生活垃圾填埋場不同填埋方式填埋氣特性研究
摘要：對于國內外在傳統的厭氧填埋和新型的準好氧填埋兩種不同運行方式下對填埋氣的特性研究作了簡介。通過比較分析,傳統的厭氧填埋結構中填埋氣的甲烷含量比較高(40 %～60 %) ,而準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,由于技術和成本的制約,建立準好氧填埋場,不僅有利于加快垃圾的穩定化進程,還可以減少甲烷的生成量,減輕對環境所造成的污染。
關鍵詞:城市固體廢物 垃圾填埋場填埋氣特性研究
衛生填埋,指采取防滲、壓實、覆蓋等手段對城市生活垃圾進行處理,并且對填埋過程中產生的滲濾液和填埋氣(Landfill Gas ,簡稱L FG) 進行綜合處理的工程技術。該法具有投資省,處理費用低,處理量大,所需設備少,操作簡便,回收填埋氣可獲得一定經濟效益等優點,因而是城市生活垃圾的最終處置方式。雖然衛生填埋是處理垃圾行之有效的方法,但垃圾填埋體須經過漫長的厭氧發酵才能實現最終穩定化、無害化。并且在穩定化過程中產生的滲濾液和填埋氣對人體健康和自然環境有較大危害作用[ 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 對溫室效應的貢獻僅次于CO2 ,但其當量體積溫室效應潛在值是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,清潔發展機制CDM(Clean Development Mechanism) 是世界各國特別是發達國家環境研究的熱點,其核心問題即是如何在發展中國家的領土上實施能夠減少溫室氣體的項目,并據此獲得“經核證的減排量”,即通常所說的CERs (Certified Emission Reductions) [ 7 ] ,因此有必要加強對填埋氣特性的了解。
1 傳統厭氧衛生填埋場填埋氣特性研究
衛生填埋是從傳統的廢物堆集發展起來的,應用最早的垃圾最終處置技術,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。在厭氧填埋場中,Chugh 等[ 8 ] 研究認為。每噸含水率為45 % ,有機物含量55 %的垃圾可產生甲烷57. 5 m3 。因而垃圾填埋氣是一種可回收利用的潛在能源,對填埋氣進行控制利用已成為城市垃圾填埋處置技術的組成部分和發展趨勢。美國、英國早在20 世紀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。近年來環境惡化和溫室效應的加劇以及能源危機的出現,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:加快填埋氣產生速率,氣體的遷移模型應用,氣體的回收及能量轉化。
1. 1 填埋氣產氣過程的研究進展
1. 1. 1 填埋氣產氣過程的國外研究
確定填埋場的產氣量和產氣速率的方法主要有三種:現場抽氣實驗、實驗室模擬實驗、模型估算法。通常將三種方法結合起來進行研究,模型估算法可以從產氣的動力學上描述垃圾降解這一整個過程, 因而受到廣泛重視。
產氣量的模型研究包括統計模型和動力學模型。IPCC 模型:采用垃圾中有機物分解的化學計量方程式來確定CH4 產量的化學計量式模型。建立在質量守恒定律基礎上的COD 估算模型:該模型假設垃圾中的COD 值等于產氣中甲烷燃燒的耗氧量,此模型同樣也是用于計算一定數量垃圾的最終產氣總量[9 ,10 ] 。
Gardner 動力學模型,由Gardner 等[11 ] 提出。該模型可以計算出某垃圾填埋場各年以及累積的 CH4 產生量,為填埋場CH4 的收集和利用提供設計依據。Marticorean 動力學模型,該模型是填埋場產 CH4 的一階動力學方程式,其應用的前提是認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氣周期的參數,并且假設垃圾產氣量隨時間按照指數規律遞減[12 ] 。
產氣速率的模型研究: Schol2Canyon 模型,該模型假設經歷一段可以忽略的時間后,填埋氣的產生速率迅速達到它的最大值,而這段時間主要用來建立起厭氧環境和微生物的生長。隨后產氣速率遵循一級動力學,反應速度隨可降解的有機底質的減少而降低,這些可降解的有機底質可由余下的甲烷潛能來度量。該模型簡單,參數較少。只是它忽略了垃圾自填埋開始到產氣速率達到最大值時這段時間的產氣量,因此它只能大體上反映產氣速率的變化趨勢。
MGM EMCON 模型,該模型把垃圾中的有機物分為三部分:容易降解的有機物;中等程度降解的有機物;較慢降解的有機物。每一種有機物都有其產氣曲線,其輸入項為垃圾量、成分、含水率以及產氣滯后時間和轉化時間(可降解的物質轉化為生物氣所需的時間) 。三種不同的有機物的轉化量之和就是總的垃圾填埋氣的產氣量[13 ,14 ] 。
1. 1. 2 垃圾填埋產氣過程的國內研究
我國對填埋氣的產量和產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,國內已經越來越多地關注填埋氣的研究。我國目前對填埋氣進行的模型研究基本上都是通過現場抽氣試驗和試驗室模擬兩種方法確定填埋場的產氣量和產氣速率。
黎青松等[ 15 ] 通過對深圳市玉龍坑填埋場的現場打井抽氣實驗,在Scholl2Canyon 模型的基礎上得到該填埋場的垃圾產氣量為189 m3 / t 。而且還得出了垃圾產氣速率的表達式。胡明甫[16 ] 通過研究分析Buswell2Mueller 化學計量法和化學需氧量法估算填埋場產氣量,并進而通過Scholl2Canyon 模型對產氣速率進行研究,給出城市垃圾填埋場歷年填埋氣產氣量預測計算的具體方法。焦學軍等[17 ] 針對上海老港垃圾填埋場結合實驗室研究,應用MGMEMCON 模型得出理論上的甲烷產量為 52. 97 L/ kg ,實驗室研究結果為,在填埋后的1～5 年內產氣速率隨時間的增加而減少,填埋2 年的垃圾實際的產氣速率為4. 6 mL/ (kg ·d) ,2 年內的產氣速率下降較快,從第3 年開始將逐漸趨于穩定。王偉等[ 18 ] 在城市垃圾填埋場CH4 產生模型的基礎上,對今后20 年國內垃圾填埋場CH4 產生情況進行了預測,表明隨著垃圾產生量的增長,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展
1. 2. 1 填埋氣遷移過程的國外研究
20 世紀70 年代末期國外開始對填埋氣的遷移進行系統研究。
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生。1975 年, Houshang 等[20 ] 研究發現, 填埋氣在填埋場周邊土壤中可遷移相當遠的距離, 填埋氣在土壤中還向上擴散,并在一些封閉的建筑物內積聚,存在火災與爆炸隱患。所以填埋場必須采取控制填埋氣流動的措施,以保護人身和財產安全。進一步研究表明,填埋氣遷移距離是土壤滲透率、氣體壓力和濃度的函數。
填埋氣在垃圾體中的遷移: 1979 年, Stanford 大學的Angelos 等[21 ] 認為影響填埋氣產生的因素有降雨量、微生物量、垃圾組成及密度、填埋場深度、垃圾填埋方法、填埋場內溫度和外界溫度等。并就填埋場釋放氣體濃度及壓力隨時間變化的情況進行分析,建立了三種混合氣體CH4 、CO2 及N2 通過多孔介質的一維流動模型。采用有限差分法求解計算出的填埋氣壓力、濃度與實測值比較接近,該模型的不足之處是把垃圾體當成各向均質的多孔介質。
英國的Alan[22 ] 考慮垃圾體滲透系數各向異性以及填埋氣產生的持續性,結合達西定律,建立起連續性方程。該模型考慮了填埋場垃圾體各向異性的特點,更接近填埋場實際情況。但該模型僅考慮設置水平抽氣井,使用中受到一定限制。Arigala[23 ] 以實際工程中廣泛應用的垂直抽氣系統為建模對象, 開發了更為復雜的三維模型,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。抽氣井內填埋氣遷移屬一維線性。利用有限差分方法進行數值分析,其解不僅可用于設有防滲襯層的新填埋場,還適用于沒有設置防滲襯層的老填埋場的抽氣系統設計,該模型通過對典型填埋場釋放氣體壓力分布的數值模擬,提出了抽氣系統優化設計的思路和方法。
1. 2. 2 填埋氣遷移過程的國內研究現狀
20 世紀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 年代末有了進一步的發展。莊啟化從填埋氣體的遷移規律出發,闡述了填埋氣體的遷移控制系統。黎青松等[ 24 ] 通過深圳市玉龍坑垃圾填埋場的現場抽氣試驗,進行了填埋氣體安全控制與回收利用工程基本參數的研究。結果表明,填埋氣中CH4 含量較高,并具有很高的利用價值。當抽氣和產氣量達到平衡,在抽氣流量為2. 35 m3 / min 時,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理,并根據過渡擴散理論和達西定律建立相應的數學模型及其解算方法。并將該模型與MOORE 模型相比較,在考慮了氣體的過渡擴散和土壤的非飽和性后,使該模型更趨于實際情況。
彭緒亞等[ 26 ] 通過分析填埋氣在垃圾體中遷移運動的特點,建立了在抽氣條件下填埋氣體的遷移運動模型,該模型綜合反映了垃圾體內填埋氣產生量、抽氣量、垃圾體氣體滲透系數、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,可計算抽氣時垃圾體中填埋氣的壓力分布,并可分析計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。國內學者的工作為填埋氣污染控制與回收利用工程實踐提供理論基礎與技術依據。
2 準好氧填埋結構填埋氣的特性研究
最早的準好氧填埋場于1975 年在日本福岡市建成。準好氧填埋設計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計,利用填埋堆體的內外溫差,使堆體外空氣自然通入,在滲濾液收集管和豎直通風管道周圍存在一定的好氧區域,此處的垃圾進行好氧分解,空氣擴散不到的地方則處于厭氧狀態。相對于傳統的厭氧填埋,準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生,加速垃圾穩定化進程,降低滲濾液中污染物濃度。
針對準好氧填埋結構的特點,國外很多學者對其滲濾液結合產氣過程進行了分析。日本福岡大學的Hanashima 教授,在“準好氧填埋”理論的基礎上進行了“循環式準好氧填埋”的實驗。Hanashi2 ma[27 ] 通過實驗得到的結論是準好氧填埋3 年間垃圾中的有機污染物約90 %轉入氣相,成為CO2 和 CH4 等氣體;厭氧填埋有機污染物約90 %轉入滲濾液中。
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行垃圾穩定化的實驗。結果表明,準好氧填埋方式的氣化率(全部產氣量和垃圾中有機物的比值) 為37 %,厭氧填埋的氣化率為15 %。準好氧填埋產氣量和滲濾液污染物之間的比值為8 ∶2 ,厭氧的數值為4 ∶6 。因此,相對于厭氧填埋,準好氧填埋方式滲濾液中污染物的負荷減輕了,從而準好氧填埋更加有利于環境的保護。 Mat suf uji[29 ] 估計了不同填埋結構的溫室氣體的產量,并提出相對的措施來減少溫室氣體。預測模型計算出不同填埋場溫室氣體的產量可用累積產氣速率的回歸曲線表示,它與易降解的有機底物有關。基于這個公式,Mat suf uji 認為到21 世紀,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 。通過對填埋場產氣量的估計,認為來自于垃圾填埋場的溫室氣體導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,而如果采取了準好氧填埋則可以將這種影響減少大約45 %。
Hanashima[27 ] 對準好氧填埋層中的氣體和熱量進行了研究,氣流參數在控制微分方程中包括導熱性、能量產生速率、導熱系數和空氣滲透力。并利用簡單有限元法對這些因素進行最小二乘法擬合。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、環境溫度和壓力等因子。計算機模擬結果表明,耗氧區垃圾由于好氧反應而形成了一個半橢園的熱能區。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氣體流速進行研究表明,填埋場內外的溫度差使得空氣能輕易進入滲濾液收集管,氧氣可以通過擴散進入填埋層的內部。并提出一個方程計算出空氣在單獨滲濾液管道內的流速,從而決定管道的設計因素。主要的因素包括:溫度差和填埋場的表面風速。填埋場內外的溫度差、場區的表面風速和填埋層的高度比通風管的長度和直徑對氣體在管道內流速的影響更大。如果滲濾液收集管內塞滿了碎礫石,氣體流速將很快下降。為保證垃圾層內有更大的好氧區域,建議通風管開口在室外,直接和大氣接觸。
國內王琪等[ 31 ] 的實驗室研究也初步表明:在準好氧狀態下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生速率大大高于未回流的填埋層。
3 兩種不同填埋結構運行參數特點比較
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在對兩種填埋結構進行比較后可以發現準好氧填埋在環境保護方面:可以減少甲烷的排放,改善了封場后最終覆蓋層的性質,減少了長期的環境危害, 改善了滲濾液水質;在經濟方面:和厭氧填埋相比并沒有增加運行維護費用,但加快廢物的降解,縮短了封場后的維護和監測時間,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行了準好氧和厭氧填埋的中試,每個填埋結構的規模為250 t 。經過1 年的監測分析發現傳統的厭氧填埋結構中填埋氣的甲烷含量比較高(40 %～ 60 %) ,而準好氧填埋中填埋氣的甲烷含量只有 10 %～20 %。假設我國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的貢獻。
4 結 論
(1) 準好氧填埋在不添加額外設備,不消耗額外動力的情況下改善了滲濾液的水質,降低了滲濾液后續處理的難度,加快垃圾的穩定化進程。
(2) 對于厭氧填埋結構和準好氧填埋結構的填埋氣進行研究可以加深不同填埋結構工藝參數的了解,掌握不同填埋結構下填埋氣的遷移變化方式和轉化規律。
(3) 從能源回收利用角度來說,厭氧填埋產生的填埋氣具有良好的回收利用價值。由于填埋氣回收成本和運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。從環保和社會問題的角度出發,準好氧有助于減少溫室氣體排放,加快了土地的再利用。因此,準好氧填埋作為一項適合我國國情的垃圾填埋處理技術有著明顯的經濟與社會、環境效益,它在我國的應用前景十分明朗。
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