垃圾填埋场气体产量的预测

摘要：本文重点介绍了城市垃圾填埋场CH4产生模型的研究成果，并以此为基础，对今后20年我国垃圾填埋场CH4产生情况进行了预测，预测结果表明，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％，其对温室效应的贡献不可忽视，对填埋场CH4的控制和利用已成为我国城市垃圾管理领域的重要课题。
关键词：甲烷；城市垃圾；填埋场；温室效应
1概述
众所周知，全球变暖已经成为世界关注的重大环境问题，由于其影响的深度和广度不断加大，越来越多的人们认识到，要制止全球变暖的趋势，唯一有效的途径就是世界各国联合起来共同削减全球温室气体的排放量。为此，联合国气候变化框架公约的第三次缔约方大会(COP3)于1997年l2月在京都召开。会上通过了京都议定书，发达国家同意在2008～2012年期间将温室气体的排放量比1990年削减至少5％。表1列出了环境中各种主要温室气体的情况，在这些温室气体中，虽然CH4的排放量和温室效应贡献最大，但其在全球变量的贡献率在逐渐减少，其中一个重要的原因是年增长率的相对降低。表中氯氟烃(CFC-l1)的增长率虽然较高，但是随着它在全球范围内逐步禁止生产和使用，其作用将逐渐减小和消失。如表1所示，CH4在大气中浓度的增长速度接近CO2的2倍，因此，CH4对温室效应的贡献率将会持续增加.所以削减全球CH4排放量的作用将不亚于CH4。
表1大气中主要温室气体参数

注：*排放1kg气体，相对于CO2的潜在增暖作用。
全世界每年CH4排放量大约5亿t，其中有2200～3600万t来自垃圾填埋场。表2列出了世界CH4的主要排放源，它包括湿地、稻田、反刍动物、垃圾填埋场、油气田、煤矿等。虽然在各种人为CH4排放源中，垃圾处置排放的CH4量仅列为第三位，但是相对于来自稻田和反刍的甲烷而言，控制填埋场CH4排放是减缓CH4排放量增长的最可行和最有效的措施。例如，英国填埋场CH4约占CH4总量的2o％，估计每年有220万t CH4排放自填埋场，被认为可能是最大的CH4排放源；在美国，填埋垃圾每年排放CH411.6Mt，占总CH4排放量的37％，一项估算显示，1995年日本填埋场的CH4产量为0.32Mt-c/年，对总量的贡献率达到21.8％～34.4％。
表2全球主要CH4排放量

我国的城市垃圾产生量已经超过1亿t/a，目前大部分采用填埋方式处置，填埋场产生的CH4对温室效应的贡献不容忽视。但是，我国在填埋场CH4产生预测和评价研究方面处于刚刚起步阶段，尚缺乏准确的预测方法和评价数据。由于我国的垃圾特性和填埋场条件与国外差异较大，许多已经研究开发的填埋场甲烷产生模型不能直接利用。因此，建立适合我国国情的预测模型，正确预测和评价我国垃圾填埋场CH4产生量及其对气候变化的影响，对于将来制订国家城市垃圾处理处置技术政策，履行减排温室气体
的国际义务具有重要意义。
2填埋场产气模型
目前，国外研究者开发的填埋场产甲烷模型大致可以分为动力学模型和统计模型两种类型。
2.1统计模型
2.1.1IPCC模型
该模型由政府间气候变化委员会(Inter-governmental Panelon Climate Change，简称IPCC)提出：

式中，MSW为城市生活垃圾量(t)；η为填埋垃圾占生活垃圾总量的百分比；DOC为垃圾中可降解有机碳的含量(％)，IPCC推荐对发展中国家取值为15％，发达国家为22％；r为垃圾中可降解有机碳的分解百分率，(IPCC推荐值为77％)；比值16/12为CH4和C的转换系数；数值0.5为CH4中的碳与总碳的比率。
IPCC模型属宏观统计模型，用于计算某一垃圾统计量最终产生的甲烷总量。由于IPCC模型使用的η、r推荐值为统计均值，当利用此式针对某一国家进行估算时，应采用该国实际的参数值进行校核。
2.1.2化学计量式模型
垃圾的CH4产量也可以采用垃圾中有机物分解的化学计量方程式来确定：

根据此式，当城市垃圾的典型化学计量式为C99H149O59N，含水率为50％时，则可降解的碳含量占湿垃圾总量的26％，1kg湿垃圾具有的CH4产生潜力在常温常压下约为259L。这说明在填埋场产气期内，大约有18.5％的垃圾质量将被转化为CH4。该模型是假设垃圾中的碳均为可降解有机碳，其计算结果是甲烷产量的最大理想值。但实际上垃圾中含有大量难降解物质，而且垃圾填埋场在许多情况下并非严格的厌氧条件，尤其是我国目前大部分垃圾填埋场仍然采取未经压实和覆盖的简单处置方式，实际上垃圾处于半厌氧状态，该式的计算结果将高于实际产生量。
2.1.3COD估算模型
该模型是建立在质量守恒定律基础上的，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。该模型的数学形式为：