生活垃圾填埋场不同填埋方式填埋气特性研究
摘要：对于国内外在传统的厌氧填埋和新型的准好氧填埋两种不同运行方式下对填埋气的特性研究作了简介。通过比较分析,传统的厌氧填埋结构中填埋气的甲烷含量比较高(40 %～60 %) ,而准好氧填埋中填埋气的甲烷含量只有10 %～20 %。对于中小型的填埋场,由于技术和成本的制约,建立准好氧填埋场,不仅有利于加快垃圾的稳定化进程,还可以减少甲烷的生成量,减轻对环境所造成的污染。
关键词:城市固体废物 垃圾填埋场填埋气特性研究
卫生填埋,指采取防渗、压实、覆盖等手段对城市生活垃圾进行处理,并且对填埋过程中产生的渗滤液和填埋气(Landfill Gas ,简称L FG) 进行综合处理的工程技术。该法具有投资省,处理费用低,处理量大,所需设备少,操作简便,回收填埋气可获得一定经济效益等优点,因而是城市生活垃圾的最终处置方式。虽然卫生填埋是处理垃圾行之有效的方法,但垃圾填埋体须经过漫长的厌氧发酵才能实现最终稳定化、无害化。并且在稳定化过程中产生的渗滤液和填埋气对人体健康和自然环境有较大危害作用[ 1 ] 。
垃圾填埋气是指在垃圾填埋场中,生活垃圾所含的大量有机物被微生物降解所生成的气体。它的主要成分为CH4 和CO2 ,此外还有一些其他成分如 H2 S 等[2 ,3 ] 。CH4 和CO2 是重要的温室气体,CH4 对温室效应的贡献仅次于CO2 ,但其当量体积温室效应潜在值是CO2的21 倍[4 ] ,CH4在大气中的浓度在过去100 多年里增加了1 倍,过去20 年中以每年 0. 9 %的速度增长,远高于CO2 浓度的增加速度[5 ] 。
全世界每年CH4 排放量大约5 亿t ,其中2 200 ～3 600 万t 来自垃圾填埋场。在人为CH4 排放源中,垃圾填埋场排放列第3 位[6 ] 。目前,清洁发展机制CDM(Clean Development Mechanism) 是世界各国特别是发达国家环境研究的热点,其核心问题即是如何在发展中国家的领土上实施能够减少温室气体的项目,并据此获得“经核证的减排量”,即通常所说的CERs (Certified Emission Reductions) [ 7 ] ,因此有必要加强对填埋气特性的了解。
1 传统厌氧卫生填埋场填埋气特性研究
卫生填埋是从传统的废物堆集发展起来的,应用最早的垃圾最终处置技术,垃圾填埋完毕后,垃圾体中氧气快速耗尽,填埋场很快过渡到厌氧状态。在厌氧填埋场中,Chugh 等[ 8 ] 研究认为。每吨含水率为45 % ,有机物含量55 %的垃圾可产生甲烷57. 5 m3 。因而垃圾填埋气是一种可回收利用的潜在能源,对填埋气进行控制利用已成为城市垃圾填埋处置技术的组成部分和发展趋势。美国、英国早在20 世纪70 年代就开始了对填埋气的研究,80 年代初便开始利用填埋气。近年来环境恶化和温室效应的加剧以及能源危机的出现,对填埋气的利用更加得到重视。国外对填埋场气体的研究主要集中在:加快填埋气产生速率,气体的迁移模型应用,气体的回收及能量转化。
1. 1 填埋气产气过程的研究进展
1. 1. 1 填埋气产气过程的国外研究
确定填埋场的产气量和产气速率的方法主要有三种:现场抽气实验、实验室模拟实验、模型估算法。通常将三种方法结合起来进行研究,模型估算法可以从产气的动力学上描述垃圾降解这一整个过程, 因而受到广泛重视。
产气量的模型研究包括统计模型和动力学模型。IPCC 模型:采用垃圾中有机物分解的化学计量方程式来确定CH4 产量的化学计量式模型。建立在质量守恒定律基础上的COD 估算模型:该模型假设垃圾中的COD 值等于产气中甲烷燃烧的耗氧量,此模型同样也是用于计算一定数量垃圾的最终产气总量[9 ,10 ] 。
Gardner 动力学模型,由Gardner 等[11 ] 提出。该模型可以计算出某垃圾填埋场各年以及累积的 CH4 产生量,为填埋场CH4 的收集和利用提供设计依据。Marticorean 动力学模型,该模型是填埋场产 CH4 的一阶动力学方程式,其应用的前提是认为填埋场中的垃圾是按年份分层填埋的。模型中增加了描述垃圾产气周期的参数,并且假设垃圾产气量随时间按照指数规律递减[12 ] 。
产气速率的模型研究: Schol2Canyon 模型,该模型假设经历一段可以忽略的时间后,填埋气的产生速率迅速达到它的最大值,而这段时间主要用来建立起厌氧环境和微生物的生长。随后产气速率遵循一级动力学,反应速度随可降解的有机底质的减少而降低,这些可降解的有机底质可由余下的甲烷潜能来度量。该模型简单,参数较少。只是它忽略了垃圾自填埋开始到产气速率达到最大值时这段时间的产气量,因此它只能大体上反映产气速率的变化趋势。
MGM EMCON 模型,该模型把垃圾中的有机物分为三部分:容易降解的有机物;中等程度降解的有机物;较慢降解的有机物。每一种有机物都有其产气曲线,其输入项为垃圾量、成分、含水率以及产气滞后时间和转化时间(可降解的物质转化为生物气所需的时间) 。三种不同的有机物的转化量之和就是总的垃圾填埋气的产气量[13 ,14 ] 。
1. 1. 2 垃圾填埋产气过程的国内研究
我国对填埋气的产量和产气速率的研究起步较晚,随着城市垃圾填埋场填埋气问题的日益突出,国内已经越来越多地关注填埋气的研究。我国目前对填埋气进行的模型研究基本上都是通过现场抽气试验和试验室模拟两种方法确定填埋场的产气量和产气速率。
黎青松等[ 15 ] 通过对深圳市玉龙坑填埋场的现场打井抽气实验,在Scholl2Canyon 模型的基础上得到该填埋场的垃圾产气量为189 m3 / t 。而且还得出了垃圾产气速率的表达式。胡明甫[16 ] 通过研究分析Buswell2Mueller 化学计量法和化学需氧量法估算填埋场产气量,并进而通过Scholl2Canyon 模型对产气速率进行研究,给出城市垃圾填埋场历年填埋气产气量预测计算的具体方法。焦学军等[17 ] 针对上海老港垃圾填埋场结合实验室研究,应用MGMEMCON 模型得出理论上的甲烷产量为 52. 97 L/ kg ,实验室研究结果为,在填埋后的1～5 年内产气速率随时间的增加而减少,填埋2 年的垃圾实际的产气速率为4. 6 mL/ (kg ·d) ,2 年内的产气速率下降较快,从第3 年开始将逐渐趋于稳定。王伟等[ 18 ] 在城市垃圾填埋场CH4 产生模型的基础上,对今后20 年国内垃圾填埋场CH4 产生情况进行了预测,表明随着垃圾产生量的增长,CH4 排放量占我国温室气体排放总量的分额将从2000 年的3. 83 % ,增加到2020 年的7. 19 %。
1. 2 填埋气迁移过程的研究进展
1. 2. 1 填埋气迁移过程的国外研究
20 世纪70 年代末期国外开始对填埋气的迁移进行系统研究。
填埋气在土壤中的迁移:Douglas 等[19 ] 研究了填埋场释放气体CH4 在非饱和土壤中的迁移模型, 其模型与地下水中污染物迁移模型类似,该模型反映了填埋气的迁移是由于填埋气压力、浓度与速度梯度而产生。1975 年, Houshang 等[20 ] 研究发现, 填埋气在填埋场周边土壤中可迁移相当远的距离, 填埋气在土壤中还向上扩散,并在一些封闭的建筑物内积聚,存在火灾与爆炸隐患。所以填埋场必须采取控制填埋气流动的措施,以保护人身和财产安全。进一步研究表明,填埋气迁移距离是土壤渗透率、气体压力和浓度的函数。
填埋气在垃圾体中的迁移: 1979 年, Stanford 大学的Angelos 等[21 ] 认为影响填埋气产生的因素有降雨量、微生物量、垃圾组成及密度、填埋场深度、垃圾填埋方法、填埋场内温度和外界温度等。并就填埋场释放气体浓度及压力随时间变化的情况进行分析,建立了三种混合气体CH4 、CO2 及N2 通过多孔介质的一维流动模型。采用有限差分法求解计算出的填埋气压力、浓度与实测值比较接近,该模型的不足之处是把垃圾体当成各向均质的多孔介质。
英国的Alan[22 ] 考虑垃圾体渗透系数各向异性以及填埋气产生的持续性,结合达西定律,建立起连续性方程。该模型考虑了填埋场垃圾体各向异性的特点,更接近填埋场实际情况。但该模型仅考虑设置水平抽气井,使用中受到一定限制。Arigala[23 ] 以实际工程中广泛应用的垂直抽气系统为建模对象, 开发了更为复杂的三维模型,该模型作了如下假定: 填埋气是CH4与CO2 组成的等分子混合气体;垃圾按其可生化性分为食物等易降解废物,纸类等可降解废物,以及其余不可降解废物。抽气井内填埋气迁移属一维线性。利用有限差分方法进行数值分析,其解不仅可用于设有防渗衬层的新填埋场,还适用于没有设置防渗衬层的老填埋场的抽气系统设计,该模型通过对典型填埋场释放气体压力分布的数值模拟,提出了抽气系统优化设计的思路和方法。
1. 2. 2 填埋气迁移过程的国内研究现状
20 世纪80 年代,我国开始了对填埋气污染控制方面的研究,填埋气的污染控制和资源化在90 年代末有了进一步的发展。庄启化从填埋气体的迁移规律出发,阐述了填埋气体的迁移控制系统。黎青松等[ 24 ] 通过深圳市玉龙坑垃圾填埋场的现场抽气试验,进行了填埋气体安全控制与回收利用工程基本参数的研究。结果表明,填埋气中CH4 含量较高,并具有很高的利用价值。当抽气和产气量达到平衡,在抽气流量为2. 35 m3 / min 时,抽气井的作用半径(Radius of influence) 为28 m。邹春等[25 ] 在分析了填埋气在土壤中横向迁移的机理,并根据过渡扩散理论和达西定律建立相应的数学模型及其解算方法。并将该模型与MOORE 模型相比较,在考虑了气体的过渡扩散和土壤的非饱和性后,使该模型更趋于实际情况。
彭绪亚等[ 26 ] 通过分析填埋气在垃圾体中迁移运动的特点,建立了在抽气条件下填埋气体的迁移运动模型,该模型综合反映了垃圾体内填埋气产生量、抽气量、垃圾体气体渗透系数、抽气井埋深、覆盖层厚度及特性对抽气效果的影响。利用该模型,可计算抽气时垃圾体中填埋气的压力分布,并可分析计算不同条件下抽气井影响半径、抽气井埋深等重要工程参数。国内学者的工作为填埋气污染控制与回收利用工程实践提供理论基础与技术依据。
2 准好氧填埋结构填埋气的特性研究
最早的准好氧填埋场于1975 年在日本福冈市建成。准好氧填埋设计原理是不用动力供氧,而是利用渗滤液收集管道的不满流设计,利用填埋堆体的内外温差,使堆体外空气自然通入,在渗滤液收集管和竖直通风管道周围存在一定的好氧区域,此处的垃圾进行好氧分解,空气扩散不到的地方则处于厌氧状态。相对于传统的厌氧填埋,准好氧填埋方式加快了渗滤液的排出,抑制了甲烷和硫化氢等气体的产生,加速垃圾稳定化进程,降低渗滤液中污染物浓度。
针对准好氧填埋结构的特点,国外很多学者对其渗滤液结合产气过程进行了分析。日本福冈大学的Hanashima 教授,在“准好氧填埋”理论的基础上进行了“循环式准好氧填埋”的实验。Hanashi2 ma[27 ] 通过实验得到的结论是准好氧填埋3 年间垃圾中的有机污染物约90 %转入气相,成为CO2 和 CH4 等气体;厌氧填埋有机污染物约90 %转入渗滤液中。
Mat suf uj[28 ] 在1993 - 1998 年对两组成分相同,填埋方式不同的填埋柱进行垃圾稳定化的实验。结果表明,准好氧填埋方式的气化率(全部产气量和垃圾中有机物的比值) 为37 %,厌氧填埋的气化率为15 %。准好氧填埋产气量和渗滤液污染物之间的比值为8 ∶2 ,厌氧的数值为4 ∶6 。因此,相对于厌氧填埋,准好氧填埋方式渗滤液中污染物的负荷减轻了,从而准好氧填埋更加有利于环境的保护。 Mat suf uji[29 ] 估计了不同填埋结构的温室气体的产量,并提出相对的措施来减少温室气体。预测模型计算出不同填埋场温室气体的产量可用累积产气速率的回归曲线表示,它与易降解的有机底物有关。基于这个公式,Mat suf uji 认为到21 世纪,日本的温室气体以CO2 形式存在的碳有206 800 t ,以CH4 形式存在的碳有35 700 t 。通过对填埋场产气量的估计,认为来自于垃圾填埋场的温室气体导致全球变暖的影响方面马来西亚是日本的5 倍。菲律滨是日本的7 倍,韩国是日本的12 倍,印尼是日本的38 倍,中国是日本的250 倍,而如果采取了准好氧填埋则可以将这种影响减少大约45 %。
Hanashima[27 ] 对准好氧填埋层中的气体和热量进行了研究,气流参数在控制微分方程中包括导热性、能量产生速率、导热系数和空气渗透力。并利用简单有限元法对这些因素进行最小二乘法拟合。得到的方程中含有垃圾层中的温度、渗滤液收集管的空气流速、环境温度和压力等因子。计算机模拟结果表明,耗氧区垃圾由于好氧反应而形成了一个半椭园的热能区。并且,垂直空气的渗透性比横向要快10 倍。
Youngkyu[30 ] 通过对一根渗滤液收集管道内气体流速进行研究表明,填埋场内外的温度差使得空气能轻易进入渗滤液收集管,氧气可以通过扩散进入填埋层的内部。并提出一个方程计算出空气在单独渗滤液管道内的流速,从而决定管道的设计因素。主要的因素包括:温度差和填埋场的表面风速。填埋场内外的温度差、场区的表面风速和填埋层的高度比通风管的长度和直径对气体在管道内流速的影响更大。如果渗滤液收集管内塞满了碎砾石,气体流速将很快下降。为保证垃圾层内有更大的好氧区域,建议通风管开口在室外,直接和大气接触。
国内王琪等[ 31 ] 的实验室研究也初步表明:在准好氧状态下N H3 2N 浓度可以降到10 mg/ L 以下; 渗滤液回流可以使沼气产生速率大大高于未回流的填埋层。
3 两种不同填埋结构运行参数特点比较
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在对两种填埋结构进行比较后可以发现准好氧填埋在环境保护方面:可以减少甲烷的排放,改善了封场后最终覆盖层的性质,减少了长期的环境危害, 改善了渗滤液水质;在经济方面:和厌氧填埋相比并没有增加运行维护费用,但加快废物的降解,缩短了封场后的维护和监测时间,为场地的再利用提供了更多的选择。从2003 年底在九江生活垃圾填埋场进行了准好氧和厌氧填埋的中试,每个填埋结构的规模为250 t 。经过1 年的监测分析发现传统的厌氧填埋结构中填埋气的甲烷含量比较高(40 %～ 60 %) ,而准好氧填埋中填埋气的甲烷含量只有 10 %～20 %。假设我国1. 4 亿t 垃圾中的一半采用这一工艺,将会向大气中减少27 亿m3 甲烷的排放量,极大地减少了甲烷对大气层温室效应的贡献。
4 结 论
(1) 准好氧填埋在不添加额外设备,不消耗额外动力的情况下改善了渗滤液的水质,降低了渗滤液后续处理的难度,加快垃圾的稳定化进程。
(2) 对于厌氧填埋结构和准好氧填埋结构的填埋气进行研究可以加深不同填埋结构工艺参数的了解,掌握不同填埋结构下填埋气的迁移变化方式和转化规律。
(3) 从能源回收利用角度来说,厌氧填埋产生的填埋气具有良好的回收利用价值。由于填埋气回收成本和运行方式存在许多困难,如成本较高,甲烷气体纯度不够,在普通的填埋场添加填埋气回收利用装置还存在一定的难度。从环保和社会问题的角度出发,准好氧有助于减少温室气体排放,加快了土地的再利用。因此,准好氧填埋作为一项适合我国国情的垃圾填埋处理技术有着明显的经济与社会、环境效益,它在我国的应用前景十分明朗。
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