崇明生活垃圾填埋场填埋气产量估算及利用途径分析*

余召辉（1.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海　200232；2.上海市环境工程设计科学研究院有限公司，上海　200232）



·固废处理·

崇明生活垃圾填埋场填埋气产量估算及利用途径分析*

余召辉1，2
（1.上海环境卫生工程设计院有限公司，上海200232；2.上海市环境工程设计科学研究院有限公司，上海200232）

【摘要】以崇明生活垃圾填埋场进场垃圾组分和垃圾量为基础数据，利用填埋气产量数学模型估算其填埋气产气量，分析该填埋场填埋气不同利用途径的可行性，并提出建议：选用500 kW容量的发电机组发电和建设500 m3/h的填埋气提纯甲烷项目，可行性均较小；火炬燃烧设备应作为填埋场的常规运行设施继续使用。

【关键词】生活垃圾；填埋气；发电

崇明生活垃圾填埋场位于上海市崇明县堡镇港北闸东侧，占地面积约20.33 hm2，所处地块是由长江入海口的海边滩涂长期淤积而成。自2006年正式投入运营以来，日处理垃圾量为300～400 t。填埋场分为两期建设，一期库区地下深8 m，地面上高12 m，共处理垃圾约8.4×105t，于2012年实施中期封场，正在进行填埋作业的是二期库区。填埋场自运行初期即采用火炬燃烧的方式处理填埋气体。笔者利用填埋气产生量估算模型对崇明生活垃圾填埋场的产气量进行估算，对不同利用途径进行分析。

1　生活垃圾组分及产生量

1.1生活垃圾组分

崇明生活垃圾填埋场的进场垃圾组分［1］见表1。

表1　崇明生活垃圾填埋场的垃圾组分（湿基）

表1中各种垃圾组分的可降解有机碳的含量是根据高庆先等的研究结果［2］，基于中国典型的生活垃圾成分确定的，用于分析生活垃圾的产气能力。由表1数据计算可知，崇明生活垃圾填埋场的进场垃圾中可降解有机碳含量占9.5%（湿基）。

1.2进场垃圾量预测

崇明生活垃圾填埋场仅处理崇明岛内的生活垃圾，以2006年为基准，生活垃圾人均日收集量为0.5 kg，服务的人口数量为57.5万人，每日进场的生活垃圾为287 t。上海“十二五”规划要求2015年上海人均每日生活垃圾产生量比2010年减少5%，因此崇明岛在积极推动生活垃圾分类减量工作；另一方面，越来越多的崇明人选择到上海市区工作和定居，岛内常住人口数量增长缓慢。综合多种原因，选取人均日生活垃圾收集量增速为每年3%。另外，崇明县计划在填埋场旁边建设生活垃圾焚烧厂，预计2016年可建成运行，届时生活垃圾填埋场将不再填埋垃圾，因此，垃圾填埋量的计算截止日期为2015年。填埋气产生量估算截止日期为2035年。

2006—2015年崇明生活垃圾填埋场进场垃圾量的预测值见表2，将2015年的预测值与该年实际进场数据比较，二者基本吻合，因此表2数据可作为填埋气产生量估算基础。

表2　崇明生活垃圾填埋场进场垃圾量预测

2　填埋气产生量估算

2.1填埋气产生量估算模型

CJJ 133—2009生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范对我国生活垃圾填埋场填埋气收集、产气量预测和利用等内容做了规定。对某一时刻进入填埋场的垃圾，填埋气产生量的计算公式（1）如下：

式中：G为从垃圾填埋开始到第t年的填埋气体产生总量，m3；M为所填埋垃圾的质量，t；L0为单位质量垃圾的填埋气体最大产气量，m3/t；k为垃圾的产气速率常数，a-1；t为从垃圾进入填埋场时算起的时间，a。

填埋场单位质量垃圾的填埋气体最大产气量（L0）宜根据填埋垃圾中可降解有机碳的含量按照公式（2）计算：

式中：C0为垃圾中有机碳的含量，%；φ为有机碳的降解率，%；1.867为标准状况下，单位质量的碳转化成甲烷的体积，m3/kg；2表示甲烷在填埋气中的体积分数为50%，即填埋气产气量为甲烷气量的2倍。

2.2崇明填埋场填埋气产生量预测

采用CJJ 133—2009提供的填埋气产生量计算模型进行估算，在参数选取时，结合各种估算模型的取值方法和本领域研究人员提供的实验数据，力求尽可能准确地反应实际情况。

2.2.1关键参数的确定

1） 崇明生活垃圾中有机碳的含量及可降解有机碳的含量。

《2006年IPCC国家温室气体清单指南》 （简称《IPCC指南》）在计算城市固体废物中可降解有机碳的比例时，将固体废物分为4类，分别给出每一类废物的可降解有机碳的比例，然后叠加而成，计算公式（3）如下：

DOC=0.4A+0.17B+0.15C+0.3D（3）

式中：A为城市固体废物中纸张和纺织品的比例；B为城市固体废物中公园废弃物或其它非食品有机物易腐烂物质所占的比例；C为城市固体废物中食品废弃物所占的比例；D为城市固体废物中木材或秸秆所占的比例。

我国生活垃圾分类方法与《IPCC指南》中的垃圾组分不能完全对应，在表1中，上述公式中的参数A应为纸张和织物比例之和，即A=18.72%，参数B没有对应分类组分，参数C采用厨余的数据，即C=50.44%，参数D采用竹木的数据，即D=1.98%。代入上述公式后，计算得到DOC=15.65，即生活垃圾中可降解有机碳的比例为15.65%。

《IPCC指南》给出的估算公式是按照欧洲国家的生活垃圾进行分类和计算的，必然会与我国的实际生活垃圾状况不同。高庆先等分析了武汉和沈阳2座典型城市的固体废物中碳含量以及可降解有机碳的含量，将我国城市固体废物中含可降解有机碳的成分分为5类，并给出了每一类废物中可降解有机碳比例的推荐值，计算得出崇明生活垃圾填埋场中生活垃圾可降解有机碳的比例为C0=9.5%。

可降解有机碳只有一部分转化为甲烷中的碳，这一比例被定义为经过异化的可降解有机碳的比例，在有些估算模型中，称作有机碳的降解率，或是有机碳转化为甲烷的转化系数。《IPCC指南》提供的缺省值为0.77，同时指出该值可能过高估计，利用0.5～0.6作为缺省值也是一种优良做法。生活垃圾中的可降解有机碳转化为甲烷的比例取值为φ=77%。

2） 甲烷产生率常数。

一阶衰减公式中常用到甲烷产生率常数k，也叫垃圾降解速率常数，其计算公式（4）为：

式中：k为甲烷产生率常数，a-1；t1/2为垃圾中可降解有机碳降解到其初始填埋量的一半时的时间，a。

在估算垃圾填埋场的填埋气产生量和产生率时，k值与该填埋场所填生活垃圾的组分、填埋场的管理状态、气候等因素有关，需要根据实际情况确定，或者参考类似填埋场的运行数据。英国、美国和荷兰的生活垃圾填埋场测得的实际数据显示k值为0.03～0.2。当填埋场处于气候湿润地区，且生活垃圾中易降解有机物，如厨余垃圾、食品等，含量较高时，可以取最大的垃圾降解速率值k=0.2，对应的生活垃圾半生命周期为t1/2=3.5 a。当填埋场处于干旱或半干旱地区，生活垃圾中易降解有机物含量较少或含水率低时，可以取较小的垃圾降解速率值k=0.03～0.1，对应的最长生活垃圾半生命周期为t1/2=23 a。

根据赵由才等的研究结果，上海的垃圾填埋场在封场8 a后，就可以转化为矿化垃圾，即生活垃圾中的可降解成分已经降解完成，基本上达到了稳定化状态［3］。因此，上海的生活垃圾进行卫生填埋处理时，t1/2=4 a，计算得甲烷产生速率常数k≈0.2，这与胡明甫等的研究结果相符合［4-5］。

3） 单位质量生活垃圾理论最大产气量。

根据上面的分析，将参数C0=9.5%、φ=77%代入到公式（2）中，计算得：

文献［5］中推荐的L0的取值范围为0～0.312m3/kg，其中在潮湿气候条件下建议取0.14～0.18 m3/kg，该文献参考的是美国填埋场的资料。本研究依据上海生活垃圾填埋场资料，计算出的L0=0.274 m3/kg是可信的。

4） 其他参数的确定。

填埋气中甲烷的体积分数按50%计算。认为堆场属于严格厌氧型堆体，甲烷氧化量忽略不计。

2.2.2填埋气产生量计算

对于2006年填埋的垃圾，计算其填埋至第t年的产气量，减去第（t-1）年的产气量，得到在第t年的填埋气产生量，2006年填埋的垃圾逐年填埋气产生量如图1所示，由于CJJ 133—2009提供的计算公式是指数递减型，所以图1中曲线显示垃圾填埋当年产气量最大，以后逐年递减。

图1　2006年填埋的垃圾逐年产气量

将各年份填埋的垃圾在同一年份产生的填埋气量叠加，得到填埋场在该年份的总填埋气量，估算结果见表3。随着每年新鲜生活垃圾进入堆场，总填埋气产生量持续增加，产气高峰出现在停止填埋的年份。

（续上表）

3　崇明填埋场填埋气利用途径分析

3.1填埋气发电能力评估

利用模型计算出的填埋气产生量是理论产气量。由于填埋场覆盖材料、堆体内填埋气和渗沥液的流动情况、降水、温度等因素，实际收集到的填埋气量一般比理论产气量小，实际收集率一般为40%～60%，本研究的填埋气收集率取60%。填埋气的热值约为18 MJ/m3（以甲烷的体积分数为50%计），则1 m3填埋气的热能相当于1.5 kW·h电能。填埋气发电机组的热转换效率取值为31%，崇明生活垃圾填埋场填埋气发电能力和500 kW机组装机规模预测数值见表4。

表4　崇明生活垃圾填埋场填埋气发电能力预测

从表4可以看出，生活垃圾填埋场在运行第3年时，就可以开展填埋气收集和发电工程；在2010—2015年垃圾填埋气产生量呈增加趋势，可以选用2台500kW容量的发电机组；2015年停止填埋垃圾后，填埋气产气高峰即出现，随后逐渐降低，还有5a可以收集填埋气用于发电，其中2016年选用2台500 kW发电机组，2017—2020年选用1台500 kW的发电机组；2020年之后，由于整体气量较少，发电机组的负荷较低，不适宜运行填埋气发电项目，需要采用其他方式收集和处理填埋气体。

以上分析仅是基于填埋气产生量进行的发电能力预测，认为崇明生活垃圾填埋场在2008—2020年具有填埋气发电潜力，但是建设填埋气发电项目，还需要考虑在有效气体收集期内能否收回项目投资，一方面，发出电力是否能够上网或供给周边大型用电设备，另一方面评估是否适宜开展清洁发展机制项目，并提前准备项目开发资料，在项目设计过程中考虑气量、电量监测等需求。由于在建厂初期，崇明填埋场采用火炬燃烧的方式处理填埋气，而崇明生活垃圾焚烧厂即将建成，因此再建填埋气发电项目的可行性较差。

3.2崇明填埋场填埋气其他利用途径分析

填埋气中含有40%～60%的甲烷，经过脱硫、脱水、脱碳等一系列提纯操作，可作为车用燃料，目前已经有相关的成套撬装式设备可供选用。建设填埋气提纯甲烷项目，需要首先考虑气量的可持续性，针对崇明填埋场的情况，可以在2008—2020年建设500 m3/h的填埋气提纯甲烷项目。另外还需要考虑净化气体的利用方式，比如用于场内填埋车辆或运输车辆的燃料，或者是向周边居民提供罐装天然气。由于2016年崇明即将建成生活垃圾焚烧厂，届时将停止填埋垃圾，因此建设填埋气净化提纯项目的可行性也较小。

填埋场在填埋初期和封场后末期，填埋气量较少，没有工程应用价值，但是由于填埋气具有较高的热值，同时也属于温室气体，需要进行减排和处理。常用的措施是火炬燃烧，或燃烧后提供热水。在填埋气发电项目未建成或发电设备故障期间，填埋气应通过火炬燃烧处理。因此，崇明生活垃圾填埋场的火炬设施应当持续使用，直到实际收集的填埋气量达不到火炬燃烧负荷。

4　结论和建议

崇明生活垃圾填埋场在2015年底停止填埋垃圾时达到产气高峰，按收集率60%计算，停止填埋后填埋气还可以收集5 a用于发电。崇明填埋场也可以在2008—2020年建设500 m3/h的填埋气提纯甲烷项目。但是由于项目准备和实施时间不够充足，发电和提纯项目的可行性均较小。火炬燃烧设备作为填埋场的常规运行设施，在填埋场运行初期和封场后末期，以及发电设备故障期间，处理填埋气。针对崇明生活垃圾填埋场实际情况，应当继续维持火炬燃烧系统正常运行，直到收集系统填埋气量达不到火炬燃烧负荷。

参考文献：

［1］ 王明超.基于恶臭控制的填埋作业技术与设备研究［D］.上海:同济大学，2012.

［2］ 高庆先，杜吴鹏，卢士庆，等.中国典型城市固体废物可降解有机碳含量的测定与研究［J］.环境科学研究，2007，20（3）:10-15.

［3］ 赵由才，柴晓利，牛冬杰.矿化垃圾基本特性研究［J］.同济大学学报：自然科学版，2006，34（10）:1360-1364.

［4］ 胡明甫.城市垃圾填埋场填埋气产量及产气速率的研究［J］.钢铁技术，2002（3）:50-54.

［5］ 国家环境保护总局污染控制司.城市固体废物管理与处理处置技术［M］.北京:中国石化出版社，2000.

中图分类号：X705；X701

文献标识码：A

文章编号：1005-8206（2016）02-0020-05

作者简介：余召辉（1989—），研究方向为生活垃圾处理及资源化。

*基金项目：科技部科技支撑计划项目（2012BAC15B05，2014BAL02B03）；上海市科委创新基金项目（11231200200）；上海市科委科技攻关计划项目（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