垃圾卫生填埋场填埋气体产量预测研究

填埋气体是垃圾在填埋场内发生一系列物理、化学和生物反应的产物，一般由CH4、CO2和其它微量成分组成。作为填埋的副产物，填埋气既是一种温室气体，又是一种可再生能源，具有较高的利用价值。因此，应对填埋气加以回收与利用。但首先应了解填埋气体的产量和速率。通常的方法是建立填埋气的产气模型来预测垃圾填埋场的产气行为。填埋场产沼气模型大致可分为动力学模型和统计模型2种类型。其中，动力学模型主要有Gardner模型和Sheldon Arleta 模型等;统计模型有IPCC模型、COD估算模型等。尽管中国填埋场产气模型方面已开展了一些研究[2,5]，但仍缺少较为准确的预测方法和参数。本文针对龙岩市垃圾填埋场，建立适合于该填埋场的填埋气产气模型，为该场填埋气体利用工程实践提供基础。

1 黄竹坑垃圾填埋场简介

龙岩市黄竹坑生活垃圾无害化处理场于2004年投入使用，设计使用年限15 a，目前已使用近11 a，属于山谷型填埋场。该场负责龙岩市市区所产生的生活垃圾，目前日填埋量约480 t，随着垃圾量的增长预计将达到500 t以上。到2013年底已累计填埋约135×104 t生活垃圾，并预计2018年将会填满。

根据龙岩市环境卫生管理处长期的监测结果，该填埋场垃圾成分见表1。

表1 该填埋场垃圾成分 百分号

类别有机物无机物可回收物

动植物灰土砖陶纸类塑料纺织物玻璃金属木竹

百分含量48.5616.613.368.2810.834.304.821.122.12

2 填埋气产气模型和比选

2.1 统计模型

2.1.1 IPCC估算模型

该模型由政府间气候变化专门合作委员会(IPCC)提出：

ELFG=MSW×η×DOC×r×(16/12)， (1)

式(1)中，ELFG为填埋气中填埋气体产量，t;MSW为城市生活垃圾总量，t;η为填埋垃圾占生活垃圾总量的百分比，%;DOC为垃圾中可降解有机碳的含量，%，IPCC推荐发展中国家取值为15%，发达国家为22%;r为垃圾中可降解有机碳的分解百分率，%，IPCC推荐值为77%;比值16/12为CH4和C的转化系数。

2.1.2 化学计量式模型

垃圾厌氧产生CH4的产量也可采用垃圾中有机物厌氧分解的化学计量方程式来确定：

CaHbOcNd+(a-b/4-c/2+3d/4)H2O =(a/2+b/8-c/4-3d/8)CH4+(a/2-b/8+c/4+3d/8)CO2+dNH3， (2)

根据式(2)，若知道垃圾中有机物的经验分子式，就可按式(2)分别求出CH4和CO2的产量。当城市垃圾的典型化学计量式为C99H149O59N，含水率为50%时，则可降解的碳含量占湿垃圾总量的26%，1 kg湿垃圾具有的CH4产生潜力在常温常压下约为259 L。这说明在填埋场产气期内，大约有18.5%的垃圾质量转化为CH4。

2.1.3 COD估算模型

COD估算模型是建立在质量守恒定律基础上的，根据理论推导可得：1gCOD有机物=0.35 L CH4。该模型的数学形式为：

YCH4=0.35×(1-ω)×V×COD， (3)

式(3)中，YCH4为1 kg 填埋垃圾的理论产CH4量，m3/kg;ω为填埋垃圾的含水率，%;V为1 kg填埋垃圾的有机物含量，%;COD为填埋垃圾中1 kg 有机物COD值，kg/kg;0.35为1 kg COD的CH4理论产量，m3/kg。

排版时，标黄部分的4为次下标

2.2 动力学模型

2.2.1 Scholl Canyon模型

Scholl Canyon模型假设经历一段可忽略的时间后，填埋气的产生速率迅速达到它的最大值(这段时间主要用来建立起厌氧条件和生物量的增长)，随后产气速率遵循一级动力学，反应速度随可降解的有机底质的减少而降低。此模型把填入填埋场的垃圾量按年分解成许多子重量，总的产气量就是不同年份填埋垃圾的产气量之和。其产气速率表达式如下：

， (4)

式(4)中，Q为填埋场甲烷产生速率，m3/a;R为某年垃圾填埋量，t;t为填埋的垃圾从填埋到计算时的时间，a;L0为填埋废物的产气量潜势，m3;k为填埋垃圾的产气速率常数，a-1。

2.2.2 Gardner动力学模型

N.Gardner和S.D.Probert提出下述公式[3];

， (5)

式(5)中，P为单位质量垃圾在t 年内产CH4量，kg/kg;Cd为垃圾中可降解有机碳的比例，kg/kg;X为填埋场产气中CH4的比例;n为可降解组分的总数;Fi为各降解组分中有机碳占总有机碳分数;Ki为各降解组分的降解系数，a-1;t为填埋时间，a;e为常数2.171 8。

2.3 预测模型比较与选择

填埋气模型可分为产气量模型和产气速率模型。对于产气量模型，其主要作用是根据垃圾成分和垃圾量计算理论产CH4潜能，对于估算填埋场的可能产气量和评价CH4对气候变化的贡献有重要意义。但在回收利用时，不能直接作为填埋场CH4利用的计算依据，只有填埋气产气速率才能用来确定回收利用的可行性和规模。

表2对上述填埋气模型进行了比较。

表2 填埋气体模型及适应范围

模型名称优点缺点适用性类型

IPCC模型快捷方便，只要知道某城市的生活垃圾总量及填埋率就能估算出填埋气的产量模型中使用的参数值均为统计均值，计算过于粗略适合于估算较大范围的产气量，如1个国家、1个城市等产气量模型

化学计量式模型简单直观。如果能知道各种有机物的经验分子式，就可以求出CH4和CO2的产量该模型假设所有的可降解的有机碳都转化为填埋气体，因此计算的产气量要比实际要大。且垃圾中的不同成分的经验分子式较难确定主要用来预测填埋气的理论产气量产气量模型

COD估算模型应用简单、方便COD模型是假设垃圾中的有机碳均可降解，其计算结果是CH4产量的理想值。且在许多情况下填埋场并非严格的厌氧条件，计算结果将高于实际值主要用来预测填埋场总产气量产气量模型

Scholl Canyon模型模型简单，需要的参数较少。适用广泛，而且它是美国国家环保局(USEPA)推荐的模型Scholl Canyon模型忽略了垃圾降解自开始产气到产气速率达到最大这段时间主要用来预测填埋场沼气的产气速率产气速率模型

Gardner 动力学模型考虑了总有机碳中各组分可降解有机碳的含量，该模型提高了计算的准确度模型参数较多，参数数值难于确定，应用较为复杂。不同的有机物有机碳组分较难获得主要用来预测填埋场不同填埋年份的产气速率产气速率模型

由表2可知，统计模型的主要功能是根据给定垃圾量计算可能产生的CH4总量，对于评价CH4对气候变化的贡献有重要意义，但不能确定垃圾填埋气体产生随时间变化的规律，因此在工程应用中不能采用，需采用动力学模型进行预测。Gardner 动力学模型虽也能预测填埋气体随时间变化的规律，但模型较为复杂，且其中参数较难确定。本项目将采用广泛应用的，符合实际情况，使用简单的，且被美国国家环保局(USEPA)和联合国气候变化执行委员会(EB)推荐使用的Scholl Canyon模型[2]。

对垃圾填埋场来说，从使用到封场，一般要经过十几年甚至几十年，其产气行为是一个漫长的过程。对每1 d填埋的垃圾来说，其产气过程均遵守上述规律。为简化计算，实际应用中，一般是对每1 a的填埋垃圾进行计算，然后对各年填埋的垃圾在某年的产气速率进行叠加即得出某年该填埋场总的产气速率。

其叠加计算公式可表示如下：

Qi=kL0R1e-ki+kL0R2e-k(i-1)+kL0R3e-k(i-2)+…+kL0Rie-k (封场前)， (6)

Qi=kL0R1e-ki+kL0R2e-k(i-1)+kL0R3e-k(i-2)+…+kL0Rne-k(i-n+1)(封场后)， (7)

式(6)、(7)中，Qi为自填埋场运行第i年的填埋气体产气量，m3/a;i为自填埋场运行第i年;L0为填埋废物的产气量潜势，m3;k为填埋垃圾的产气速率常数，a-1;Ri为第i年的垃圾填埋量，t;Rn为垃圾填埋场最后一年的垃圾填埋量，t;n为填埋场终场年限。

3 气体产量预测和利用

3.1 模型参数的确定

由于黄竹坑无生活垃圾的气体产气量和产气速率常数的试验数据，垃圾理论产气速率常数只能采用经验数据。由于龙岩市垃圾有机物含量较高，且气候湿润，依据《2006年IPCC国家温室气体清单指南》的估算方法结合工程经验，黄竹坑垃圾填埋场产气速率常数k取0.1 a-1，垃圾理论最大产气量取90 m3/t，则黄竹坑垃圾填埋场单位重量(×104 t)垃圾产气数学模型为：

Rt=9e-0.1t， (8)

式(8)中，Rt为填埋气体产生速率，×104 Nm3/a;t为填埋的垃圾从填埋到计算时的时间，a。

3.2 填埋气体量预测

根据此模型和黄竹坑垃圾填埋场各年垃圾填埋量，可计算出各年份的填埋气体理论产生量，根据国内外的经验，气体收集率一般为50%，则各年的实际气体收集量见表3。

表3 黄竹坑垃圾卫生填埋场2008年至2030年期间年填埋气体计算产量表

年份垃圾年填埋量

×104 t每年总计填埋气排放量

×104 m3每年可收集的气量×104 m3每小时填埋气收集量m3/h

20047.8764.0900

20058.72129.0000

200610.28200.4400

200712.07279.6600

200812.78357.1200

200914.60442.0300

201014.60518.8600

201118.25618.11309353

201218.25707.90354404

201318.25789.16395450

201418.25862.68431492

201518.25929.20465530

201618.25989.40495565

201718.251 043.86522596

201818.251 093.15547624

2019—989.12495565

2020—894.99447511

2021—809.82405462

2022—732.76366418

2023—663.03332378

2024—599.93300342

2025—542.84271310

2026—491.18246280

2027—444.44222254

2028—402.15201230

2029—363.88182208

2030—329.25165188

注：a) 2013年后为预计垃圾进场量;b) 2010年前，由于项目没建，每年可收集的气量和每小时填埋气收集量均为0。

根据表3可得到图1。

图1 黄竹坑垃圾卫生填埋场2004年至2030年期间填埋气体流量

3.3 气体利用

填埋气体利用有多种方式，如沼气内燃机发电、提纯制作天然气、用于锅炉燃料等[6]。经比较，本项目采用沼气发电的方式。一般情况下填埋气体中CH4含量为50%～60%，其低位热值大约在17 MJ/m3～23.9 MJ/m3之间。本文取其低位热值为17.95 MJ/m3，燃气内燃机的发电效率按35%计。根据上述参数，可计算出沼气发电历年理论功率如图2所示。

图2 黄竹坑卫生填埋场2007～2030年沼气发电理论功率变化

排版时，纵坐标旁字符改为：填埋气理论功率/kW;纵坐标数字三位一空

从图2可知，本项目将在2018年达到产气高峰，对应的发电功率在1 086 kW，在1 000 kW以上停留2 a时间，因此从资源利用、发挥自大效益的角度分析，本项目的最终发电功率应为1 000 kW。但该项目在2011年的功率还保留在600 kW左右，因此，为节约投资，该项目宜分期建设，一期投产500 kW的发电机组，待将来填埋量和产气量相应增加后，再投产二期500 kW的发电机组。

4 结语

在对垃圾填埋场沼气产生模型的计算方法、适用条件等进行系统分析比较的基础上，结合龙岩市的垃圾组成、填埋场处理量等条件，合理地选择了适合龙岩市黄竹坑填埋场沼气产气模型和参数，并根据该模型计算出龙岩市垃圾填埋场气体产量和气发电机装机容量，为沼气利用工程实践提供重要依据。