污泥填埋場氣體產量的預測方法研究

朱 英,趙由才,李鴻江

(1.山東省科學院新材料研究所,山東 濟南 250014；2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；3.深圳市環境工程科學技術中心,廣東 深圳 518001)

污泥填埋場氣體產量的預測方法研究

朱 英1,2,趙由才2*,李鴻江3

(1.山東省科學院新材料研究所,山東 濟南 250014；2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海 200092；3.深圳市環境工程科學技術中心,廣東 深圳 518001)

為有效利用污泥填埋場內產生的沼氣,以上海白龍港污水處理廠污泥為例,對污泥填埋場中氣體產生率及產生量進行了預測.應用元素的歸一化摩爾化方法得到該污水處理廠污泥有機物的近似分子式為 C28H52O16N4.用化學計量法和 IPCC模型預測的甲烷氣體產生潛能分別為60.6,61.7kg/t(以干重計).用動力學模型和IPCC模型預測的甲烷氣體產生率分別為13.3,11.1kg/(t?a)(以干重計),2種方法計算的甲烷氣體產生率的差別主要在于參數的取值不同,化學計量法和動力學模型法預測的氣體產生量和產生率更能反映污泥填埋場實際的氣體產生情況,應用IPCC模型更適合于從宏觀角度估算一個地區或整個國家的填埋場產氣量.

污泥；沼氣；預測方法；產生量；產生率

Abstract：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 C28H52O16N4using 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

目前我國污泥年產量約532萬t(干重),折合含水率80%的濕污泥為2660萬t.根據我國目前的經濟現狀,污泥填埋是我國污泥處置最主要的方法之一[1-2].沼氣是一種很好的清潔可再生能源,對沼氣的回收和利用一方面可滿足溫室氣體減排的需要;另一方面可以替代其他能源.

填埋物質的性質以及降解的時期決定了某一個時期的氣體組成及其產生的潛能.目前,填埋場產沼氣模型大致可以分為動力學模型和統計模型 2種類型.其中,動力學模型主要有 Gardner模型[3]和 Sheldon Arleta模型[4]等;統計模型有IPCC模型[5]、化學計量式模型和 COD估算模型[6]等.也有研究者對模型進行了改進[7],采用改進的一階降解模型對不同的垃圾成分采用不同的降解速率進行計算,能夠較準確地預測出填埋場氣體產生量.國內外學者對有機固體廢棄物填埋場的產氣量已有較多研究[8-9],對污泥在填埋場的產氣量研究一般是將其歸類為有機固體廢物,而根據具體污泥特性對其在填埋場的產氣量的研究卻鮮有報道.本研究主要應用化學計式模型、動力學模型和IPCC模型來預測污泥填埋場氣體產生量和氣體產生率,旨在為污泥填埋場氣體的利用提供參考.

1 材料與方法

1.1 填埋污泥

填埋污泥取自白龍港污水處理廠,含水率82%,pH7.35,揮發性有機物(VM)含量44.7%,污泥有機物密度為450kg/ t(濕污泥).

1.2 實驗裝置與材料

實驗裝置為上海老港填埋場內一座規模為1800t的生物反應器填埋單元,全部用于填埋白龍港污水處理廠污泥.填埋單元上部和下部截面積分別為 1024m2(32m×32m)和 100m2(10m× 10m);單元總高度為 6m,邊上有分層階梯狀邊坡將高度平分為3層,填埋過程中,在每層之間鋪設三維復合土工排水網加速污泥的排水;底部和邊坡鋪設粘土、土工布和HDPE膜.每隔一定時間采樣,取泥面下20～30cm處的污泥,裝入塑料袋帶回實驗室分析測定.

1.3 測定方法

微波消解/等離子發射光譜法測定污泥中重金屬含量;烘干失重法測定污泥含水率;玻璃電極法測定污泥pH值;污泥元素組成使用 Vario EL III型元素分析儀測定; VM用馬福爐在600℃燃燒 3h測定;總有機碳(TOC)含量用島津 TOC-V CPN型[0]的TOC/TN測定儀測定.

2 結果與討論

2.1 化學計量模型預測氣體產生量

式中: C5H7O2N為生物降解物質代表式.

EMCON[11]得出的平均城市固體廢物的經驗分子式為C99H149O59N.但考慮到各種固體廢物因組成、含量不同,分子式也會存在很大不同,由此得出的潛在氣體產生量也會存在較大差異.

因此本研究中,將根據污泥的具體組成來確定污泥有機物質的分子式.

2.1.1 污泥有機物質分子式的確定 取混合均勻污泥樣品進行元素組成測定,C、H、O、N的平均百分比組成見表 1.根據各元素分子量,進一步計算物質的量比組成,并用歸一化方法得出各元素的物質的量比,由此得到該污水處理廠在某一時間取樣污泥有機物的近似分子式為C28H52O16N4.

表1 污泥有機物近似分子式的計算Table 1 Approximate formula calculation of sludge organic

2.1.2 污泥中有機物質的生物可降解度 土壤中有機質(以腐殖質為主)含量約 1%～2%,高的可達5%～10%[12].因此,以土壤中的有機物質含量上限值(10%)作為污泥穩定的有機質含量的下限.腐殖質的TOC含量約50%左右[13],因此,當污泥有機質含量為100mg/g時,污泥的TOC含量約為50mg/g.經測定白龍港污泥 TOC含量為 23.5%,則污泥可降解的TOC含量為23.5%-5%=18.5%,可降解的TOC百分含量為78.7%.

2.1.3 污泥潛在氣體產生量 根據污泥有機物分子式,污泥厭氧降解的化學計量反應式為:

模型中，i和t分別表示不同省份和年份；C1、C2、C4分別表示投資、技術創新和人口對產業結構升級的作用效應；C3表示非老齡人口比例對產業結構升級的影響，當C3＞0時，表示老齡化程度越高，越不利于產業結構升級；C5表示分配給勞動人口的資源比例對產業結構升級的影響，當C5＜0時，表示分配給老齡人口的資源越多，越能促進產業結構升級。

根據分子量將上式中各物質轉化為質量,如式(3)所示:

該廠污泥有機物部分平均密度為450kg/t,根據式(3)估算污泥潛在氣體產生量分別為:

總的氣體產生潛能為160.8kg/t污泥.

2.2 動力學模型預測氣體產生量

目前填埋場內應用廣泛的氣體產生率一級反應動力學模型[14].如果氣體的變化率為-dGp/dt,那么總的氣體產生率αT可以表示為

式中:Gp為氣體產生潛能;Gc為累積的氣體;t為時間.

αT與氣體產生潛能的比例關系:

式中:k為氣體產生率常數.

氣體產生潛能與氣體的累積遵循相反的模式,Gp和Gc的和即為總的氣體產生容量GT.將式(4)在t(0,t)及Gp [GT; Gp]內積分得:

則αT可以表示為:

因為是假定填埋場內氣體主要由CH4和CO2組成,所以αT為CH4和CO2產生率之和.因為填埋物質組成因地區不同而有較大差異, Findikakis等[15]認為,根據物質的降解性可以將填埋物質分為易降解廢物,中等易降解廢物,難降解廢物.每一種都有相應的速率常數Km和氣體產生潛能Gpm.

式中:αTm表示組成物質m的總的氣體產生率;m為降解類別;Am為組成物質 m所占的比例; GTi為氣體 i的總的產生量(單位體積污泥產生的氣體質量);i表示氣體種類(CH4與CO2);Km為組成物質m的氣體產生率常數.

k與廢物中可降解有機碳與半生命期有關:

污泥有機碳含量隨填埋時間的變化見表2.

對測得的污泥有機碳含量(Y)與時間(X)的關系進行了擬合,如式(12)所示:

表2 污泥有機碳含量隨填埋時間變化Table 2 Variation of the total carbon of sludge with landfill time

根據式(12)對有機碳含量達到 5%所需時間進行預測,可得到有機碳降解完成的時間為2254d,約6.18a,則k=ln2/3.09=0.224

污泥組成及相應參數見表 3,因污泥有機物主要由脂肪和蛋白質類物質組成,因此本研究中,設定污泥有機物全屬于易降解物質.根據動力學模型預測的氣體產生率見圖1.

表3 污泥組成及相應參數Tabel 3 Sludge composition and corresponding parameters

圖1 根據動力學模型預測的氣體產生率Fig.1 Production rate of landfill gas predicted by dynamics model

2.3 IPCC模型預測的CH4產生量和產生率

IPCC模型為估算固體廢棄物處理場所中CH4排放的一階衰減方法,反映了廢物隨時間的降解過程.甲烷氣體產生潛力計算公式:

甲烷產生潛力=MCF (x) ? DOC j ? DOCF? F?

填埋場的甲烷氣體排出量計算公式:

式中:φ為模型校正因子,缺省值為0.9;F為甲烷在填埋場產生氣體中的比例,平均取值為0.5.F取決于多個因素,包括廢物成分如碳水化合物和纖維素,回收的填埋場產生氣體中的甲烷濃度可能由于潛在空氣稀釋作用而低于實際值,因此估計的甲烷在填埋場產生氣體中的比例并不具有代表性;DOCj為某年(x)的可降解有機碳,表示為每Gg廢物中的 Gg碳,它以廢物的成分為基礎,通過廢物流中各類成分的加權平均計算,取值為 0.5. DOCF為經過異化的可降解有機碳的比例,DOCF為一個最終從固體廢物處理場分解和釋放出來的碳的比例估計值,它表明某些有機碳在固體廢物處理場中并不一定分解或分解很慢,缺省值為0.77.MCF(x)為某年(x)的甲烷修正因子,MCF說明無管理措施的固體廢物處理場產生的甲烷比有管理措施的要少,因為有相當一部分的廢物在未加管理的固體廢物處理場的上層發生好氧分解,取值為1.K為甲烷氣體產生率常數;Wx為第x年填埋的固體廢物量;x為年份;y表示清單計算當年;16/12表示碳轉化為甲烷的系數.

圖2 IPCC模型預測的氣體產生率Fig.2 Production rate of landfill gas predicted by IPCC model method

將各參數指標代入式(13)計算得甲烷產生潛力為0.0617Gg CH4/Gg廢物,干重計.

將各參數指標代入式(14)可得甲烷氣體產生率與時間的關系如(圖 2).IPCC模型預測的CH4產生率為11.1kg/(t?a)(干重計).

2.4 預測方法的比較

本研究用化學計量法和IPCC模型預測的甲烷氣體產生潛能分別為60.6,61.7kg/t(干重計),兩者相差不大.龔少鵬等[16]利用 IPCC產氣模型對深圳過橋窩垃圾填埋場封場后一段時期的產氣情況進行了預測,現場氣體測試結果為100.3m3/h,非常近似于IPCC模型預測值99m3/h,說明模型預測比較準確.國外研究者也得出相同結論[17].同時也間接說明化學計量法預測的氣體產生量較準確.本研究用動力學模型和 IPCC模型預測的CH4產生率分別為13.3,11.1kg/(t?a)(干重計).2種方法計算 CH4產生率的差別主要在于參數的取值不同,動力學模型法計算過程中,參數的取值都是根據實際測試數據得來的;而 IPCC模型中參數取值則應用了指南中推薦的缺省值.化學計量法和動力學模型法預測的 CH4產生量和產生率更能反應污泥填埋場實際的氣體產生情況,但應用IPCC模型來預測有利于不同地區及國家之間的對比,更適合于從宏觀角度估算一個地區或整個國家的填埋場產氣量.

3 結論

3.1 用化學計量法和 IPCC模型預測的甲烷氣體產量分別為60.6,61.7kg/t(干重計),兩者相差不大.用動力學模型和IPCC模型預測的CH4產生率分別為13.3,11.1kg/(t?a)(干重計).

3.2 化學計量法和動力學模型法預測的CH4產生量和產生率更能反應污泥填埋場實際的氣體產生情況,但應用 IPCC模型來預測有利于不同地區及國家之間的對比,更適合于從宏觀角度估算一個地區或整個國家的填埋場產氣量.

[1] 史昕龍,陳紹偉.城市污水污泥的處置與利用 [J]. 環境保護, 2001,3:45-46.

[2] 楊小文,杜英豪.污泥處理與資源化利用方案選擇 [J]. 中國給水排水, 2002,18(4):31-33.

[3] Gardner N, Prober S D. Forecasting landfill gas yield [J]. Applied Energy, 1993,44:131-163.

[4] Fair G M, Moore E W. Heat and energy relations in the digestion of sewage solids [J]. Sewage Works Journal, 1932,4(5):430-439.

[5] Houghton J T, Meira Filho L G, Lim B, et al. International Panel on Climate Change Guidelines for national greenhouse gas Inventories [Z]. Volumes 1, 2 and 3. Paris, France:1996.

[6] 劉春華.固體廢物填埋場氣體產生過程及模擬研究 [D]. 北京:清華大學, 1995.

[7] 龔少鵬,李 斌.改進一階降解模型在填埋氣體CDM項目中的應用 [J]. 環境衛生工程, 2008,16(4):59-64.

[8] Durmusoglu E, Corapcioglu M Y, Tuncay K. Landfill settlement with decomposition and gas generation [J]. Journal of Environmental Engineering, 2005,131(9):1311-1321.

[9] 黃文雄,彭緒亞,閻 利.垃圾填埋場氣體產生及其模型研究 [J].中國工程科學, 2006,8(9):74-79.

[10] 胡明甫.城市垃圾填埋場填埋氣產氣量及產氣速率的研究 [J].鋼鐵技術, 2002,(3):50-55.

[11] EMCON. Methane generation and recovery from landfills [M]. EMCON Associates, san jose, CA, Ann arbor, 1980:44-58.

[12] 馬麟英.不同立地類型土壤有機質含量對板栗初生長的影響[J]. 安徽農業科學, 2008,36(30):13273–13275.

[13] 朱 英.衛生填埋場中污泥降解與穩定化過程研究 [D]. 上海:同濟大學, 2008.

[14] Nastev M, Therrien R, Lefebvre R, et al. Gas production and migration in landfills and geological materials [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2001,52:187-211.

[15] Findikakis A N, Leckie J O. Numerical simulation of gas flow in sanitary landfills [J]. Journal of the Environmental Engineering Division, 1979,105(5):927-945.

[16] 龔少鵬,廖 利,陳惠凡.深圳過橋窩垃圾填埋場填埋氣體產量研究 [J]. 安全與環境工程, 2007,14(2):53-55.

[17] Borjesson G,Samuelsson J,Chanton J, et al. A national landfill methane budget for Sweden based on field measurements, and an evaluation of IPCC models [J]. Tellus Series B-Chemical and Physical Meteorology, 2009,61(2):424-435.

Prediction 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)：204～208

X705

A

1000-6923(2010)02-0204-05

2009-05-21

教育部重大專項(305005)

* 責任作者, 教授, zhaoyoucai@mail.tongji.edu.cn

朱 英(1978-),女,山東青島人,副研究員,博士,主要從事固體廢物處置與資源化利用研究.發表論文12篇.