西藏日喀則市垃圾填埋場甲烷產量預測及資源化利用研究

周鵬，周文武，窮達卓瑪，汪晶，李揚，旦增

（西藏大學理學院，西藏拉薩市850000）

伴隨著城市化的快速發展，我國城市生活垃圾處理已成為我國經濟發展面臨的又一個突出問題[1]。相關研究表明：近幾年我國城市生活垃圾的產生量正以5%～10%的速度逐年遞增[2]，截至2016年底，我國城市生活垃圾年產生量已達2.15億t，約占世界生活垃圾總產量的1/4[3]。而垃圾填埋處理方式因其建設、運營和管理成本低，對進場垃圾要求低以及操作方便等原因在我國被廣泛應用[4]，截至2016年底，我國城市生活垃圾的61.7%主要以衛生填埋的方式進行處理[5]。垃圾填埋場在投入運營期間產生的垃圾滲濾液和填埋氣體等對周邊環境造成較高的二次污染風險。如填埋氣體，其主要成分甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）：（1）CH4的溫室效應影響是CO2的21倍，將對全球氣候造成不利影響[6-8]；（2）甲烷是易燃氣體，當其在空氣中體積分數達到 5%～15% 時，極易發生爆炸[9，10]；（3）填埋氣體中的揮發性有機化合物毒性較大，對附近居民的健康具有較高的危害性；（4）填埋氣體會遷移至土壤，造成植物根系缺氧，影響植物生長等[9，10]。同時，填埋氣體也可以作為一種清潔的可再生能源利用，研究表明：CH4在填埋氣中占 45%～50%，總發熱量可達40020 kJ/m3，是一種利用價值較高的清潔燃料[11，12]。

西藏作為我國國家重要生態安全屏障,其生態環境建設和保護一直備受關注[13]。然而，由于西藏地廣人稀、鄉鎮間距甚遠的特點，生活垃圾運輸、處理和管理不利，致使西藏地區城鎮生活垃圾主要以填埋方式進行處理處置[14]，覆蓋全區七地（市）各縣。據西藏自治區住建廳相關統計資料，西藏地區已建設運營了104座生活垃圾衛生填埋場。通過對日喀則市生活垃圾填埋場甲烷產生量進行預測評估，探究其綜合利用方式，可減少廢氣排放，營造良好的區域生態環境；可節約資源、提高資源利用率，對城市垃圾資源化利用具有重要意義，也是減少溫室氣體的有效途徑。

1 填埋場概況

日喀則市垃圾填埋場所在區域屬高原溫帶半干旱氣候，年均降雨量為439 mm，年均蒸發量為2448 mm，年均日照時間為3233 h。填埋場位于距日喀則市城南辦事處曲夏居委會多林溝內，地理坐標為東經：88°55′18.23″—88°55′35.16″，北緯：29°17′55.37″—29°18′16.63″，海拔約 3860 m。該垃圾填埋場采用分區、分格堆置法，垃圾進場先經計算稱重后，按預先劃好的區、格卸下，再用推土機將其推平攤鋪均勻，垃圾壓實機壓實后覆土。其總庫區面積約15萬m2。由于日喀則市人口數量少（2000年建場，2010年約16.4萬人），垃圾收集、運輸機械化程度低，初期建設庫容量約為125萬m3，垃圾日處理量為155 t左右；隨著日喀則市的經濟發展、機械化程度的提高以及衛生配套設施的完善，垃圾收運效率將會有很大提高，此外，預計2010年日喀則市總人口數量將達到25萬人，因此，2012年場區進行了改擴建工程，擴建庫容量達到了215萬m3，垃圾日處理量為267 t左右，2020年投入運營，設計使用年限為20年。

2 生活垃圾組分及產生量

2.1 生活垃圾組分

由于目前對日喀則市生活垃圾組分調查分析的研究較少，日喀則作為西藏自治區第二大城市（拉薩為西藏自治區首府），兩者生活水平、飲食結構以及經濟結構等相差不大，因此，借鑒、引用旦增等教授[15]“西藏拉薩市市區生活垃圾物理特性分析”的研究結果為文中的分析評估依據，其組分詳細見表1。

表1 拉薩市生活垃圾組分表 %

2.2 生活垃圾產生量（估算）

依據西藏日喀則市生活垃圾填埋場一期和二期工程環境影響評價文件以及第五次和第六次全國人口普查數據：2000年日喀則市常住人口約10萬人；2010年約17萬人；2020年約50萬人；2010年日喀則市區垃圾產生量約194 t/d，清運量約155 t/d；2020年垃圾產生量約295 t/d，清運量約267 t/d，此外，日喀則市生活垃圾填埋場也是附近部分縣域生活垃圾傾倒場。結合填埋場實際進場垃圾量，期間生活垃圾清運量變化如表2所示。

表2 日喀則市生活垃圾填埋場進場垃圾量預測

3 研究方法及數據來源

目前國內外關于填埋場CH4排放量的計算模型主要有動力學模型（包括Gardner動力學模型和Marticoren動力學模型）[16]和統計模型（包括IPCC模型、化學計量式模型）[16]兩種類型[17]。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[18]，用于計算某一垃圾統計量最終產生的甲烷總量。其評價模型如下：

式中：Q 為第 t年產生的 CH4量，m3/a；DOC（t）為某年可降解有機碳。

劉桐武等[19]對中國城市生活垃圾中可降解有機碳成分進行了相關研究，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），計算公式如下：

此外，參考國內相關研究，取值0.09；其他相關參數見表3。

表3 IPCC一階衰減模型參數的意義及取值方法

4 結果與討論

4.1 甲烷產生量預測結果

依照IPCC預測模型，對日喀則市垃圾填埋場自封場后甲烷產生量進行了預測評估，結果如表4所示。

表4 甲烷產生量變化趨勢

結果表明：日喀則市垃圾填埋場在2020年封場之后，其甲烷氣體的產氣量緩慢下降，2021年產氣量為387.49 m3/h，今后10年其平均產氣量為225.286萬m3/a。

4.2 甲烷的回收價值及效益評估

（1）填埋氣體中甲烷的能源效益評估，首先應通過相關模型計算其是否具有回收利用價值。其主要依據為甲烷導致的溫室效應是CO2的21倍，可以通過計算甲烷收集、回收利用后可獲得的CO2減排量（以CO2當量計）來衡量其利用價值大小，其計算公式如下[18，23，24]：

式中：TAvail·CO2eq為總減排量，以 CO2當量噸數計；AF 為調整因子（本研究為0%）；%VOL為甲烷在填埋氣中所占的百分比；QAvail為填埋氣總量；ρCH4為甲烷密度，0.0007168 t/m3。

由于降水、溫度等因素導致甲烷實際收集量一般小于理論收集量，一般實際收集率在40%～60%，文中取值60%。結果表明：以2021年為研究基準年，甲烷焚燒利用，可使得當年CO2排放量減少729.6 t；自2021—2030年，CO2排放量減少 4844 t。

（2）相關研究表明：垃圾填埋場填埋氣體的熱值約為18 MJ/m3（甲烷體積分數為50%），則1 m3填埋氣體的熱能相當于1.5 kW·h電能[25]。日喀則市生活垃圾填埋場填埋氣體經焚燒發電產生的電能見表5。

表5 日喀則垃圾填埋場填埋氣體發電能力預測

結果表明：理論上近10年內，日喀則市垃圾填埋場填埋氣體經焚燒發電可產生231.45 kW/h的電能。但是，由于填埋場整體產氣量較少，發電機組的負荷較低，因此，日喀則市垃圾填埋場不適宜進行填埋氣發電項目，需要采用其他方式收集和處理填埋氣體。

5 結論與建議

5.1 結論

通過對日喀則市垃圾填埋場填埋氣體排放量進行預測評估，得出以下結論。

（1）日喀則市垃圾填埋場自封場后填埋氣體產生量將逐年減少，近10年產氣量約2252.86萬m3，平均產氣量為225.286萬m3/a。

（2）日喀則市垃圾填埋場填埋氣體經焚燒后可減少CO2排放量約4844 t（以CO2當量計），對減少溫室氣體的排放、營造良好的氣候環境具有重要意義。

（3）經評估分析，西藏日喀則市垃圾填埋場填埋氣體不適宜進行焚燒發電，其甲烷氣體產生量不能滿足發電機組工作負荷，需采取其他處理方式。

5.2 建議

通過查閱相關文獻資料發現，垃圾填埋場填埋氣的利用方式主要有：甲烷燃燒發電將其轉換成電能；甲烷和燃煤聯合發電；直接用作鍋爐、窯爐等的加熱燃料；凈化后與城市天然氣/煤氣混合作民用燃料；凈化和壓縮后作為汽車燃料；作化工材料、燃料電池等利用方式[26-28]。其中心理念為收集回收利用甲烷氣體，提高資源利用率，降低填埋氣體及其他成分造成的大氣環境污染。結合文中預測評價結果、日喀則垃圾填埋場現狀及環保理念，建議日喀則市垃圾填埋場填埋氣體采用火炬焚燒的方式進行處理，以減少大部分甲烷對環境的影響。