崇明生活垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)量估算及利用途徑分析*

余召輝（1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海　200232；2.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司，上?！?00232）

?

·固廢處理·

崇明生活垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)量估算及利用途徑分析*

余召輝1，2
（1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海200232；2.上海市環(huán)境工程設(shè)計(jì)科學(xué)研究院有限公司，上海200232）

【摘要】以崇明生活垃圾填埋場進(jìn)場垃圾組分和垃圾量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用填埋氣產(chǎn)量數(shù)學(xué)模型估算其填埋氣產(chǎn)氣量，分析該填埋場填埋氣不同利用途徑的可行性，并提出建議：選用500 kW容量的發(fā)電機(jī)組發(fā)電和建設(shè)500 m3/h的填埋氣提純甲烷項(xiàng)目，可行性均較小；火炬燃燒設(shè)備應(yīng)作為填埋場的常規(guī)運(yùn)行設(shè)施繼續(xù)使用。

【關(guān)鍵詞】生活垃圾；填埋氣；發(fā)電

崇明生活垃圾填埋場位于上海市崇明縣堡鎮(zhèn)港北閘東側(cè)，占地面積約20.33 hm2，所處地塊是由長江入?？诘暮＿厼┩块L期淤積而成。自2006年正式投入運(yùn)營以來，日處理垃圾量為300～400 t。填埋場分為兩期建設(shè)，一期庫區(qū)地下深8 m，地面上高12 m，共處理垃圾約8.4×105t，于2012年實(shí)施中期封場，正在進(jìn)行填埋作業(yè)的是二期庫區(qū)。填埋場自運(yùn)行初期即采用火炬燃燒的方式處理填埋氣體。筆者利用填埋氣產(chǎn)生量估算模型對崇明生活垃圾填埋場的產(chǎn)氣量進(jìn)行估算，對不同利用途徑進(jìn)行分析。

1　生活垃圾組分及產(chǎn)生量

1.1生活垃圾組分

崇明生活垃圾填埋場的進(jìn)場垃圾組分［1］見表1。

表1　崇明生活垃圾填埋場的垃圾組分（濕基）

表1中各種垃圾組分的可降解有機(jī)碳的含量是根據(jù)高慶先等的研究結(jié)果［2］，基于中國典型的生活垃圾成分確定的，用于分析生活垃圾的產(chǎn)氣能力。由表1數(shù)據(jù)計(jì)算可知，崇明生活垃圾填埋場的進(jìn)場垃圾中可降解有機(jī)碳含量占9.5%（濕基）。

1.2進(jìn)場垃圾量預(yù)測

崇明生活垃圾填埋場僅處理崇明島內(nèi)的生活垃圾，以2006年為基準(zhǔn)，生活垃圾人均日收集量為0.5 kg，服務(wù)的人口數(shù)量為57.5萬人，每日進(jìn)場的生活垃圾為287 t。上?！笆濉币?guī)劃要求2015年上海人均每日生活垃圾產(chǎn)生量比2010年減少5%，因此崇明島在積極推動生活垃圾分類減量工作；另一方面，越來越多的崇明人選擇到上海市區(qū)工作和定居，島內(nèi)常住人口數(shù)量增長緩慢。綜合多種原因，選取人均日生活垃圾收集量增速為每年3%。另外，崇明縣計(jì)劃在填埋場旁邊建設(shè)生活垃圾焚燒廠，預(yù)計(jì)2016年可建成運(yùn)行，屆時(shí)生活垃圾填埋場將不再填埋垃圾，因此，垃圾填埋量的計(jì)算截止日期為2015年。填埋氣產(chǎn)生量估算截止日期為2035年。

2006—2015年崇明生活垃圾填埋場進(jìn)場垃圾量的預(yù)測值見表2，將2015年的預(yù)測值與該年實(shí)際進(jìn)場數(shù)據(jù)比較，二者基本吻合，因此表2數(shù)據(jù)可作為填埋氣產(chǎn)生量估算基礎(chǔ)。

表2　崇明生活垃圾填埋場進(jìn)場垃圾量預(yù)測

2　填埋氣產(chǎn)生量估算

2.1填埋氣產(chǎn)生量估算模型

CJJ 133—2009生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范對我國生活垃圾填埋場填埋氣收集、產(chǎn)氣量預(yù)測和利用等內(nèi)容做了規(guī)定。對某一時(shí)刻進(jìn)入填埋場的垃圾，填埋氣產(chǎn)生量的計(jì)算公式（1）如下：

式中：G為從垃圾填埋開始到第t年的填埋氣體產(chǎn)生總量，m3；M為所填埋垃圾的質(zhì)量，t；L0為單位質(zhì)量垃圾的填埋氣體最大產(chǎn)氣量，m3/t；k為垃圾的產(chǎn)氣速率常數(shù)，a-1；t為從垃圾進(jìn)入填埋場時(shí)算起的時(shí)間，a。

填埋場單位質(zhì)量垃圾的填埋氣體最大產(chǎn)氣量（L0）宜根據(jù)填埋垃圾中可降解有機(jī)碳的含量按照公式（2）計(jì)算：

式中：C0為垃圾中有機(jī)碳的含量，%；φ為有機(jī)碳的降解率，%；1.867為標(biāo)準(zhǔn)狀況下，單位質(zhì)量的碳轉(zhuǎn)化成甲烷的體積，m3/kg；2表示甲烷在填埋氣中的體積分?jǐn)?shù)為50%，即填埋氣產(chǎn)氣量為甲烷氣量的2倍。

2.2崇明填埋場填埋氣產(chǎn)生量預(yù)測

采用CJJ 133—2009提供的填埋氣產(chǎn)生量計(jì)算模型進(jìn)行估算，在參數(shù)選取時(shí)，結(jié)合各種估算模型的取值方法和本領(lǐng)域研究人員提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，力求盡可能準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際情況。

2.2.1關(guān)鍵參數(shù)的確定

1） 崇明生活垃圾中有機(jī)碳的含量及可降解有機(jī)碳的含量。

《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》 （簡稱《IPCC指南》）在計(jì)算城市固體廢物中可降解有機(jī)碳的比例時(shí)，將固體廢物分為4類，分別給出每一類廢物的可降解有機(jī)碳的比例，然后疊加而成，計(jì)算公式（3）如下：

DOC=0.4A+0.17B+0.15C+0.3D（3）

式中：A為城市固體廢物中紙張和紡織品的比例；B為城市固體廢物中公園廢棄物或其它非食品有機(jī)物易腐爛物質(zhì)所占的比例；C為城市固體廢物中食品廢棄物所占的比例；D為城市固體廢物中木材或秸稈所占的比例。

我國生活垃圾分類方法與《IPCC指南》中的垃圾組分不能完全對應(yīng)，在表1中，上述公式中的參數(shù)A應(yīng)為紙張和織物比例之和，即A=18.72%，參數(shù)B沒有對應(yīng)分類組分，參數(shù)C采用廚余的數(shù)據(jù)，即C=50.44%，參數(shù)D采用竹木的數(shù)據(jù)，即D=1.98%。代入上述公式后，計(jì)算得到DOC=15.65，即生活垃圾中可降解有機(jī)碳的比例為15.65%。

《IPCC指南》給出的估算公式是按照歐洲國家的生活垃圾進(jìn)行分類和計(jì)算的，必然會與我國的實(shí)際生活垃圾狀況不同。高慶先等分析了武漢和沈陽2座典型城市的固體廢物中碳含量以及可降解有機(jī)碳的含量，將我國城市固體廢物中含可降解有機(jī)碳的成分分為5類，并給出了每一類廢物中可降解有機(jī)碳比例的推薦值，計(jì)算得出崇明生活垃圾填埋場中生活垃圾可降解有機(jī)碳的比例為C0=9.5%。

可降解有機(jī)碳只有一部分轉(zhuǎn)化為甲烷中的碳，這一比例被定義為經(jīng)過異化的可降解有機(jī)碳的比例，在有些估算模型中，稱作有機(jī)碳的降解率，或是有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為甲烷的轉(zhuǎn)化系數(shù)?！禝PCC指南》提供的缺省值為0.77，同時(shí)指出該值可能過高估計(jì)，利用0.5～0.6作為缺省值也是一種優(yōu)良做法。生活垃圾中的可降解有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為甲烷的比例取值為φ=77%。

2） 甲烷產(chǎn)生率常數(shù)。

一階衰減公式中常用到甲烷產(chǎn)生率常數(shù)k，也叫垃圾降解速率常數(shù)，其計(jì)算公式（4）為：

式中：k為甲烷產(chǎn)生率常數(shù)，a-1；t1/2為垃圾中可降解有機(jī)碳降解到其初始填埋量的一半時(shí)的時(shí)間，a。

在估算垃圾填埋場的填埋氣產(chǎn)生量和產(chǎn)生率時(shí)，k值與該填埋場所填生活垃圾的組分、填埋場的管理狀態(tài)、氣候等因素有關(guān)，需要根據(jù)實(shí)際情況確定，或者參考類似填埋場的運(yùn)行數(shù)據(jù)。英國、美國和荷蘭的生活垃圾填埋場測得的實(shí)際數(shù)據(jù)顯示k值為0.03～0.2。當(dāng)填埋場處于氣候濕潤地區(qū)，且生活垃圾中易降解有機(jī)物，如廚余垃圾、食品等，含量較高時(shí)，可以取最大的垃圾降解速率值k=0.2，對應(yīng)的生活垃圾半生命周期為t1/2=3.5 a。當(dāng)填埋場處于干旱或半干旱地區(qū)，生活垃圾中易降解有機(jī)物含量較少或含水率低時(shí)，可以取較小的垃圾降解速率值k=0.03～0.1，對應(yīng)的最長生活垃圾半生命周期為t1/2=23 a。

根據(jù)趙由才等的研究結(jié)果，上海的垃圾填埋場在封場8 a后，就可以轉(zhuǎn)化為礦化垃圾，即生活垃圾中的可降解成分已經(jīng)降解完成，基本上達(dá)到了穩(wěn)定化狀態(tài)［3］。因此，上海的生活垃圾進(jìn)行衛(wèi)生填埋處理時(shí)，t1/2=4 a，計(jì)算得甲烷產(chǎn)生速率常數(shù)k≈0.2，這與胡明甫等的研究結(jié)果相符合［4-5］。

3） 單位質(zhì)量生活垃圾理論最大產(chǎn)氣量。

根據(jù)上面的分析，將參數(shù)C0=9.5%、φ=77%代入到公式（2）中，計(jì)算得：

文獻(xiàn)［5］中推薦的L0的取值范圍為0～0.312m3/kg，其中在潮濕氣候條件下建議取0.14～0.18 m3/kg，該文獻(xiàn)參考的是美國填埋場的資料。本研究依據(jù)上海生活垃圾填埋場資料，計(jì)算出的L0=0.274 m3/kg是可信的。

4） 其他參數(shù)的確定。

填埋氣中甲烷的體積分?jǐn)?shù)按50%計(jì)算。認(rèn)為堆場屬于嚴(yán)格厭氧型堆體，甲烷氧化量忽略不計(jì)。

2.2.2填埋氣產(chǎn)生量計(jì)算

對于2006年填埋的垃圾，計(jì)算其填埋至第t年的產(chǎn)氣量，減去第（t-1）年的產(chǎn)氣量，得到在第t年的填埋氣產(chǎn)生量，2006年填埋的垃圾逐年填埋氣產(chǎn)生量如圖1所示，由于CJJ 133—2009提供的計(jì)算公式是指數(shù)遞減型，所以圖1中曲線顯示垃圾填埋當(dāng)年產(chǎn)氣量最大，以后逐年遞減。

圖1　2006年填埋的垃圾逐年產(chǎn)氣量

將各年份填埋的垃圾在同一年份產(chǎn)生的填埋氣量疊加，得到填埋場在該年份的總填埋氣量，估算結(jié)果見表3。隨著每年新鮮生活垃圾進(jìn)入堆場，總填埋氣產(chǎn)生量持續(xù)增加，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)在停止填埋的年份。

（續(xù)上表）

3　崇明填埋場填埋氣利用途徑分析

3.1填埋氣發(fā)電能力評估

利用模型計(jì)算出的填埋氣產(chǎn)生量是理論產(chǎn)氣量。由于填埋場覆蓋材料、堆體內(nèi)填埋氣和滲瀝液的流動情況、降水、溫度等因素，實(shí)際收集到的填埋氣量一般比理論產(chǎn)氣量小，實(shí)際收集率一般為40%～60%，本研究的填埋氣收集率取60%。填埋氣的熱值約為18 MJ/m3（以甲烷的體積分?jǐn)?shù)為50%計(jì)），則1 m3填埋氣的熱能相當(dāng)于1.5 kW·h電能。填埋氣發(fā)電機(jī)組的熱轉(zhuǎn)換效率取值為31%，崇明生活垃圾填埋場填埋氣發(fā)電能力和500 kW機(jī)組裝機(jī)規(guī)模預(yù)測數(shù)值見表4。

表4　崇明生活垃圾填埋場填埋氣發(fā)電能力預(yù)測

從表4可以看出，生活垃圾填埋場在運(yùn)行第3年時(shí)，就可以開展填埋氣收集和發(fā)電工程；在2010—2015年垃圾填埋氣產(chǎn)生量呈增加趨勢，可以選用2臺500kW容量的發(fā)電機(jī)組；2015年停止填埋垃圾后，填埋氣產(chǎn)氣高峰即出現(xiàn)，隨后逐漸降低，還有5a可以收集填埋氣用于發(fā)電，其中2016年選用2臺500 kW發(fā)電機(jī)組，2017—2020年選用1臺500 kW的發(fā)電機(jī)組；2020年之后，由于整體氣量較少，發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷較低，不適宜運(yùn)行填埋氣發(fā)電項(xiàng)目，需要采用其他方式收集和處理填埋氣體。

以上分析僅是基于填埋氣產(chǎn)生量進(jìn)行的發(fā)電能力預(yù)測，認(rèn)為崇明生活垃圾填埋場在2008—2020年具有填埋氣發(fā)電潛力，但是建設(shè)填埋氣發(fā)電項(xiàng)目，還需要考慮在有效氣體收集期內(nèi)能否收回項(xiàng)目投資，一方面，發(fā)出電力是否能夠上網(wǎng)或供給周邊大型用電設(shè)備，另一方面評估是否適宜開展清潔發(fā)展機(jī)制項(xiàng)目，并提前準(zhǔn)備項(xiàng)目開發(fā)資料，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中考慮氣量、電量監(jiān)測等需求。由于在建廠初期，崇明填埋場采用火炬燃燒的方式處理填埋氣，而崇明生活垃圾焚燒廠即將建成，因此再建填埋氣發(fā)電項(xiàng)目的可行性較差。

3.2崇明填埋場填埋氣其他利用途徑分析

填埋氣中含有40%～60%的甲烷，經(jīng)過脫硫、脫水、脫碳等一系列提純操作，可作為車用燃料，目前已經(jīng)有相關(guān)的成套撬裝式設(shè)備可供選用。建設(shè)填埋氣提純甲烷項(xiàng)目，需要首先考慮氣量的可持續(xù)性，針對崇明填埋場的情況，可以在2008—2020年建設(shè)500 m3/h的填埋氣提純甲烷項(xiàng)目。另外還需要考慮凈化氣體的利用方式，比如用于場內(nèi)填埋車輛或運(yùn)輸車輛的燃料，或者是向周邊居民提供罐裝天然氣。由于2016年崇明即將建成生活垃圾焚燒廠，屆時(shí)將停止填埋垃圾，因此建設(shè)填埋氣凈化提純項(xiàng)目的可行性也較小。

填埋場在填埋初期和封場后末期，填埋氣量較少，沒有工程應(yīng)用價(jià)值，但是由于填埋氣具有較高的熱值，同時(shí)也屬于溫室氣體，需要進(jìn)行減排和處理。常用的措施是火炬燃燒，或燃燒后提供熱水。在填埋氣發(fā)電項(xiàng)目未建成或發(fā)電設(shè)備故障期間，填埋氣應(yīng)通過火炬燃燒處理。因此，崇明生活垃圾填埋場的火炬設(shè)施應(yīng)當(dāng)持續(xù)使用，直到實(shí)際收集的填埋氣量達(dá)不到火炬燃燒負(fù)荷。

4　結(jié)論和建議

崇明生活垃圾填埋場在2015年底停止填埋垃圾時(shí)達(dá)到產(chǎn)氣高峰，按收集率60%計(jì)算，停止填埋后填埋氣還可以收集5 a用于發(fā)電。崇明填埋場也可以在2008—2020年建設(shè)500 m3/h的填埋氣提純甲烷項(xiàng)目。但是由于項(xiàng)目準(zhǔn)備和實(shí)施時(shí)間不夠充足，發(fā)電和提純項(xiàng)目的可行性均較小?；鹁嫒紵O(shè)備作為填埋場的常規(guī)運(yùn)行設(shè)施，在填埋場運(yùn)行初期和封場后末期，以及發(fā)電設(shè)備故障期間，處理填埋氣。針對崇明生活垃圾填埋場實(shí)際情況，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)維持火炬燃燒系統(tǒng)正常運(yùn)行，直到收集系統(tǒng)填埋氣量達(dá)不到火炬燃燒負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王明超.基于惡臭控制的填埋作業(yè)技術(shù)與設(shè)備研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2012.

［2］ 高慶先，杜吳鵬，盧士慶，等.中國典型城市固體廢物可降解有機(jī)碳含量的測定與研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2007，20（3）:10-15.

［3］ 趙由才，柴曉利，牛冬杰.礦化垃圾基本特性研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，34（10）:1360-1364.

［4］ 胡明甫.城市垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)量及產(chǎn)氣速率的研究［J］.鋼鐵技術(shù)，2002（3）:50-54.

［5］ 國家環(huán)境保護(hù)總局污染控制司.城市固體廢物管理與處理處置技術(shù)［M］.北京:中國石化出版社，2000.

中圖分類號：X705；X701

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-8206（2016）02-0020-05

作者簡介：余召輝（1989—），研究方向?yàn)樯罾幚砑百Y源化。

*基金項(xiàng)目：科技部科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAC15B05，2014BAL02B03）；上海市科委創(chuàng)新基金項(xiàng)目（11231200200）；上海市科委科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（12DZ1202803）

收稿日期：2015-06-30

Landfill Gas Estimation and Utilization Ways Analysis in Chongming Municipal Solid Waste Landfill

Yu Zhaohui1，2
（1.Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute Co.Ltd.，Shanghai200232；2.Shanghai Institute for Design and Research on Environmental Engineering Co.Ltd.，Shanghai200232）

【Abstract】Based on the amount and composition of waste，landfill gas production was calculated by LFG generation modelin ChongmingMunicipalSolid Waste Landfill.The feasibilityofdifferent utilization wayswere analyzed.It suggested that the capacity of power unitsshould select 500 kW，the yield of the project of methane purification from landfill gascan be 500 m3/h，both with poor feasibility；flare burner should become conventional operating facilities.

【Key words】municipal solid waste；landfill gas；electricity generation