摘要：指出了垃圾填埋场填埋气利用项目具有可观的经济效益和环境效益，随着垃圾填埋场填埋气利用技术的日益成熟，填埋气利用在国内有着广泛的应用前景。介绍了垃圾填埋气的产生以及变化过程、垃圾填埋场产气量的预测方法以及填埋气的收集导排系统设计，探讨了几种填埋气体的利用方式并对其应用前景进行了研究。

关键词：垃圾填埋气；填埋气产生；产气量预测；收集；利用

收稿日期：20130521

作者简介：杨华明（1978—），男，江苏无锡人，工程师，主要从事热能与动力工程专业方面的研究工作。中图分类号：X799.1 文献标识码：A

文章编号：16749944（2013）07020003

1 引言

我国是垃圾生产大国，仅生活垃圾的年产量就约2亿t，垃圾对大气、水体、土壤造成污染，从而影响生态环境及人们的生存环境。

目前国内外垃圾处理方式有：垃圾填埋、垃圾堆肥、制造衍生燃料、焚烧等。我国大部分生活垃圾采用填埋处理，填埋垃圾产生的大量沼气就地排放至大气中，不仅污染了空气，而且资源化利用率很低。根据生活垃圾填埋处理的工艺特点，垃圾填埋场将产出大量的沼气。沼气是一种清洁卫生的生物燃气，是一种燃烧值较高的绿色能源。但它又是一种不易输送和储藏的易燃易爆危险气体，如果不及时合理地处理和利用，不仅会造成不必要的浪费，也会带来一系列的安全隐患。而大量的生物沼气流入空气中，对环境有较大的影响，增加大气的温室效应。而与此同时，垃圾在填埋、污水处理过程中也需要消耗大量的电能和热能。利用垃圾填埋场填埋气在保护环境、减少大气污染的同时，能够化废为宝。利用垃圾填埋场填埋气也是一项资源综合利用的项目。开展资源综合利用，是我国一项重大的技术经济政策，也是国民经济和社会发展中一项长远的战备方针。

2 垃圾填埋气的产生

垃圾在填埋一段时间后，由于厌氧微生物的作用，会产生浓度较高，一定数量的填埋气体，其主要成分为甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2），同时还含有不少于1%的挥发性有机物（VOC）。

填埋场产生的气体往往需要几个月才能达到一个稳定的量。在填埋的最初几个星期或几个月内，场内进行好氧的反应，主要产生CO2，渗入堆场的水及堆物的沉降将挤走垃圾空隙中的空气，这样，好氧阶段释放出的气体仍然含有O2 和N2。当堆场变成厌氧时，O2 的释放量降到几乎为零，N2 为低于1%的基本量。厌氧过程主要的气体终产物为CO2 和CH4。当甲烷菌增殖时，CH4 产量的聚集相当缓慢。气体的最终比率通常为甲烷占55%，二氧化碳占45%。该百分比因不同填埋场的条件会有很大变化。同时存在的微量的N2、H2S及乙烷、辛烷、庚烷等气态碳氢化合物。一般垃圾填埋后要经历以下4个阶段（图1）。

图1 填埋场气体成分随时间的变化规律

Ⅰ 好氧期：持续时间为几天到数周，产生的主要气体是CO2；Ⅱ 厌氧、不产甲烷期：厌氧分解开始，产生大量的CO2 和H2；Ⅲ厌氧、产甲烷不稳定期：出现甲烷，CO2 的产生量减少，H2被耗尽；Ⅳ 厌氧、产甲烷稳定期：气体的成分趋于稳定，通常要达到厌氧稳定状态需1～2 年的时间。

由于国内大部分城市填埋垃圾均未分拣和压实，垃圾容重为340kg/m3，垃圾中水分、易腐蚀的有机物含量高，导致填埋垃圾产气时间短、产量变化幅度大、气体热值较低。根据国内现有的研究数据，填埋垃圾在填埋后的1～2 年内就开始产气，并且迅速达到产气高峰，在随后的几年中又迅速下降，整个产气周期不超过15 年。

3 填埋场产气量预测

国外对沼气量产生总结出了较为成熟的计算模式。这里主要介绍的计算方法是根据CDM 方法学ACM0001（09.1 版）及相应工具“Tool to determine methane emissions avoided from disposal of waste at a solid waste disposal site”，事先计算出项目的减排量（tCO2e）（采用的是垃圾降解一级模型），再除以甲烷的全球增温潜势，得到填埋气的产生量。

计算公式如下：

BECH4SWDS，y=Φ·（1-f）·GWPCH4·（1-OX）·1612·F·DOCf·MCF∑yx=1∑j=1Wj，x·DOCj·ekj（y-x）·（1-e-kj）

式中：BECH4，SWDS，y：项目活动开始到y年末，因避免生活垃圾填埋处置而避免的甲烷产量（tCO2e）。

φ：模型不确定性校正因子；f：填埋气收集后用于火炬燃烧、焚烧或其他用途的甲烷百分比；GWPCH4：甲烷全球增温潜值（tCO2e/tCH4）；OX：填埋场甲烷氧化因子。采用2006 IPCC 缺省值；F：填埋气中甲烷含量（体积比）。采用2006 IPCC 缺省值；DOCf：可降解有机碳（DOC）百分比。采用2006 IPCC 缺省值；MCF：甲烷校正因子。采用2006 IPCC 缺省值；Wj，x：第x年未填埋的j成分有机垃圾的量（tons）；DOCj：j 成分垃圾中可降解有机碳的百分比（质量比）。采用2006 IPCC 缺省值；kj：j成分垃圾的降解速率。采用2006 IPCC缺省值；j：垃圾种类；x：减排计入期，从第一个减排计入期第一年（x=1）到计算减排的第y年（x=y）；y：计算甲烷排放的年份。

其中：Wj，x=Wx·∑xn=1Pn，j，xZ

式中：Wj，x：第x年未填埋的j成分有机垃圾的量（tons）；Wx：第x年未填埋的有机垃圾的总量（tons）；Pn，j，x：第x年收集的样本n中j成分有机垃圾的重量比；z：第x年收集的样本数量。

在任何情况下，总是有一部分生产的填埋气体是难以收集的。

①困在中间粘土层的填埋气体无法到达集气井；②如果没有完全覆盖，一部分填埋气体会从表面逸出。填埋气收集率的确定考虑到了如下表格的因素（表1）。

根据表1，收集率以60%计。由公式和垃圾量，可计算得产甲烷量和甲烷收集量。

4 填埋气的收集技术

填埋场气体收集系统需合理设计和建造，以保证填埋场气体的有序收集和迁移而不造成填埋场内不必要的气体高压。填埋气收集和导出通常有两种形式：竖向收集导出和水平收集导出方式。其中竖向收集导出方式应用较广，其填埋气收集系统主要包括随垃圾填埋逐渐建造的垂直收集井以及以每个竖井为中心，向四周均匀敷设多根水平导气支管。随着垃圾填埋作业的推进，填埋气井将以有效地收集、导排、处理和利用填埋气。

水平收集系统以每个收集井为中心，向四周均匀敷设多根水平导气支管。导气水平收集支管敷设在浅层碎石盲沟内，盲沟内填64～100 mm 碎石。如果库区堆高大的话，水平收集系统在高度方向上，可以每6m 设置一层。

收集井顶部设置集气装置，并采用HDPE 管与集气站相连后通过集气干管连着至输送总管，最终送至贮器容器或用户。

5 填埋气的利用

填埋气体的利用方法取决于其处理程度。未处理的填埋气体热值是天然气的1/2。填埋气体的低位热值约17MJ/m3。处理程度影响应用的经济性，为适合气体的最终使用需要，填埋气体预处理系统更改了填埋气体的组成。经不同处理可以进行不同的利用，进而得到不同产品。国内外常见的填埋气体利用方式有如下几种。

5.1 用于发电

利用填埋气体作为燃料，或者利用填埋气体燃烧产生的热烟气或锅炉蒸汽来带动发电机发电。这种利用方式投资少，工艺技术和设备成熟，需要对填埋气体进行冷却脱水处理，是比较常用的一种填埋气体利用方式。

我国已建成多个垃圾填埋气发电电站，其中目前亚洲最大的垃圾填埋气发电项目上海老港垃圾填埋气发电项目（建设规模为15MW级燃气内燃机发电机组）已经正式并网。该项目的并网标志着上海老港填埋场将逐渐由单一的无害化处理基地向资源回收与循环利用的费固基地转变。

5.2 用于锅炉燃料

这种利用方式是用填埋气体作为锅炉燃料，用于采暖和热水供应。这是一种比较简单的利用方式，这种利用方式不需要对填埋气体进行净化处理。设备简单，投资少，适合于附近有热用户的地方。

5.3 用于民用燃气

该种方式是将填埋气体净化处理后，用管道输送到居民用户，作为生活燃料。此种利用方式需要对填埋气体进行比较细致的处理，包括去除CO2、少量有害气体、水蒸汽以及颗粒物等。这种利用方式投资大。技术要求高。适合于大规模的填埋场气体利用工程。

5.4 生产压缩天然气

此种方式是将填埋气体净化后，压缩成液态天然气，罐装储存，用作汽车燃料。这种方法需要对填埋气体施加高达20MPa 的压力，工艺设备复杂，不易推广。

5.5 其他利用方式

最近国外对填埋气体又开发了一些新的用途，主要有：用于填埋气体制造燃料电池，用填埋气体制造甲醛产品以及制造轻柴油等。这些利用方案均在研究和开发中，离实际应用尚有一定的距离。

6 结语

垃圾填埋气的收集与利用不仅解决了垃圾处理问题，同时提高了垃圾填埋场的资源利用率，减少填埋场填埋气直接排放对温室效应的影响，是实现城市垃圾资源化、减少环境污染的重要途径，具有良好的经济效益。

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