城市生活垃圾填埋氣測算及資源化利用研究

石建屏，徐黎黎，孫會寧，王忠祥，申東

（1.綿陽職業技術學院材料工程系，四川綿陽621000；2.綿陽師范學院資源環境工程學院，四川綿陽621000）

城市生活垃圾填埋氣測算及資源化利用研究

石建屏1，徐黎黎1，孫會寧1，王忠祥1，申東2

（1.綿陽職業技術學院材料工程系，四川綿陽621000；2.綿陽師范學院資源環境工程學院，四川綿陽621000）

應用IPCC（2006）模型，對綿陽市生活垃圾填埋場2005—2014年填埋氣產生量進行測算，根據可回收填埋氣計算甲烷燃燒實現的CO2減排量、產生的熱量和發電量，分析垃圾填埋場甲烷氣體回收利用潛力和環境經濟效益。結果表明甲烷產量、CO2減排量、甲烷直接利用和發電項目能源輸出量快速增長；2014年各項指標均達到最大值，其中甲烷產生量6.52×106m3、CO2減排量58.89×103t、產生熱量13 627 MJ/h、發電量1.14 MW·h，該年度之后各項均呈逐年下降趨勢。通過甲烷直接燃燒及碳減排量交易及甲烷用作民用燃料或發電，可獲得良好的環境和經濟效益。

城市垃圾；填埋氣；甲烷；回收利用

我國城市生活垃圾每年產生量近1.6億t，60%以上采用衛生填埋方式進行處理；雖然具有投資小、管理簡單等優勢，但是填埋場產生氣和滲濾液對環境形成二次污染的壓力。填埋氣主要成分甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）排入大氣中，CH4溫室效應是CO2的21倍，對全球氣候造成不利影響。CH4在填埋氣中占45%～50%，總發熱量40 020 kJ/m3，是一種利用價值較高的清潔燃料。應用IPCC（2006）模型對垃圾填埋場填埋氣產量進行估算，我國城市垃圾的甲烷潛在產量為299.3萬t，體積41.86億m3，發電量128億kW·h。歐洲委員會的機構EurObserv'ER 2010年11月報告顯示，2009年歐盟回收利用的填埋氣相當于300萬t標準油，發電量達93.6億kW·h[1-3]。填埋氣中的甲烷是巨大的可再生資源，測算甲烷產量和研究回收利用價值對于城市垃圾的資源化利用具有重要意義。

國外估算模型包括理論模型（動力學模型、化學方程式模型、可生物降解成分模型）和經驗模型（Land GEM模型、Scholl Canyon模型）兩大類型[4-5]。采用聯合國政府間氣候變化專門委員會的推薦IPCC（2006）模型，對四川省綿陽市垃圾填埋場填埋氣LFG（Landfill Gas）產生量進行測算，根據甲烷回收利用實現的碳減排量（CO2當量）和用于發電時可輸出的能量進行回收利用潛力分析，提出城市垃圾填埋場甲烷回收利用方式選擇的建議。

1 研究方法與數據來源

1.1 IPCC模型

垃圾填埋場產氣階段所持續的時間受填埋垃圾的可生物降解性、溫度、濕度、初始壓實程度及能否得到營養物質等因素的影響。IPCC模型是聯合國政府間氣候變化委員會《國家溫室氣體排放清單》中提出的填埋氣產生量估算模型[6]，如式（1）。

式中：Q為第t年的甲烷產量；MSW（Tx）為城市固廢產生總量（t）；MSW（Fx）為垃圾填埋率；A=（1-e-k）/k，為修正總量的歸一化因子，k為甲烷產生速率，1/a；L0為產甲烷潛能，t/t。產甲烷潛能，t/t；MCF(t)為第t年的甲烷修正因子；DOC(t)為第t年的可降解有機碳含量比例，%；DOCf為可降解有機碳降解百分比，%；F為填埋氣中甲烷所占的比例，%。

劉桐武等對中國城市生活垃圾可降解有機碳成分研究，將我國垃圾降解有機碳分為5類：廚余垃圾（A）、紙類（B）、織物（C）、竹木（D）、灰渣（E），計算公式修正如式（2）[4]。

DOC（t）=0.07A+0.26B+0.3C+0.28D+0.037E （2）

垃圾中可降解有機物紙類、織物等在L0的計算中貢獻很大，而灰渣等不可降解物質則很小。

（1）k值：k值大小由垃圾濕度、產甲烷的微生物是否有足夠的營養、pH值和溫度等因素決定。k值越高，填埋場總體甲烷產生量在填埋垃圾期間就會上升得越快，同時在到達產氣高峰后也會下降得越快。模型給出了我國3個氣候區域k值的推薦值，如表1[7]。

表1 甲烷產生率k值

參考國內垃圾填埋場如深圳下坪、廣州大田山和重慶長生橋等均取k值為0.162，四川與重慶自然條件幾乎一樣，但灰渣等不可降解的物質含量稍高，可取k值0.15[8]。

（2）L0值：IPCC方法通過對我國不同地理位置垃圾成分數據計算，并與數個填埋場實際氣體回收量的數據進行對比得出L0的推薦值。我國3個氣候區域L0推薦值如表2[7-8]。

表2 我國三大氣候區L0的推薦值 m3·t-1

L0計算值：甲烷修正因子MCF根據IPCC提供的參考值（表3）取1.0；降解比例DOCf根據IPCC提供的值為0.5～0.6，取0.5；填埋氣中甲烷所占比例F取0.5；可降解有機碳含量比例DOC(t)根據公式（2）和城市生活垃圾的組成進行計算。

（3）MSWT（x）×MSWF（x）為垃圾填埋量：可根據城市生活垃圾填埋量實際統計結果確定。

表3 固廢處置場所分類及其甲烷修正因子（MCF）

1.2 甲烷回收利用潛力

應用模型估算填埋氣體是否具有回收利用價值，再進行甲烷利用方式的設計。甲烷是填埋氣中的主要成分，也是重要的溫室氣體；根據其溫室效應是CO2的21倍，計算回收填埋氣可獲得的CO2減排量（以CO2當量計）[6-8]，如式（3）。

式中： TAvail.CO2eq指總減排量，以CO2當量噸數計；調整因子AF（本項目為0%）；%VOL是甲烷在填埋氣中所占的百分比；QAvail是填埋氣總量；ρCH4為甲烷密度，0.000 716 8 t/m3。

1.3 數據來源

綿陽市地處中國東部季風區的四川盆地亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候四季分明；年平均空氣相對濕度在70%以上，城區平均氣溫在16.8℃左右；夏、秋雨水充沛，平均年降水量為798 mm。城區主導風向為東北風和東北東風，平均風速為1.6～2 m/s。全市總面積20 249.45 km2，城市建成區面積103 km2。2015年總人口為545.48萬人，城鎮化率48.0%，2012年邁入大城市行列。2015年國內生產總值（GDP）1 700.33億元，社會消費品零售總額879.16億元。隨著城市建設和經濟高速發展，市民物質文化生活水平提高，日益增長的消費能力為城市帶來了大量的生活垃圾。2013年中心城區每天生活垃圾清運量達到700 t，相當于人均產生生活垃圾0.7 kg，垃圾的分類收集、衛生填埋和資源化利用成為城市管理的工作。2004—2013年綿陽市人口、GDP、填埋垃圾量等數據來源于《四川省統計年鑒》和《綿陽市國民經濟和社會發展統計公報》。

2 結果與討論

2.1 甲烷產生量測算值

根據公式（2）和表4數據計算可降解有機碳含量比例DOC(t)為8.32%，L0值為23.07 kg/t，折合為32.18 m3/t。基于計算值和IPCC推薦值，本次垃圾填埋甲烷產生潛力L0值取42 m3/t，k值取0.15。

垃圾填埋場的甲烷產生量和可回收量如圖1，垃圾填埋當年2005年的甲烷產量均為零，每年甲烷產量實際是上一年度每年垃圾填埋產氣量的疊加值。最大產氣量年份出現在2014年，即垃圾填埋場封場之后的第一年，甲烷產量為6.52×106m3；2005年至2014年甲烷的產生量呈快速增長態勢；2014年之后甲烷產生量逐年下降。

表4 綿陽市生活垃圾的組成[8]

圖1 填埋場的甲烷產生量和可回收量

填埋場可回收氣體的多少直接關系到利用方式和利用效率，確定本填埋場產氣量的收集率為60%，可以計算出甲烷的可回收量，如圖1，2014年甲烷最大可回收量為3.91×106m3。

2.2 可獲得碳減排量

填埋場收集的甲烷進行能源利用，用于替代部分其他能源如天然氣、煤等，可從替代能源中獲得額外的碳減排量。在估算甲烷回收量的基礎上，按公式（2）計算甲烷燃燒后可獲得的CO2減排量和碳交易收益；對收集的填埋氣通過火炬燃燒的方式進行處理，可以實現溫室氣體的減排。由圖2看出，在2014年可實現最大減排量58.89×103t；按北京碳排放權交易所場外交易價格約50元/t計算[7]，對收集的甲烷進行火炬燃燒時可實現CO2減排量的碳交易收益，最高一年可獲得收益超過294萬元。碳交易收入在100萬元以上的年份共計有14年。因此，將甲烷燃燒后實現的碳減排量用于市場交易，可獲得較高的經濟效益，對于一個填埋場來說將是一筆不少的收入。

2.3 甲烷的能源效益

填埋場收集的甲烷作為能源利用，可以產生直接的經濟效益，填埋氣的能源利用方式主要有兩種，即直接利用和發電項目。直接利用項目指甲烷用于鍋爐燃燒產生熱能，轉換效率為85%的能源輸出量；發電項目可得能源輸出量指氣體用于機組消耗發電，轉換效率為30%時的能源輸出量。甲烷直接利用和發電項目的能源輸出量如圖3。甲烷用于鍋爐燃燒產生熱能，如果在10 000 MJ/h以上具有利用價值時，2012—2016年5年間可以回收利用的熱能總量為58 924 MJ/h；若將甲烷預處理后，輸入城市管網用作居民生活用氣，按照當地天然氣價格1.98元/m3計算，平均每年可獲得670萬元的收入，經濟效益非常可觀。甲烷用于機組發電，假設能源輸出量在800 kW·h以上具有利用價值，2011—2016年 6年間可回收利用的電能總量為5.72 MW·h，能夠供應一臺標準往復式內燃發電機組運行；若將電能輸入國家電網，按照居民生活用電最高檔次價格計算，不足萬元收入，不具有太大的經濟效益。

圖2 甲烷回收獲得的CO2減排量和碳交易收益

圖3 甲烷直接利用和發電項目的能源輸出量

因此，甲烷達到回收利用價值的時間段長短取決于垃圾填埋場甲烷產量，產氣量過低則回收利用價值降低。發電項目的一臺標準往復式發電機組（814 kW）投資成本高達284萬美元[6]，加上管理維護成本、發電設備使用年限等因素，一般垃圾填埋場不適宜建發電項目；填埋氣直接利用項目用于生產或生活燃燒能源具有可觀經濟效益，實際應用時應該考慮燃氣管網等基建的投資和運行維護成本。

2.4 討論

城市生活垃圾填埋場從開始運行至封場一般10～15年時間，多采用火炬燃燒的方式處理填埋氣，其他利用方式對于大型垃圾填埋場，從規劃建設、工程施工、垃圾填埋直至封場整個過程，應該考慮填埋氣的處理問題。收集利用填埋氣體具有良好的環境效益和經濟效益：（1）推廣垃圾分類收集方法。填埋氣的產生量與垃圾成分有關，可降解垃圾比例越大，填埋氣中甲烷含量也會更高。（2）中小城鎮及農村垃圾集中填埋。大型填埋場甲烷產量具有回收利用價值的時間段較長，估算結果為填埋氣處理方式設計及填埋場基礎設施建設提供依據。（3）經濟、社會和環境效益三者兼顧。特大型以上城市垃圾填埋場應考慮配套甲烷回收利用項目；大型城市通過火炬燃燒至少可以消除部分甲烷對環境的影響，或經過預處理用作民用燃料。

3 結論

應用IPCC模型，對城市生活垃圾填埋場的甲烷產氣量實證計算，并對甲烷產氣量回收利用的環境效益和經濟效益研究分析，可以得到以下結論。

（1）甲烷產生量的主要影響因素為填埋場地的自然環境、生活垃圾的組成特性和累積填埋量，最大產氣量出現在垃圾填埋場封場之后的第一年，即該年度之前甲烷產量呈快速增長隨后逐年下降。

（2）甲烷回收直接利用或火炬燃燒，可以減少溫室氣體的排放，最高年份可實現碳減排58.89×103t（CO2當量值）；通過碳排放權市場交易，可獲得超過294萬元的收益，具有可觀的環境和經濟效益。

（3）甲烷直接用于鍋爐燃燒產生熱能或用于機組發電產生電能，按標準估計，具有5～6年的回收利用價值，時間段長短取決于垃圾填埋場每年甲烷產量。甲烷利用方式對比結果說明，直接利用項目具有比較好的經濟效益，最高一年可獲得774萬元的收入；而發電項目則不適宜一般垃圾填埋場建設。

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[3]英瑜雯，張樹深.垃圾填埋場填埋氣體產氣量計算方法研究[J].綠色科技，2010，34(5)：34-36.

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[6]譚旭娜，盧歡亮，羅鈺翔.三種垃圾填埋氣預測模型的比較研究[J].可再生能源，2009，27(3):89-92.

[7]黃曉文，吳三達.填埋氣體的綜合利用[J].環境衛生工程，2006，14(4):9-11.

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Estimation of gas production from urban solid waste landfill and its utilization benefit

SHI Jianping1,XU Lili1,SUN Huining1,WANG Zhongxiang1,SHEN Dong2
（1.Department of Materials Engineering,Mianyang Occupation Technical College,Mianyang 621000,China; 2.School of Natural Resource and Environmental Engineering,Mianyang Normal University,Mianyang 621000,China）

The IPCC 2006 model was used to estimate the production amount and the recoverable amount of landfill gas(LFG)from 2005 to 2014 in Mianyang City.According to the amount of recycling methane(CH4),the carbon dioxide emission reduced and thepowerenergy outputgenerated by methane combustion were calculated,and the LFG's recoverable and utilizable potential was analyzed.The results indicated that methanegas production,reducing carbon dioxide emission and power energy outputincrease rapidly during 2005～2014,themethane production6.52×106m3,the carbon dioxideemission reduced 58.89×103t,methane direct utilization 13 627 MJ/h and energy output 1.14 MWh of the project is largest in 2014,then the change trend of the result curve is decreased gradually.In addition to the environmental benefit,the good economicbenefits can be obtained from boiler combustion and electricity generation are really huge for a landfill site.

urbansolid waste;landfill gas(LFG);methane(CH4);recycling

X799.3

A

1674-0912（2016）12-0032-04

2016-10-11）

四川省教育廳科研項目（16ZB0461）；全國建材職業教育教學指導委員會科研課題（JCZY1509）

石建屏（1963-），女，教授，研究方向：分析化學、環境監測與評價。