普通一级模型产甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程学院能源与环境工程学院，张家口 075000)

普通一级模型产甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程学院能源与环境工程学院，张家口 075000)

以广州某生活垃圾填埋场填埋的生活垃圾为研究对象，用普通一级模型估算填埋场从开始运行到2010年底填埋生活垃圾的产甲烷量，比较各模型逐年产甲烷量估算值的相对大小，比较2010年产甲烷量估算值和实测值的大小.结果表明：同一年逐年产甲烷量估算值最大的模型是SWANA一级模型，估算值最小的模型是LandGEM(EPA,2005)；LandGEM(EPA,2005)模型估算值与实测值最接近，是估算该填埋场产甲烷量的最佳模型.

普通一级模型；逐年产甲烷量；估算；比较

0 引 言

甲烷是填埋气的重要成分.它的温室效应是二氧化碳的21[1]倍，填埋场中如果甲烷不利用随意排放，不仅会增加对气候的影响，而且也是一笔很大的浪费.目前对填埋气的理想利用方式主要是燃烧甲烷，直接利用热能发电是其中常见的一种.产甲烷量的估算是填埋气利用中一个很重要的环节，估算量是否合适直接关系到填埋场中填埋气导排系统以及填埋气发电厂中发电系统的投资是否合适.填埋气估算模型发展到现在大约有30多个[2]，不同模型的产甲烷量估算值是不同的.用哪些模型估算我国填埋场产甲烷量，是否所有模型都适合我国填埋场产甲烷量的估算？这些问题是我们在填埋场或填埋气发电厂设计中必须解决的问题.填埋气估算模型按照各自的特点分为三类[3]，缺省模型、化学模型和动力学模型.动力学模型按照反应级数可分为零级、一级和二级模型，普通一级模型是一级模型中包含数量最多的一类模型.本文以广州某生活垃圾填埋场为例，用普通一级模型估算逐年产甲烷量.

1 普通一级模型

这类模型假设逐年产甲烷量呈指数衰减，考虑了影响填埋气产生量的一些因素，例如生活垃圾的物理性质和元素组成等，逐年产甲烷量表达式比零级模型复杂，但又比多降解类型一级模型、全过程分阶段动力学模型简单.这类模型数量较多，包括FOD模型、TNO一级模型、Marticorena模型、LandGEM模型、Scholl-Canyon模型和SWANA一级模型.LandGEM模型自提出后又先后改进两次，包括LandGEM(EPA,1995)、LandGEM(EPA,2001)和LandGEM(EPA,2005).这些模型的表达式见表1.

表1 普通一级模型表达式

表1中，Q-逐年产甲烷量，m3/a；x-起始年至计算年t的时间，a；A-修正总量归一化因子；k-甲烷产生率常数，1/a；MSWT-城市固体废弃物总量，kg/a；MSWF-在固体废弃物处理场处理的城市固体废弃物的比例；L0-甲烷产生潜力，m3/kg，C0-垃圾中有机碳的含量，kgC/kg垃圾；ζ-异化因子；R、M、Mi-垃圾填埋量，kg/a；k1-降解速率常数，缺省值为0.094，1/a；i-1年的增量；j-0.1年的增量；tij-第i年接受垃圾质量是Mi的j区的年数(小数年，如3.2年)；ri-第i年前填埋垃圾累计质量占总库容质量的比率；MP0-新鲜垃圾产CH4量，m3/kg，标态；d-垃圾持续产CH4时间，a；D(t)为第t年的垃圾产CH4速率，m3/(t年)，标态；Ti-第i年的填埋垃圾的量，kg.

普通一级模型表达式反映填埋场逐年产甲烷量，但通过累加在产甲烷时间内的逐年产甲烷量，也可估算得到总产甲烷量.由于总产甲烷量实测时间跨度大，得到实测值难度大，年产甲烷量实测容易得到，所以，用这些模型估算产甲烷量，将估算值和实测值比较，可以得到哪些普通一级模型更适合估算产甲烷量.

2 产甲烷量估算

2.1 背景资料

在填埋气的实测与估算研究中，暨南大学积累了较完整的基础数据，本文以这些数据作为产甲烷量的背景资料.广州某填埋场从2002年8月开始填埋到2010年12月的各年垃圾填埋吨数[4]分别是13×104、134×104、221×104、236×104、217×104、239×104、255×104、288×104和301×104.截止2010年底，总填埋量[4]达到1.9×107吨.该填埋场该垃圾场垃圾物理组成和元素组成如表2所示.赵超[4]等经监测计算得到2010年该填埋场甲烷的收集量为1.75×107m3.

表2 填埋场垃圾物理组成和元素组成 %

2.2 参数确定

为便于比较，对同一个填埋场，多个估算模型采用一致的估算参数.产甲烷潜能L0采用文献值0.165m3/kg[5]；从生活垃圾物理组成来看，该填埋场厨余垃圾含量达50%以上，垃圾降解性好，取生活垃圾半衰期为8年[6]，由其确定的垃圾降解速率常数为0.0866，产甲烷时间为27a；其他参数的确定可根据垃圾资料和填埋资料通过计算确定，垃圾中有机碳的含量C0为0.210kgC/kg垃圾.

2.3 结果与讨论

按照广州某填埋场2002年8月到2010年12月的填埋数据，先计算得到在产气年限内的逐年产甲烷量，将同一年的产甲烷量累加便得到了该年的产甲烷量.该填埋场2012年开始封场，计划到2018年结束，填埋垃圾时间预计为2015年.取2012年和2018年的平均时间，即2015年为封场年限.将计算得到的2002年8月到2010年12月的填埋垃圾总量逐年产甲烷量与时间的关系作图如图1所示.

图1 普通一级模型逐年产甲烷量

图1中，SWANA一级模型和LandGEM(EPA,1995)由于估算值特别大，这两个模型与其他模型比较形成了鲜明的两个部分，一部分最大逐年产甲烷量超过150×107m3/a，另一部分最大逐年产甲烷量低于30×107m3/a.这是由模型表达式本身特点造成的.从表1看，SWANA一级模型和LandGEM(EPA,1995)模型表达式形式简单，未考虑产甲烷潜能在产甲烷时间内或一定年限内的分配，而实际这是不可能的，其估算值必然偏大.从图1来看，两部分相比，差距确实很大.

除LandGEM(EPA,1995)外，其他模型逐年产甲烷量均在填埋后第8年(即2010年)达到最大值，且这些模型填埋当年即开始产气.LandGEM(EPA,1995)模型从估算数据和图1来看，该模型填埋当年不产甲烷，填埋后第14年达到最大产甲烷量.这是由于LandGEM(EPA,1995)模型表达式考虑了封场年限，填埋场在运行期和封场以后采用的系数不一样，表达式在不同时间段不一样所致.

图1中各模型逐年产甲烷量估算值从第8年的最大值开始逐渐减小直至0结束，但相应每个模型各年的逐年产甲烷量估算值不在一条曲线上，而是经历了两条曲线的变化，即第8年与第28年之间的缓慢减小曲线变化和第28年到第36年之间的急速减小曲线变化，后者各点斜率大于前者.逐年产甲烷量估算值的这个变化特点与甲烷的产生量有关，该填埋场一定量的垃圾甲烷的产生时间是27年，而不是无限期地产生，由此得到的逐年产甲烷量估算值从最大值的减小不是一条平滑的曲线，是包含一个交点的两条曲线.

图2 2010年实测值与估算值比较

从图1和估算数据还可看出，SWANA一级模型、LandGEM(EPA,2001)、FOD模型、TNO一级模型、Scholl-Canyon模型和LandGEM(EPA,2005)的逐年产甲烷量估算值变化一致，且按照前述顺序，同一年的逐年产甲烷量估算值逐渐减小；LandGEM(EPA,2001)和FOD模型的估算值以及Scholl-Canyon模型和LandGEM(EPA,2005)分别各自相近.这表明，虽然估算模型各有不同，但估算值可以相差很小.

图2比较了2010年填埋场产甲烷量的实测值和各普通一级模型估算值的大小.与实测值相差由小到大的模型的顺序为，LandGEM(EPA,2005)、Scholl-Canyon模型、Marticorena模型、TNO一级模型、FOD模型、LandGEM(EPA,2001)、LandGEM(EPA,1995)、SWANA一级模型.同时，LandGEM(EPA,2005)和Scholl-Canyon模型估算值相差不大，FOD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顺序及两对相近的估算结果进一步验证了前述观点.

LandGEM(EPA,2005)和Scholl-Canyon模型估算值和实测值的比值小于1.6，其他模型估算值和实测值的比值大于6，在所有普通一级模型估算值中，由于LandGEM(EPA,2005)的估算值最小，且和实测值的差距最小，该模型是估算广州某填埋场产甲烷量的最佳模型.

3 结 论

普通一级模型逐年产甲烷量估算值随时间先增加到最大值，随后缓慢减小一定时间，后又快速减小至0；同一年逐年产甲烷量估算值由大到小的模型的顺序是SWANA一级模型、LandGEM(EPA,2001)、FOD模型、TNO一级模型、Scholl-Canyon模型和LandGEM(EPA,2005)；LandGEM(EPA,2005)模型估算值最接近实测值，该模型估算广州某填埋场产甲烷量结果最佳；非普通一级模型估算产甲烷量的研究也正在进行中.

[1]杨海静.北京南站垃圾填埋场填埋气迁移模型研究[D].成都:西南交通大学,2008

[2]王登玉.垃圾填埋场填埋气的产气量估算[J].可再生能源,2013(31)4:112～119

[3]王登玉,贾跃然,王淑娜.零级动力学模型产甲烷量估算值与实测值的比较研究[J].河北建筑工程学院学报,2015,33(2):91～94

[4]赵超,赵玲,陈晓梅等.城市生活垃圾填埋场甲烷收集效率研究[J].环境科学学报,2012,32(4):955～959

[5]陈晓梅.城市生活垃圾填埋场甲烷利用研究[D].广州:暨南大学.2011

[6]谭旭娜,卢欢亮,罗钰翔.3种垃圾填埋气预测模型的比较研究[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

河北省建设科技研究指导性计划项目(2013-215)

王登玉(1972-)，男，硕士，讲师，主要从事固体废物处理与处置的教学与研究工作.

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