垃圾填埋氣收集利用全流程系統解決方案

張笑千， 宮 徽， 王凱軍， 甘海南， 張廣蘭

(1.清華大學 環境學院，環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室， 北京 100084； 2.環境保護部環境規劃院 農村環境保護中心， 北京 100012； 3.山東十方環保能源股份有限公司， 濟南 250101)

隨著社會經濟的發展和人口的不斷增加，我國生活垃圾的產生量也日益增大。據我國環保部門發布的《全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》報道，2015年我國246個大、中城市生活垃圾產生量約為1.86億噸；預計到2020年，垃圾產生量將達到2.2億噸。為了消納生活垃圾防止其產生環境污染，我國80%以上的垃圾采用衛生填埋方式處理[1]，高含水率、易腐蝕性垃圾在填埋降解過程中會產生大量填埋氣。垃圾填埋氣成分較為復雜，主要成分為甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，還含有H2S，NH3，H2，烷烴、芳烴等揮發性有機物[2-3]。其中，CH4產生的溫室效應是CO2的20倍以上，而且其在大氣中的滯留時間高達10年[4]。垃圾填埋場特殊的氣體產物使之成為不可忽視的溫室氣體排放源和大氣環境污染源。

另一方面，垃圾填埋氣還是一種清潔可再生能源和資源。填埋氣中CH4含量約占45%～60%，高位熱值約為18～23 MJ·m-3[5]，成分與性質與天然氣相近，經過提純精制后形成的生物天然氣可以作為天然氣的替代燃料。因此，制定適合我國國情的垃圾填埋氣收集利用全流程系統解決方案，在降低溫室效應的同時，也可實現填埋氣的資源化利用，彌補天然氣缺口，具有重大的資源、環境與經濟多重效益。

1 我國垃圾填埋氣收集利用現狀及存在問題

1.1 綜合管理環節薄弱、填埋氣收集與利用水平不高的現狀

我國頒布了多項城市生活垃圾處理方面的政策法規，大大促進了垃圾填埋氣收集利用工作的順利開展。截止到2016年，我國生活垃圾無害化處理廠達到940座，其中衛生填埋場數量為657個，占69%；隨著垃圾無害化處理廠數量增多，生活垃圾無害化日處理能力達到621351 噸，無害化處理率由2006年的52.2%增長到96.6%[6]。

然而，由于我國城市生活垃圾的衛生填埋起步較晚，綜合管理環節薄弱，早期垃圾填埋場收集與利用填埋氣的技術水平較低，大量填埋氣仍處于無組織及無控制排放狀態，存在著嚴重的環境污染問題和潛在的安全隱患。據報道，上海、北京、重慶、岳陽等城市均發生過填埋氣爆炸事故[1]。

1.2 收集、利用、裝備3方面欠缺的問題

基于對國內外垃圾填埋場管理經驗及對我國垃圾填埋場行業現狀的分析，本文提出了我國垃圾填埋氣收集與高值利用工作仍存在的一些問題。

1.2.1 垃圾填埋氣收集模式粗放、收集效率低下

由于受到技術手段及設備成本的限制，國內外均存在垃圾填埋場氣體收集模式粗放、收集效率低下的問題。國外有學者估計填埋氣收集系統的集氣效率普遍只有50%～60%。截至2010年底，我國已有的450座垃圾填埋場中，進行填埋氣開發利用的填埋場僅有30余座，不足填埋場總量的7%[7]。在有限的填埋氣開發利用項目中，垃圾填埋氣高效收集技術及應用基礎非常薄弱，常規集氣效率僅在40%左右[8-9]。因此，為了實現垃圾填埋場溫室氣體減排及填埋氣規模性資源化開發利用，垃圾填埋氣的高效收集作為基礎環節，相關核心技術及系統亟待研發。

1.2.2 垃圾填埋氣資源化利用手段單一、能效差

傳統垃圾填埋氣資源化利用方式包括直接燃燒、發電供熱等途徑。其中，直接燃燒的處理方式能量轉化率低，浪費了填埋氣的高值利用潛力，已逐步被其它資源化方式所取代。而填埋氣發電易于實施且不受外部環境制約，近年來應用逐漸增多，但填埋氣發電也存在局限：一方面發電效率與填埋氣產量和收集效率密切相關，因而填埋氣發電應用受到填埋場規模、技術手段及設備成本的限制，使得大型填埋場更適合發電機組的要求，更易推廣應用填埋氣發電這一利用途徑，而大多數中小型填埋場仍舊采用火炬燃燒甚至于任意排放的措施；另一方面，填埋場自身對電、熱的消耗需求有限，導致填埋氣甲烷的綜合資源化利用水平依然存在提高空間。

1.2.3 我國填埋氣甲烷分離技術的裝備水平低、產業化發展不足

我國填埋氣甲烷分離技術的應用起步晚，裝備水平低，早期技術裝備常依賴進口，尤其是變壓吸附工藝與新興的膜分離工藝。與國內大城市可以投入大量市政資金引進國外先進的填埋氣甲烷分離設備不同，中小城市受財政限制無力購買相關技術設備，從而限制了國內填埋氣資源化利用規模的擴大[10]。近年來雖然多種填埋氣甲烷分離技術在國內取得一定的工程應用與實踐，但是由于缺乏自主知識產權的填埋氣甲烷分離與高值利用關鍵技術，而且配套裝備體積龐大、系統復雜，需投入大量資金，因此，嚴重影響了我國填埋場溫室氣體減排及資源化利用的整體行業水平[7, 11]。

2 垃圾填埋氣收集利用環節優化方案

2.1 垃圾填埋氣高效收集系統

本文提出垃圾填埋場專用的填埋氣高效收集系統，具體分為垃圾填埋場作業過程中填埋氣高效收集系統和填埋場封場后填埋氣高效收集系統。

2.1.1 垃圾填埋場作業過程中的填埋氣高效收集系統

目前我國的垃圾填埋場多采用傳統厭氧生物反應器填埋，存在惡臭污染嚴重、滲濾液蓄積較深等問題。垃圾填埋場作業過程中，填埋作業面的CH4排放是填埋場的主要排放源，因此，有效控制填埋作業面的CH4排放是促進填埋場甲烷減排的關鍵。針對此技術難點，本文提出小單元覆膜填埋與水平井收集相結合的填埋氣高效收集系統(見圖1)，利用高密度聚乙烯膜(HDPE膜)覆蓋垃圾填埋體，起到良好的氣體密封效果，并在膜下增設水平抽氣，收集遷移到膜下的填埋氣，從而提高垃圾填埋氣的收集效率。除此之外，該系統無需專門的鉆井設備，具有施工簡單、可同步進行填埋作業與收集系統建設運行等優點。

2.1.2 垃圾填埋場封場后的填埋氣高效收集系統

研究表明，垃圾填埋場封場后30～50年內仍有填埋氣逸散的污染風險。因此，針對封場后填埋氣的收集，也是實現填埋場溫室氣體控制減排不容忽視的重要環節。本文提出通過填埋場全面覆膜技術、滲濾液立體導排工藝與豎井收集系統(見圖2)，實現填埋場水分均勻分布和通暢導排的綜合控水技術思路，有效控制封場后垃圾填埋場的氣體逸散問題。

傳統豎井集氣系統采用螺旋鉆頭成孔安裝集氣管的建造方法。然而，由于鉆頭的擠壓與旋轉運動，使得成型豎孔形成抹面，透氣性差，嚴重影響填埋氣的收集。除此之外，還存在滲濾液腐蝕鉆井設備、施工成本高等問題。本文基于具有自主知識產權的專有集氣豎井施工方法，形成了收集效率高，流量、壓力及成分穩定的豎井高效收集系統。在連續長期運營和監測條件下，填埋場穩定化可加速1倍以上，填埋氣體收集效率可由20%～40%提高到65%以上，滲濾液和惡臭污染得到有效控制，控制了填埋氣逸散。

2.2 基于變壓吸附的垃圾填埋氣甲烷高效分離技術優化

垃圾填埋氣甲烷高效分離技術即去除填埋氣中的CO2，提高CH4含量，是實現垃圾填埋場溫室氣體減排及填埋氣資源化利用的關鍵技術。應用最為廣泛的甲烷分離提純工藝為變壓吸附法(Pressure Swing Adsorption, PSA)。基于變壓吸附的垃圾填埋氣甲烷分離工藝優化可從以下兩個角度出發考慮。

圖2 福建省某處垃圾填埋場豎井高效收集系統工程現場照片

1.集氣管； 2.集氣管密封板； 3.排水管； 4.膨潤土層； 5.卵石； 6.垃圾堆體圖3 集氣豎井結構示意圖

2.2.1 新型高效吸附劑的研發

針對國產吸附劑性能較差的短板，通過研發硅膠基、炭基等新型高效吸附劑，促進吸附材料的國產化，以滿足產業化發展需求。有學者[12]采用浸漬法對吸附材料進行堿金屬及堿土金屬改性，比較了改性硅膠對CH4/CO2混合氣體的吸附分離性能，發現在吸附硅膠表面修飾1%BaCl2為最優擔載量和修飾離子，增強了對CO2的誘導能力，可實現CH4/CO2混合氣體的分離因子達到9.55，與未改性吸附材料相比提高幅度達116%，是一種具有工業應用潛力的硅膠基吸附劑。新型吸附劑的研發已逐漸應用在多項填埋氣精制工程中，可為基于變壓吸附的垃圾填埋氣甲烷高效分離工藝優化提供一條有效的技術路徑。

2.2.2 基于二級PSA過程的一體化高效甲烷分離工藝

針對常規變壓吸附技術甲烷回收率低(80%)的局限，本文提出基于二級PSA過程的一體化高效甲烷分離工藝，提高甲烷系統回收率達到98%以上。一體化系統一級變壓吸附過程選取四塔工藝，以實現分離甲烷濃度超過95%為目標，優化參數選取操作壓力0.6 MPa，兩次均壓、步長20s；第二級變壓吸附以實現一級系統CO2分離氣中甲烷的分離回收為目標，采用雙塔吸附系統。填埋氣經一體化系統分離提純后，CH4系統回收率達到98%以上，從而大大減少了填埋氣逸散。此外，CO2/CH4分離系數為50，提高了CH4分離效果，CH4和CO2產品氣的純度均可穩定在95%以上，有利于后續資源化高值利用，其中CH4產品氣各項指標均可達到國家標準《車用壓縮天然氣》(GB18047-2000)的要求。

2.3 基于變壓吸附、膜分離技術的集成化撬裝式垃圾填埋氣分離提純裝備

傳統填埋氣甲烷分離技術工藝的設備集成化程度有待提高。改善我國填埋氣甲烷分離技術裝備水平低、產業化發展不足的現狀，是未來行業的重要任務。本文提出在填埋氣精制領域應率先開展各處理單元的設備化、系列化、集成化研究、設計和應用。以寧夏省某處垃圾填埋場對甲烷分離提純裝備的集成化為例，該工程自主研發設計了基于變壓吸附技術的集成化撬裝式垃圾填埋氣甲烷分離提純裝備，進一步縮短了施工周期，減小了占地面積，為有效推廣變壓吸附技術應用在填埋氣收集利用領域提供了一種新的解決方案(見圖4)。

圖4 寧夏省某處垃圾填埋氣分離提純裝備集成化工程現場照片

3 垃圾填埋氣收集利用全流程系統解決方案

結合國內多處典型垃圾填埋場實際工程案例，我國垃圾填埋場在關鍵技術研發和配套裝備示范方面已作出了一系列努力與嘗試。具體地來說，在關鍵技術研發方面，針對不同階段的填埋場(填埋作業中和封場后)，提出了垃圾填埋場溫室氣體高效收集系統；針對以變壓吸附過程為基礎的填埋氣甲烷高效分離技術，研發了新型吸附材料；針對傳統變壓吸附工藝甲烷回收率低(50%～80%)的局限，研發了基于二級PSA的一體化高效甲烷分離工藝，實現了回收率提升(90%以上)。在關鍵工藝單元設備化研發與裝備示范方面，針對變壓吸附填埋氣分離提純技術路線，分別完成了成套化設備開發，實現了工藝的裝備化、系列化、集成化，形成了集成化撬裝式垃圾填埋氣精制裝置。本文以垃圾填埋場溫室氣體減排和填埋氣資源化利用為目標，基于現有國內工程案例實踐經驗，提出“高效收集-凈化提純預處理-資源化利用”的全流程系統解決方案(見圖5)，以期對垃圾填埋氣收集利用的各個流程環節提供技術支撐。

圖5 垃圾填埋氣收集利用全流程系統解決方案