普通全过程分阶段动力学模型产甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程学院能源与环境工程学院，张家口 075000)

普通全过程分阶段动力学模型产甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程学院能源与环境工程学院，张家口 075000)

普通全过程分阶段动力学模型包括AWAST level 1模型、德国模型、卢廷浩等研究中提到的的两阶段动力学模型.用普通全过程分阶段动力学模型估算了广州某生活垃圾填埋场的产甲烷量.结果表明，卢廷浩研究中提到模型的估算值远远大于AWAST level 1模型和德国模型估算值；德国模型估算值与实测值最接近，但用于较精确估算还需对模型本身做更好的改进.修正后的德国模型可用性大大增强.

全过程分阶段；动力学模型；产甲烷量；估算

0 引 言

全过程分阶段动力学模型[1]是指将填埋场中产甲烷的整个过程分为若干不同阶段，每个阶段逐年产甲烷量用不同表达式表示的模型.这类模型按照生活垃圾是否分类，分为普通模型和多降解类型模型.普通模型不考虑垃圾分类，多降解类型模型将垃圾分为快速降解、中等降解和慢速降解组分等不同的类型.普通模型包括AWAST level 1模型、德国模型、卢廷浩等研究中提到的的两阶段动力学模型.多降解类型模型包括Palos Verdes模型、Emcon MGM模型、GAS FILL模型和LFGGEN模型.本文以广州某生活垃圾填埋场填埋的生活垃圾为研究对象，用全过程分阶段动力学模型中普通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.

1 模型介绍

AWAST level 1模型[2]是AWAST项目(欧洲城市固体废物处理全球性、可持续方法比较和管理方面的援助项目)推出的填埋气估算模型.AWAST项目共推出两款填埋气估算模型，分别是level 0和level 1.level 0应用于废物管理系统的全球性估算，本款为level 1模型，适合具体的模拟估算.该模型的逐年产甲烷量衰减形式除了和垃圾自身的性质有关外，还与填埋场运行年限和最大产甲烷量年限有关，产甲烷期由两个阶段组成，分别是指数上升阶段和指数下降阶段；德国模型[3]产甲烷量估算考虑了填埋垃圾温度、年填埋量、有机垃圾的物理组成等，未将有机垃圾分类，以填埋场封场年限为界，将整个产甲烷期分为两阶段，不同阶段的逐年产甲烷量呈不同的指数衰减形式；卢廷浩与钱学德研究采用的两阶段动力学模型[4]也以封场年限为界，但每个阶段逐年产甲烷量的估算形式比德国模型更为简单；AWAST level 1模型、德国模型和卢廷浩与钱学德等提到的两阶段动力学模型的共同点是在产甲烷量的影响因素中，都未考虑将有机垃圾分类，因而估算过程简单.各模型的表达式如表1所示.

表1 模型表达式

表1中，Q-逐年产甲烷量，m3kg-1a-1；t-垃圾填埋时间，a；te-填埋场封场年限，a；gmax，Gt,L0-最大产气速率，m3kg-1a-1；k1-无因次系数；k*，k-可生物降解系数a-1；tmax-最大产气速率对应时间，a；τ-产气时间，a.所有下文重复出现的符号含义相同.

2 产甲烷量估算

2.1 背景资料

在国内诸多填埋气产气量的研究中，暨南大学较完整地研究了广州某生活垃圾填埋场，积累了丰富的基础资料，本文以其中的一些作为产甲烷量估算的背景资料.广州某生活垃圾填埋场是山谷型填埋场[5]，设计日处理垃圾2000吨，使用年限22年.实际日填埋量远远超过设计值，该填埋场从2002年8月开始运营，到2010年12月止，共填埋生活垃圾1.9×107吨.期间各年填埋量分别是13×104吨、134×104吨、221×104吨、236×104吨、217×104吨、239×104吨、255×104吨、288×104吨和301×104吨.2010年赵超等[6]通过实测计算，得到该填埋场该年甲烷的实际收集量为1.75×107m3.生活垃圾的性质如表2所示.

表2 填埋场垃圾的性质

2.2 参数确定

gmax,Gt,L0虽均为最大产甲烷速率，但由于计算基准不同，其表达式及相应的值有所区别.AWAST模型中，gmax=k*bL0，k1=ln(gmax/0.01)/tmax，k*=ln2/t1/2.其中b为可生物降解有机垃圾的比率，%；t1/2为半衰期，即可降解有机物含量降低到初始含量一半时经历的时间，a.德国模型中，Gt=0.00274×(θ+18)×d×Vc，θ为填埋垃圾的平均温度，℃；d为扩散损失率，%；Vc为有机碳含量，%；τ=3.32τ1/2.L0=MCF·DOC·DOCF·F·16/12，MCF为甲烷修正因子，DOC为可降解有机碳含量(kgC/kg垃圾)，DOCF为经过异化的可降解有机碳的比例，F为甲烷在垃圾填埋气体中的比例.

所需参数值的确定有两种方式：根据已有参考文献确定和根据计算确定.最大产甲烷量对应的时间取4.5a；综合考虑可降解有机垃圾中易降解、中等降解和难降解组分的比例，确定半衰期采用10年，即t1/2=10a；L0值采用文献值0.165m3/kg垃圾；d采用文献值0.5；垃圾堆体温度取为38 ℃；根据填埋垃圾的物理性质，可计算得到垃圾含水率为55.81%，可生物降解有机垃圾包括厨余、草木、纸类、塑料和织物，占93.7%，该生活垃圾有机碳含量为20.97%；根据半衰期，可计算得到产甲烷时间为33.2a，可生物降解系数为0.0693；Gt、gmax和k1由计算得到分别为0.0225m3kg-1a-1、0.0107m3kg-1a-1和1.5501a-1.

2.3 结果与讨论

用AWASTlevel1模型、德国模型、卢廷浩等研究中提到的两阶段动力学模型分别估算广州某生活垃圾填埋场的产甲烷量，得到各模型产甲烷量的逐年变化曲线如图1所示.

图1 不同估算模型逐年产甲烷量

根据图1和相应的数据，三个模型估算逐年产甲烷量在垃圾填埋当年均不产气，随时间均经历一个产甲烷量的增加阶段和两个减小阶段.但卢廷浩研究中提到模型的逐年产甲烷量估算值最大，远远大于其他两个模型的估算值.这是由于AWASTlevel1模型、德国模型对产甲烷潜能进行了更为详细的分析和分配，使得结果更小一些，而卢廷浩研究中提到的模型未对产甲烷潜能随时间分配，估算结果很大.

逐年产甲烷量最大估算值出现的时间AWASTlevel1模型为第13年，德国模型和卢廷浩研究中提到的模型为第16年.用零级动力学模型估算产甲烷量，最大估算值出现的时间均为第8年[7]，由于垃圾填埋资料未收集第8年后的资料，所以可以认为该填埋场运行期为9年，最大估算值出现在运行末期.因此普通全过程分阶段动力学模型最大估算值出现的时间与用零级动力学模型估算的结果相比延后了5～8年.这主要是由于前者把产气阶段分成了两个阶段，每个阶段都有各自的表达式；把运行期等作为甲烷产量一个重要的影响要素.

2010年产甲烷量按卢廷浩研究中提到的模型、AWASTlevel1模型和德国模型的顺序分别为95.563×109m3>0.7788×109m3>0.6227×109m3,与该年的实测值[6]1.75×107m3相比，德国模型估算值与实测值最接近，卢廷浩研究中提到模型的估算值则差距太大.虽然德国模型估算值最接近，但其估算值与实测值的比值为36.为更好地估算产甲烷量，还需对德国模型做更好的改进.

鉴于只有一年的实测数据，结合前述分析，对德国模型做简单修正，修正公式如式(4)所示：

(4)

由于AWASTlevel1模型、德国模型和卢廷浩与钱学德等提到的两阶段动力学模型对产甲烷潜能分配不够或未分配，使得估算结果都很大.而估算值与实测值的比值36恰恰和产甲烷时间33.2接近.因此将估算式(2)修正为式(4)，也即将产甲烷潜能在产甲烷时间内平均分配一下.将式(4)用于估算2010年的产甲烷量为1.88×107m3,与该年的实测值1.75×107m3相比已非常接近，非常适合用于填埋场产甲烷量的估算.

3 结 论

普通全过程分阶段动力学模型估算产甲烷量，卢廷浩研究中提到模型的估算值与AWASTlevel1模型和德国模型估算值相比，前者远远大于后者；与零级动力学模型估算值相比，最大估算值出现期延后，原因主要与表达式考虑运行期有关；德国模型估算值与实测值最接近，但用于较精确估算还需对模型本身做更好的改进.修正后的德国模型可用性大大增强.

[1]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

[2]PascaleMichel,SolèneTouzé,YannickMénard(BRGM)(2004).Landfillmodels.Deliverable25to28[M].AWAST:EUProjectNr.EVK4-CT-2000-00015

[3]RWOlF,EAPELT.üL.DeponiegasgewinnunginderDDRambeispielderdeponienscheicheundschwerborn[M].Berlin,Germany:AxelSpringerAG,1990.432

[4]卢廷浩,钱学德,郭志平.固体废弃物填埋场产气率的估算.安全与环境学报[J].2002,2(6):26～28

[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]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

[7]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

Estimation of Methane Production with General Whole Process and Staged Dynamic Models

WANGDeng-yu

(College of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

The general whole process and staged dynamic models include AWAST level 1model,DDR model and the two-stage dynamic model mentioned by Lu-Tinghao.Methane production of one landfill in Guangzhou is estimated with general whole process and staged dynamic models.The results show that the values estimated with the two-stage dynamic model mentioned by Lu-Tinghao are more than those estimated with DDR model and AWAST level 1model;the values estimated with DDR model are most close to the measured values,and this model needs to be improved for more accurate estimation.The availability of revised DDR model is greatly enhanced.

whole process and staged;dynamic models;methane production;estimation

2016-04-25

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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