垃圾填埋场CH4产气模型的研究

摘要：通过对各种产气模型的比较，选择Marticorena模型对垃圾填埋场CH4的产气量进行预测，并通过加速降解生化试验，测定垃圾最大产CH4潜能为55.86m3/t，并估算到2020年填埋场的CH4产生量将达到98.4亿Nm3。
关键词：填埋气体；CH4；产气模型；生化试验
填埋气体（LFG）含有40%～70％的CH4与30%～50%的CO2，它们都是重要的温室气体。根据政府气候变化专门委员会（IPCC）报告；大气中的温室气体导致全球气温比20世纪增加近0.6℃，而大气中的CH4和CO2分别比1850年增加142%和35％。全世界每年CHQ排放量有5％～20%来自垃圾填埋场LFG进行控制和利用对减少温室气体是非常重要的。到2007年，我国对垃圾的处理量已达到1.521×108t,是1980年的4.9倍。我国垃圾有80.9%被运送到垃圾填埋场，垃圾的处理率已达到62.0%，填埋是主要的垃圾处理技术。填埋场LFG热值为75764～96233kJ/Nm3，是一种利用价值较高的清洁燃料，可以开发利用为城市燃气、内燃机、车用燃料和化工原料等。对LFG进行控制和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，因此，建立适合我国国情的LFG产气模型将成为LFG控制、利用研究的重要方面。
1产气模型及模型参数
1.1产气模型
目前，国内外研究者开发的填埋场的产气模型有很多，大致可以分为统计学模型、动力学模型及经验模型3种类型（图1）。

图1填埋气体的产气模型
各产气模型都有自己的优缺点和适用范围。统计学模型一般需要大量的监测数据，在填埋场运行操作的过程中此类数据很少，所以不能采用统计学模型。而动力学模型是按照CH4产生机理进行预测，从原理上符合产气规律，但是其主要参数均是由垃圾成分的理论值得出，往往偏大，不能代表实际产气情况。根据我国城市垃圾的实际情况，经过多年大量筛选和对比，选用Marticorena等提出的产CH4经验模型，该模型具有参数比较少、参数确定方便、适用性好等特点，其最大产CH4潜能参数可由加速产气试验得出，比较符合实际情况。Marticorena模型是建立在描述填埋场产CH4的一阶动态方程式基础上的。其前提是认为填埋场中垃圾是按年份、分单元填埋的，基本方程如下：

式中，MP为t时间垃圾产CH4量（Nm3/t）；MP0为新鲜垃圾产CH4潜能（Nm3/t）；t为时间（年）；d为垃圾持续产CH4时间（年）；D（t）为垃圾产CH4速率［Nm3/（t•年）］；F（t）为填埋场CH4产率（Nm3/年）；Ti为第i年填埋垃圾量（t）。
1.2模型参数确定
模型中需要确定的参数分别为MP0、d及T,其分别如下：
（1）MP0的确定。MP0是一个代表垃圾自身特性的参数，可用一个加速的生化试验来测定它。
（2）Ti的确定。Ti是填埋场第i层中废弃物的吨数，可以按照填埋场每年填入废弃物量进行确定。
（3）d的确定。d是垃圾生命持续时间。d由填埋场条件、废弃物组成决定，可以通过现场测定来完成，但需要多点网格采样，工程量很大。目前国内已经进行了一些垃圾降解速率的研究，给出了我国城市固体废弃物的降解规律。
我国城市固体废弃物降解速率的影响因素主要有垃圾自身性质、含水量、填埋场的构造及运行方式。北京的堆放场稳定时间在10年左右，上海老港垃圾场达到3、2、1级稳定化状态所需的时间分别为4、10、32年。
2填埋产气的加速生化模拟试验
2.1试验设备及装置
试验装置见图2。恒温控制系统由型号为WMZK-01型温度控制仪以及1200W的电热丝组成。气体产生量用排水法测得，气体组分用SQ-206型气相色谱仪测定。

图2加速产气试验装置