淺談垃圾填埋場填埋氣的收集與利用

楊華明，李彩東，韓根深

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七0三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151）

1 引言

我國是垃圾生產(chǎn)大國，僅生活垃圾的年產(chǎn)量就約2億t，垃圾對大氣、水體、土壤造成污染，從而影響生態(tài)環(huán)境及人們的生存環(huán)境。

目前國內(nèi)外垃圾處理方式有：垃圾填埋、垃圾堆肥、制造衍生燃料、焚燒等。我國大部分生活垃圾采用填埋處理，填埋垃圾產(chǎn)生的大量沼氣就地排放至大氣中，不僅污染了空氣，而且資源化利用率很低。根據(jù)生活垃圾填埋處理的工藝特點，垃圾填埋場將產(chǎn)出大量的沼氣。沼氣是一種清潔衛(wèi)生的生物燃?xì)猓且环N燃燒值較高的綠色能源。但它又是一種不易輸送和儲藏的易燃易爆危險氣體，如果不及時合理地處理和利用，不僅會造成不必要的浪費，也會帶來一系列的安全隱患。而大量的生物沼氣流入空氣中，對環(huán)境有較大的影響，增加大氣的溫室效應(yīng)。而與此同時，垃圾在填埋、污水處理過程中也需要消耗大量的電能和熱能。利用垃圾填埋場填埋氣在保護(hù)環(huán)境、減少大氣污染的同時，能夠化廢為寶。利用垃圾填埋場填埋氣也是一項資源綜合利用的項目。開展資源綜合利用，是我國一項重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，也是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中一項長遠(yuǎn)的戰(zhàn)備方針。

2 垃圾填埋氣的產(chǎn)生

填埋場產(chǎn)生的氣體往往需要幾個月才能達(dá)到一個穩(wěn)定的量。在填埋的最初幾個星期或幾個月內(nèi)，場內(nèi)進(jìn)行好氧的反應(yīng)，主要產(chǎn)生CO2，滲入堆場的水及堆物的沉降將擠走垃圾空隙中的空氣，這樣，好氧階段釋放出的氣體仍然含有O2和N2。當(dāng)堆場變成厭氧時，O2的釋放量降到幾乎為零，N2為低于1%的基本量。厭氧過程主要的氣體終產(chǎn)物為CO2和CH4。當(dāng)甲烷菌增殖時，CH4產(chǎn)量的聚集相當(dāng)緩慢。氣體的最終比率通常為甲烷占55%，二氧化碳占45%。該百分比因不同填埋場的條件會有很大變化。同時存在的微量的N2、H2S及乙烷、辛烷、庚烷等氣態(tài)碳?xì)浠衔铩Ｒ话憷盥窈笠?jīng)歷以下4個階段（圖1）。

圖1 填埋場氣體成分隨時間的變化規(guī)律

Ⅰ 好氧期：持續(xù)時間為幾天到數(shù)周，產(chǎn)生的主要氣體是CO2；Ⅱ 厭氧、不產(chǎn)甲烷期：厭氧分解開始，產(chǎn)生大量的CO2和H2；Ⅲ厭氧、產(chǎn)甲烷不穩(wěn)定期：出現(xiàn)甲烷，CO2的產(chǎn)生量減少，H2被耗盡；Ⅳ 厭氧、產(chǎn)甲烷穩(wěn)定期：氣體的成分趨于穩(wěn)定，通常要達(dá)到厭氧穩(wěn)定狀態(tài)需1～2年的時間。

由于國內(nèi)大部分城市填埋垃圾均未分揀和壓實，垃圾容重為340kg／m3，垃圾中水分、易腐蝕的有機(jī)物含量高，導(dǎo)致填埋垃圾產(chǎn)氣時間短、產(chǎn)量變化幅度大、氣體熱值較低。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)，填埋垃圾在填埋后的1～2年內(nèi)就開始產(chǎn)氣，并且迅速達(dá)到產(chǎn)氣高峰，在隨后的幾年中又迅速下降，整個產(chǎn)氣周期不超過15年。

3 填埋場產(chǎn)氣量預(yù)測

國外對沼氣量產(chǎn)生總結(jié)出了較為成熟的計算模式。這里主要介紹的計算方法是根據(jù)CDM方法學(xué)ACM0001（09.1 版）及相應(yīng)工具“Tool to determine methane emissions avoided from disposal of waste at a solid waste disposal site”，事先計算出項目的減排量（tCO2e）（采用的是垃圾降解一級模型），再除以甲烷的全球增溫潛勢，得到填埋氣的產(chǎn)生量。

計算公式如下：

式中：BECH4，SWDS，y：項目活動開始到y(tǒng) 年末，因避免生活垃圾填埋處置而避免的甲烷產(chǎn)量（tCO2e）。

φ：模型不確定性校正因子；f：填埋氣收集后用于火炬燃燒、焚燒或其他用途的甲烷百分比；：甲烷全球增溫潛值（tCO2e／tCH4）；OX：填埋場甲烷氧化因子。采用2006IPCC缺省值；F：填埋氣中甲烷含量（體積比）。采用2006IPCC缺省值；DOCf：可降解有機(jī)碳（DOC）百分比。采用2006IPCC缺省值；MCF：甲烷校正因子。采用2006IPCC缺省值；Wj，x：第x年未填埋的j成分有機(jī)垃圾的量（tons）；DOCj：j成分垃圾中可降解有機(jī)碳的百分比（質(zhì)量比）。采用2006IPCC缺省值；kj：j成分垃圾的降解速率。采用2006IPCC缺省值；j：垃圾種類；x：減排計入期，從第一個減排計入期第一年（x＝1）到計算減排的第y年（x＝y(tǒng)）；y：計算甲烷排放的年份。

式中：Wj，x：第x年未填埋的j成分有機(jī)垃圾的量（tons）；Wx：第x 年未填埋的有機(jī)垃圾的總量（tons）；Pn，j，x：第x年收集的樣本n 中j成分有機(jī)垃圾的重量比；z：第x年收集的樣本數(shù)量。

(2)FeCl2 溶液中Cl-、Fe2+、OH-等離子都可能在陽極上被氧化,若在該條件下(x≥a)Cl-放電最強(qiáng),就可能只是Cl-放電生成Cl2,生成的Cl2再將Fe2+氧化。反應(yīng)的方程式為:2Cl--2 e-==Cl2,2Fe2++Cl2==2Fe3++2Cl-

在任何情況下，總是有一部分生產(chǎn)的填埋氣體是難以收集的。

①困在中間粘土層的填埋氣體無法到達(dá)集氣井；②如果沒有完全覆蓋，一部分填埋氣體會從表面逸出。填埋氣收集率的確定考慮到了如下表格的因素（表1）。

表1 填埋氣收集率計算

根據(jù)表1，收集率以60%計。由公式和垃圾量，可計算得產(chǎn)甲烷量和甲烷收集量。

4 填埋氣的收集技術(shù)

填埋場氣體收集系統(tǒng)需合理設(shè)計和建造，以保證填埋場氣體的有序收集和遷移而不造成填埋場內(nèi)不必要的氣體高壓。填埋氣收集和導(dǎo)出通常有兩種形式：豎向收集導(dǎo)出和水平收集導(dǎo)出方式。其中豎向收集導(dǎo)出方式應(yīng)用較廣，其填埋氣收集系統(tǒng)主要包括隨垃圾填埋逐漸建造的垂直收集井以及以每個豎井為中心，向四周均勻敷設(shè)多根水平導(dǎo)氣支管。隨著垃圾填埋作業(yè)的推進(jìn)，填埋氣井將以有效地收集、導(dǎo)排、處理和利用填埋氣。

水平收集系統(tǒng)以每個收集井為中心，向四周均勻敷設(shè)多根水平導(dǎo)氣支管。導(dǎo)氣水平收集支管敷設(shè)在淺層碎石盲溝內(nèi)，盲溝內(nèi)填64～100mm碎石。如果庫區(qū)堆高大的話，水平收集系統(tǒng)在高度方向上，可以每6m設(shè)置一層。

收集井頂部設(shè)置集氣裝置，并采用HDPE管與集氣站相連后通過集氣干管連著至輸送總管，最終送至貯器容器或用戶。

5 填埋氣的利用

填埋氣體的利用方法取決于其處理程度。未處理的填埋氣體熱值是天然氣的1／2。填埋氣體的低位熱值約17MJ／m3。處理程度影響應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性，為適合氣體的最終使用需要，填埋氣體預(yù)處理系統(tǒng)更改了填埋氣體的組成。經(jīng)不同處理可以進(jìn)行不同的利用，進(jìn)而得到不同產(chǎn)品。國內(nèi)外常見的填埋氣體利用方式有如下幾種。

5.1 用于發(fā)電

利用填埋氣體作為燃料，或者利用填埋氣體燃燒產(chǎn)生的熱煙氣或鍋爐蒸汽來帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。這種利用方式投資少，工藝技術(shù)和設(shè)備成熟，需要對填埋氣體進(jìn)行冷卻脫水處理，是比較常用的一種填埋氣體利用方式。

我國已建成多個垃圾填埋氣發(fā)電電站，其中目前亞洲最大的垃圾填埋氣發(fā)電項目上海老港垃圾填埋氣發(fā)電項目（建設(shè)規(guī)模為15MW級燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組）已經(jīng)正式并網(wǎng)。該項目的并網(wǎng)標(biāo)志著上海老港填埋場將逐漸由單一的無害化處理基地向資源回收與循環(huán)利用的費固基地轉(zhuǎn)變。

5.2 用于鍋爐燃料

這種利用方式是用填埋氣體作為鍋爐燃料，用于采暖和熱水供應(yīng)。這是一種比較簡單的利用方式，這種利用方式不需要對填埋氣體進(jìn)行凈化處理。設(shè)備簡單，投資少，適合于附近有熱用戶的地方。

5.3 用于民用燃?xì)?/h3>

該種方式是將填埋氣體凈化處理后，用管道輸送到居民用戶，作為生活燃料。此種利用方式需要對填埋氣體進(jìn)行比較細(xì)致的處理，包括去除CO2、少量有害氣體、水蒸汽以及顆粒物等。這種利用方式投資大。技術(shù)要求高。適合于大規(guī)模的填埋場氣體利用工程。

5.4 生產(chǎn)壓縮天然氣

此種方式是將填埋氣體凈化后，壓縮成液態(tài)天然氣，罐裝儲存，用作汽車燃料。這種方法需要對填埋氣體施加高達(dá)20MPa的壓力，工藝設(shè)備復(fù)雜，不易推廣。

5.5 其他利用方式

最近國外對填埋氣體又開發(fā)了一些新的用途，主要有：用于填埋氣體制造燃料電池，用填埋氣體制造甲醛產(chǎn)品以及制造輕柴油等。這些利用方案均在研究和開發(fā)中，離實際應(yīng)用尚有一定的距離。

6 結(jié)語

垃圾填埋氣的收集與利用不僅解決了垃圾處理問題，同時提高了垃圾填埋場的資源利用率，減少填埋場填埋氣直接排放對溫室效應(yīng)的影響，是實現(xiàn)城市垃圾資源化、減少環(huán)境污染的重要途徑，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]鄭 詳.中國城市垃圾填埋場沼氣發(fā)電潛力分析[J].環(huán)境保護(hù)，2009（28）：19～22.

[2]石 磊.垃圾填埋沼氣的收集、凈化與利用綜述[J].中國沼氣，2004（22）：14～17.

[3]垃圾填埋場填埋氣豎井收集系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2003，4（3）：6～8.

[4]Attal A，Akunna J，Camacho P，et al，Anaerobic digestion of municipal wastes in landfill[J].Water Sci Tech，1992（25）：243～2531.

[5]林 勝.垃圾填埋場沼氣發(fā)電新技術(shù)（譯文）[J].山東環(huán)境，2001（5）：23.