我国垃圾填埋气的产生和利用

垃圾填埋气是指在垃圾填埋场中，填埋的城市生活垃圾中所含的有机物在微生物作用下降解所产生的气体。一直以来，垃圾填埋气被视为有害气体，容易引发危险，主要包括：甲烷以5%~15%体积比与空气混和极易引起爆炸；挥发性有机物及二氧化碳溶入地下水，造成地下水源硬度升高；甲烷温室效应是二氧化碳的21倍，加剧全球变暖；填埋气的逸出，容易导致填埋场及附近植物根部缺氧死亡；某些填埋气的组分能致癌及引起其它疾病产生等。研究表明：每吨垃圾填埋后可以产生300m3左右的填埋气，如此大量的填埋气若不采取适当的方式进行收集处理，会对环境和人类的生命造成危害。但同时，填埋气中的甲烷又是一种极有利用价值的能源物质，甲烷含量约占填埋气总量的45%~60%，热值约为20MJ/Nm3，是一种利用价值较高的清洁燃料。因此，对填埋气进行控制和利用，不但是我国环境保护的要求，而且是城市垃圾处理技术的组成部分和发展趋势。

1埋气的组成、性质及产生情况

1.1圾填埋气的组成及性质

垃圾填埋场可以概化为一个生态系统，其主要输入项为垃圾和水，主要输出项为渗滤液和垃圾填埋气，二者的产生是填埋场内生物、化学和物理过程共同作用的结果。填埋气的主要组成和性质见表1。

 

1.2影响垃圾填埋气产生的因素

1.2.1影响垃圾填埋气产生量的主要因素

理论上，填埋场的产气量与填埋垃圾的总量和垃圾中可生物降解有机物的含量成正相关。但在实际过程中，产气量还受到其它因素的影响。

（1）如果垃圾中的含水率、营养成分、PH、温度等环境条件超出了产甲烷微生物所能容忍的阈值，微生物将不能正常代谢，影响实际的产气量。

（2）如果填埋场对渗滤液不采取回灌措施，则渗滤液中损失的有机物也会使实际产气量降低。

1.2.2影响垃圾填埋气产生速率的主要因素

影响填埋气产生速率的主要因素包括：含水率、营养物质、微生物量、值和温度等。研究表明，为了使产气速率达到最快，以上影响因素都有对应的最佳条件范围，若达不到或者超过此范围都会降低产气速率。现将以上种因素的最佳条件列出，在计算产气速率时供参考用（见表2）。

 

2我国垃圾填埋气的产生和处置现状

2.1我国垃圾填埋气产量处于快速增长阶段

我国城市生活垃圾产量增长迅速，到2004年，城市垃圾清运量已达到1.55亿吨，且还在以每年8%~10%的速度继续增长。据统计，2004年的1.55亿吨生活垃圾中有6888.9万吨是进行填埋处置（包括简易填埋）的，如果设生活垃圾中的有机物含量为70%，无机物含量为30%，按每吨垃圾产生64m3~440m3垃圾填埋气计算，这些垃圾将会产生70亿~450亿m3的垃圾填埋气。如果填埋气的热值按10MJ/Nm3计，而天然气的低位热值为37.3MJ/Nm3计算，这些垃圾产生的填埋气相当于19亿~121亿m3的天然气。到2010年，我国的城市生活垃圾产生量将达到1.8亿吨左右，预计其中的80%采用卫生填埋方式处置，则每年需填埋处置1.1亿吨城市生活垃圾。假设填埋气全部收集，则总量相当于30亿~193亿m3天然气，总产量可达我国最大天然气产量的1/5。

2.2垃圾填埋气处于无控制排放状态

2005年，对全国20多个省市的54家生活垃圾填埋场的填埋气排放状况进行了调查，其中能够做到填埋气回收的只有9家，其余的45家填埋场中有33家没有任何的填埋气收集和导排措施，填埋气处于完全的无控制排放状态。填埋气的无控制排放已经造成了一些比较严重的环境危害，上海、北京、重庆、岳阳等城市都发生过垃圾填埋气引发的爆炸事故。自20世纪90年代以来，国家逐步建立并完善了垃圾卫生填埋的规范和标准，城市生活垃圾才开始由露天堆放逐步向简易填埋过渡。目前仅建立了10多座较为规范的卫生填埋场，但即使是这些垃圾填埋场也没有考虑填埋气的回收。垃圾填埋气回收利用率低甲烷在垃圾填埋气中体积占到50%左右，而甲烷又是一种宝贵的清洁能源，具有很高的热值，因此，目前世界上许多国家如美国、英国、德国、澳大利亚等早已利用。利用途径包括：直接燃烧产生蒸汽，用于生活或工业供热；通过内燃机发电，作为运输工具的动力燃料；经脱水净化处理后用作管道煤气，用于二氧化碳工业；另外还可用于制造甲醇的原料及用于垃圾填埋场本身渗滤液的蒸发处理等。

为了对目前我国垃圾填埋气的回收利用现状有所了解，2005年，对全国20多个省市的54家生活垃圾填埋场的填埋气回收利用状况进行了调查，基本情况见表3。

 

从表3可知，目前我国垃圾填埋气总体回收利用率是极低的。

3我国垃圾填埋气应用前景

3.1我国垃圾填埋气应用的有利条件

（1）垃圾填埋气回收利用经济效益好。按照以上估算的2004年的最低理论产气量70亿m3计，假设实际产气量为理论产气量的10%，则每年将产生7亿填埋气，按甲烷占体积分数占50%计算的话，2004年将产生3.5亿m3甲烷。另外，假设产生的甲烷有30%得到利用，则每年可回收甲烷1.2亿m3，折合汽油1.44亿m3，柴油1.1亿m3或煤气2.58亿m3。设每户居民每月用煤气30m3，则这些气体可供应近70万煤气用户。用这些甲烷气体发电每年可达12亿度，按2004年全国平均电价0.5元计，则每年可节约人民币6亿元。

当然，气体回收设施需要投入额外的资金，所以对特定填埋场应通过经济评价作具体分析。国外经验表明对垃圾填埋气回收利用一般都是盈利的。

（2）我国生活垃圾的组成适合实施垃圾填埋气的利用工程。国外生活垃圾有机成分中纸类占百分比最大，而我国的有机物部分则以食品垃圾为主，这种垃圾更适合于垃圾填埋气的回收利用；同时，我国生活垃圾的C/N较低，处于20/1~30/1的最佳范围之内（见表2），这就使得我国生活垃圾的产气率较高，从而有利于填埋气的利用。

（3）城市垃圾的集中处理处置，可促进垃圾填埋气的回收利用。随着我国生活垃圾卫生填埋的规范和标准的不断完善，一批卫生填埋场将相继建立，使生活垃圾由简单堆放向集中处理处置发展，使垃圾填埋气的回收利用成为可能。

（4）国家政策的支持。在2000年11月召开的“21世纪中国垃圾问题对策研讨会”上，有关部门提出了“十五”和“十一五”期间城市垃圾处理工作的设想，确定了卫生填埋为主、焚烧和堆肥为辅的方针，到2010年，新增日处理能力16万吨的垃圾卫生填埋处理设施。2002年10月国家出台《中国城市生活垃圾填埋气体收集利用国家行动方案》，继而又批准了几个CDM项目；2006年又出台了《再生资源利用法》，这些都为垃圾填埋气的利用提供了保障。

（5）国际合作的增加，为垃圾填埋气的利用提供了先进经验和资金。

由于世界范围内对控制温室气体排放的重视，一些国际组织，如全球环境基金（GEF），联合国发展署（UNDP）等，向中国提供赠款及外国专家的技术支持，已经在鞍山、马鞍山、南京、杭州、广州等城市开展填埋场气回收利用的示范项目。这些国际合作，必将大大提高我国的填埋气控制利用水平。

 

3.2未来的研究方向

随着我国城市垃圾填埋气问题的日益突出，填埋气的研究已开始引起越来越多的关注，将来的研究方向主要有以下几点：

（1）垃圾填埋气的产生量、产生速率和迁移模型等的研究。垃圾填埋气的产生量、产生速率和迁移模型等是控制垃圾填埋气无组织释放，增大收排效率和进行回收利用的基础。到目前为止，国内对此研究甚少，大多是照搬国外的经验和研究成果，但由于我国生活垃圾成分与发达国家差别较大，同时国外对产气规律的研究，也有一些不足之处。因此，应结合实验，研究以食品垃圾为主的有机物的生物降解特性、厌氧分解过程、产气量与产气速率，建立符合我国垃圾特性的产气量估算方法、产气速率预测模型和气体迁移模型等，并设计填埋气利用工艺及其主要技术参数，进行能源回收和利用。

（2）填埋气回收、运输和能量转化方法及设备的研究。由以上分析可知，垃圾填埋气中有含量较高的惰性成分二氧化碳和氮气，它们会降低其作为燃料的热值、增加集输费用；在燃烧过程中，垃圾填埋气中的硫化氢、水和卤化物会形成腐蚀性酸，如H2SO4、HCI等；硅氧烷在高温下能转化为氧化硅，这种白色的粉末会堵塞或损害设备；其它有害的微量物质，如烃类、硫醇类和挥发性有机物(VOCS)等，也会对填埋气的燃烧造成不利影响。因此，利用之前，应进行浓缩与净化处理，除去其中的惰性组分和有害气体。现今我国对此方面的技术和设备研究较少，大部分是引进国外成型技术和设备直接应用。此外，一些能量转换设备（如杭州天子岭生活垃圾填埋的发电设备等），我国还不能独立生产，只能靠从国外引进。但同样存在着垃圾组分不同的问题，从而使这些技术和设备在我国不能很好的被应用。所以，应努力加强适合我国垃圾填埋气回收、运输和能量转化方法及设备的研究工作。

（3）建立配备填埋气回收装置的卫生填埋场。自20世纪90年代以来，我国城市生活垃圾的最终处置由无控的分散堆放为主向有控的集中处置发展，全国各大中城市近几年建设的垃圾填埋场几乎都是日处理能力在千吨以上、总填埋库容为数千万m3的大型垃圾填埋场，填埋场地的集中、填埋量的增加和填埋场使用年限的延长，一方面使填埋气对环境的影响更为突出，另一方面也使得填埋气的产生能够更加长期、稳定，为大规模收集和资源化利用填埋气提供了最基本的条件。

从目前对环境的影响状况看，填埋气的危害是垃圾填埋场中仅次于渗滤液的重要污染物，应当在填埋场尤其是大型填埋场的建设过程中，配备填埋气收集和资源化利用（或无害化处理）装置，从而避免对环境的直接污染和二次污染。