摘要：對于國內(nèi)外在傳統(tǒng)的厭氧填埋和新型的準(zhǔn)好氧填埋兩種不同運(yùn)行方式下對填埋氣的特性研究作了簡介。通過比較分析,傳統(tǒng)的厭氧填埋結(jié)構(gòu)中填埋氣的甲烷含量比較高(40 %～60 %) ,而準(zhǔn)好氧填埋中填埋氣的甲烷含量只有10 %～20 %。對于中小型的填埋場,由于技術(shù)和成本的制約,建立準(zhǔn)好氧填埋場,不僅有利于加快垃圾的穩(wěn)定化進(jìn)程,還可以減少甲烷的生成量,減輕對環(huán)境所造成的污染。

關(guān)鍵詞:城市固體廢物　垃圾填埋場填埋氣特性研究

衛(wèi)生填埋,指采取防滲、壓實(shí)、覆蓋等手段對城市生活垃圾進(jìn)行處理,并且對填埋過程中產(chǎn)生的滲濾液和填埋氣(Landfill Gas ,簡稱L FG) 進(jìn)行綜合處理的工程技術(shù)。該法具有投資省,處理費(fèi)用低,處理量大,所需設(shè)備少,操作簡便,回收填埋氣可獲得一定經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn),因而是城市生活垃圾的最終處置方式。雖然衛(wèi)生填埋是處理垃圾行之有效的方法,但垃圾填埋體須經(jīng)過漫長的厭氧發(fā)酵才能實(shí)現(xiàn)最終穩(wěn)定化、無害化。并且在穩(wěn)定化過程中產(chǎn)生的滲濾液和填埋氣對人體健康和自然環(huán)境有較大危害作用[ 1 ] 。

垃圾填埋氣是指在垃圾填埋場中,生活垃圾所含的大量有機(jī)物被微生物降解所生成的氣體。它的主要成分為CH4 和CO2 ,此外還有一些其他成分如 H2 S 等[2 ,3 ] 。CH4 和CO2 是重要的溫室氣體,CH4 對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)僅次于CO2 ,但其當(dāng)量體積溫室效應(yīng)潛在值是CO2的21 倍[4 ] ,CH4在大氣中的濃度在過去100 多年里增加了1 倍,過去20 年中以每年 0. 9 %的速度增長,遠(yuǎn)高于CO2 濃度的增加速度[5 ] 。

全世界每年CH4 排放量大約5 億t ,其中2 200 ～3 600 萬t 來自垃圾填埋場。在人為CH4 排放源中,垃圾填埋場排放列第3 位[6 ] 。目前,清潔發(fā)展機(jī)制CDM(Clean Development Mechanism) 是世界各國特別是發(fā)達(dá)國家環(huán)境研究的熱點(diǎn),其核心問題即是如何在發(fā)展中國家的領(lǐng)土上實(shí)施能夠減少溫室氣體的項(xiàng)目,并據(jù)此獲得“經(jīng)核證的減排量”,即通常所說的CERs (Certified Emission Reductions) [ 7 ] ,因此有必要加強(qiáng)對填埋氣特性的了解。    

1 傳統(tǒng)厭氧衛(wèi)生填埋場填埋氣特性研究

衛(wèi)生填埋是從傳統(tǒng)的廢物堆集發(fā)展起來的,應(yīng)用最早的垃圾最終處置技術(shù),垃圾填埋完畢后,垃圾體中氧氣快速耗盡,填埋場很快過渡到厭氧狀態(tài)。在厭氧填埋場中,Chugh 等[ 8 ] 研究認(rèn)為。每噸含水率為45 % ,有機(jī)物含量55 %的垃圾可產(chǎn)生甲烷57. 5 m3 。因而垃圾填埋氣是一種可回收利用的潛在能源,對填埋氣進(jìn)行控制利用已成為城市垃圾填埋處置技術(shù)的組成部分和發(fā)展趨勢。美國、英國早在20 世紀(jì)70 年代就開始了對填埋氣的研究,80 年代初便開始利用填埋氣。近年來環(huán)境惡化和溫室效應(yīng)的加劇以及能源危機(jī)的出現(xiàn),對填埋氣的利用更加得到重視。國外對填埋場氣體的研究主要集中在:加快填埋氣產(chǎn)生速率,氣體的遷移模型應(yīng)用,氣體的回收及能量轉(zhuǎn)化。

1. 1 填埋氣產(chǎn)氣過程的研究進(jìn)展    

1. 1. 1 填埋氣產(chǎn)氣過程的國外研究

確定填埋場的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率的方法主要有三種:現(xiàn)場抽氣實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)、模型估算法。通常將三種方法結(jié)合起來進(jìn)行研究,模型估算法可以從產(chǎn)氣的動力學(xué)上描述垃圾降解這一整個(gè)過程, 因而受到廣泛重視。

產(chǎn)氣量的模型研究包括統(tǒng)計(jì)模型和動力學(xué)模型。IPCC 模型:采用垃圾中有機(jī)物分解的化學(xué)計(jì)量方程式來確定CH4 產(chǎn)量的化學(xué)計(jì)量式模型。建立在質(zhì)量守恒定律基礎(chǔ)上的COD 估算模型:該模型假設(shè)垃圾中的COD 值等于產(chǎn)氣中甲烷燃燒的耗氧量,此模型同樣也是用于計(jì)算一定數(shù)量垃圾的最終產(chǎn)氣總量[9 ,10 ] 。

Gardner 動力學(xué)模型,由Gardner 等[11 ] 提出。該模型可以計(jì)算出某垃圾填埋場各年以及累積的 CH4 產(chǎn)生量,為填埋場CH4 的收集和利用提供設(shè)計(jì)依據(jù)。Marticorean 動力學(xué)模型,該模型是填埋場產(chǎn) CH4 的一階動力學(xué)方程式,其應(yīng)用的前提是認(rèn)為填埋場中的垃圾是按年份分層填埋的。模型中增加了描述垃圾產(chǎn)氣周期的參數(shù),并且假設(shè)垃圾產(chǎn)氣量隨時(shí)間按照指數(shù)規(guī)律遞減[12 ] 。

產(chǎn)氣速率的模型研究: Schol2Canyon 模型,該模型假設(shè)經(jīng)歷一段可以忽略的時(shí)間后,填埋氣的產(chǎn)生速率迅速達(dá)到它的最大值,而這段時(shí)間主要用來建立起厭氧環(huán)境和微生物的生長。隨后產(chǎn)氣速率遵循一級動力學(xué),反應(yīng)速度隨可降解的有機(jī)底質(zhì)的減少而降低,這些可降解的有機(jī)底質(zhì)可由余下的甲烷潛能來度量。該模型簡單,參數(shù)較少。只是它忽略了垃圾自填埋開始到產(chǎn)氣速率達(dá)到最大值時(shí)這段時(shí)間的產(chǎn)氣量,因此它只能大體上反映產(chǎn)氣速率的變化趨勢。

MGM EMCON 模型,該模型把垃圾中的有機(jī)物分為三部分:容易降解的有機(jī)物;中等程度降解的有機(jī)物;較慢降解的有機(jī)物。每一種有機(jī)物都有其產(chǎn)氣曲線,其輸入項(xiàng)為垃圾量、成分、含水率以及產(chǎn)氣滯后時(shí)間和轉(zhuǎn)化時(shí)間(可降解的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物氣所需的時(shí)間) 。三種不同的有機(jī)物的轉(zhuǎn)化量之和就是總的垃圾填埋氣的產(chǎn)氣量[13 ,14 ] 。    

1. 1. 2 垃圾填埋產(chǎn)氣過程的國內(nèi)研究

我國對填埋氣的產(chǎn)量和產(chǎn)氣速率的研究起步較晚,隨著城市垃圾填埋場填埋氣問題的日益突出,國內(nèi)已經(jīng)越來越多地關(guān)注填埋氣的研究。我國目前對填埋氣進(jìn)行的模型研究基本上都是通過現(xiàn)場抽氣試驗(yàn)和試驗(yàn)室模擬兩種方法確定填埋場的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率。

黎青松等[ 15 ] 通過對深圳市玉龍坑填埋場的現(xiàn)場打井抽氣實(shí)驗(yàn),在Scholl2Canyon 模型的基礎(chǔ)上得到該填埋場的垃圾產(chǎn)氣量為189 m3 / t 。而且還得出了垃圾產(chǎn)氣速率的表達(dá)式。胡明甫[16 ] 通過研究分析Buswell2Mueller 化學(xué)計(jì)量法和化學(xué)需氧量法估算填埋場產(chǎn)氣量,并進(jìn)而通過Scholl2Canyon 模型對產(chǎn)氣速率進(jìn)行研究,給出城市垃圾填埋場歷年填埋氣產(chǎn)氣量預(yù)測計(jì)算的具體方法。焦學(xué)軍等[17 ] 針對上海老港垃圾填埋場結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究,應(yīng)用MGMEMCON 模型得出理論上的甲烷產(chǎn)量為 52. 97 L/ kg ,實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果為,在填埋后的1～5 年內(nèi)產(chǎn)氣速率隨時(shí)間的增加而減少,填埋2 年的垃圾實(shí)際的產(chǎn)氣速率為4. 6 mL/ (kg ·d) ,2 年內(nèi)的產(chǎn)氣速率下降較快,從第3 年開始將逐漸趨于穩(wěn)定。王偉等[ 18 ] 在城市垃圾填埋場CH4 產(chǎn)生模型的基礎(chǔ)上,對今后20 年國內(nèi)垃圾填埋場CH4 產(chǎn)生情況進(jìn)行了預(yù)測,表明隨著垃圾產(chǎn)生量的增長,CH4 排放量占我國溫室氣體排放總量的分額將從2000 年的3. 83 % ,增加到2020 年的7. 19 %。   

1. 2 　填埋氣遷移過程的研究進(jìn)展    

1. 2. 1 填埋氣遷移過程的國外研究

20 世紀(jì)70 年代末期國外開始對填埋氣的遷移進(jìn)行系統(tǒng)研究。

填埋氣在土壤中的遷移:Douglas 等[19 ] 研究了填埋場釋放氣體CH4 在非飽和土壤中的遷移模型, 其模型與地下水中污染物遷移模型類似,該模型反映了填埋氣的遷移是由于填埋氣壓力、濃度與速度梯度而產(chǎn)生。1975 年, Houshang 等[20 ] 研究發(fā)現(xiàn), 填埋氣在填埋場周邊土壤中可遷移相當(dāng)遠(yuǎn)的距離, 填埋氣在土壤中還向上擴(kuò)散,并在一些封閉的建筑物內(nèi)積聚,存在火災(zāi)與爆炸隱患。所以填埋場必須采取控制填埋氣流動的措施,以保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全。進(jìn)一步研究表明,填埋氣遷移距離是土壤滲透率、氣體壓力和濃度的函數(shù)。

填埋氣在垃圾體中的遷移: 1979 年, Stanford 大學(xué)的Angelos 等[21 ] 認(rèn)為影響填埋氣產(chǎn)生的因素有降雨量、微生物量、垃圾組成及密度、填埋場深度、垃圾填埋方法、填埋場內(nèi)溫度和外界溫度等。并就填埋場釋放氣體濃度及壓力隨時(shí)間變化的情況進(jìn)行分析,建立了三種混合氣體CH4 、CO2 及N2 通過多孔介質(zhì)的一維流動模型。采用有限差分法求解計(jì)算出的填埋氣壓力、濃度與實(shí)測值比較接近,該模型的不足之處是把垃圾體當(dāng)成各向均質(zhì)的多孔介質(zhì)。

英國的Alan[22 ] 考慮垃圾體滲透系數(shù)各向異性以及填埋氣產(chǎn)生的持續(xù)性,結(jié)合達(dá)西定律,建立起連續(xù)性方程。該模型考慮了填埋場垃圾體各向異性的特點(diǎn),更接近填埋場實(shí)際情況。但該模型僅考慮設(shè)置水平抽氣井,使用中受到一定限制。Arigala[23 ] 以實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用的垂直抽氣系統(tǒng)為建模對象, 開發(fā)了更為復(fù)雜的三維模型,該模型作了如下假定: 填埋氣是CH4與CO2 組成的等分子混合氣體;垃圾按其可生化性分為食物等易降解廢物,紙類等可降解廢物,以及其余不可降解廢物。抽氣井內(nèi)填埋氣遷移屬一維線性。利用有限差分方法進(jìn)行數(shù)值分析,其解不僅可用于設(shè)有防滲襯層的新填埋場,還適用于沒有設(shè)置防滲襯層的老填埋場的抽氣系統(tǒng)設(shè)計(jì),該模型通過對典型填埋場釋放氣體壓力分布的數(shù)值模擬,提出了抽氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路和方法。

1. 2. 2 填埋氣遷移過程的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)80 年代,我國開始了對填埋氣污染控制方面的研究,填埋氣的污染控制和資源化在90 年代末有了進(jìn)一步的發(fā)展。莊啟化從填埋氣體的遷移規(guī)律出發(fā),闡述了填埋氣體的遷移控制系統(tǒng)。黎青松等[ 24 ] 通過深圳市玉龍坑垃圾填埋場的現(xiàn)場抽氣試驗(yàn),進(jìn)行了填埋氣體安全控制與回收利用工程基本參數(shù)的研究。結(jié)果表明,填埋氣中CH4 含量較高,并具有很高的利用價(jià)值。當(dāng)抽氣和產(chǎn)氣量達(dá)到平衡,在抽氣流量為2. 35 m3 / min 時(shí),抽氣井的作用半徑(Radius of influence) 為28 m。鄒春等[25 ] 在分析了填埋氣在土壤中橫向遷移的機(jī)理,并根據(jù)過渡擴(kuò)散理論和達(dá)西定律建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及其解算方法。并將該模型與MOORE 模型相比較,在考慮了氣體的過渡擴(kuò)散和土壤的非飽和性后,使該模型更趨于實(shí)際情況。

彭緒亞等[ 26 ] 通過分析填埋氣在垃圾體中遷移運(yùn)動的特點(diǎn),建立了在抽氣條件下填埋氣體的遷移運(yùn)動模型,該模型綜合反映了垃圾體內(nèi)填埋氣產(chǎn)生量、抽氣量、垃圾體氣體滲透系數(shù)、抽氣井埋深、覆蓋層厚度及特性對抽氣效果的影響。利用該模型,可計(jì)算抽氣時(shí)垃圾體中填埋氣的壓力分布,并可分析計(jì)算不同條件下抽氣井影響半徑、抽氣井埋深等重要工程參數(shù)。國內(nèi)學(xué)者的工作為填埋氣污染控制與回收利用工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)依據(jù)。

2 　準(zhǔn)好氧填埋結(jié)構(gòu)填埋氣的特性研究

最早的準(zhǔn)好氧填埋場于1975 年在日本福岡市建成。準(zhǔn)好氧填埋設(shè)計(jì)原理是不用動力供氧,而是利用滲濾液收集管道的不滿流設(shè)計(jì),利用填埋堆體的內(nèi)外溫差,使堆體外空氣自然通入,在滲濾液收集管和豎直通風(fēng)管道周圍存在一定的好氧區(qū)域,此處的垃圾進(jìn)行好氧分解,空氣擴(kuò)散不到的地方則處于厭氧狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)的厭氧填埋,準(zhǔn)好氧填埋方式加快了滲濾液的排出,抑制了甲烷和硫化氫等氣體的產(chǎn)生,加速垃圾穩(wěn)定化進(jìn)程,降低滲濾液中污染物濃度。

針對準(zhǔn)好氧填埋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),國外很多學(xué)者對其滲濾液結(jié)合產(chǎn)氣過程進(jìn)行了分析。日本福岡大學(xué)的Hanashima 教授,在“準(zhǔn)好氧填埋”理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了“循環(huán)式準(zhǔn)好氧填埋”的實(shí)驗(yàn)。Hanashi2 ma[27 ] 通過實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論是準(zhǔn)好氧填埋3 年間垃圾中的有機(jī)污染物約90 %轉(zhuǎn)入氣相,成為CO2 和 CH4 等氣體;厭氧填埋有機(jī)污染物約90 %轉(zhuǎn)入滲濾液中。

Mat suf uj[28 ] 在1993 - 1998 年對兩組成分相同,填埋方式不同的填埋柱進(jìn)行垃圾穩(wěn)定化的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,準(zhǔn)好氧填埋方式的氣化率(全部產(chǎn)氣量和垃圾中有機(jī)物的比值) 為37 %,厭氧填埋的氣化率為15 %。準(zhǔn)好氧填埋產(chǎn)氣量和滲濾液污染物之間的比值為8 ∶2 ,厭氧的數(shù)值為4 ∶6 。因此,相對于厭氧填埋,準(zhǔn)好氧填埋方式滲濾液中污染物的負(fù)荷減輕了,從而準(zhǔn)好氧填埋更加有利于環(huán)境的保護(hù)。 Mat suf uji[29 ] 估計(jì)了不同填埋結(jié)構(gòu)的溫室氣體的產(chǎn)量,并提出相對的措施來減少溫室氣體。預(yù)測模型計(jì)算出不同填埋場溫室氣體的產(chǎn)量可用累積產(chǎn)氣速率的回歸曲線表示,它與易降解的有機(jī)底物有關(guān)。基于這個(gè)公式,Mat suf uji 認(rèn)為到21 世紀(jì),日本的溫室氣體以CO2 形式存在的碳有206 800 t ,以CH4 形式存在的碳有35 700 t 。通過對填埋場產(chǎn)氣量的估計(jì),認(rèn)為來自于垃圾填埋場的溫室氣體導(dǎo)致全球變暖的影響方面馬來西亞是日本的5 倍。菲律濱是日本的7 倍,韓國是日本的12 倍,印尼是日本的38 倍,中國是日本的250 倍,而如果采取了準(zhǔn)好氧填埋則可以將這種影響減少大約45 %。

Hanashima[27 ] 對準(zhǔn)好氧填埋層中的氣體和熱量進(jìn)行了研究,氣流參數(shù)在控制微分方程中包括導(dǎo)熱性、能量產(chǎn)生速率、導(dǎo)熱系數(shù)和空氣滲透力。并利用簡單有限元法對這些因素進(jìn)行最小二乘法擬合。得到的方程中含有垃圾層中的溫度、滲濾液收集管的空氣流速、環(huán)境溫度和壓力等因子。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明,耗氧區(qū)垃圾由于好氧反應(yīng)而形成了一個(gè)半橢園的熱能區(qū)。并且,垂直空氣的滲透性比橫向要快10 倍。

Youngkyu[30 ] 通過對一根滲濾液收集管道內(nèi)氣體流速進(jìn)行研究表明,填埋場內(nèi)外的溫度差使得空氣能輕易進(jìn)入滲濾液收集管,氧氣可以通過擴(kuò)散進(jìn)入填埋層的內(nèi)部。并提出一個(gè)方程計(jì)算出空氣在單獨(dú)滲濾液管道內(nèi)的流速,從而決定管道的設(shè)計(jì)因素。主要的因素包括:溫度差和填埋場的表面風(fēng)速。填埋場內(nèi)外的溫度差、場區(qū)的表面風(fēng)速和填埋層的高度比通風(fēng)管的長度和直徑對氣體在管道內(nèi)流速的影響更大。如果滲濾液收集管內(nèi)塞滿了碎礫石,氣體流速將很快下降。為保證垃圾層內(nèi)有更大的好氧區(qū)域,建議通風(fēng)管開口在室外,直接和大氣接觸。

國內(nèi)王琪等[ 31 ] 的實(shí)驗(yàn)室研究也初步表明:在準(zhǔn)好氧狀態(tài)下N H3 2N 濃度可以降到10 mg/ L 以下; 滲濾液回流可以使沼氣產(chǎn)生速率大大高于未回流的填埋層。

3 兩種不同填埋結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)特點(diǎn)比較　

在對兩種填埋結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)好氧填埋在環(huán)境保護(hù)方面:可以減少甲烷的排放,改善了封場后最終覆蓋層的性質(zhì),減少了長期的環(huán)境危害, 改善了滲濾液水質(zhì);在經(jīng)濟(jì)方面:和厭氧填埋相比并沒有增加運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用,但加快廢物的降解,縮短了封場后的維護(hù)和監(jiān)測時(shí)間,為場地的再利用提供了更多的選擇。從2003 年底在九江生活垃圾填埋場進(jìn)行了準(zhǔn)好氧和厭氧填埋的中試,每個(gè)填埋結(jié)構(gòu)的規(guī)模為250 t 。經(jīng)過1 年的監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的厭氧填埋結(jié)構(gòu)中填埋氣的甲烷含量比較高(40 %～ 60 %) ,而準(zhǔn)好氧填埋中填埋氣的甲烷含量只有 10 %～20 %。假設(shè)我國1. 4 億t 垃圾中的一半采用這一工藝,將會向大氣中減少27 億m3 甲烷的排放量,極大地減少了甲烷對大氣層溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

4 　結(jié)　論

(1) 準(zhǔn)好氧填埋在不添加額外設(shè)備,不消耗額外動力的情況下改善了滲濾液的水質(zhì),降低了滲濾液后續(xù)處理的難度,加快垃圾的穩(wěn)定化進(jìn)程。

(2) 對于厭氧填埋結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)好氧填埋結(jié)構(gòu)的填埋氣進(jìn)行研究可以加深不同填埋結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)的了解,掌握不同填埋結(jié)構(gòu)下填埋氣的遷移變化方式和轉(zhuǎn)化規(guī)律。

(3) 從能源回收利用角度來說,厭氧填埋產(chǎn)生的填埋氣具有良好的回收利用價(jià)值。由于填埋氣回收成本和運(yùn)行方式存在許多困難,如成本較高,甲烷氣體純度不夠,在普通的填埋場添加填埋氣回收利用裝置還存在一定的難度。從環(huán)保和社會問題的角度出發(fā),準(zhǔn)好氧有助于減少溫室氣體排放,加快了土地的再利用。因此,準(zhǔn)好氧填埋作為一項(xiàng)適合我國國情的垃圾填埋處理技術(shù)有著明顯的經(jīng)濟(jì)與社會、環(huán)境效益,它在我國的應(yīng)用前景十分明朗。

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