成都市长安垃圾填埋场填埋气体产气规律及其应用研究

吴重实，郑德会

（成都市城市环境管理科学研究院，四川 成都 610031）

成都市长安垃圾填埋场填埋气体产气规律及其应用研究

吴重实，郑德会

（成都市城市环境管理科学研究院，四川 成都 610031）

通过成都长安垃圾填埋场现场打井抽气试验，对城市生活垃圾填埋气体的产气过程及规律进行研究，结果表明：该填埋场填埋气体主要成分为CH459．5%、CO237．5%，呈现出了较高的甲烷浓度。垃圾分解状态良好，保持了较为稳定的状态。采用IPCC指南推荐公式算出长安垃圾填埋场2010—2033年每年填埋气体产生速率为1 400～4 500 m3/h，在2010年后的10 a中，该产气量能保证3 MW的发电量，具有较好的经济效益。

垃圾填埋场；填埋气体成分；填埋气体产气量

在垃圾填埋过程中，由于微生物的厌氧作用，垃圾中的可降解生物质在稳定化降解过程中产生大量填埋气体（LFG）。由于填埋气体含有硫化氢、硫醇、硫醚、氨气、卤代烃等多种恶臭性、刺激性和有害性气体，对人体健康和环境带来不良影响，但同时含大量甲烷，具有很高的热能价值，又是一种很好的再生资源，处理得当，会变废为宝，产生可观的经济效益和环境效益。因此，对城市生活垃圾填埋气体的产气过程及规律进行研究，旨在为提高填埋气体的安全控制与综合应用提供基本技术参数。

1 成都市长安垃圾填埋场基本概况

成都市长安垃圾填埋场始建于1993年，分为一期工程和二期工程。一期工程占地55．73 hm2，库容1 135万m3，同年投入使用，于2009年封场，并于同年启用二期工程。根据垃圾填埋场管理办公室的进场统计结果显示，截至2008年，进场填埋垃圾量共计约为1 530万t。

根据政府间气候变化专业委员会（IPCC） 分类标准，对2008年长安垃圾填埋场中的进场垃圾进行了物理成分分析，其结果如表1所示。

结果显示，成都市长安垃圾填埋场进场垃圾可降解物质组成比例为74．24%，含量相对较高。

表1 成都市长安垃圾填埋场进场垃圾物理成分 %

2 试验场地及方法

本次试验主要针对一期工程垃圾填埋气体成分及产气规律进行分析与研究。

2.1 试验场地

在现场安装了3口垂直检验井。检验井的安装位置为：垃圾填埋场上侧覆土面2个，中间填埋段1个。

检验井的设置综合考虑了垃圾填埋涵盖的时期、填埋深度、垃圾场的地形等因素。

2.2 试验方法

检验井采用钻头直径200 mm的钻井机，钻孔深度为15 m，钻孔完毕后在其中安放了直径100 mm的碳钢孔管，周围填充卵石。在上方500 mm深度位置加盖了膨润土进行密封处理。在检验井的上方分别安装了变径接头、弯头和球阀，为采样提供了较佳的便利性，而且有效防止了非采样期间填埋气体外泄等问题，如图1所示。

3 填埋气体检测与分析

本次试验主要检测分析了填埋气体中CH4、CO2和O2的体积浓度。检验井安装完毕后，分别在1月和3月采用GA2000型沼气监测仪对填埋气体基本成分进行了分析，其结果如表2、3所示。

图1 检验井垂直剖面示意

表2 第1次填埋气体基本成分分析结果%

表3 第2次填埋气体基本成分分析结果%

检测结果表明，CH4和CO2总体平均浓度分别为59．5%和37．5%，说明垃圾分解状态良好，且分解有机性物质含量较高，保持较为稳定状态。

另外在2次测试中，3口井的甲烷平均浓度为58．0%～65．8%，有差异但差值不大，由此可以判断整个填埋区垃圾腐熟度相似，均处于比较良好的分解状态。

4 填埋气体产生量预测

4.1 填埋气体产气预测模型

目前，国内外研究者对填埋气体产生量研发有多种模型［1-5］，笔者选用《IPCC-国家温室气体清单优良作法指南和不确定性管理》 （以下简称《IPCC指南》） 指导公式进行计算。

CH4在某年（t）的产生量（Gg/a）=Σx［（A×k×MSWT（x）×MSWF（x）×L0（x））×e-k（t-x）］。

其中x为起始年至计算当年（t）。

式中：t为清单计算当年；x为应加上投入数据的年份；A=（1-e-k）/k为修正总量的归一化因子；k为甲烷产生率常数（a-1）；MSWT（x）为某年 （x） 的固体废物 （MSW） 总量 （Gg/a）；MSWF（x） 为某年（x）在固体废物处理场处理的废物的比例；L0为垃圾潜在甲烷产生量（Gg/Gg）。

潜在甲烷产生量是根据填埋的垃圾种类及成分来决定的。根据《IPCC指南》，在进场垃圾的物理成分中，将可降解物质中含有的碳含量及可分解的有机碳含量（DOC）作为标准来计算潜在甲烷产生量（L0）。

式中：DOC为可分解有机碳含量；DOCf为DOC实际分解比例；MCF为甲烷修正因子；F为填埋气体中甲烷浓度；16/12为甲烷/碳分子质量比。

4.2 长安垃圾场填埋气体预测参数确定

4.2.1 潜在的填埋气体产生量（L0）

根据2008年对成都市长安垃圾填埋场的垃圾进行物理成分的分析结果来看，对可分解的有机碳含量（DOC）进行测算，选用《IPCC指南》所提供的公式，利用缺省的碳含量对潜在填埋气体产生量进行了计算。

式中：A为固体废物中纸张和织物所占的比例；B为固体废物中花园废物、公园废物或其他非食物有机物易腐烂物质所占的比例；C为固体废物中食物废物所占的比例；D为固体废物中木材或秸秆所占的比例。

计算得出，成都市长安垃圾场垃圾的DOC为15．77%，根据《IPCC指南》所提供的L0公式，得出L0=0．046（t/）t。

4.2.2 填埋气体产生速度常数（k）及其他变数

k通过垃圾中含有的水分、垃圾分解后生成CH4和CO2的微生物所产生的营养物质利用度、垃圾的pH、垃圾层的温度等诸多因素来予以确定。

垃圾填埋场的气候条件若不是高温多湿的热带气候，通常采用默认值0．05；年度降雨量不足635 mm的区域，则适用干旱地区的标准。成都市的年均降雨量为800 mm左右，年平均气温为16℃左右。成都地区不属于热带气候区域或干燥地区，因此采用常规数值0．05 a-1。

作为其他适用的变数，通过现场调查，从检验井中测量的CH4浓度为57%～63%。而这一浓度为自然产气状态下的测量值，而如果加强采气量时，通常填埋气体浓度会降低。因此，作为泛用标准，在本案例中以50%作为CH4浓度标准。长安垃圾填埋场从1993年开始启用，早期管理尚未达到国际普遍水平，但普遍填埋深度均大于5 m，按照《IPCC指南》选择MCF值为0．8，DOCf为0．5～0．6 范围内，取值为 0．55。

4.3 长安垃圾填埋场填埋气体产生量预测结果

按照成都市固废处理计划，2011年将无原生垃圾进场，因此填埋垃圾量以1993—2010年填埋量来计算。

通过上述预测模型及确定的参数以及长安垃圾场历年的垃圾填埋量，最终计算出长安垃圾场从2010—2033年填埋气体产生速率为1 400～4 500 m3/h，如图2所示。

图2 1993—2033年甲烷产气量

从图2可以看出，2010年产气量达到1个峰值，之后逐年下降，但到2020年产气量仍达到2 750 m3/h，具有较好的应用前景。目前常用的填埋气体利用方式一般有用于锅炉燃料、民用或作工业燃气、汽车燃气或者用于发电，而用于发电的工程实例最多。从成都长安垃圾填埋场甲烷产气量来看，在2010年后的10 a中，该流量能保证3 MW的发电量，具有较好的经济效益。

5 结论与建议

1）成都长安垃圾填埋场垃圾填埋气体主要成分为CH459．5%，CO237．5%，呈现出了较高的甲烷浓度。垃圾分解状态良好，且分解的有机性物质含量较高，保持了较为稳定的状态。

2） 采用《IPCC指南》指导公式预测出长安垃圾填埋场2010—2033年每年填埋气体产生速率为1 400～4 500 m3/h，在2010年后的10 a中，该产气量能保证3 MW发电量，具有较好的经济效益，同时又带来很大的环境效益和社会效益，应尽快加以实施。

［1］ Biswas J，Chowdhury R，Bhattcharya P．Mathematical Modeling for the Prediction of Biogas Generation Characteristics an Anaerobic Digester Based on Food/vegetable Residues［J］．Biomass Bioenergy，2007，31（1）：80-86．

［2］ Associates E．A Feasibility Study of Recovery of Methane from ParcelⅠ：One of the Scholl Canyon Sanitary Landfills for the City of Glendale，California［R］．Michigan：Ann Arbor Science PublishersInc，1978．

［3］ Ritzkowski M，Stegmann R．Controlling Greenhouse Gas Emissions through Landfill in Situ Aeration［J］．Int J Greenh Gas Con，2007，1 （3）：281-288．

［4］侯贵光．垃圾填埋气体产气模型研究［D］．北京：北京师范大学，2003．

［5］杨军，黄涛，张西华．有机垃圾填埋过程产甲烷量化模型研究［J］．环境科学研究，2007，20（5）：81-85．

Generation Regularities and Application of LFG from Chengdu Chang’an Waste Landfill Site

Wu Zhongshi,Zheng Dehui
（Chengdu Urban Environment Management Science Institute,Chengdu Sichuan 610031）

Through landfill gas(LFG)onsite extraction trial in Chengdu Chang’an Waste Landfill Site,the LFG generation process and regularities of municipal domestic waste were studied．The results showed that the main LFG components were CH4(59．5%)and CO2(37．5%)．It showed a high level content of CH4,and good and stable state of waste degradation．According to the IPCC guide,the LFG output was 1 400～4 500 m3/h during 2010 to 2033,and it also can provide enough gas to generate electricity of 3 MW at least in the following 10 years after 2010 with better economic benefits．

waste landfill site；landfill gas component；output of landfill gas

X701

A

1005-8206（2012）05-0046-03

2012-07-09

吴重实（1981─），工程师，主要从事固体废物处理方面的研究与工程设计。

E-mail：2873449@qq．com。

（责任编辑：郑雯）