普通一級模型產(chǎn)甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，張家口 075000)

普通一級模型產(chǎn)甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，張家口 075000)

以廣州某生活垃圾填埋場填埋的生活垃圾為研究對象，用普通一級模型估算填埋場從開始運行到2010年底填埋生活垃圾的產(chǎn)甲烷量，比較各模型逐年產(chǎn)甲烷量估算值的相對大小，比較2010年產(chǎn)甲烷量估算值和實測值的大小.結(jié)果表明：同一年逐年產(chǎn)甲烷量估算值最大的模型是SWANA一級模型，估算值最小的模型是LandGEM(EPA,2005)；LandGEM(EPA,2005)模型估算值與實測值最接近，是估算該填埋場產(chǎn)甲烷量的最佳模型.

普通一級模型；逐年產(chǎn)甲烷量；估算；比較

0 引 言

甲烷是填埋氣的重要成分.它的溫室效應(yīng)是二氧化碳的21[1]倍，填埋場中如果甲烷不利用隨意排放，不僅會增加對氣候的影響，而且也是一筆很大的浪費.目前對填埋氣的理想利用方式主要是燃燒甲烷，直接利用熱能發(fā)電是其中常見的一種.產(chǎn)甲烷量的估算是填埋氣利用中一個很重要的環(huán)節(jié)，估算量是否合適直接關(guān)系到填埋場中填埋氣導(dǎo)排系統(tǒng)以及填埋氣發(fā)電廠中發(fā)電系統(tǒng)的投資是否合適.填埋氣估算模型發(fā)展到現(xiàn)在大約有30多個[2]，不同模型的產(chǎn)甲烷量估算值是不同的.用哪些模型估算我國填埋場產(chǎn)甲烷量，是否所有模型都適合我國填埋場產(chǎn)甲烷量的估算？這些問題是我們在填埋場或填埋氣發(fā)電廠設(shè)計中必須解決的問題.填埋氣估算模型按照各自的特點分為三類[3]，缺省模型、化學(xué)模型和動力學(xué)模型.動力學(xué)模型按照反應(yīng)級數(shù)可分為零級、一級和二級模型，普通一級模型是一級模型中包含數(shù)量最多的一類模型.本文以廣州某生活垃圾填埋場為例，用普通一級模型估算逐年產(chǎn)甲烷量.

1 普通一級模型

這類模型假設(shè)逐年產(chǎn)甲烷量呈指數(shù)衰減，考慮了影響填埋氣產(chǎn)生量的一些因素，例如生活垃圾的物理性質(zhì)和元素組成等，逐年產(chǎn)甲烷量表達式比零級模型復(fù)雜，但又比多降解類型一級模型、全過程分階段動力學(xué)模型簡單.這類模型數(shù)量較多，包括FOD模型、TNO一級模型、Marticorena模型、LandGEM模型、Scholl-Canyon模型和SWANA一級模型.LandGEM模型自提出后又先后改進兩次，包括LandGEM(EPA,1995)、LandGEM(EPA,2001)和LandGEM(EPA,2005).這些模型的表達式見表1.

表1 普通一級模型表達式

表1中，Q-逐年產(chǎn)甲烷量，m3/a；x-起始年至計算年t的時間，a；A-修正總量歸一化因子；k-甲烷產(chǎn)生率常數(shù)，1/a；MSWT-城市固體廢棄物總量，kg/a；MSWF-在固體廢棄物處理場處理的城市固體廢棄物的比例；L0-甲烷產(chǎn)生潛力，m3/kg，C0-垃圾中有機碳的含量，kgC/kg垃圾；ζ-異化因子；R、M、Mi-垃圾填埋量，kg/a；k1-降解速率常數(shù)，缺省值為0.094，1/a；i-1年的增量；j-0.1年的增量；tij-第i年接受垃圾質(zhì)量是Mi的j區(qū)的年數(shù)(小數(shù)年，如3.2年)；ri-第i年前填埋垃圾累計質(zhì)量占總庫容質(zhì)量的比率；MP0-新鮮垃圾產(chǎn)CH4量，m3/kg，標(biāo)態(tài)；d-垃圾持續(xù)產(chǎn)CH4時間，a；D(t)為第t年的垃圾產(chǎn)CH4速率，m3/(t年)，標(biāo)態(tài)；Ti-第i年的填埋垃圾的量，kg.

普通一級模型表達式反映填埋場逐年產(chǎn)甲烷量，但通過累加在產(chǎn)甲烷時間內(nèi)的逐年產(chǎn)甲烷量，也可估算得到總產(chǎn)甲烷量.由于總產(chǎn)甲烷量實測時間跨度大，得到實測值難度大，年產(chǎn)甲烷量實測容易得到，所以，用這些模型估算產(chǎn)甲烷量，將估算值和實測值比較，可以得到哪些普通一級模型更適合估算產(chǎn)甲烷量.

2 產(chǎn)甲烷量估算

2.1 背景資料

在填埋氣的實測與估算研究中，暨南大學(xué)積累了較完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本文以這些數(shù)據(jù)作為產(chǎn)甲烷量的背景資料.廣州某填埋場從2002年8月開始填埋到2010年12月的各年垃圾填埋噸數(shù)[4]分別是13×104、134×104、221×104、236×104、217×104、239×104、255×104、288×104和301×104.截止2010年底，總填埋量[4]達到1.9×107噸.該填埋場該垃圾場垃圾物理組成和元素組成如表2所示.趙超[4]等經(jīng)監(jiān)測計算得到2010年該填埋場甲烷的收集量為1.75×107m3.

表2 填埋場垃圾物理組成和元素組成 %

2.2 參數(shù)確定

為便于比較，對同一個填埋場，多個估算模型采用一致的估算參數(shù).產(chǎn)甲烷潛能L0采用文獻值0.165m3/kg[5]；從生活垃圾物理組成來看，該填埋場廚余垃圾含量達50%以上，垃圾降解性好，取生活垃圾半衰期為8年[6]，由其確定的垃圾降解速率常數(shù)為0.0866，產(chǎn)甲烷時間為27a；其他參數(shù)的確定可根據(jù)垃圾資料和填埋資料通過計算確定，垃圾中有機碳的含量C0為0.210kgC/kg垃圾.

2.3 結(jié)果與討論

按照廣州某填埋場2002年8月到2010年12月的填埋數(shù)據(jù)，先計算得到在產(chǎn)氣年限內(nèi)的逐年產(chǎn)甲烷量，將同一年的產(chǎn)甲烷量累加便得到了該年的產(chǎn)甲烷量.該填埋場2012年開始封場，計劃到2018年結(jié)束，填埋垃圾時間預(yù)計為2015年.取2012年和2018年的平均時間，即2015年為封場年限.將計算得到的2002年8月到2010年12月的填埋垃圾總量逐年產(chǎn)甲烷量與時間的關(guān)系作圖如圖1所示.

圖1 普通一級模型逐年產(chǎn)甲烷量

圖1中，SWANA一級模型和LandGEM(EPA,1995)由于估算值特別大，這兩個模型與其他模型比較形成了鮮明的兩個部分，一部分最大逐年產(chǎn)甲烷量超過150×107m3/a，另一部分最大逐年產(chǎn)甲烷量低于30×107m3/a.這是由模型表達式本身特點造成的.從表1看，SWANA一級模型和LandGEM(EPA,1995)模型表達式形式簡單，未考慮產(chǎn)甲烷潛能在產(chǎn)甲烷時間內(nèi)或一定年限內(nèi)的分配，而實際這是不可能的，其估算值必然偏大.從圖1來看，兩部分相比，差距確實很大.

除LandGEM(EPA,1995)外，其他模型逐年產(chǎn)甲烷量均在填埋后第8年(即2010年)達到最大值，且這些模型填埋當(dāng)年即開始產(chǎn)氣.LandGEM(EPA,1995)模型從估算數(shù)據(jù)和圖1來看，該模型填埋當(dāng)年不產(chǎn)甲烷，填埋后第14年達到最大產(chǎn)甲烷量.這是由于LandGEM(EPA,1995)模型表達式考慮了封場年限，填埋場在運行期和封場以后采用的系數(shù)不一樣，表達式在不同時間段不一樣所致.

圖1中各模型逐年產(chǎn)甲烷量估算值從第8年的最大值開始逐漸減小直至0結(jié)束，但相應(yīng)每個模型各年的逐年產(chǎn)甲烷量估算值不在一條曲線上，而是經(jīng)歷了兩條曲線的變化，即第8年與第28年之間的緩慢減小曲線變化和第28年到第36年之間的急速減小曲線變化，后者各點斜率大于前者.逐年產(chǎn)甲烷量估算值的這個變化特點與甲烷的產(chǎn)生量有關(guān)，該填埋場一定量的垃圾甲烷的產(chǎn)生時間是27年，而不是無限期地產(chǎn)生，由此得到的逐年產(chǎn)甲烷量估算值從最大值的減小不是一條平滑的曲線，是包含一個交點的兩條曲線.

圖2 2010年實測值與估算值比較

從圖1和估算數(shù)據(jù)還可看出，SWANA一級模型、LandGEM(EPA,2001)、FOD模型、TNO一級模型、Scholl-Canyon模型和LandGEM(EPA,2005)的逐年產(chǎn)甲烷量估算值變化一致，且按照前述順序，同一年的逐年產(chǎn)甲烷量估算值逐漸減?。籐andGEM(EPA,2001)和FOD模型的估算值以及Scholl-Canyon模型和LandGEM(EPA,2005)分別各自相近.這表明，雖然估算模型各有不同，但估算值可以相差很小.

圖2比較了2010年填埋場產(chǎn)甲烷量的實測值和各普通一級模型估算值的大小.與實測值相差由小到大的模型的順序為，LandGEM(EPA,2005)、Scholl-Canyon模型、Marticorena模型、TNO一級模型、FOD模型、LandGEM(EPA,2001)、LandGEM(EPA,1995)、SWANA一級模型.同時，LandGEM(EPA,2005)和Scholl-Canyon模型估算值相差不大，F(xiàn)OD模型和LandGEM(EPA,2001)的估算值也相差不大.各模型2010年估算值由小到大的順序及兩對相近的估算結(jié)果進一步驗證了前述觀點.

LandGEM(EPA,2005)和Scholl-Canyon模型估算值和實測值的比值小于1.6，其他模型估算值和實測值的比值大于6，在所有普通一級模型估算值中，由于LandGEM(EPA,2005)的估算值最小，且和實測值的差距最小，該模型是估算廣州某填埋場產(chǎn)甲烷量的最佳模型.

3 結(jié) 論

普通一級模型逐年產(chǎn)甲烷量估算值隨時間先增加到最大值，隨后緩慢減小一定時間，后又快速減小至0；同一年逐年產(chǎn)甲烷量估算值由大到小的模型的順序是SWANA一級模型、LandGEM(EPA,2001)、FOD模型、TNO一級模型、Scholl-Canyon模型和LandGEM(EPA,2005)；LandGEM(EPA,2005)模型估算值最接近實測值，該模型估算廣州某填埋場產(chǎn)甲烷量結(jié)果最佳；非普通一級模型估算產(chǎn)甲烷量的研究也正在進行中.

[1]楊海靜.北京南站垃圾填埋場填埋氣遷移模型研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008

[2]王登玉.垃圾填埋場填埋氣的產(chǎn)氣量估算[J].可再生能源,2013(31)4:112～119

[3]王登玉,賈躍然,王淑娜.零級動力學(xué)模型產(chǎn)甲烷量估算值與實測值的比較研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報,2015,33(2):91～94

[4]趙超,趙玲,陳曉梅等.城市生活垃圾填埋場甲烷收集效率研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,32(4):955～959

[5]陳曉梅.城市生活垃圾填埋場甲烷利用研究[D].廣州:暨南大學(xué).2011

[6]譚旭娜,盧歡亮,羅鈺翔.3種垃圾填埋氣預(yù)測模型的比較研究[J].可再生能源,2009,27(3):89～92

Estimation of Methane Production with Ordinary First Order Models

WANGDeng-yu

(College of Energy and Environment Engineering,Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou 075000,China)

Household garbage of one landfill in Guangzhou is used as research object,methane production of household garbage from the run time to 2010 is estimated with ordinary first order models,the estimated relative methane production values are compared with each year,and the estimated value of 2010 is compared with the measured value.The results show that the model of the biggest estimated methane production value is SWANA first order model, the smallest estimated value is LandGEM(EPA,2005);LandGEM(EPA,2005)is most close to the measured value,and this model is the most appropriate in ordinary first order models used to estimate this landfill.

ordinary first order models;year by year methane production;estimation;comparison

2015-04-23

河北省建設(shè)科技研究指導(dǎo)性計劃項目(2013-215)

王登玉(1972-)，男，碩士，講師，主要從事固體廢物處理與處置的教學(xué)與研究工作.

X 705

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