小型填埋場填埋氣體收集和利用探討

文/黃春(黑龍江省城市規劃勘測設計研究院)

1.前言

隨著我國經濟建設的快速發展，環境可持續發展問題也越來越引起人們的關注和重視，創造一個整潔、優美的工作環境和生活環境是一個現代化城市的重要標志之一。生活生產垃圾是伴隨著人類的生產、生活而產生的，隨著工業化和城市化的推進，城市人民的物質文化水平日益提高，垃圾的產量和成份也迅速增加和變化。在當今世界上，處理垃圾的難度越來越大，給城市的發展和管理帶來了新的困難，直接或間接地影響著生態環境，對居民的健康和生存構成了嚴重威協。我國城市垃圾的處理方法目前還比較落后，其主要方法是填埋，約占整個垃圾處理方法的95%以上。因此，小型填埋場可能產生的污染問題、爆炸問題應引起我們足夠的重視，目前，我國所采用的填埋方法基本上是隨意堆放的方法，未經無害化處理。在填埋過程中，由于厭氧分解產生大量的甲烷氣體，如果不加以收集處理就會發出臭味并可能產生火災危險。同時，該氣體中含有高濃度的甲烷氣體是一種有效的資源。本文就小型填埋場填埋氣體的收集和利用進行初步探討。

2.小型填埋場填埋氣體的產生

生活垃圾包括居民家庭、道路清掃、商業營業垃圾、企事業單位以及公共場所等產生的垃圾，亦有一部分工業垃圾和建筑垃圾混雜其中。因此在投入填埋場的垃圾中，含有相當豐富的有機物質。通常，家庭垃圾中，含有水果皮、食物殘渣、菜葉、紙張、毛皮等有機物。垃圾一旦進入填埋場，微生物的分解過程就開始了。第一步是好氧分解，消耗填埋場中的氧氣，產生大量的熱。第二步進行厭氧分解，產生沼氣。作為垃圾本身的生物厭氧降解過程，其最終產物主要是CO2和CH4。垃圾被填埋的初期，有機物分解產生的廢氣主要是CO2，經過一段時間以后，氣體中的甲烷成分逐漸上升，產氣高峰一般要在垃圾填埋3～5年之后才出現，而廢氣中CH4含量較高時會引起爆炸。因此，做好填埋場氣體的收集是一項很重要的工作。

3.小型填埋場填埋氣體的收集系統

填埋場中有機垃圾的生物降解分為好氧階段、厭氧階段，厭氧甲烷不穩定階段，厭氧甲烷穩定階段四個過程，前三個階段的持續時間為180～500d，而厭氧甲烷階段的穩定時間可持續多年，這主要取決于垃圾構成、填埋深度、氣候條件和土壤類型等條件，在穩定階段甲烷爆炸的報道已有多起，從而決定了導氣系統的設計便成為垃圾衛生填埋的重要環節。小型垃圾填埋場為確保該垃圾填埋場的安全運行，仍設置導氣系統。 可在場內設置64個導氣豎管，每個導氣豎管的服務半徑為20m，導氣豎管與場底水平收排滲系統相連，起導氣及垂直收滲雙重作用，導氣豎管隨著垃圾堆高而加高。為避免操作機械對導氣豎管的碰撞，以保護導氣豎管的穩定，同時亦為加強導氣效果，在導氣豎管的外側設置石籠。導氣豎管高出衛生填埋場封場面2m。垃圾填埋場內產生的氣體，借壓差流向特定的氣體收集井，從收集井通過氣體收集管引至集氣柜，氣體由集氣柜輸往氣體收集站。根據廢氣的不同用途進行凈化處理。氣體的收集通過設置于填埋場豎井中垂直帶孔管道收集豎井，每隔40～50 m設置一個，每3～5個收集井設置一個集氣柜，組成一組輸送系統，每個集氣柜設有獨立的管道接至收集站。集氣柜可以互組聯通，以便處理故障和檢修。為有效地抽出井中氣，井里應保持約20 kPa的負壓，并以此考慮管道設計和設備的選擇。豎井中的吸引管用高密度聚乙烯制造，直徑100～150 mm，吸引管上有透氣的小孔，垂直安裝在直徑為0.5 m的豎井中，為防止其客觀存在氣體滲透進入填埋場表層，吸引管上部3 m沒有小孔，為增加吸收面積，吸引管周圍裝有過濾礫石。來自豎井中的氣體含有水蒸汽，所以水平管道應逐漸向豎井方向傾斜，以便使冷凝液返回豎井，在一些管道的最低點，設置冷凝水收集裝置。

4.填埋氣體的再利用

垃圾填埋氣體在所有的垃圾填埋場中都有產生。垃圾填埋氣體的典型成分如下：甲烷45%-60%，二氧化碳40%-60%，氫0%-0.2%，氮2%-5%，硫化氫0%-1.0%，一氧化碳0%-0.2%。如果垃圾填埋氣體得不到適當的收集和處理，將會帶來一系列直接或潛在的危害。甲烷是一種易燃易爆的氣體，當甲烷在空氣中的濃度達到5%—15%時，遇火就會爆炸。填埋場內產生的大量氣體無規則地隨處遷移和擴散，會形成爆炸和火災的隱患；氣體中微量濃度的硫化氫和硫醇等化合物是產生臭氣之源。另外，垃圾填埋氣體中還可能含有一些有毒有害的揮發性有機氣體如二甲苯、含鹵化合物等，長期與之接觸可以使人致癌。據估計，全世界每年排放的甲烷量大約為5億噸，其中有2200—3600萬噸來自城市垃圾填埋場。采用先進技術開展垃圾填埋氣的利用，不但可以有效避免因無序遷移和排放帶來的危害，而且可以化害為利，將污染環境的氣體作為可再生資源轉化成清潔能源，并對遏制地球氣候變暖的趨勢作出重要貢獻。

美國是較早開展垃圾填埋氣體回收利用的國家，每年可從垃圾中回收填埋氣體達5×109m3，世界范圍內的回收可達3.0×1010m3，而我國只是近兩年來才開始這方面的試驗研究，其初步研究結果表明：垃圾填埋氣體可作為一種利用價值較高的燃料。沼氣回收利用在我國是可行的，并有廣闊的應用前景。目前世界上共有20多個國家的270多個垃圾填埋場安裝了填埋氣體的回收利用裝置，利用途徑包括：直接燃燒獲取熱量，或通過燃燒產生蒸汽用于生活或工業供熱；通過燃氣內燃機發電；作為運輸工具的動力燃料；經脫水凈化處理后用作管道煤氣；用于CO2工業；另外還可用于制造甲醇的原料或用于垃圾填埋場本身滲濾液的蒸發處理等。其中發電、民用燃料和汽車燃料是三種最為普遍的利用方式。近年來，國內垃圾填埋場逐漸重視垃圾填埋氣體的收集和管理，有些垃圾場采用主動式填埋氣體集中回收燃燒系統；有些為將填埋氣體作為清潔的可替代能源進行回收綜合利用而建設了填埋氣體發電廠等項目；杭州市天子嶺、無錫市桃花山、南京市水閣、廣州市大田山等垃圾填埋場利用垃圾填埋氣體發電上網銷售；鞍山市羊耳峪垃圾填埋場垃圾填埋氣體凈化后用于汽車燃料，馬鞍山市向山垃圾填埋場的垃圾填埋氣體的利用方式則分為兩部分：一是建立集中的醫療垃圾焚燒站，利用填埋氣體焚燒醫療垃圾；二是通過輸氣管道，向附近的炸藥廠鍋爐提供燃料等等。要高效地收集填埋氣，必須改善其收集方式，變被動排放系統為主動收集系統。根據填埋場氣體勘探情況，在垃圾堆體上合理布局，垂直鉆孔打井或鋪設水平收集管網，通過管網抽氣輸送到處理和應用設備，進行相應的利用。同時，為了最大限度地達到氣體收集，填埋場還應采取防滲、覆蓋、排水等措施，因此必須加強填埋場的氣體收集的規范管理。