城市生活垃圾填埋产气变化规律

摘要：通过理论计算及垃圾填埋场单元试验, 测试了生活垃圾填埋产气变化规律，结果表明，垃圾进入填埋场后产气率很快达到高峰，随后在以指数规律逐渐下降，产气速率随时间的增加而减小，波动范围为1.4~206.2mL／kg・d 。在现场试验时，填埋后2a的产气速率为4.71mL/ kg・d。

关键词：城市生活垃圾 填埋气体 产气量 产气速率 资源化

一、引言

朝阳市生活垃圾的处理以填埋为主。通过厌氧微生物的分解作用，垃圾填埋发酵后会产以CH4和CO2为主要成份的气体（LFG）。国外发达国家的LFG控制回收利用技术已经成熟，且应用广泛。我国则较为落后，若能控制LFG，并有效地利用，做到化害为利，保护环境，快速实现垃圾场“稳定化、安全化”，填埋沼气 “资源化”的目标。要发展上述技术，掌握LFG产气规律是必要条件。

朝阳市现有垃圾堆放场生填埋场一座，三面环山，占地面积34000m2，填埋深度为18m。自1992年开始投入使用，服务年限20年，目前已堆放垃圾总量200万吨。本课题研究由辽宁凯田再生能源环保公司是以狼山填埋场为依托工程的。

二、理论计算

1.垃圾组份

城市垃圾通常是指居民生活、商业活动、旅游、市政维护、企事业、机关单位办公等过程中产生的生活废弃物，如厨房垃圾、灰土、砖瓦陶瓷、纸类、塑料橡胶、织物、玻璃、金属、草木等。朝阳市混合湿垃圾的组成见表1。

从表1中，可以看出其组成特点：有机物占95%，其中食品类废物占70%以上，易降解的有机物（食品类和纸品类）80%左右，含水率平均值为55.46%。

2.填埋气产生和产气速率

产气量是指从开始产气到产气结束的整个填埋产气年限（几年或几十年）内，单位质量（kg )混合湿垃圾产生的气体总量；产气速率是单位质量（kg）混合湿垃圾在单位时间（d）内产生的气体量。两者的区别在于所涉及的时间因子的尺度不同。

产气速率受垃圾的大小和成份，填埋时间、含水量，填埋深度、压实密度、PH值及温度、堆放年限等因素的影响，因而是一变值。对于已经填埋的垃圾而言，因垃圾成份中有机可降解物的含量一定，故其产气量在理论上是一定值。

3.理想条件下最高产气量的计算模式

理论计算可以垃圾成份和元素分析为依据，最终通过生化反应式计算出的产气量，但其值偏高。本工程采用最有权威、最具有代表性、使用较广的为美国环保局（EPA）和美国CH2M HILL公司（联合国全球环境基金项目国外技术咨询公司）的计算模式，来预测朝阳市狼山垃圾填埋场的计算产气量。本文采用了CH2M HILL公司估算模型公式为：School Canyon的估算模型，School Canyon 模型基于这样的假设：在厌氧条件下，垃圾进入填埋场后产气率很快达到高峰，随后在以指数规律逐渐下降，与实际情况较符合。

School Canyon 模型数学表达式：

Q=

其中：Q－填埋气体产生量，m3/a；

Ri-填埋场封场前（从开始运行）第i年的垃圾填埋量，t；

ti－垃圾填埋场开始运行至第i年的时间，a；

k－垃圾产气速率常数，1/a（取0.02）；

n－垃圾填埋场设计年限，a；

L0－垃圾厌氧最大产气量，m3/t（取120m3/t）。

4.结果

本工程垃圾设计年限为20年，逐年垃圾产气量变化趋势见图1，产气量见表2。

根据计算结果及垃圾场产气量趋势，2008年产气量最大，产气量6.19mL/ kg・d， 年产气452.35万m3/年。

三、垃圾场试验

1.狼山填埋场单元气体输导工程

工程是参考国外资料并结合狼山填埋场浅层填埋、地下水位高的特点而设计的。沼气采集方法采用竖管与水平管采集系统，在其上打垂直井采气。单元内共布设15个竖式集气井，分两排平行排列，排间距为60m，井间距为50m。井口直径0.2 m，竖井深度为5.8m，筒体为高密度聚乙烯管（HDPE），筒壁均匀布有孔眼。井上部用水泥密封加固，井下部周围衬以卵石保持良好的渗透性以利于LFG的导入。单元表层设有水平集气管网与竖井相联，在负压下将LFG吸入抽吸总管，经汇集、测定、处理等。最终进入焚烧装置燃烧或排空。

2.实际条件下的产气速率

2.1采样

在单元气体输导工程泵房内采样。采样前，打开系统所有的阀门，启动电机，调节压力，到0.05MPa；采样时，对系统实施间歇操作，即在一定的间隔时间的最后几秒用球胆从采样孔处采样，然后关闭电机，等压力表指针复零后重新启动系统，进行下一轮采样。采样时段设定为60min，每次瞬间间歇采样人为控制，记录起始流量的累积读数，共采集样品15个，气体平均流量为1.24m3/min。

2.2浓度测试

CH4和CO2测试条件与方法测定采用气相色谱仪测定，定性用停留时间法，定量测定用“浓度～峰高”标准曲线法。操作条件为，选用单填充柱，单气路操作，六通阀进样，检测装置为热导池检测仪。载气为H2，减压阀出口压力为0.24MPa，流量约为40ml/min;色谱柱长3m，担体为porapak填料，恒温操作，色谱柱温35℃，热导池温度98℃，热导池理论值交流为180Am，衰减档置1/16；信号记录仪置10mv档。在上述条件下测得标准曲线和样气的CH4和CO2的浓度值。

2.3浓度变化规律和分析

样气CH4浓度随采样时间的变化规律CO2浓度的变化规律与CH4相似，）见图2。从图2可看出，CH4浓度变化可分3个阶段，0~10min范围内，CH4的浓度迅速增加至最大值45.1%;10~50min的范围内，逐渐减小到25.1%; 50min后，CH4浓度基本稳定。

试验开始时，因填埋场内部存有过量的LFG，被抽吸汇入贮气罐，而采样孔位于贮气罐的出口，因而，样气的CH4浓度迅速增加。但因受到LFG从整个填埋单元内部，迁移至竖井附近，然后经竖井进入抽吸总管过程的限制，所以，CH4浓度最大值不可能等于其原始浓度（45.1%55%）。当样气CH4浓度达到最大值后，就会产生LFG“供不应求”现象，即整个试验过程中的气体流量维持不变，LFG的迁移速率小于集气井的集气速率时，表层大气中的空气通过填埋场表层被吸入其管道内部，维持输入、输出量的平衡，使CH4的浓度逐渐下降。随着时间的增加，通过迁移进入竖井的LFG的量与大气中进入的空气量达到了动态平衡时，样气的CH4浓度围绕某一水平上下波动，可认为基本不变。

在整个试验过程中，单元内的垃圾一直不断地产生LFG，并源源不断地向竖井附近迁移。当样气中的CH4浓度达到稳定后，单位时间内流入竖井的LFG量就是该单元的产气速率。

2.4结果

取图2中第3段的CH4浓度算术平均值（∑Ci/5=25.1%）作为其稳定水平，LFG的CH4原始浓度为59.5%，密度0.717kg/m3，垃圾压实密度为800kg/m3,则实际条件下拉圾填埋后的产气速率为：

式中，―单位质量混合湿垃圾的产气速率（mL/kg・d）；

―操作稳定后，泵房内样气的CH4平均浓度（%）

―操作过程的平均流量（m3/min）;

―填埋单元内原始气体的CH4平均浓度（%）

M―填埋单元内垃圾的总重量（kg）

3.实际条件下的产气成份

3.1采样与浓度测定

在单元内设有6个监测管。管长3.0m，内径50mm，垃圾层中埋深约2.0m，上部露出在大气中约0.5m，管顶设有开关。采样时，打开顶端的开关，用橡皮管与大气采样仪、球胆相连。样品按4.2.2条件，方法测定。

3.2结果

实际条件下LFG种CH4和CO2的浓度测定结果见表3。

表3狼山填埋场单元LFG的成份、浓度（%）

五、结论

1.产气量

食品和纸品类废物是LFG的主要产生源。LFG中的CH4含量在一定年限内呈增加态势，则理想条件下，整个填埋产气年限内的产气量为34.38L/kg。

2.产气成份

LFG中的主要成份为CH4和CO2，两者的体积分数（浓度）变化范围分别为54.8％~59.8%和28.9%~30％。这两种主要成份的浓度在垃圾填埋后几周或数月后就达到稳定状态，可认为不受垃圾年令的影响。

3.产气速率

垃圾年令是影响LFG产气速率的重要因素。根据模式估算，在填埋后，产气速率随时间的增加而减小，波动范围为1.4~206.2mL／kg・d 。试验井法，填埋后的垃圾产气速率为4.71mL/ kg・d。说明填埋后，垃圾进入填埋场后产气率很快达到高峰，随后在以指数规律逐渐下降，与实际情况较符合。

参考文献：

[1]焦学军邹军杨承休上海环境科1996.9.

[2]辽宁凯田再生能源环保有限公司关于朝阳市垃圾填埋场填埋气LFG研究有关资料2008.4.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文