浅谈填埋场沼气的形成、处理方法及利用

魏忠惠　刘萍萍

摘要：综合分析垃圾卫生填埋产生沼气，沼气的主要成分是甲烷及甲烷形成的条件。通过对填埋场沼气的处理方法探讨，得出结论：在大型填埋场利用沼气发电是科学有效的。

关键词：填埋场 沼气 甲烷 发电

0 引言

卫生填埋是目前世界上应用最广泛的垃圾处理方法，近几年国内陆续建造了一批规范的卫生填埋场，并相继投入使用。随着时间的推移，卫生填埋场数量不断增加，每一填埋场都会产生一定量的沼气。沼气是以甲烷和二氧化碳为主，此外还可能有少量的氨气和硫化氢等。

1 沼气的危害

甲烷存在填埋场的垃圾层内时，由于缺氧，不会发生什么问题。但它从填埋场内逸出时，甲烷含量达到5—15%（爆炸界限）时，就可能引起爆炸。同时，填埋场沼气中含有大量的二氧化碳，甲烷和二氧化碳从填埋坑逸出的过程中，会向填埋坑周围的土壤中扩散，使土壤中的PH值下降，使土壤中造成嫌气性气氛，从而会引起某些植物死亡。另外，填埋场沼气中的少量氨气和硫化氢，还会污染空气。

2 沼气的形成

2.1 好氧分解阶段 填埋坑中的有机物在好氧微生物的作用下，经过一系列复杂的生物化学过程，最终分解成稳定的产物，这些稳定的物质，不可能提供什么能量。

2.2 厌氧分解不产生甲烷阶段 当好氧分解反应将废物填埋坑中存留的氧气基本耗尽时，厌氧微生物开始活动，在此阶段，微生物利用硝酸根、硫酸根作为氧源，产生硫化物、氨气和二氧化碳，所以在此阶段迅速产生二氧化碳而不产生甲烷。

2.3 厌氧分解开始产生甲烷阶段 当有机物已部分转化成为有机酸，废物层中的氧气已经耗尽，温度、湿度、PH值都比较合适时，甲烷菌便开始繁殖，将有机酸转化为甲烷，同时也放出二氧化碳，在这一阶段，甲烷产量逐渐增加，坑内温度可能上升到55℃，当产气稳定时，表明第三阶段结束。

2.4 稳定产气阶段 在此阶段中填埋层稳定地产生甲烷和二氧化碳。

3 甲烷形成的条件

3.1 厌氧 甲烷菌是严格厌氧的，氧对于甲烷菌是有毒的。

3.2 温度 甲烷菌有两大类：一类是中温菌，它最适宜的繁殖温度是30—38℃；另一类是喜温菌或称高温菌，其最最适宜的繁殖温度是50—58℃。因此，40—45℃这一温度区间是不适宜甲烷繁殖的，经过大量的实验得出：45℃条件下的产气量不及40℃和50℃的产气量高。

3.3 PH值 甲烷菌要求稳定的PH中性条件，一般取PH=7.5，但PH值不能低于6.2，有机废物在产酸阶段，PH值会逐渐下降，但PH值也不可能降得很低，因为产酸菌的繁殖条件要求PH=5—6，如果PH值很低，产酸菌也会受到抑制，不再产酸。因此，有机废物产生沼气的过程并不是所有的物料全部完成了第一步反应再开始第二步反应。一般是当好氧分解基本结束之后，水解、产酸和产甲烷几步反应先后陆续开始，同时接续进行。

3.4 碳氮比（C/N） 沼气产生过程是一个生物学过程，需要提供适当的营养，除了必须的碳源之外，还必须提供一定的氮源，故必须维持一定的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比高达40：1，城市污水处理场产生的污泥C/N较低约16：1。粪便中含氮量较高，所以填埋坑中混合有污泥和人蓄尿时，能提供较低的碳氮比，有利于沼气的产生。

3.5 有毒物质 重金属以及杀虫剂等有毒物质对甲烷菌是有毒的。甲烷菌对这些有毒物质极为敏感，对各种生物过程，重金属都是有毒的，不过在城市垃圾填埋坑中，一般不可能达到如此高的金属离子浓度。

3.6 水分 形成甲烷的过程有水分子参加反应，尤其是微生物的生存及代谢活动也必须在有充分的水分子存在的条件下才有可能，所以水分是产生沼气的重要条件。在一定界限内，废物层中水分含量越高，产气速率也愈大。

4 填埋场沼气的处理方法

4.1 填埋场设气井 在填埋场设置适当数量的气井，以将填埋坑中的沼气导出，进行处理，但是，在钻井时常发生空气与坑内的沼气混合而引起爆炸的危险，所以须特别注意。

4.2 填埋场沼气的排放 如果填埋量很小或者分散，对沼气进行净化在经济上不合算，则将沼气无害排放。其无害排放的方法是点燃烧去，将各气井排出的沼气引入高耸的烟筒，点燃成火炬。如果未设火炬系统，只能是自然排入于大气之中，在这种情况下，在填埋场周围至少200米之内不能有任何建筑物。当然这不属于处理技术，这仅仅是一种临时应付措施。

4.3 填埋场沼气的利用 随着对环境的日益重视，近十几年来，垃圾填埋法是处理城市垃圾的主要方式之一，具有简单易行和费用较低的特点，同时填埋产生的沼气还可回收利用，正受到世界各国的普遍关注。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋场，每年可回收沼气51.42亿立方米。

4.3.1 沼气发电技术状况 沼气是一种具有较高热值的可燃气体，与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料，传统上大多利用沼气进行取暖、炊事和照明，随着沼气产量的不断增加，如何更高效地利用沼气，成为摆在我们面前的一项课题。沼气燃烧发电是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能，是有效利用沼气的一种重要方式。目前用于沼气发电的设备主要有内燃机和汽轮机。我国开展沼气发电领域的研究始于八十年代初，1998年全国沼气发电量为1，055，160kWh。在此期间，先后有一些科研机构进行过沼气发动机的改装和提高热效率方面的研究工作。我国的沼气发动机主要为两类，即双燃料式和全烧式。目前，对“沼气—柴油”双燃料发动机的研究开发工作较多。如：中国农机研究院与四川绵阳新华内燃机厂共同研制开发的S195—1型双燃料发动机：上海新中动力机厂研制的20／27G双燃料机等。成都科技大学等单位还对双燃料机的调速、供气系统以及提高热效率等方面进行过研究。此外，还有重庆、上海、南通等一些机构进行过这方面的研究、研制工作。可以说，目前我国在沼气发电方面的研究工作主要集中在内燃机系列上。

4.3.2 沼气发电前景广阔 沼气发电工程本身是提供清洁能源，解决环境问题的工程，它的运行不仅解决沼气工程中的一些主要环境问题，而且由于其产生大量电能和热能，又为沼气的综合利用找到了广泛的应用前景：①有助于减少温室气体的排放。通过沼气发电工程可以减少CH4的排放，对缓和温室效应有利。②有利于变废为宝，提高沼气工程的综合效益。我们以沼电在酒厂中的的综合效益为例：四川荣县进行了120kW沼气发电的生产和示范。用酒糟废水经厌氧消化产生沼气，发电效率为1.69kWh／m3，当年成本为0.0465元／kWh。沼电能够基本满足该厂的生产用电：山东昌乐酒厂安装2台120kW的沼气发电机组，170m3酒糟日产沼气4800m3，发电8640kwh，全年能源节约开支29万元，工程运行一年即收回全部成本。③可减少对周围环境的污染。由于综合利用手段单一，很多沼气工程产生的沼气大量排入大气中，不仅严重污染周围的环境，也对工作人员的安全和健康产生了极大的威胁，沼气发电则为沼气找到了一条合理利用的途径。④小沼电为农村地区能源利用开辟新途径。我国农村偏远地区还有许多地方严重缺电，如牧区、海岛、偏僻山区等高压输电较为困难，而这些地区却有着丰富的生物质原料。因地制宜地发展小沼电，犹如建造微型“坑口电站”，可取长补短就地供电。

5 结论

近年来我国垃圾卫生填埋场的建设进入一个高峰期，每一填埋场都会产生一定量的沼气，沼气是以甲烷为主的高热值可燃气体，随着沼气产量的不断增加，如何更高效地利用沼气，成为摆在我们面前的一项课题。经过大量的研究、调查得出：在大、中型垃圾卫生填埋场周围建沼气发电站或沼气回收再利用工程是非常必要的，这符合可再生能源利用技术的进步，即将“废”转化为宝，又将“害”转化为利，对于改善环境，创建文明城市都具有十分重要的意义！

参考文献：

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[2]林援朝等.城市垃圾管理与处理处置技术标准规范应用（实物全书）.光明日报社出版发行.2002年8月，上册.

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