我國部分生活垃圾填埋場厭氧降解參數預測與探討

鄭　葦，劉淑玲，陳冠益

（1.天津大學環境科學與工程學院，天津　300074；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津　300074）

·設計與探討·

我國部分生活垃圾填埋場厭氧降解參數預測與探討

鄭葦1，2，劉淑玲2，陳冠益1

（1.天津大學環境科學與工程學院，天津300074；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074）

依據我國住房和城鄉建設部提出的生活垃圾分類方法，給出了生活垃圾填埋場厭氧降解參數預設值，包括廚余類、紙類、織物類和木竹類的甲烷產生潛力、降解速率和碳貯藏因子。并據此預測了我國不同城市生活垃圾填埋場的厭氧降解參數。依據預測結果的層次聚類分析，提出了我國不同區域部分城市生活垃圾填埋場的填埋氣體收集、利用和處理設施的管理建議。

城市生活垃圾；生活垃圾填埋場；厭氧降解參數；參數預測

美國環境保護署（USEPA）和政府間氣候變化專門委員會（IPCC）提出的城市生活垃圾填埋場厭氧降解參數（包括甲烷產生潛力（Lfield）、降解速率（kfield） 和碳貯藏因子（CSFfield）） 預測模型是依據城市生活垃圾的物理組成提出。但是不同組織機構提出的城市生活垃圾分類方法不同。我國住房和城鄉建設部（MOHURD）將城市生活垃圾中的可生物降解組分分為廚余類（各種動植物類食品殘余物，包括水果）、紙類（各種廢棄的紙張及紙制品）、織物類（各種廢棄的布類等紡織品）和木竹類（廢棄的木竹制品及花木）4類（CJ/T 313—2009）。該分類方法與USEPA提出的9類和IPCC提出的6類分類法不同。然而我國生活垃圾組分調查數據主要依據MOHURD的分類方法進行，因此需針對此分類方法建立預測模型，然后才能依據建立的預測模型進行預測。

1　我國生活垃圾填埋現狀及組成特征

1.1城市生活垃圾填埋現狀

根據《我國城市建設統計年鑒》［1］，雖然從2001年到2012年，我國的城市生活垃圾衛生填埋量在無害化處理量中所占比例下降了16.5%。但到2012年為止，我國的MSW填埋量在無害化處理量中所占比例仍然高達72.6%。并且，盡管城市生活垃圾的填埋比例下降，但由于城市生活垃圾處理總量增加，導致我國城市生活垃圾填埋量從2001年到2012年不降反增，城市生活垃圾填埋量增加了3.7×107t。因此，對于城市生活垃圾填埋場的管理仍然是城市生活垃圾管理的重要環節，并可以預見，在今后相當長的時間內填埋仍會是重要的城市生活垃圾處置方式。

1.2城市生活垃圾組成特征

由于經濟水平和生活習慣的不同，我國不同地區的城市生活垃圾組成具有差異性。根據經濟發展水平和地理位置，可將我國大陸地區劃分為東部、中部和西部3大經濟帶。東部地區，包括沿海的遼寧、北京、天津、河北、山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東和海南11個省、直轄市；中部地區，包括黑龍江、吉林、山西、河南、湖北、湖南、安徽和江西8個省；西部地區，包括廣西、寧夏、陜西、甘肅、青海、新疆、西藏、內蒙古、四川、重慶、云南和貴州12個省、直轄市、自治區。3大經濟帶中典型城市的MSW組成數據見表1。

表1　我國部分城市生活垃圾的組成特征

由表1可知，廚余類在城市生活垃圾中所占的比例最低為36.5%，最高為76.0%；紙類在城市生活垃圾中所占的比例最低為1.5%，最高為15.8%；織物類在城市生活垃圾中所占的比例最低為1.2%，最高為10.3%；木竹類在城市生活垃圾中所占的比例最低為0.9%，最高為14.0%。東部地區城市生活垃圾中廚余類廢物含量最高，為61.4%±6.6%；木竹類廢物含量最低，僅有1.8%±1.1%。中部和西部地區廚余類廢物含量相近，分別為53.1%±7.1%和54.1%±14.6%。西部地區木竹類廢物含量最高，為4.6%±5.6%。其組成成分的差異將會導致城市生活垃圾填埋場厭氧降解特性的差異。

2　我國生活垃圾填埋場厭氧降解參數預測模型與預設值

2.1預測模型

根據USEPA和IPCC提出的生活垃圾填埋場厭氧降解參數預測模型，我國城市生活垃圾填埋場厭氧降解參數可通過以下模型進行預測：

式中：Lfield是城市生活垃圾填埋場的CH4產生潛力，mL/g；Ldefault，j是城市生活垃圾中可生物降解組分j的CH4產生潛力預設值，mL/g；TSj是城市生活垃圾中可生物降解組分j的干基質量占城市生活垃圾總質量的比例；VSj是城市生活垃圾中可生物降解組分j的揮發性固體質量占組分j干基質量的比例；kfield是城市生活垃圾填埋場的厭氧降解速率常數，a-1；kdefault，j是城市生活垃圾中可生物降解組分j的厭氧降解速率常數預設值，a-1；（wt.fraction）j是城市生活垃圾中可生物降解組分j的濕基質量占城市生活垃圾總重的比例；CSFfield是城市生活垃圾填埋場的碳貯藏因子，g/g；CSFdefault，j是城市生活垃圾中可生物降解組分j的碳貯藏因子預設值，g/g。

2.2厭氧降解參數預設值

參考USEPA和IPCC提出的生活垃圾填埋場厭氧降解參數，結合MOHURD提出的分類方法以及我國生活垃圾性質特征，建議我國生活垃圾填埋場厭氧降解參數預設值見表2。

表2　可生物降解組分在填埋場中的厭氧降解參數預設值

3　我國生活垃圾填埋場厭氧降解參數預測與探討

3.1厭氧降解參數預測

根據表1～2、公式（1）～（3），可計算出我國不同區域部分城市的生活垃圾填埋場的厭氧降解參數，見表3。

表3 我國不同區域部分城市的生活垃圾填埋場厭氧降解參數

3.2厭氧降解參數探討

我國不同區域部分城市生活垃圾填埋場的Lfield、kfield和CSFfield氣泡式分布分別如圖1～3所示。

圖1　我國部分城市生活垃圾填埋場的Lfield氣泡式分布

圖2　我國部分城市生活垃圾填埋場的kfield氣泡式分布

圖3　我國部分城市生活垃圾填埋場的CSFfield氣泡式分布

從圖1～3可以大體看出，基于城市生活垃圾填埋場的厭氧降解參數，可將我國城市大體分為東、中、西部地區。為了更加直觀地看出不同區域部分城市生活垃圾填埋場厭氧降解參數的相近與差異之處，通過層次聚類，分析了我國不同區域部分城市生活垃圾填埋場的厭氧降解參數，如圖4所示。

圖4　我國不同區域部分城市生活垃圾填埋場的厭氧降解參數層次聚類分析

根據圖4，我國城市生活垃圾填埋場的厭氧降解參數可以劃分為3類。

第1類，主要為東部地區城市，包括天津、蘇州、上海、北京、青島、杭州和沈陽，其Lfield為（63±4）/mL/g，kfield為（206±10）×10-3a-1，CSFfield為（42±6）×10-3g/g。因為大多數東部城市的經濟發展水平都較高，且都為沿海或近海城市，生活習慣相近，因此，其城市生活垃圾組成類似，表現為相近的城市生活垃圾填埋場厭氧降解參數。此類中還包括2個西部地區城市烏魯木齊和成都。

第2類，主要為中部地區城市，包括合肥、武漢、九江和哈爾濱，其Lfield為（49±3） mL/g，kfield為（166±10）×10-3a-1，CSFfield為（34±7）×10-3g/g。因為大多數中部城市經濟發展水平類似，且地理位置較為集中，生活習慣相近，因此，其城市生活垃圾組成類似，表現為相近的城市生活垃圾填埋場厭氧降解參數。此類中還包括1個西部地區城市蘭州。

第3類，主要為西部地區城市，包括拉薩和重慶，其Lfield為（63±1）mL/g，kfield為（187±3）×10-3a-1，CSFfield為（69±10）×10-3g/g。東部地區城市深圳也被劃分為此類。我國西部地區面積最為廣闊，少數民族眾多，生活習慣差異巨大，因此，城市生活垃圾填埋場的厭氧降解參數有較大差異。

總體而言，由于東部地區的廚余類和紙類廢物含量最高為（72.2±5.4）%，且廚余類和紙類廢物厭氧降解速率最大，分別為 283×10-3a-1和 251× 10-3a-1，從而使得東部地區的 kfield最大為（202± 15）×10-3a-1。因此，東部地區城市生活垃圾填埋場的CH4釋放時間比中部和西部地區的短，釋放的更為集中，短時間內便有大量CH4產生。這使得東部地區城市生活垃圾填埋場CH4收集、利用和處理設施的使用時間縮短，單位時間處理量增加，從而增加了MSW填埋場管理的壓力。中部和西部地區的kfield較小，分別為（166±10）×10-3a-1和（180±34）× 10-3a-1。西部地區的CSFfield最大為（50±19）×10-3g/g，這是因為西部地區木竹類廢物含量最高（4.6± 5.6）%。因此，西部地區城市生活垃圾填埋場中的可生物降解物料經厭氧降解后，更多的碳會長期貯藏在城市生活垃圾填埋場中，而不是降解為CO2和CH4釋放到大氣環境中。

4　結論

1） 基于中華人民共和國住房和城鄉建設部提出的城市生活垃圾分類方法，給出了廚余類、紙類、紡織類和木竹類廢物其各自的Lfield預設值分別為 329、258、36、140 mL/g；kfield預設值分別為283×10-3、251×10-3、8×10-3、58×10-3a-1；CSFfield預設值分別為119×10-3、115×10-3、556×10-3、307×10-3g/g。

2）基于我國不同區域部分城市生活垃圾填埋場厭氧降解參數的聚類分析結果，發現東部沿海地區、中部地區和西部地區各自的Lfield分別為（63±4）、（49±3）、（57±9）mL/g；kfield分別為（202±15）×10-3、（166±10）×10-3、（180±34）×10-3a-1；CSFfield分別為（46±13）×10-3、（34±7）×10-3、（50±19）×10-3g/g。

3）東部地區城市生活垃圾填埋場的產氣速率最快，氣體收集、利用和處理設施初始投資大，使用時間卻較短；西部地區城市生活垃圾填埋場中可降解有機碳會更多地長期貯藏于城市生活垃圾填埋場中。

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Anaerobic Degradation Parameters Prediction and Discussion for Municipal Solid Waste Landfill in China

Zheng Wei1，2，Liu Shuling2，Chen Guanyi1
（1.Institute of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin300074；2.North China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.，Tianjin300074）

On the basisof municipal solid waste（MSW）classification method put forward by Ministry of Housing and Urban-Rural Development，the default value of MSW landfill anaerobic degradation prediction parameters was proposed，including methane production potential，degradation rate and carbon sequestration for kitchen waste，paper，fabric and wood. And MSW landfill anaerobic degradation parameters of different Chinese cities were predicted.According to the hierarchical cluster analysisof prediction result，the management advice for MSW landfill gas collection，usage，and disposal facilities of different Chinese regions’some citieswere proposed.

MSW；MSW landfill；anaerobic degradation parameters；parameter prediction

X799.3

A

1005-8206（2016）04-0046-04

2016-03-28

鄭葦（1986—），主要從事固體廢物處理與處置。