垃圾填埋场填埋气体产气量计算方法研究 垃圾填埋场填埋流程

　　摘要:垃圾填埋场在垃圾不断地被降解和稳定化的过程中将产生气体,垃圾填埋产气率预测对于评估填埋场能源气体产生潜力,确定填埋气体利用方式极为关键。为了更准确的计算填埋气体的产气量,以北方某生活垃圾填埋场为例,使用一阶降解模型、Monad模型和Scholl canyon模型,分别对填埋场的填埋气体产生量进行预测。结果表明,一阶降解模型是针对具体的垃圾填埋场,综合考虑了填埋场垃圾填埋量、垃圾组分等变化因素,能够较合理地对填埋场垃圾产气规律进行预测。
　　关键词:填埋场;填埋气体;产气量预测模型
　　中图分类号:X705
　　文献标识码:A
　　文章编号:1005-569X(2010)05-0035-04
　　
　　1 引言
　　垃圾在填埋场填埋一定时间后,在垃圾不断地被降解和稳定化的过程中将产生气体。随着气体的不断产生,气体将在填埋场内产生浓度梯度,直接向上或是通过填埋场周围土壤的侧向和竖向迁移,以致通过扩散进入大气层,污染环境。若填埋场气体中甲烷与空气混合到5%~15%的体积分数时会发生爆炸、火灾和对大气的污染,同时对植物生长也有妨害。填埋气体中的甲烷会增加全球温室效应,其温室效应的作用是二氧化碳的22倍。因此,为了对填埋气体进行有效的控制,必须首先对填埋气体的产生量进行有效的预测,为填埋气体的收集利用系统的设计提供基础参数。垃圾填埋产气率预测对于评估填埋场能源气体产生潜力,确定填埋气体利用方式极为关键。
　　2 填埋气体的产生过程
　　填埋场主要气体的产生过程大致可分为下述5个阶段[1,2](见图1)。
　　2.1 初始调整阶段。
　　垃圾中的可降解有机组分在被放置到填埋场后很快就发生微生物分解反应。此阶段的生化分解反应是在好氧条件下进行的,其原因是有一定数量的空气随垃圾体夹带进入填埋场内。使垃圾分解的微生物主要来自于垃圾本身、日覆盖层和最终覆盖层土壤、填埋场运转所产生的并进行再循环的渗滤液等。
　　2.2 过程转移阶段。
　　垃圾体夹带进入填埋场内的氧气逐渐被消耗,厌氧条件开始形成并发展,厌氧微生物逐步占据主导地位。在此阶段,可作为电子接受体的硝酸盐和硫酸盐被还原为氮气和硫化氢气体。
　　2.3 产酸阶段。
　　此时垃圾堆体转变为纯的厌氧环境,厌氧微生物群落数量增多且活动加快。首先,垃圾中的大分子有机组分,如核酸、多糖、蛋白质、脂肪等,在发酵细菌的作用下水解为糖,并进一步分解为二氧化碳、氢气和各种小分子有机酸,如丙酸、丁酸、乳酸、长链脂肪酸、醇类等;随后,在产酸菌的作用下,这些有机酸被转化为乙酸及其衍生物、二氧化碳和氢气。
　　此阶段是填埋气体中二氧化碳和氢气产生的主要阶段,体积分数可分别达到80%和20%。
　　2.4 产CH�4阶段。
　　此阶段CH�4菌居于支配地位,它利用产酸阶段的产物如HCO�2、醋酸以及甲醇、甲酸等碳类化合物为基质,将它们转化为甲烷。在某些情况下,甲烷菌在第三阶段开始结束时,就会开始繁殖。
　　此阶段是填埋气体中CH�4产生的主要阶段,持续时间最长,可达数十年甚至上百年。
　　2.5 稳定化阶段。
　　在填埋垃圾中的可降解有机组分被转化为CH�4和CO�2之后,填埋垃圾进入成熟阶段,或称为稳定化阶段。此时大部分有机组分均已被微生物所利用,剩余的多为难生化降解的有机物,虽然它们在水分不断通过垃圾层向下迁移时仍将会被转化,但填埋气体的产生速率将明显下降。此阶段产生的填埋气体主要为CH�4和CO�2。但是由于各填埋场的封场措施不同,某些填埋场产生的气体中也可能含有少量的N�2和O�2。
　　填埋场各产气阶段的持续时间是不同的,它受填埋垃圾的可生物降解性、温度、湿度、初始压实程度及是否可以得到营养物质等因素的影响。
　　3 计算模型
　　3.1 一阶降解模型
　　为了掌握我国城市生活垃圾填埋场的填埋气体的产生情况,清华大学环境科学与工程系开发了适合我国城市生活垃圾填埋现状的预测模型[3~5]。该模型属于半经验模型,是垃圾填埋场CH�4产生的一阶动态方程式。填埋气体产生预测经验模型的前提假设是垃圾按年份、分单元进行填埋。针对具体的垃圾填埋场,该模型包括三个变量:新鲜垃圾产甲烷潜能�MP�0�,这个变量对于不同的生活垃圾是不同的;垃圾生命持续时间�d�,取决于垃圾本身的性质和填埋场的条件;填埋速率�T�i�,即垃圾被填入垃圾场的速度。该模型推导如下:
　　�MP=MP�0�exp�-td�(1)
　　�D�=-�dMP��dt���D�=�MP�0��d�exp�-td�
　　式中,�F�=∑�T�i��D�i���F�=∑�T�i��MP�0��d�exp�-td�
　　�MP�――时间为�t�的垃圾的特定产CH�4 潜能,单位为m�3/a;
　　�MP�0�――新鲜垃圾的特定产CH�4 潜能,单位为m�3/a;
　　�t� ――时间,单位为a;
　　�d�――垃圾生命持续时间,单位为a;
　　�D�――某一层垃圾的特定年CH�4产率,单位为m�3/a;
　　�F�――整个填埋场的CH�4产率,单位为m�3/a或m�3/h;
　　�T�i�――第�i� 层中废物的吨数。
　　3.2Monad模型
　　目前计算填埋气体产气量的多种方法中比较符合实际的数学模型是Monad模型,此模型是基于以下假设而建立的:垃圾在填埋场内的产气速率很快达到高峰,随后其产气速率以指数规律下降。用公式表示垃圾在第�t�年的产气量:
　　�G�t�=�WG��0�ke���-�kt��(2)
　　其中,�G�t�――第�t�年垃圾的产气量,单位m�3;
　　�W�――所填垃圾量,单位t;
　　�G��0――单位质量垃圾理论最大产气量,单位m�3/t;
　　�k�――垃圾的产气系数;
　　�t�――年份。
　　3.3 Scholl canyon模型
　　Scholl canyon模型是利用数学模型来计算填埋气体的产生速率,目前在填埋场设计中广泛使用。Scholl canyon模型是一阶动力学模型,该模型假设垃圾填埋场建立厌氧条件,微生物积累并稳定化造成的产气滞后是可以忽略的,即从计算起点产气的速率已达最大量,整个计算过程中,产气速率随着垃圾填埋场废物中的有机组分的减少而递减,即可描述为:
　　2010年5月绿 色 科 技
　　第5期
　　�L�t�=�kL��0exp(-�kt�)(3)
　　式中,�L�t�――填埋场气体产生量,单位m�3;
　　�k�――产气速率常数,单位L/a;
　　�L��0――垃圾厌氧最大产气量,单位m�3;
　　�t�――垃圾填埋时间,单位a。
　　对于垃圾填埋运行期为�n�年的城市垃圾填埋场,产气速率表达式如下:
　　�Q�=�∑��n���i�=1��R�ik��L��0exp(-�kt�)(4)
　　式中,�Q�――填埋场气体产生速率,单位m�3/a;
　　�n�――垃圾填埋场的运营年限,单位a;
　　�R�i�――填埋场封场前第�i�年填埋处置的垃圾量,单位t;
　　�L��0――填埋垃圾的潜在产气量,单位m�3;
　　�k�――填埋垃圾的产气速率常数,单位L/a;
　　�t�――填埋的垃圾从填埋至计算时的时间,单位a,�t�≥0。
　　4 产气量预测
　　以北方某生活垃圾填埋场为例,通过不同的模型对该填埋场产生的填埋气体进行计算。该垃圾填埋场处理能力1400t/d,总库容13×10�6m�3,填埋区用地3×10�5m2。
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　　填埋场运行期间每年进入该填埋场的垃圾量预测见表1,该填埋场垃圾组分见表2。
　　表1 填埋场垃圾填埋量(单位:10�4t)
　　年份2011201220132014201520162017201820192020
　　垃圾量1344134713501352135413561358136013621363
　　表2 填埋场生活垃圾组分(单位:%)
　　组分可堆腐物可燃物无机物
　　厨房垃圾草木纸张织物塑料砖瓦 金属玻璃
　　总计
　　比例56.611.059.041.05202.230.729.3100
　　4.1.1 一阶降解模型参数
　　填埋场垃圾大约在4~5年后其产CH�4过程即趋于结束。因此根据大城市�d�值取5年,中小城市�d�值取4 年的原则,本填埋场取�d�=4。
　　我国城市生活垃圾中干基有机物的COD转化系数约为1.2kg�(COD)�/kg(DVS)。每千克COD分解产生0.35m�3CH�4,按照垃圾中的有机物在填埋场中厌氧分解的转化率为50%,取在填埋场运行期间城市生活垃圾的干基有机物比例平均含量为20%,则填埋垃圾的产CH�4潜能为58.8m�3/t。考虑到有机废物的可生化降解比和填埋场内的损失,实际潜在产气量为:
　　�L���实际�=�β���有机物�(1-�ξ���有机物�)�L��0(5)
　　式中,β��有机物�――有机废物中可生物降解部分所占比例(以50%计);
　　�ξ���有机物�――在填埋场内因随渗滤液等而损失的可溶性有机物所占比例(以15%计)。
　　则垃圾实际潜在产气量为 50m�3/t。
　　4.1.2 Monad模型参数
　　求解总产气量�G��0的方法有质量平衡理论产气量模型,生物降解最大产气量模型,TOC 和COD估算模型及概化分子式模型[6] 等,本文利用COD估算模型对总产气量进行计算。
　　该模型是建立在质量守恒定律基础上,它假设:填埋气体产生过程中无能量损失;有机物全部生成CH�4 和CO�2。则根据能量守恒定律,有机物所含能量均转化为CH�4所含能量;而物质所含能量与该物质完全氧化所需氧气量(即COD)成特定比例,因而有:
　　COD��有机物�=COD��甲烷�
　　据甲烷完全燃烧化学计量式:CH�4+2O�2=CO�2+2H�2O,可导出:
　　1gCOD��有机物�=0.25gCH�4=0.35LCH�4(0℃,1atm)
　　这样,单位垃圾填埋气体的理论产气量:
　　�L��0=(1-�ω�)×�η���有机物�×�C���COD�×�V���COD�(6)
　　式中,�C���COD�――单位质量废物的COD,取�C���COD�=1.2kg/kg;
　　�V���COD�――单位COD相当的填埋场产气量,取0.35m�3/kg;
　　�ω�――垃圾的含水率(质量分数),�ω�=40%;
　　�η���有机物�――垃圾中有机物含量(质量分数),�η���有机物�=20%。
　　估算垃圾理论产甲烷量�L��0为58.8m�3/t 。按甲烷含量50%考虑,则理论产气量�G��0为117.6m�3/t。
　　4.1.3 Scholl canyon模型参数
　　填埋垃圾的产气速率常数�k�取值见表3。
　　表3 产气速率有关变量建议取值[7]
　　变量取值范围建议的数值
　　潮湿气候中湿度气候干燥气候
　　�k�,L/a0.003~0.4000.100~0.3500.050~0.1500.020~0.100
　　垃圾场位于北方,属干燥气候,取�k�为0.05。�L��0计算同式(6)。
　　4.2 产气量预测结果
　　分别利用上述3种模型,对该垃圾填埋场产生的填埋气体量进行预测,统计结果见表4。
　　表4 产气量预测结果统计
　　年份年垃圾产量�/×10�4t填埋气体年产生量/×10�6m�3
　　一阶降解模型Monad模型Scholl canyon模型
　　201149.069.5554.882.74
　　201249.1717.01107.205.36
　　201349.2822.84157.097.85
　　201449.3527.39204.6310.23
　　201549.4230.96249.9412.50
　　201649.4933.75293.1114.66
　　201749.5735.93334.2716.71
　　201849.6437.65373.4918.67
　　201949.7139.01410.8920.54
　　202049.7540.06446.5022.33
　　从表4计算结果中看出,使用Monad模型计算出的填埋气体产生量明显大于一阶降解模型和Scholl canyon模型。分析原因主要是因为该模型假设垃圾在填埋场内的产气速率很快达到高峰,以最大的理论产气量来计算填埋气体的产生量,因此计算结果偏大;而对于Scholl canyon模型,它的优点是模型简单,需要的参数少,但该模型忽略了垃圾自填埋开始至产气速率达到最大这段时间及这段时间的产气量,因此计算产气量结果偏小,只能大体反应产气速率变化趋势。相比较而言,一阶降解模型是适合我国城市生活垃圾填埋现状的预测模型,该模型属于半经验模型,是针对具体的垃圾填埋场而建立的一阶动态方程,该模型综合考虑了填埋场垃圾填埋量、垃圾组分等变化因素,能够较合理地对填埋场垃圾产气规律进行预测。
　　5 结论
　　本文通过对垃圾填埋场填埋气体产生过程的分析,将各种计算填埋气体产气量的模型应用于北方某生活垃圾填埋场,根据其填埋量等基础资料,对其填埋气体的产气量进行了计算预测。结果表明,①Monad模型计算出的填埋气体产生量明显大于一阶降解模型和Scholl canyon模型;②Scholl canyon模型计算产气量结果偏小,忽略了垃圾自填埋开始至产气速率达到最大这段时间的产气量;③一阶降解模型针对具体的垃圾填埋场,综合考虑了填埋场垃圾填埋量、垃圾组分等变化因素,能够较合理地对填埋场垃圾产气规律进行预测。
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　　Research on Calculation Methods of Landfill Gas Generation
　　Ying Yuwen,Zhang Shushen
　　�(Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering/ School of Environmental
　　Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning,China)�
　　Abstract:Landfill gas(LFG) will release from landfill in process of degradation and stabilization. Predicting LFG generation rate is very important to assess LFG resources and to determine the manner of LFG utilization. For a accurate calculation result, one-order degradation model, Monad model and Scholl canyon model have been used to predict the LFG generation situations for a northern landfill. Results show that one-order degradation model is set up for specific landfill. Considering of the landfill capacity and waste components, this model will get more reasonable result on LFG prediction.
　　Key words: landfill; landfill gas; generation prediction model
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