垃圾填埋氣回收利用在我國的實踐
摘要:文章結合我國生活垃圾的主要特點，分析了國內垃圾填埋氣體產生的特點，對填埋氣體利用的參數選擇提出建議；回顧了我國垃圾填埋氣利用項目和政策的發展歷程，分析了國內垃圾填埋氣體回收利用的實踐和動態；結合清潔發展機制（CDM）的實施，分析了我國開展填埋氣CDM項目存在的問題和障礙，并提出了相應建議。
關鍵詞:垃圾填埋氣;回收利用;清潔發展機制（CDM）
21世紀的今天，人類正面臨著嚴重的環境問題。其中一個重要的問題就是溫室氣體排放日益增加，全球變暖趨勢不斷加快。為了應對這一趨勢，聯合國氣候變化框架公約的第三次締約方大會（COP3） 通過了京都議定書。另一個嚴重的環境問題是日益增長的垃圾帶來的管理與處理的困擾，2004年僅我國城市生活垃圾的產生量就達到1.55億噸，較2000年增長30%，較1990年增長130%。如何管理、處理好如此大量的垃圾，是一個棘手的問題。
上述兩個問題實際上有著較密切的聯系，其中一個重要的體現就是垃圾填埋副產物之一的填埋氣是一種溫室效應很強的氣體，其主要由CH4、CO2組成。CH4作為一種主要的溫室氣體，其所造成的溫室效應是CO2的21倍。據調查，在美國和德國等一些發達國家，垃圾填埋場已經成為溫室氣體的第一大排放源。
填埋氣也是一種可再生能源，其熱值約為天然氣的一半，是一種很好的清潔能源。截至2005年，美國有395個填埋氣利用項目，2005年這些運行的項目的減排量相當于19×1012噸碳當量，另外還有140個項目正在或準備建設。
我國對垃圾填埋氣的回收和利用具有雙重意義。一方面是保護環境、履行國際公約、滿足減排溫室氣體的需要；另一方面是回收利用能源，這在能源日益緊張、大力提倡節約型社會的今日顯得尤為重要。
1 我國生活垃圾填埋氣體的產生特征
目前，我國80%以上的城市生活垃圾都是采用填埋處理，并且衛生填埋將在很長一段時間內作為城市生活垃圾處理的主要方式和最終手段，因此垃圾填埋氣的回收利用具有廣闊的前景。
1.1 生活垃圾成分特點
我國生活垃圾成分與發達國家和地區的生活垃圾成分相比，有較大的區別，表1列出了我國生活垃圾成分和國外生活垃圾成分的對比。
表1 我國和國外的生活垃圾成分比較 |
來源與說明：a.2000年全國67個城市的統計平均值；b.USEPA530-R-03-011 Municipal Solid Waste in the United States：2001 Facts and Figures； c.//europa.eu.int/comm/environment/waste/index.htm；d.統計在庭院垃圾中；e.《促進中國城市垃圾填埋氣體收集利用國家行動方案附錄文件》；f.深圳市環境衛生設施總體規劃。
由表1可以看出，我國生活垃圾成分和發達國家生活垃圾的最大區別表現在：我國垃圾中的食品等易降解垃圾的含量很高，通常在50%左右，甚至更高，而發達國家只有20%左右；我國垃圾中紙張含量相對較少，紙張是降解速度居中的有機物。同時我國垃圾的含水率相對較大，含水率一般為40%～60%，而發達國家則在30%左右；我國垃圾C/N較低，約為20∶1，國外垃圾C/N在50∶1左右，而實踐證明20～30的C/N值對厭氧發酵最為有利。
由于我國垃圾成分的特點，導致了垃圾在填埋過程中具有產氣速率較快，并能迅速到達產氣高峰，然后快速下降的特點。國內的許多研究已經證實了這一點。
1.2 產氣規律的確定
對填埋氣體進行回收利用，需要先確定氣體回收利用的經濟效益、利用規模和方案，必須充分了解填埋場氣體產生規律。因此，研究填埋場氣體的產生量、產生速率和壓力分布等基本參數，是控制填埋場氣體無組織釋放，進行回收利用的關鍵。
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、實驗室模擬、模型估算。
（1）現場抽氣
從理論上講，現場抽氣能夠真實反映填埋場中實際的氣體產生情況，但現場抽氣受到很多條件的影響，如防滲層與覆蓋層的完善程度、抽氣效率等，同時從填埋氣產生的漫長過程來看，現場抽氣只是這個過程中的一個時間點，而全程抽氣數據很難獲得。
（2）實驗室模擬
實驗室模擬較難真實地反映實際填埋場的垃圾降解情況，實際上大多數實驗室模擬得出的產氣數據往往小于填埋場的實際數據，這主要是由于邊界條件有很大的區別、實驗室中產甲烷環境較難建立等原因。
（3）模型估算
模型估算克服了現場抽氣的時間限制的缺點，能預測未來多年的填埋氣產生情況，應用簡單易行，如目前國內應用較多的Scholl Canyon模型。但是參數的選取經常與實際情況相差±100%。因此，參數的選擇至關重要，建議在確定填埋場的產氣量和產氣速率的時候，最好能用抽氣試驗的數據對模型的參數值進行調整。
填埋氣的預測模型有很多，簡單的有IPCC模型、Palos Verdes模型、Scholl Canyon模型等，復雜的有Marticorena提出模型、El-Fadel的動力學模型等。本文對實際中應用較多的，也是美國國家環保局（U.S.EPA）所采用的Scholl Canyon模型進行討論。
Scholl Canyon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地達到它的最大值，隨后反應速度隨可降解的有機底質的減少而降低，即：
Q = kL0e-kt
對于運行期內特定的填埋場，在其運行期內的產氣速率表達式如下：
Q = RikiL0iexp（-kiti）
式中，Q—填埋場氣體產生速率（m3/a）；Ri—第i年垃圾填埋量（t）；ti — 第i年填埋的垃圾從填埋到計算時的時間（a）；L0i — 第i年填埋垃圾的產氣量潛勢（m3）；ki — 第i年填埋垃圾的產氣速率常數（a-1）。
應用Scholl Canyon模型的關鍵是參數L0和k值的確定。參數k值與很多因素有關，如含水率、可利用的營養物質、pH和溫度等；而L0則與垃圾成分有關。表 2 為美國國家環保局建議的取值范圍。
表2 U.S.EPA推薦的參數取值 |
如前所述，發達國家填埋垃圾的成分多為報紙、紙板、木材等可緩慢降解類廢物，廚余、蔬菜、水果等含量較低，垃圾含水率低，所需降解時間較長，填埋氣峰值期來得較晚，但單位垃圾產氣量較高。而我國的垃圾成分多以易降解的蔬菜瓜果為主，填埋氣峰值期來得早，產氣時間相對較短，產氣量也因此低于國外水平。因而，在參照表 2 選用L0和k值應用于我國填埋場產氣預測時，L0的取值更多的時候會低于表2中的下限。而k值，往往比發達國家要高。
中國城市建設研究院承擔的“八五”國家科技攻關專題對城市生活垃圾衛生填埋氣體回收利用技術進行了研究，并進行了為期1年多的實驗室模擬試驗和杭州天子嶺填埋場現場抽氣研究，取得一些重要的結果可供參考：
1）我國典型的城市垃圾填埋氣產生速率的速率常數為0.1～0.15a-1，采用滲濾液回灌的填埋場取高值，對杭州天子嶺垃圾填埋場而言，k為0.102；
2）豎井抽氣的作用半徑為15～20m。
2 我國垃圾填埋氣甲烷資源估算
以2004年統計的垃圾衛生填埋量為基準，對2004年衛生填埋的垃圾利用三種不同的方法分別進行了全國填埋垃圾的甲烷潛勢計算（見表3），這三種方法分別為IPCC推薦的統計模型、N.Gardner提出的動力學模型和U.S.EPA推薦的Scholl Canyon模型。
表3 全國垃圾甲烷氣潛勢統計（2004年） |
說明：N.Gardner模型的易降解有機垃圾、一般降解垃圾和難降解垃圾的比例為11.4%、84.4%和4.2%；U.S.EPA模型中L0取100m3/t，k取0.1a-1，標準狀態下。
由表 3 可知，三種計算方法計算出的CH4潛勢基本相當，證明2004年全國經衛生填埋的垃圾能產甲烷的總量約為520萬噸，如果能夠利用起來，相當于700萬噸左右煤炭的能源潛力，同時對環境保護所起的作用將更為可觀。
3 垃圾填埋氣回收利用在國內的實踐
3.1 填埋氣回收利用的發展歷程
（1）工程發展動態
由于國內城市垃圾的衛生填埋起步較晚，符合標準的填埋場較少，長期以來，多是簡單堆放，垃圾所產生的氣體處于無控制排放狀態。由于氣體的無序排放，上海、北京、重慶、岳陽等城市都發生過填埋氣體導致爆炸的事故。
隨著人民生活水平的提高，城市生活垃圾才開始由簡單堆放逐步向衛生填埋過渡。從20世紀90年代初開始，一些城市相繼建成了大型的垃圾衛生填埋場，填埋氣的利用開始受到關注。
1998年，杭州天子嶺填埋場建立了國內第一個填埋氣回收利用項目，此后一些城市如杭州、廣州、北京、南京等也都相繼建成了填埋氣回收利用的項目，其中大部分項目是利用回收的填埋氣發電；集中點火燃燒的如青島市小澗西填埋場；燃燒后利用熱能的，如馬鞍山利用填埋氣燃燒供醫療垃圾焚燒使用，北京安定填埋場氣體燃燒用于滲濾液蒸發等。表 4 列出了國內部分垃圾填埋氣利用項目。
表4 國內部分垃圾填埋氣回收利用項目及方式 |
（2）填埋氣利用政策發展歷程
1994年，國務院通過了《中國21世紀議程—中國21世紀人口、環境和發展白皮書》，明確提出“大力推廣沼氣應用技術，利用生物質能生產沼氣，用于生活和動力能源”。
1996年，國務院轉發了國家經貿委等部門《關于進一步開展資源綜合利用意見的通知》，把沼氣發電劃定為資源綜合利用項目，享受相應的優惠政策。財政部和國稅總局出臺了包括垃圾發電在內的資源綜合利用產品增值稅給予即征即退的政策。
2002年，國家環保總局公布了《中國城市生活垃圾填埋氣體收集利用國家行動方案》，方案分析了我國城市垃圾處理管理體制、政策、技術、融資障礙，提出了相應的建議，對城市垃圾填埋氣的利用提出了三階段實施的計劃。
2002年，建設部印發了《關于加強生活垃圾填埋場氣體管理工作的通知》，提出對于有條件的填埋場，要加強氣體的收集和綜合利用；鼓勵多方投資，建立多元化的投資體系。
2006年，國家發改委發布《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》，規定生物質發電（含垃圾焚燒和填埋氣發電）上網電價由標桿上網電價加補貼電價組成。補貼電價標準為每度電0.25元。發電項目自投產之日起，15年內享受補貼電價。可以預見，該政策的實施將對我國填埋氣體利用產生積極的影響。
（3）按照產業化要求的技術、設備發展
美歐等發達國家在垃圾填埋氣的收集和綜合利用方面已形成較為成熟的技術和設備，與之相比，我國在此領域的技術水平差距較大。目前國內的填埋氣利用項目絕大多數都是從國外進口關鍵設備。雖然國內一些研究機構曾對填埋氣發電機的開發作過一些研究，但主要集中在內燃機系列上，目前一般只是對汽油機和柴油機進行一些粗略的改裝，沒有足夠的設備運行經驗。總體而言，目前國內的填埋氣發電和用做清潔燃料的裝置制造及系統運行正處于探索階段。
在今后的若干年內，填埋氣體回收利用的關鍵技術和設備將是一個重要的研究方向，并且將體現在如下方面：1）新型高效垃圾填埋氣燃燒發電機和發電系統的開發及優化運行；2）新型高效垃圾填埋氣火炬燃燒系統的開發及優化運行；3）垃圾填埋氣提純工藝（如變壓吸附、膜分離）等的研究；4）垃圾填埋氣燃燒熱能用于填埋場滲濾液蒸發濃縮系統的開發。
3.2 典型項目
（1）發電項目
杭州市天子嶺垃圾填埋場發電項目是國內第一家填埋氣體利用項目，設計規模為4～6MW，一期工程投資約300萬美元，安裝了兩臺美國制造的內燃發電機組，每臺裝機容量為970kW。該填埋場的垃圾堆體平均厚度約30m，垃圾量約300萬噸。填埋氣組分為CH4占50%～60%，CO2占35%～40%，氣體流量約為2000m3/d。
天子嶺垃圾填埋場的氣體收集方式為水平與垂直收集系統相結合，垃圾填埋過程中水平鋪設盲溝（1.5m×1m），間距約50m。填埋氣體在負壓（抽氣）的作用下，通過石籠內多孔鋼管引到地表管網并輸送到發電廠壓縮冷凝進行進一步凈化，然后在氣液分離鼓中將冷凝液和氣體分離，分離后的氣體輸送到發電機組發電。流程見圖1。
 圖1 天子嶺垃圾填埋場氣體處理系統流程 |
（2）燃燒蒸發滲濾液項目
北京安定垃圾填埋場的填埋氣體利用項目是我國第一個CDM（清潔發展機制）項目。該項目利用甲烷燃燒時釋放出的熱能來蒸發滲濾液處理后的濃縮液。該裝置主要由火炬系統（氣水分離罐、鼓風機、火炬點燃、安全檢測及尾氣排放煙筒等設備）和蒸發罐系統（沼氣加壓風機、空氣鼓風機、蒸發罐點燃、滲濾液濃縮液輸入管道、排渣管道、尾氣二次燃燒等設備）兩組設備組成。工藝流程見圖 2 。
 圖2 安定垃圾填埋場沼氣及滲濾液處理工藝流程 |
4 填埋氣回收利用項目與CDM
4.1 CDM簡介
清潔發展機制（簡稱CDM）是京都議定書下發達國家與發展中國家合作減排溫室氣體的一種“雙贏”機制。CDM項目由發達國家提供資金和技術援助，在發展中國家境內開展項目級的合作，目的是協助發展中國家實現可持續發展，并幫助發達國家獲得經核證的減排量（CERs），實現減少溫室氣體排放的承諾。CDM機制的實施，為發展中國家的環保項目提供了另一種融資渠道。
4.2 垃圾填埋氣CDM項目在我國的開展
隨著CDM機制的實施，為潛在的項目的實施提供了一種融資方式，加之項目的產品（熱能、電力等）本身具有的價值，因此，填埋氣體利用項目會有很好的效益。
但截至2006年3月，由國家CDM管理機構批準的填埋氣體利用項目只有三個。與同是發展中國家的印度、巴西等相比較少。除了CDM實施本身周期長等原因外，還有其他方面的因素。國外各種機構紛紛跑馬圈地，填埋場業主及其主管機構則是待價而沽，雖然市場看起來很紅火，但是卻比較混亂。
究其原因，主要是：
（1）風險較大。CDM項目程序比較復雜，不確定因素較多，項目風險相對較大，而目前項目業主大都不愿意承擔此類風險；
（2）缺乏技術經驗。垃圾填埋氣體回收利用在我國屬于新興事物，而且技術要求較高，國內垃圾填埋場的技術人員對此缺乏了解，需要專業機構對其進行技術能力建設以及項目鑒定、開發的咨詢服務；
（3）政策不夠完善。盡管國家在再生能源、再生資源領域有優惠政策，但這些政策并沒有得到認真的貫徹實施，主要原因是政策的可操作性不強，部分企業對政策缺乏了解等；
（4）體制不順。例如，雖然國家發改委發布了《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法》，規定了填埋氣體發電的價格核算方法，但傳統上的環衛行業與電力行業或燃氣行業是不同的部門，國家還沒有填埋場氣體及后續產品，如電力、供熱和燃氣等的跨部門銷售規定。
4.3 對我國開展填埋氣CDM項目的建議
（1）制定相關政策、標準和規范。目前國內大多數填埋場氣體無組織排放，既浪費資源又對環境造成污染。制定垃圾填埋場氣體收集標準、技術規范，提出填埋場氣體收集、利用裝置的設計、建設和維護標準；制定相應政策，要求電力公司或其它有關企業必須購買填埋場氣體及后續產品，如電力、燃氣、供熱等產品。
（2）加快體制改革和技術發展，推進填埋氣體產業化。發展相應的裝備和技術產業，為填埋氣回收利用提供必要的技術和裝備支撐；氣體排放應達到當地環保部門制定的填埋場污染物最低排放標準和允許排放量；鼓勵有實力的企業進入填埋氣利用領域，通過引入競爭機制，建立多元填埋氣項目建設、運營機制。
（3）建立國家級垃圾填埋氣體利用（包括CDM）咨詢中心。CDM程序復雜，風險性大，為了降低項目開發的成本，政府應支持建立技術、信息和咨詢服務機構并提供幫助。咨詢中心可以制訂計劃、實施示范工程、編制垃圾填埋場建設和氣體收集利用技術手冊；為填埋場業主實施填埋氣體項目提供技術和其他方面的咨詢；對開發商、技術人員等進行能力培訓。
參考文獻：
[1] 建設部綜合財務司.2004年中國城市建設統計年報[M].北京：中國建筑工業 出版社.
[2] 徐文龍.發達國家城市垃圾處理技術現狀與分析[J].城市垃圾處理技術，2001（3）.
[3] 彭緒亞，黃文雄，等.城市生活垃圾填埋產沼的模擬實驗[J].城市環境與城市 生態，2003，16（3）.
[4] 黃正華，曾蘇.垃圾填埋氣體收集現場試驗與工程設計參數確定[J].中國沼氣， 2004，22（1）.
[5] B. Marticorena, et,al. Prediction rules for biogas valorization in municipal solid waste landfill [J]. wat. Sci. tech 1993 27（2）: 235-241.
[6] El-Fadel, et, al. Numerical modeling of generation and transport of gas and heat in landfills I: model formulation [J]. Waste man- agement & research, 1996（14）: 483-504.
[7] 黃文雄，彭緒亞，等.垃圾填埋場氣體產生及其模型研究[J].中國工程科學， 2006，8（9）.
[8] 劉秀常，等.安定垃圾衛生填埋場滲濾液處理和氣體收集焚燒工程[J].給水排 水，2005，31（8）.
Practice on Recovery and Reuse of Refuse Landfill
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
