零級動力學(xué)模型產(chǎn)甲烷量估算值與實(shí)測值的比較研究

王登玉 賈躍然 王淑娜

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

0 引 言

填埋場產(chǎn)甲烷量是衛(wèi)生填埋場設(shè)計(jì)和填埋氣發(fā)電廠設(shè)計(jì)中很重要的技術(shù)參數(shù)，由于產(chǎn)甲烷量只能在填埋場運(yùn)行的過程中測得，填埋場和填埋氣發(fā)電廠的設(shè)計(jì)先于填埋場的運(yùn)行，產(chǎn)甲烷量最初只能由估算得到.因此產(chǎn)甲烷量的估算將直接影響生活垃圾衛(wèi)生填埋場和填埋氣發(fā)電廠的投資成本和運(yùn)行成本.

到目前為止，產(chǎn)甲烷模型共分為三類［1］，分別是缺省模型、化學(xué)模型和動力學(xué)模型.缺省模型和化學(xué)模型用于估算總產(chǎn)甲烷量，動力學(xué)模型不僅可以估算總產(chǎn)甲烷量，還可估算逐年產(chǎn)甲烷量.三類模型中，動力學(xué)模型考慮了產(chǎn)甲烷量隨時間的衰減因素更復(fù)雜一些，擁有的模型個數(shù)又最多.根據(jù)動力學(xué)級數(shù)，動力學(xué)模型又分為零級模型、一級模型和二級模型.本文以廣州某生活垃圾填埋場為例，用零級動力學(xué)模型估算逐年產(chǎn)甲烷量，并將估算值和實(shí)測值進(jìn)行比較.

1 零級模型簡介

表1中Q為甲烷產(chǎn)氣速率m3／a；L0－單位質(zhì)量垃圾的產(chǎn)甲烷潛能m3／kg；W為濕垃圾填埋量（kg）；ω為濕垃圾含水率（%）；V0為單位干垃圾理論產(chǎn)沼氣量（m3／kg）；t0為一定量垃圾開始填埋時間；tf為垃圾產(chǎn)氣結(jié)束時間；0.35為1kgCOD的CH4理論產(chǎn)量為0.35m3；V為1kg填埋垃圾的有機(jī)物含量（%）；ow為可降解有機(jī)物含量；cw為可降解有機(jī)物含碳量；r為可降解有機(jī)碳分解百分率；1.867為1kg有機(jī)碳可轉(zhuǎn)化為1.867m3（CH4＋CO2）氣體；0.5為CH4和CO2氣體中CH4的含量.

表1 零級模型表達(dá)式

2 產(chǎn)甲烷量估算

2.1 背景資料

廣州某填埋場截止2010年底，總填埋量［3］達(dá)到1.9×107t，日均填埋量為6271t.該填埋場從2002年8月到2010年12月的各年垃圾填埋噸數(shù)分別是13×104t、134×104t、221×104t、236×104t、217×104t、239×104t、255×104t、288×104t和301×104t.該垃圾場垃圾物理組成如表2所示.

表2 填埋場垃圾組分、含水率及揮發(fā)性固體含量

元素組成如表3所示.

表3 垃圾各組分干基中化學(xué)元素組成

趙超等通過布點(diǎn)監(jiān)測，得到2010年該填埋場甲烷的實(shí)際收集量為1.75×107m3.

2.2 參數(shù)確定

相關(guān)參數(shù)值根據(jù)Revised 1996IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoties：Reference Manual［4］、填埋場垃圾資料或文獻(xiàn)值確定.其中，產(chǎn)甲烷時間取值27年；產(chǎn)甲烷潛能L0為0.065m3／kg垃圾；COD為1.51kgO2／kg干垃圾；濕垃圾含水率為0.558；單位干垃圾理論產(chǎn)沼氣量為0.165m3／kg干垃圾；1kg填埋垃圾的有機(jī)物含量為93.7%；可降解有機(jī)物含碳量為0.524.

3 結(jié)果與討論

根據(jù)填埋場年填埋垃圾資料和該填埋場生活垃圾的物理組成和元素組成資料，利用零級模型表達(dá)式，計(jì)算出逐年產(chǎn)甲烷量.以產(chǎn)甲烷時間27年計(jì)，各模型逐年產(chǎn)甲烷量如圖1所示.

圖1 零級模型估算值與真實(shí)值比較

圖1中，（1）表示以COD模型為基礎(chǔ)的零級模型，（2）表示以可生物降解為基礎(chǔ)的零級模型，（3）表示以概化分子模型為基礎(chǔ)的零級模型，（4）表示SWANA零級模型，水平虛線和垂直虛線的交點(diǎn)表示2010年產(chǎn)甲烷量實(shí)測值，垂直虛線和各曲線的交點(diǎn)表示2010年（從2002年8月開始的第9年）產(chǎn)甲烷量估算值.

從圖1可以看出，四個零級模型逐年產(chǎn)甲烷量的變化曲線是一致的，即從填埋開始產(chǎn)甲烷量逐漸增大，在運(yùn)行期末達(dá)到最大，此后經(jīng)歷一個穩(wěn)定產(chǎn)氣期，再在產(chǎn)氣期內(nèi)逐漸衰減為0，這種梯形狀變化曲線是零級模型逐年產(chǎn)甲烷量的典型變化曲線.

以COD模型為基礎(chǔ)的零級模型逐年產(chǎn)甲烷量的估算值最大，SWANA零級模型逐年產(chǎn)甲烷量的估算值最小.由于以COD模型為基礎(chǔ)零級模型的COD值包含了可降解有機(jī)物和不可降解有機(jī)物的COD值，由該模型得到的產(chǎn)甲烷估算值在所有模型估算值中最大.SWANA零級模型產(chǎn)甲烷潛能采用了文獻(xiàn)值，估算值與其他零級模型比最小，這與課題組估算張家口市某填埋場產(chǎn)甲烷量結(jié)果［5］一致.

2010年該填埋場產(chǎn)甲烷量估算值分別是（1）15.4×107m3＞（2）11.4×107m3＞（3）5.1×107m3＞（4）4.5×107m3.同2010年實(shí)測值相比，與實(shí)測值差距由小到大的零級模型的順序是SWANA零級模型、以概化分子模型為基礎(chǔ)的零級模型、以可生物降解模型為基礎(chǔ)的零級模型、以COD模型為基礎(chǔ)的零級模型.顯然，SWANA零級模型的可用性最好，估算值與實(shí)測值的比值為2.6.

4 結(jié) 論

零級模型逐年產(chǎn)甲烷量在產(chǎn)甲烷年限內(nèi)先增大，后穩(wěn)定，最后減小到0，呈梯形狀曲線；同實(shí)測值相比，以COD模型為基礎(chǔ)的零級模型估算值與實(shí)測值差距最大，以概化分子模型為基礎(chǔ)的零級模型和以可生物降解模型為基礎(chǔ)的零級模型差距次之，SWANA零級模型差距最小；用零級模型估算產(chǎn)甲烷量，SWANA零級模型是最適合模型.

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

［2］彭緒亞.垃圾填埋氣產(chǎn)生及遷移過程模擬研究［D］.重慶：重慶大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院.2004

［3］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

［4］IPCC.Revised 1996IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoties：Reference Manual［M］.Geneva：IPCC，1996

［5］王登玉，羅義.新零級模型估算產(chǎn)甲烷量的研究［J］.可再生能源，2014，32（5）：699～702