淺談填埋場(chǎng)沼氣的形成、處理方法及利用

魏忠惠　劉萍萍

摘要：綜合分析垃圾衛(wèi)生填埋產(chǎn)生沼氣，沼氣的主要成分是甲烷及甲烷形成的條件。通過(guò)對(duì)填埋場(chǎng)沼氣的處理方法探討，得出結(jié)論：在大型填埋場(chǎng)利用沼氣發(fā)電是科學(xué)有效的。

關(guān)鍵詞：填埋場(chǎng) 沼氣 甲烷 發(fā)電

0 引言

衛(wèi)生填埋是目前世界上應(yīng)用最廣泛的垃圾處理方法，近幾年國(guó)內(nèi)陸續(xù)建造了一批規(guī)范的衛(wèi)生填埋場(chǎng)，并相繼投入使用。隨著時(shí)間的推移，衛(wèi)生填埋場(chǎng)數(shù)量不斷增加，每一填埋場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生一定量的沼氣。沼氣是以甲烷和二氧化碳為主，此外還可能有少量的氨氣和硫化氫等。

1 沼氣的危害

甲烷存在填埋場(chǎng)的垃圾層內(nèi)時(shí)，由于缺氧，不會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題。但它從填埋場(chǎng)內(nèi)逸出時(shí)，甲烷含量達(dá)到5—15%（爆炸界限）時(shí)，就可能引起爆炸。同時(shí)，填埋場(chǎng)沼氣中含有大量的二氧化碳，甲烷和二氧化碳從填埋坑逸出的過(guò)程中，會(huì)向填埋坑周圍的土壤中擴(kuò)散，使土壤中的PH值下降，使土壤中造成嫌氣性氣氛，從而會(huì)引起某些植物死亡。另外，填埋場(chǎng)沼氣中的少量氨氣和硫化氫，還會(huì)污染空氣。

2 沼氣的形成

2.1 好氧分解階段 填埋坑中的有機(jī)物在好氧微生物的作用下，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，最終分解成穩(wěn)定的產(chǎn)物，這些穩(wěn)定的物質(zhì)，不可能提供什么能量。

2.2 厭氧分解不產(chǎn)生甲烷階段 當(dāng)好氧分解反應(yīng)將廢物填埋坑中存留的氧氣基本耗盡時(shí)，厭氧微生物開始活動(dòng)，在此階段，微生物利用硝酸根、硫酸根作為氧源，產(chǎn)生硫化物、氨氣和二氧化碳，所以在此階段迅速產(chǎn)生二氧化碳而不產(chǎn)生甲烷。

2.3 厭氧分解開始產(chǎn)生甲烷階段 當(dāng)有機(jī)物已部分轉(zhuǎn)化成為有機(jī)酸，廢物層中的氧氣已經(jīng)耗盡，溫度、濕度、PH值都比較合適時(shí)，甲烷菌便開始繁殖，將有機(jī)酸轉(zhuǎn)化為甲烷，同時(shí)也放出二氧化碳，在這一階段，甲烷產(chǎn)量逐漸增加，坑內(nèi)溫度可能上升到55℃，當(dāng)產(chǎn)氣穩(wěn)定時(shí)，表明第三階段結(jié)束。

2.4 穩(wěn)定產(chǎn)氣階段 在此階段中填埋層穩(wěn)定地產(chǎn)生甲烷和二氧化碳。

3 甲烷形成的條件

3.1 厭氧 甲烷菌是嚴(yán)格厭氧的，氧對(duì)于甲烷菌是有毒的。

3.2 溫度 甲烷菌有兩大類：一類是中溫菌，它最適宜的繁殖溫度是30—38℃；另一類是喜溫菌或稱高溫菌，其最最適宜的繁殖溫度是50—58℃。因此，40—45℃這一溫度區(qū)間是不適宜甲烷繁殖的，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出：45℃條件下的產(chǎn)氣量不及40℃和50℃的產(chǎn)氣量高。

3.3 PH值 甲烷菌要求穩(wěn)定的PH中性條件，一般取PH=7.5，但PH值不能低于6.2，有機(jī)廢物在產(chǎn)酸階段，PH值會(huì)逐漸下降，但PH值也不可能降得很低，因?yàn)楫a(chǎn)酸菌的繁殖條件要求PH=5—6，如果PH值很低，產(chǎn)酸菌也會(huì)受到抑制，不再產(chǎn)酸。因此，有機(jī)廢物產(chǎn)生沼氣的過(guò)程并不是所有的物料全部完成了第一步反應(yīng)再開始第二步反應(yīng)。一般是當(dāng)好氧分解基本結(jié)束之后，水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷幾步反應(yīng)先后陸續(xù)開始，同時(shí)接續(xù)進(jìn)行。

3.4 碳氮比（C/N） 沼氣產(chǎn)生過(guò)程是一個(gè)生物學(xué)過(guò)程，需要提供適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)，除了必須的碳源之外，還必須提供一定的氮源，故必須維持一定的C/N比，C/N比不能大于20：1。而城市垃圾的碳氮比一般在24：1以上。有的垃圾C/N比高達(dá)40：1，城市污水處理場(chǎng)產(chǎn)生的污泥C/N較低約16：1。糞便中含氮量較高，所以填埋坑中混合有污泥和人蓄尿時(shí)，能提供較低的碳氮比，有利于沼氣的產(chǎn)生。

3.5 有毒物質(zhì) 重金屬以及殺蟲劑等有毒物質(zhì)對(duì)甲烷菌是有毒的。甲烷菌對(duì)這些有毒物質(zhì)極為敏感，對(duì)各種生物過(guò)程，重金屬都是有毒的，不過(guò)在城市垃圾填埋坑中，一般不可能達(dá)到如此高的金屬離子濃度。

3.6 水分 形成甲烷的過(guò)程有水分子參加反應(yīng)，尤其是微生物的生存及代謝活動(dòng)也必須在有充分的水分子存在的條件下才有可能，所以水分是產(chǎn)生沼氣的重要條件。在一定界限內(nèi)，廢物層中水分含量越高，產(chǎn)氣速率也愈大。

4 填埋場(chǎng)沼氣的處理方法

4.1 填埋場(chǎng)設(shè)氣井 在填埋場(chǎng)設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的氣井，以將填埋坑中的沼氣導(dǎo)出，進(jìn)行處理，但是，在鉆井時(shí)常發(fā)生空氣與坑內(nèi)的沼氣混合而引起爆炸的危險(xiǎn)，所以須特別注意。

4.2 填埋場(chǎng)沼氣的排放 如果填埋量很小或者分散，對(duì)沼氣進(jìn)行凈化在經(jīng)濟(jì)上不合算，則將沼氣無(wú)害排放。其無(wú)害排放的方法是點(diǎn)燃燒去，將各氣井排出的沼氣引入高聳的煙筒，點(diǎn)燃成火炬。如果未設(shè)火炬系統(tǒng)，只能是自然排入于大氣之中，在這種情況下，在填埋場(chǎng)周圍至少200米之內(nèi)不能有任何建筑物。當(dāng)然這不屬于處理技術(shù)，這僅僅是一種臨時(shí)應(yīng)付措施。

4.3 填埋場(chǎng)沼氣的利用 隨著對(duì)環(huán)境的日益重視，近十幾年來(lái)，垃圾填埋法是處理城市垃圾的主要方式之一，具有簡(jiǎn)單易行和費(fèi)用較低的特點(diǎn)，同時(shí)填埋產(chǎn)生的沼氣還可回收利用，正受到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋場(chǎng)，每年可回收沼氣51.42億立方米。

4.3.1 沼氣發(fā)電技術(shù)狀況 沼氣是一種具有較高熱值的可燃?xì)怏w，與其它燃?xì)庀啾龋淇贡阅茌^好，是一種很好的清潔燃料，傳統(tǒng)上大多利用沼氣進(jìn)行取暖、炊事和照明，隨著沼氣產(chǎn)量的不斷增加，如何更高效地利用沼氣，成為擺在我們面前的一項(xiàng)課題。沼氣燃燒發(fā)電是隨著沼氣綜合利用的不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一項(xiàng)沼氣利用技術(shù)，它將沼氣用于發(fā)動(dòng)機(jī)上，并裝有綜合發(fā)電裝置，以產(chǎn)生電能和熱能，是有效利用沼氣的一種重要方式。目前用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要有內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)。我國(guó)開展沼氣發(fā)電領(lǐng)域的研究始于八十年代初，1998年全國(guó)沼氣發(fā)電量為1，055，160kWh。在此期間，先后有一些科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝和提高熱效率方面的研究工作。我國(guó)的沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要為兩類，即雙燃料式和全燒式。目前，對(duì)“沼氣—柴油”雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)工作較多。如：中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院與四川綿陽(yáng)新華內(nèi)燃機(jī)廠共同研制開發(fā)的S195—1型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)：上海新中動(dòng)力機(jī)廠研制的20／27G雙燃料機(jī)等。成都科技大學(xué)等單位還對(duì)雙燃料機(jī)的調(diào)速、供氣系統(tǒng)以及提高熱效率等方面進(jìn)行過(guò)研究。此外，還有重慶、上海、南通等一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行過(guò)這方面的研究、研制工作?？梢哉f(shuō)，目前我國(guó)在沼氣發(fā)電方面的研究工作主要集中在內(nèi)燃機(jī)系列上。

4.3.2 沼氣發(fā)電前景廣闊 沼氣發(fā)電工程本身是提供清潔能源，解決環(huán)境問(wèn)題的工程，它的運(yùn)行不僅解決沼氣工程中的一些主要環(huán)境問(wèn)題，而且由于其產(chǎn)生大量電能和熱能，又為沼氣的綜合利用找到了廣泛的應(yīng)用前景：①有助于減少溫室氣體的排放。通過(guò)沼氣發(fā)電工程可以減少CH4的排放，對(duì)緩和溫室效應(yīng)有利。②有利于變廢為寶，提高沼氣工程的綜合效益。我們以沼電在酒廠中的的綜合效益為例：四川榮縣進(jìn)行了120kW沼氣發(fā)電的生產(chǎn)和示范。用酒糟廢水經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生沼氣，發(fā)電效率為1.69kWh／m3，當(dāng)年成本為0.0465元／kWh。沼電能夠基本滿足該廠的生產(chǎn)用電：山東昌樂(lè)酒廠安裝2臺(tái)120kW的沼氣發(fā)電機(jī)組，170m3酒糟日產(chǎn)沼氣4800m3，發(fā)電8640kwh，全年能源節(jié)約開支29萬(wàn)元，工程運(yùn)行一年即收回全部成本。③可減少對(duì)周圍環(huán)境的污染。由于綜合利用手段單一，很多沼氣工程產(chǎn)生的沼氣大量排入大氣中，不僅嚴(yán)重污染周圍的環(huán)境，也對(duì)工作人員的安全和健康產(chǎn)生了極大的威脅，沼氣發(fā)電則為沼氣找到了一條合理利用的途徑。④小沼電為農(nóng)村地區(qū)能源利用開辟新途徑。我國(guó)農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)還有許多地方嚴(yán)重缺電，如牧區(qū)、海島、偏僻山區(qū)等高壓輸電較為困難，而這些地區(qū)卻有著豐富的生物質(zhì)原料。因地制宜地發(fā)展小沼電，猶如建造微型“坑口電站”，可取長(zhǎng)補(bǔ)短就地供電。

5 結(jié)論

近年來(lái)我國(guó)垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)的建設(shè)進(jìn)入一個(gè)高峰期，每一填埋場(chǎng)都會(huì)產(chǎn)生一定量的沼氣，沼氣是以甲烷為主的高熱值可燃?xì)怏w，隨著沼氣產(chǎn)量的不斷增加，如何更高效地利用沼氣，成為擺在我們面前的一項(xiàng)課題。經(jīng)過(guò)大量的研究、調(diào)查得出：在大、中型垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)周圍建沼氣發(fā)電站或沼氣回收再利用工程是非常必要的，這符合可再生能源利用技術(shù)的進(jìn)步，即將“廢”轉(zhuǎn)化為寶，又將“害”轉(zhuǎn)化為利，對(duì)于改善環(huán)境，創(chuàng)建文明城市都具有十分重要的意義！

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