IPCC模型预测的甲烷气体产生潜能分别为60.6,61.7kg/t(以干重计).用动力学模型和IPCC模型预测的甲烷气体产生率分别为13.3,11.1kg/(t⋅a)(以干重计),2种方法计算的甲烷气体产生率的差别主要在于参数的取值不同,化学计量法和动力学模型法预测的气体产生量和产生率更能反映污泥填埋场实际的气体产生情况,应用IPCC模型更适合于从宏观角度估算一个地区或整个国家的填埋场产气量.关键词：污泥；沼气；预测方法；产生量；产生率中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2010)02-0204-05Prediction methods of the gas production content in the sludge landfill. ZHU Ying1,2, ZHAO You-cai2 *, LI Hong-jiang3 (1.New Materials Research Institute of Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014, China；2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resources Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China；3.Shenzhen Environment Engineering Technology Center, Shenzhen 518001, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：204~208Abstract：In order to utilize the sludge landfill gas effectively, production rate and production content of sludge landfill gas were predicted. The approximate formula of sludge organics for Bailonggang wastewater treatment plant in Shanghai was C28H52O16N4 using the normalized molar methods of elements. The potential of methane production predicted using chemometrics method and IPCC model were 60.6, 61.7kg/t (dry weight), respectively. The production rate of methane predicted using dynamics model method and IPCC model method were 13.3, 11.1kg/(t⋅a) (dry weight), respectively. The difference for the methane production rate of these two methods lies in the differences for the values of parameters. The methane production content predicted using chemometrics method and methane production rate predicted using dynamics model method was suit to reflect the actual situation. IPCC model was suitable for estimate the gas production content of a region or country as a whole from a macro perspective.Key words：sludge; methane; prediction method; production content; production rate目前我国污泥年产量约532万t(干重),折合含水率80%的湿污泥为2660万t.根据我国目前的经济现状,污泥填埋是我国污泥处置最主要的方法之一[1-2].沼气是一种很好的清洁可再生能源,对沼气的回收和利用一方面可满足温室气体减排的需要;另一方面可以替代其他能源.填埋物质的性质以及降解的时期决定了某一个时期的气体组成及其产生的潜能.目前,填埋场产沼气模型大致可以分为动力学模型和统计模型2种类型.其中,动力学模型主要有Gardner 模型[3]和Sheldon Arleta模型[4]等;统计模型有IPCC模型[5]、化学计量式模型和COD估算模型[6]等.也有研究者对模型进行了改进[7],采用改进的一阶降解模型对不同的垃圾成分采用不同的降解速率进行计算,能够较准确地预测出填埋场气体产生量.国内外学者对有机固体废弃物填埋场的产气量已有较多研究[8-9],对污泥在填埋场的产气量研究一般是将其归类为有机固体废物,而根据具体污泥特性对其在填埋场的产气量收稿日期：2009-05-21基金项目：教育部重大专项(305005)* 责任作者, 教授, zhaoyoucai@2期 朱 英等：污泥填埋场气体产量的预测方法研究 205的研究却鲜有报道.本研究主要应用化学计式模型、动力学模型和IPCC 模型来预测污泥填埋场气体产生量和气体产生率,旨在为污泥填埋场气体的利用提供参考.1 材料与方法1.1 填埋污泥 填埋污泥取自白龙港污水处理厂,含水率82%,pH7.35,挥发性有机物(VM)含量44.7%,污泥有机物密度为450kg/ t(湿污泥). 1.2 实验装置与材料 实验装置为上海老港填埋场内一座规模为1800t 的生物反应器填埋单元,全部用于填埋白龙港污水处理厂污泥.填埋单元上部和下部截面积分别为1024m 2(32m×32m)和100m 2(10m×10m);单元总高度为6m,边上有分层阶梯状边坡将高度平分为3层,填埋过程中,在每层之间铺设三维复合土工排水网加速污泥的排水;底部和边坡铺设粘土、土工布和HDPE 膜.每隔一定时间采样,取泥面下20~30cm 处的污泥,装入塑料袋带回实验室分析测定. 1.3 测定方法 微波消解/等离子发射光谱法测定污泥中重金属含量;烘干失重法测定污泥含水率;玻璃电极法测定污泥pH 值;污泥元素组成使用Vario EL III 型元素分析仪测定; VM 用马福炉在600℃燃烧3h 测定;总有机碳(TOC)含量用岛津TOC -V CPN 型[0]的TOC/TN 测定仪测定. 2 结果与讨论2.1 化学计量模型预测气体产生量 化学计量法通过分析污泥的成分,计算出污泥的化学元素组成,并直接利用反应方程式计算产生的CH 4和CO 2的量,是一种较为精确和科学的方法[10].该方法需要长期对污泥成分进行分类统计和测量.在污泥生物反应器填埋场内,污泥厌氧降解的一般反应可写为:有机物质(固体)+H 2O →C 5H 7O 2N+CH 4+CO 2+HCO 3－+NH 4+ (1) 式中: C 5H 7O 2N 为生物降解物质代表式. EMCON [11]得出的平均城市固体废物的经验分子式为C 99H 149O 59N.但考虑到各种固体废物因组成、含量不同,分子式也会存在很大不同,由此得出的潜在气体产生量也会存在较大差异. 因此本研究中,将根据污泥的具体组成来确定污泥有机物质的分子式.2.1.1 污泥有机物质分子式的确定 取混合均匀污泥样品进行元素组成测定,C 、H 、O 、N 的平均百分比组成见表 1.根据各元素分子量,进一步计算物质的量比组成,并用归一化方法得出各元素的物质的量比,由此得到该污水处理厂在某一时间取样污泥有机物的近似分子式为C 28H 52O 16N 4. 表1 污泥有机物近似分子式的计算 Table 1 Approximate formula calculation of sludge organic 参数 N C H O 元素百分比(%) 3.9524.41 3.76 18.70物质的量比 0.282.033.76 1.17归一化物质的量比 4 28 52 16 2.1.2 污泥中有机物质的生物可降解度 土壤中有机质(以腐殖质为主)含量约1%~2%,高的可达5%~10%[12].因此,以土壤中的有机物质含量上限值(10%)作为污泥稳定的有机质含量的下限.腐殖质的TOC 含量约50%左右[13],因此,当污泥有机质含量为100mg/g 时,污泥的TOC 含量约为50mg/g.经测定白龙港污泥TOC 含量为23.5%,则污泥可降解的TOC 含量为23.5%-5%=18.5%,可降解的TOC 百分含量为78.7%.2.1.3 污泥潜在气体产生量 根据污泥有机物分子式,污泥厌氧降解的化学计量反应式为: C 28H 52O 16N 4+2H 2O →7.5CH 4+4.5CO 2+NH 4++3C 5H 7O 2N+HCO 3－(2)根据分子量将上式中各物质转化为质量,如式(3)所示:C 28H 52O 16N 4+0.051H 2O →0.171CH 4+0.283CO 2+ 0.026NH 4++0.484C 5H 7O 2N+0.087 HCO 3－(3) 该厂污泥有机物部分平均密度为450kg/t,根据式(3)估算污泥潜在气体产生量分别为:206 中 国 环 境 科 学 30卷4CH P G =0.171×0.787×450＝60.6(kg CH 4/t 污泥) 2CO P G =0.283×0.787×450＝100.2(kg CO 2/t 污泥)总的气体产生潜能为160.8kg/t 污泥. 2.2 动力学模型预测气体产生量目前填埋场内应用广泛的气体产生率一级反应动力学模型[14].如果气体的变化率为-d G p/d t ,那么总的气体产生率αT 可以表示为αT =-d p d G t =d c d G t (4) 式中:G p 为气体产生潜能;G c 为累积的气体;t 为时间. αT 与气体产生潜能的比例关系: αT ＝kG p (5)式中:k 为气体产生率常数.气体产生潜能与气体的累积遵循相反的模式,G p 和G c 的和即为总的气体产生容量G T .将式(4)在t (0,t )及G p [G T ; G p]内积分得: G p=G T e -kt(6) 则αT 可以表示为:αT ＝λG T e -kt(7)因为是假定填埋场内气体主要由CH 4和CO 2组成,所以αT 为CH 4和CO 2产生率之和.因为填埋物质组成因地区不同而有较大差异, Findikakis 等[15]认为,根据物质的降解性可以将填埋物质分为易降解废物,中等易降解废物,难降解废物.每一种都有相应的速率常数K m 和气体产生潜能G p m .G p m =G T A m e -Kmt αT m ＝i∑G T i A m K m e -Kmti =1,2 (9)αT =31m ∑＝αT m(10)式中:αT m 表示组成物质m 的总的气体产生率;m为降解类别;A m 为组成物质m 所占的比例; G T i为气体i 的总的产生量(单位体积污泥产生的气体质量);i 表示气体种类(CH 4与CO 2);K m 为组成物质m 的气体产生率常数.k 与废物中可降解有机碳与半生命期有关:k =ln2/t 1/2 (11) 污泥有机碳含量随填埋时间的变化见表2.对测得的污泥有机碳含量(Y )与时间(X )的关系进行了拟合,如式(12)所示:Y =20.6970e -0.00063x (x ≤500d,R 2 =0.87386)(12)表2 污泥有机碳含量随填埋时间变化 Table 2 Variation of the total carbon of sludge withlandfill time时间(d)项目0 60 150 300 400 500TOC(%) 23.519.818.0 17.1 15.915.2根据式(12)对有机碳含量达到5%所需时间进行预测,可得到有机碳降解完成的时间为2254d,约6.18a,则k =ln2/3.09=0.224污泥组成及相应参数见表3,因污泥有机物主要由脂肪和蛋白质类物质组成,因此本研究中,设定污泥有机物全属于易降解物质.根据动力学模型预测的气体产生率见图1.表3 污泥组成及相应参数Tabel 3 Sludge composition and correspondingparameters 参数 易降解底物A m (kg/kg) 0.45t 1/2(a) 3.09K m (a －1) 0.224CH 4 59.3 G p m (kg/t,干重)CO 2 98.1 CH 4 13.3 ɑT m [kg/(t ⋅a),干重]CO 2 22.00515 20510152025303540气体产生率[k g /(t ⋅a )]时间(a) 10图1 根据动力学模型预测的气体产生率Fig.1 Production rate of landfill gas predicted bydynamics model2.3 IPCC 模型预测的CH 4产生量和产生率IPCC 模型为估算固体废弃物处理场所中2期 朱 英等：污泥填埋场气体产量的预测方法研究 207CH 4排放的一阶衰减方法,反映了废物随时间的降解过程.甲烷气体产生潜力计算公式: 甲烷产生潜力=MCF (x ) ⋅ DOC j ⋅ DOCF ⋅ F ⋅16/12(Gg CH 4/Gg 废物) (13) 填埋场的甲烷气体排出量计算公式: Mby=φ ⋅ 16/12 ⋅ F ⋅ DOC f ⋅ MCF ⋅ ∑=y1x Wx ⋅ DOC j ⋅(1-e -k ) ⋅ e -k (y -x) (14) 式中:φ为模型校正因子,缺省值为0.9;F 为甲烷在填埋场产生气体中的比例,平均取值为0.5.F 取决于多个因素,包括废物成分如碳水化合物和纤维素,回收的填埋场产生气体中的甲烷浓度可能由于潜在空气稀释作用而低于实际值,因此估计的甲烷在填埋场产生气体中的比例并不具有代表性;DOC j 为某年(x )的可降解有机碳,表示为每Gg 废物中的Gg 碳,它以废物的成分为基础,通过废物流中各类成分的加权平均计算,取值为0.5. DOCF 为经过异化的可降解有机碳的比例,DOCF 为一个最终从固体废物处理场分解和释放出来的碳的比例估计值,它表明某些有机碳在固体废物处理场中并不一定分解或分解很慢,缺省值为0.77.MCF(x )为某年(x )的甲烷修正因子,MCF 说明无管理措施的固体废物处理场产生的甲烷比有管理措施的要少,因为有相当一部分的废物在未加管理的固体废物处理场的上层发生好氧分解,取值为1.K 为甲烷气体产生率常数;Wx 为第x 年填埋的固体废物量;x 为年份;y 表示清单计算当年;16/12表示碳转化为甲烷的系数.0 5 10 15 2024681012时间(a)气体产生率[k g /(t ⋅a )]图2 IPCC 模型预测的气体产生率Fig.2 Production rate of landfill gas predicted by IPCCmodel method将各参数指标代入式(13)计算得甲烷产生潜力为0.0617Gg CH 4/Gg 废物,干重计.将各参数指标代入式(14)可得甲烷气体产生率与时间的关系如(图2).IPCC 模型预测的CH 4产生率为11.1kg/(t ⋅a)(干重计).2.4 预测方法的比较本研究用化学计量法和IPCC 模型预测的甲烷气体产生潜能分别为60.6,61.7kg/t(干重计),两者相差不大.龚少鹏等[16]利用IPCC 产气模型对深圳过桥窝垃圾填埋场封场后一段时期的产气情况进行了预测,现场气体测试结果为100.3m 3/h,非常近似于IPCC 模型预测值99m 3/h,说明模型预测比较准确.国外研究者也得出相同结论[17].同时也间接说明化学计量法预测的气体产生量较准确.本研究用动力学模型和IPCC 模型预测的CH 4产生率分别为13.3,11.1kg/(t ⋅a)(干重计).2种方法计算CH 4产生率的差别主要在于参数的取值不同,动力学模型法计算过程中,参数的取值都是根据实际测试数据得来的;而IPCC 模型中参数取值则应用了指南中推荐的缺省值.化学计量法和动力学模型法预测的CH 4产生量和产生率更能反应污泥填埋场实际的气体产生情况,但应用IPCC 模型来预测有利于不同地区及国家之间的对比,更适合于从宏观角度估算一个地区或整个国家的填埋场产气量.3 结论3.1 用化学计量法和IPCC 模型预测的甲烷气体产量分别为60.6,61.7kg/t(干重计),两者相差不大.用动力学模型和IPCC 模型预测的CH 4产生率分别为13.3,11.1kg/(t ⋅a)(干重计). 3.2 化学计量法和动力学模型法预测的CH 4产生量和产生率更能反应污泥填埋场实际的气体产生情况,但应用IPCC 模型来预测有利于不同地区及国家之间的对比,更适合于从宏观角度估算一个地区或整个国家的填埋场产气量.参考文献：[1] 史昕龙,陈绍伟.城市污水污泥的处置与利用 [J]. 环境保护,2001,3:45-46.208 中国环境科学 30卷[2] 杨小文,杜英豪.污泥处理与资源化利用方案选择 [J]. 中国给水排水, 2002,18(4):31-33.[3] Gardner N, Prober S D. 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Tellus Series B-Chemical and Physical Meteorology, 2009,61(2):424-435.作者简介：朱英(1978-),女,山东青岛人,副研究员,博士,主要从事固体废物处置与资源化利用研究.发表论文12篇.船用防藻剂对淡水生态系统的影响广泛应用在船舶底部,用于防止藻类和其他生物生长的防藻剂(Irgarol),在淡水生态系统中具有累积作用,会对非目标水生植物造成毒害影响.研究人员发现这种物质能够持久地积累在沉积物和其他有机物上,对淡水生态系统造成连锁影响.Irgarol能够有效抑制光合作用.船舶外壳的涂料是防藻剂进入水体的主要途径.这些涂料中含有防藻剂,能够抑制藻类生长进而防止软体动物附着,这一过程称为污损(船体污损增加了船行阻力,因此能耗加大且船舶维护成本大大提高).Irgarol还有作为建筑材料和墙面涂料的防腐剂以及电厂冷却系统中的防污剂.20世纪80年代由于禁止在长度<25m的船舶上使用防藻剂三丁基锡(TBT),Irgarol开始广泛应用.大量关于TBT 毒性的报告使得自2008年起所有船舶无论长度多少表面都不能使用含有TBT的防藻漆.德国联邦环境署湖泊学专家Silvia Mohr指出,20世纪90年代首次在海洋中检测到Irgarol,随后英国和丹麦禁止在小型船舶上使用Irgarol.目前部分研究已经将目光转移到淡水中的Irgarol.欧盟正在评估Irgarol的安全性,但这种物质在美国的使用仍然是合法的.据报道,Irgarol在淡水中的浓度已经达到2.4μg/L,Mohr和他的团队,在6个室内池塘中添加浓度0.04~5μg/L的Irgarol,在随后的150d内监测池塘中的生物反应.结果表明,所有的水生植物在添加Irgarol后,无论其浓度多少,都会受到影响.对于最敏感的物种——狐尾藻,当Irgarol浓度达到0.21μg/L时,生物量下降50%.另一个研究团队正在调查Irgarol是否会干扰淡水蜗牛的内分泌系统.艾丽丽译自《Environmental Science and Technology》, September, 1:6444(2009)。
垃圾填埋气甲烷精选全文
用于管道天然气
经过净化提纯后并入城市燃气管道, 特别 是在天然气价格高的地区适宜使用。
香港地区的填埋气, 就是把填埋气净化提 纯后注入城市燃气管道来进行利用。实 践证明, 用作燃气对于天然气价格高的地 区经济效益较好。
用作汽车燃料
经科学试验及实践证明, CH4 含量超过 50% 的CH4和CO2 混合气体, 可替代汽油作为汽 车燃料。此项技术的限制性因素主要是装备 技术商业化。压缩天然气作为汽车燃料目前 正逐步为市场所接受, 填埋气由于受到生产 量的限制, 很难达到商业化规模经营。目前 可选择的主要用户是专用垃圾运输车辆, 其 优点是无需在填埋场外再建加气站,可大幅度 降低燃气的成本。
（1）垃圾体含水量与渗滤液回灌 填埋场中多数有机物必须经过经过水解成为溶
于水的颗粒才能被微生物利用产生甲烷，填埋 场中水分的运移有助于营养物质、微生物的运 移，加快产气。适宜产生甲烷垃圾体湿度范围 在50%~70% 渗滤液回灌增加填埋场堆体内的湿度，不仅可 以改善渗滤液的水质，降低渗滤液中BOD、COD 及重金属的浓度，而且可以加速填埋堆体的稳 定
二、产气量的主要决定因素
（2）垃圾体内温度
填埋场中微生物的生长对温度比较敏感，因此，填埋场产气 速率与温度也有一定关联。大多数产甲烷菌是嗜中温菌，在 15~45C可以生长，最适宜温度范围是32~35C，温度在 10~15C以下时，产气速率会显著降低。
（3）垃圾中的营养物质成分
填埋场中微生物的生长代谢需要足够的营养物质，包括C、O、 H、N、P及一些微量营养 物质，通常填埋垃圾的组成都能满足 要求。研究指出，当垃圾的C/N比在20/1~30/1之间时，厌氧 微生物生长状态最佳，即产气速率最快。
六、填埋气体能源化利用概况
基于垃圾产气速率差异的填埋气体产生量预测模型的探讨
摘
淼 ，张
芳 ，安 建杰
（ 天津市环境卫生工程设计院 ，天津 ３ ０ ０ ） ０２ １ 要 ：根 据 大韩 庄 垃 圾 填 埋 场 进 场 垃 圾 的 特 性 ，对 Ｃ Ｊｌ３ ２ ０ Ｊ ３ — ｏ９的 产 气 预 测 模 型 进 行 探 讨 。将 垃圾 分 为 快 速
降解和慢速降解 ２部分 ，对产 气速率常数 分别取值。结果表 明 ：产气峰 值发生在封场后 的第 １年 ，达到 ３０ ９ ６万 ｍ ２ ． ７ ａ ，封 场后 第 １ 产气量降低至峰值的 ２ ． ％。与 ＣＪ１３ ２０ ０年 ９０ Ｊ ３－ ０ ９推荐模型相 比，填埋 期间本研究使 用模型 的产气量 更 高 ，峰 值 可 高 出 ９ ８ ． ％。封 场 后 该模 型 产 气量 的衰 减 速 率 也 更 快 ，但 在 第 １ 后 两者 的 产 气 量 开 始逐 渐 趋 同。 ０年 关键词 ：填埋气体；产气模型 ；产气速 率常数 中图分类号 ：Ｘ ０ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ — ２ ６ （０ ２ ４ ０ ４ — ４ ７１ ０ ５ ８ ０ ２ １ ）０ — ０ ５ ０
第２ ０卷第 ４期
２１ ０ ２年 ８ 月
环 境卫 生 工 程
Ｅｎ ｉｏ ｍ ｅ ｔｌＳ ｎｔ ｔｏ ｖｒ ｎ ｎａ ａ ｉａｉ ｎ Ｅｎｇｎ ｅ ｉ ｉ ｅ ｒｎｇ
Ｖｏ ．０ Ｎｏ４ １ ． ２
Ａｕ ｕ ｔ ０ ２ ｇ ｓ １ ２
・ ５・ ４
基 于垃圾产气速 率差异 的填埋气体 产 生量 预 测模 型 的探 讨
（ｉ ｊ ｎｉ ｎ ｅ ｔ ａ ｉｔ ｎＥ ｇｎｅｉｇＤ ｓ ｎＩｓｔｔ，Ｔａｊ ３ ０ ０ ） Ｔａ ｉ Ｅ ｖｒ ｍ ｎａ Ｓｎｔ ｉ ｎｉｅｒ ｅｉ ｎｔｕｅ ｉ ｉ ｎｎ ｏ ｌ ａｏ ｎ ｇ ｉ ｎ ｎ ０２ １
填埋气产量计算
1填埋场情况简述某垃圾填埋场占地316.34亩，分为一号、二号两个填埋区。
一号填埋区始于1991年，收集城市生活垃圾的覆盖人口为150万，该区占地10×104m2，呈山谷形状，底部面积为6×104m2。
填埋区内日平均堆填垃圾500t，已倾倒的垃圾总量为1•65×106m3，垃圾密度为0.8~0.9t/m3，垃圾总重量为1.32×106t。
该区已于2003年底封场，同时启用毗邻的二号填埋区。
对于已封场的一号填埋区，准备开展填埋气发电利用工作。
在工程设计的前期，需要对填埋气的产气能力进行评估，以确定发电机组容量、利用方式和使用年限等关键数据，为此我们首先进行了产气量的理论计算，并在现场打井进行了长期的产气能力测试。
2填埋气产气量的理论估算由于填埋气中的可利用成分是甲烷，所以在对填埋气产气量的理论估算方面，主要是计算填埋气中甲烷的产量(包括总产量和年产量)。
2．1填埋气中甲烷总产量的计算采用国际上通用的IPCC模型计算填埋气中甲烷的总产量，该模型的计算公式如下:式中，ECH4———垃圾填埋场的甲烷总排放量，t；MSW———城市垃圾量，t；η———城市垃圾填埋率，%；DOC———垃圾中可降解有机碳的含量(IPCC推荐发展中国家为15%)；R———垃圾中可降解有机碳的分解百分率(IPCC推荐为77%)。
根据以上公式计算出1t填埋垃圾可产甲烷量为0.077t，转化成标准体积量为1t填埋垃圾可产107.8Nm3的纯甲烷。
根据垃圾总填埋量，可得以下甲烷总产量的计算结果。
表1甲烷总产量预测结果为了检验以上计算的正确性，我们还采用化学平衡法进行了核算，其计算公式如下：式中，ECH4——1kg垃圾量转化成甲烷气体的体积，m3；RCH4——CH4的浓度含量，%；W——含水率，%；P——垃圾中的有机物含量，%；C——有机物中的有机碳含量，%；η——转化率，%。
根据实测的RCH4、W、P、C结果，η取为0.8，由此得出垃圾的CH4产量为103.7m3/t，结果与IPCC模型的计算结果基本一致。
垃圾填埋气产生量估算模型简述
周期、 产气 速 率 的成 熟 估 算 模 型 。 国外 发达 国家 对 填 埋气 的产气 模 型 研 究 始 于 ２ Ｏ世 纪 ７ ０年 代 ， 经 已
开 发 出不少 的产 气 模 型 ， 这些 模 型 有 各 自的应 用 条
圾填 埋后 ， 中 的有 机 物 质 在厌 氧 微 生 物作 用 下 降 其 解， 产生 以甲烷和 二氧化 碳 为主 的填埋 气 （ Ｆ ， Ｌ Ｇ） 其
第 ３ 第 ７期 ７卷
２１ ０ ２年 ７月
环境科学 与管理
ＥＮＶＩ ＲＯＮＭ［ ＥＮＴＡＬ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＡＮＡＧＥＭ ＥＮＴ Ｍ
Ｖｏ． ７ １ ３ Ｎｏ ７ ．
Ｊ ｌ ０ ２ ｕｙ２ １
文章 编号 ：６ ４— １９（０ ２）７－ ０ ４— ２ １７ ６３ ２ １ ０ ０ ５ ０
和 国外 存在 较 大差 异 ， 内研 究 多是 在 国外 模 型 的 国 基 础上 ， 通过 参数 的确 定和模 型 局部 的修 改 ， 预 测 来 中国生活 垃圾 填 埋 气 的产 气 量 和 产 期 速 率 。 黎 青 松 等人在 Ｓ ｈ ｌＣ ｎｏ 型 的基 础 上 ， 过 对 深 ｃ ｏ ａ ｙｎ模 ｌ 通
的 可 再 生 能 源 加 以利 用 。 利 用 填 埋 气 首 先 确 定 其 产 生 速 率 和 产 生 量 ， 立 准 确 预 测 填 埋 气产 气 量 、 气 周 期 、 建 产
产气速率 的估算模型非常重要。本文论述计算 甲烷 气体产生量和产气速率模型（ 力学模型 、 动 统计 学模 型与经 验模型 ） 的使 用条件和优缺 点。不同的模型有 不同的使 用条件 ， 目前使 用较 多的是经验模 型。应用国外 成熟模
ｍｏ ｅ ｓｗｈ ｃ ｏ ｅ ａ ｔｇ ｓｇ ｎ ｒ ｔ ｎ ａ ｃ ｒ ｔｌ ｒ ｅ ｅ ｓ ｒ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ｔ Ｔ ｉ ａ ｅ ｅ ｉｗｓ ｔ ｅ ａ ｖ ｎ ａ ｅ， ｉａ — ｄ ｌ ｉｈ ｆ ｒ ｃ ｓ ａ ｅ ｅ ａｉ ｃ ｕ ａｅ ｙ ａ ｅ ｎ ｃ ｓ ａ ｙ ｆｒ ｌ ｎ ｆ ｌｍａ ａ ｅ ｎ ． ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｒ ｖｅ ｈ ｄ ａ ｔ ｇ ｄ ｓ ｄ ｏ ｌ
垃圾填埋气体环境影响分析
垃圾填埋气体环境影响分析垃圾填埋场的主要输入项为垃圾和水，主要的输出项为渗滤液和填埋气体，二者的产生是填埋场内生物、化学和物理过程共同作用的结果。
填埋气体主要是填埋垃圾中可生物降解有机物在微生物作用下的产物，其中主要含有氨气、二氧化碳、一氧化碳、氢气、硫化氢、甲烷、氮气和氧气等，此外，还有很少量的微量气体。
填埋气体的典型特征为：温度达43-49℃，相对密度约为1.02-1.06，为水蒸气所饱和，高位热值为15630-19537KJ/m?。
填埋场释放气体中的微量气体的量虽然很小，但是成份却很多。
国外通过对大量填埋释放气体的取样分析，在其中发现了多达116种有机成份，其中许多可以归为挥发性有机成分，这些气体可能有毒，并对公众健康造成严重威胁。
填埋场气体中的主要成分是甲烷和二氧化碳。
这两种气体不仅是影响环境的温室气体，而且也是易燃易爆气体。
甲烷和二氧化碳等在填埋场地面上聚集过量会使人窒息。
同时填埋气体中含有少量的有毒气体，如硫化氢、硫化氨等，对人畜和植物均有毒害作用。
填埋气体也会影响地下水水质，溶于水中的二氧化碳，增加了地下水的硬度和矿物质的成分。
因此，填埋气体对周围啊安全始终存在着威胁，必须对填埋气体进行有效的控制。
2、埋场产气量的预测填埋气产气量因垃圾成份、填埋区容积、填埋深度、填埋场密封程度、集气设施、垃圾体温度和大气温度等因素不同而异。
一般来说，垃圾组分中的有机物含量越多、填埋区容积越大、填埋深度越深、垃圾场密封程度越好、集气设施设计越合理，气体产量越高；当垃圾含水量略超过垃圾干基质量时，气体产量较高；垃圾体的温度在30℃以上时，产气量较大；大气温度可以影响垃圾体温度，从而影响产气量。
填埋产气量的确定方法有三种，即理论计算法，经验公式计算法和实测法。
2.1理论计算法（1）化学计量计算法有机城市垃圾厌氧分解的一般反应可写为：有机物质（固体）+ H2O→可生物降解有机物质+ CH4+ CO2+其他气体假如在填埋废物中除废塑料外的所有有机组分可用一般化的分子式CaHbOcNd来表示，假设可生化降解有机废物完全转化为CO2和CH4，则可用下式来计算气体产生总量。
填埋场产气规律的模型预测
表 1 监测井压力及与 W2 井的压力差和距离 Table 1 Distance and pressure between W2 gas collection
well and monitoring well
监测井
P7 P3 P2 P1
压力ΠkPa - 0. 39 - 0. 02 0. 06 0. 12
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环 境 科 学ห้องสมุดไป่ตู้ 研 究
第 22 卷
两步一级反应耦合的产气率和产气量预测模型[5] , 该模型可用统一的数学公式对填埋气体产气率随时 间变化的倒“U”形曲线进行解释 ,并能够通过测量 有机物的分解率或即时产气率求解模型 ,从而获得 产气率和产气量随时间变化的整个曲线. 通过南京 水阁垃圾填埋场的现场取样及抽气试验 ,对该模型 在实际运用中的求解方法和条件进行了探讨 ,并对 模型的预测结果进行了验证和分析.
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中国沼气 China Biogas 2001 ,19 (2)
垃圾中含有大量难降解物质 ,而且垃圾填埋 场在许多情况下并非严格的厌氧条件 ,尤其 是我国目前大部分垃圾填埋场仍然采取未经 压实和覆盖的简单处置方式 ,实际上垃圾处 于半厌氧状态 ,该式的计算结果将高于实际 产生量 。 21113 COD 估算模型[8]
该模型由政府间气候变化委员会 ( Inter2 governmental Panel on Climate Change , 简 称 IPCC) 提出 : ECH4 = MSW ×η×DOC ×r ×(16/ 12) ×0. 5 式中 , MSW 为城市生活垃圾量 (t) ;η为填埋 垃圾占生活垃圾总量的百分比 ;DOC 为垃圾 中可降解有机碳的含量 ( %) , IPCC 推荐对发 展中国家取值为 15 % ,发达国家为 22 % ; r 为垃圾中可降解有机碳的分解百分率 , ( IPCC 推荐值为 77 %) ;比值 16/ 12 为 CH4 和 C 的 转换系数 ;数值 015 为 CH4 中的碳与总碳的 比率 。
该模 型 是 建 立 在 质 量 守 恒 定 律 基 础 上 的 ,假设垃圾中的 COD 值等于产气中甲烷燃 烧的耗氧量 。此模型同样也是用于计算一定 数量垃圾的最终产气总量 。该模型的数学形 式为 :
YCH4 = 0. 35 ×(1 - ω) ×V ×COD 式中 , YCH4为 1 kg 填埋垃圾的理论产 CH4 量 (m3·kg - 1) ;ω为填埋垃圾的含水率 ; V 为 1 kg 填埋垃圾的有机物含量 ( %) ; COD 为填埋垃 圾中 1 kg 有机物的 COD 值 ( kg·kg - 1) ; 0135 为 1 kgCOD 的 CH4 理论产量 (m3·kg - 1) 。该 模型的计算结果同样会导致与化学计量式模 型相同程度的正偏差 。
Study on Methane Generation from Landfills in China / WANG Wei1 , HAN Fei1 ,YUAN Guangyu1 , JIANG Jianguo1 , WANG zhiren2 / ( Eng , Tsinghua University , Beijing 100084 ; 21Envir Monitoring station of Longgang District , Shen Zhen 518116 , China) Abstract : In order to control the total emission of methane efficiently ,different models of methane generation from landfills were analyzed in this paper. The mathematical model of methane generation from landfills of the next 20 years in China is de2 scribed. The results indicate that with the increasing of Municipal Solid Waste (MSW) landfilled ,the fraction of methane from landfills in GHGs emitted in China would increase from 3. 83 % (in 2000) to 7. 19 % (in 2020) . Therefore its contribution to global warming can’t be ignored. The emission control and resource exploitation of landfill methane have the important tasks in MSW management . Keyword : methane ,municipal solid waste (MSW) ; landfill ;estimation model .
1 概述
众所周知 ,全球变暖已经成为世界关注 的重大环境问题 ,由于其影响的深度和广度 不断加大 ,越来越多的人们认识到 ,要制止全 球变暖的趋势 ,唯一有效的途径就是世界各 国联合 起 来 共 同 削 减 全 球 温 室 气 体 的 排 放 量 。为此 ,联合国气候变化框架公约的第三 次缔约方大会 (COP3) 于 1997 年 12 月在京都 召开 。会上通过了京都议定书 ,发达国家同 意在 2008～2012 年期间将温室气体的排放 量比 1990 年削减至少 5 %。表 1 列出了环 境中各种主要温室气体的情况 ,在这些温室 气体中 ,虽然 CO2 的排放量和温室效应贡献
增暖潜力 3
1
21
250
温室效应供献率/ %
1880～1980 66
15
3
1980s
49
18
6
10 pptv 4 65
3 500
8 14
注 : 3 排放 1 kg 气体 ,相对于 CO2 的潜在增暖作用 。
最大 ,但其在全球变量的贡献率在逐渐减少 , 其中一 个 重 要 的 原 因 是 年 增 长 率 的 相 对 降
全世界每年 CH4 排放量大约 5 亿 t ,其中 有 2 200～3 600 万 t 来自垃圾填现场[2] 。表 2 列出了世界 CH4 的主要排放源 , 它 包 括 湿 地 、稻田 、反刍动物 、垃圾填埋场 、油气田 、煤
矿等 。虽然在各种人为 CH4 排放源中 ,垃圾 处置排放的 CH4 量仅列为第三位 ,但是相对 于来自稻田和反刍的甲烷而言 ,控制填埋场 CH4 排放是减缓 CH4 排放量增长的最可行和 最有效的措施 。例如 ,英国填埋场 CH4 约占 CH4 总量的 20 % ,估计每年有 220 万 t CH4 排放自填埋场[3] ,被认为可能是最大的 CH4 排放源 ;在美国 ,填埋垃圾每年排放 CH4 1116 Mt ,占总 CH4 排放量的 37 %[4] ,一项估算显 示 ,1995 年日本填埋场的 CH4 产量为 0132 Mt2C·年 - 1 ,对总量的贡献率达到 2118 %～ 3414 %[5 ] 。
N. Gardner 和 S. D. Probert 提出下述公 式 ,式中 , P 为单位质量垃圾在 t 年内产 CH4 量 (kg·kg - 1) ; Cd 为垃圾中可降解有机碳的比 率 (kg·kg - 1) ; X 为填埋场产气中 CH4 的分额 ;
表 2 全球主要 CH4 排放量
CH4 排放源
湿 地 稻 田 废物处置 采 矿 天然
排放量 / Mt·a - 1
70～150 50～150 30～80 25～50 35～60
CH4 排放源
海 洋 动物反刍 地质因素 白 蚁 总 计
排放量 / Mt·a - 1 5～20 60～100 5～15 15～30
因此 ,建立适合我国国情的预测模型 ,正确预 测和评价我国垃圾填埋场 CH4 产生量及其 对气候变化的影响 ,对于将来制订国家城市 垃圾处理处置技术政策 ,履行减排温室气体
的国际义务具有重要意义 。
2 填埋场产气模型
目前 ,国外研究者开发的填埋场产甲烷 模型大致可以分为动力学模型和统计模型两 种类型 。 211 统计模型 21111 IPCC 模型[7 ]
低 。表中氯氟烃 (CFC - 11) 的增长率虽然较 高 ,但是随着它在全球范围内逐步禁止生产
收稿日期 : 2000 - 11 - 22 修回日期 : 2001 - 03 - 14
作者简介 : 王伟 (1960 - ) ,男 ,山东人 ,清华大学教授 ,环境与卫生工程专业博士 ,主要从事固体和危险废物管理 、处理 处置与资源化方面的教学与研究 。
中国沼气 China Biogas 2001 ,19 (2)
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和使用 ,其作用将逐渐减小和消失 。如表 1 所示 , CH4 在 大 气 中 浓 度 的 增 长 速 度 接 近 CO2 的 2 倍 ,因此 ,CH4 对温室效应的贡献率 将会持续增加 ,所以削减全球 CH4 排放量的 作用将不亚于 CO2 。
(a/ 2 + b/ 8 - c/ 4 - 3d/ 8) CH4 + (a/ 2 - b/ 8 + c/ 4 + 3d/ 8) CO2 + dNH3 根据此式 ,当城市垃圾的典型化学计量 式为 C99 H149O59N ,含水率为 50 %时 ,则可降 解的碳含量占湿垃圾总量的 26 % ,1 kg 湿垃 圾具有的 CH4 产生潜力在常温常压下约为 259 L 。这说明在填埋 场 产 气 期 内 , 大 约 有 1815 %的垃圾质量将被转化为 CH4 。该模型 是假设垃圾中的碳均为可降解有机碳 ,其计 算结果是甲烷产量的最大理想值 。但实际上
IPCC 模型属宏观统计模型 ,用于计算某 一垃圾统计量最终产生的甲烷总量 。由于 IPCC 模型使用的η、r 推荐值为统计均值 ,当 利用此式针对某一国家进行估算时 ,应采用 该国实际的参数值进行校核 。 21112 化学计量式模型
垃圾的 CH4 产量也可以采用垃圾中有 机物分解的化学计量方程式来确定 : Ca HbOcNd + (a - b/ 4 - c/ 2 + 3d/ 4) H2O =
表 1 大气中主要温室气体参数[1]
温室气体 浓度 (1990)
CO2
CH4
N2O CFC - 11
353 ppmv 1172 ppmv 310 ppbv 280 pptv
年均增长量 118 ppmv 01015 ppmv 018 ppbv
年变化率/ % 0150
0190
0125
存留时间/ a 50～200 10 150～170
500
我国的城市垃圾产生量已经超过 1 亿 t· a - 1[6] ,目前大部分采用填埋方式处置 ,填埋 场产生的 CH4 对温室效应的贡献不容忽视 。 但是 ,我国在填埋场 CH4 产生预测和评价研 究方面处于刚刚起步阶段 ,尚缺乏准确的预 测方法和评价数据 。由于我国的垃圾特性和