垃圾中甲烷产率计算及全国垃圾甲烷气资源估算

第12卷第1期1997年1月自然资源学报JOURNALOFNATURALRESOURCESVol.12No.1Jan.,1997垃圾中甲烷产率计算及全国垃圾甲烷气资源估算Ξ徐新华(浙江大学环境科学与工程研究所杭州310027)提要本文比较分析了几种常用的有关垃圾场甲烷气产率计算方法,并详细计算了甲烷的产率及累计产量,在此基础上用一个比较实际的垃圾填埋场计算垃圾填埋过程中甲烷气的产率情况及累计产量,为垃圾填埋场的沼气发电提供了可靠的资料。并用此方法计算了全国各省份垃圾的甲烷排放量,并大致计算了全国的垃圾中甲烷资源的潜力。关键词垃圾甲烷产率潜力随着经济的发展和都市规模的扩大,城市垃圾数量不断增长,这正引起各国政府的重视,全球每年新增垃圾100亿t,一些发达国家目前都处在垃圾的重围之中。以美国为例,垃圾总量急剧增加。从1960年到1986年,生活垃圾总量从0.87亿t猛增至1.5亿t。预计到2000年将增加至2亿多t。我国城市垃圾的现状也不容乐观。目前,全国城市生活垃圾的年产量已达7000多万t。而垃圾场中产生的CH4所引起的温室效应相当严重,江浙沪地区垃圾场排放的CH4量已占该地区甲烷总排放量的19%,仅次于稻田CH4排放量[1]。另一方面,在本世纪经历的两次石油危机给人们敲响了另一警钟:目前已探明的煤、石油、天然气等矿物燃料,只够人类使用100a,这使得我们去寻找其他替代能源。在能源危机和环境问题的双重影响下,许多国家都相继开发利用垃圾填埋场的甲烷气体。1977年,世界上第一个垃圾填埋场回收沼气系统在美国加利福尼亚南部的PalosVerds建立,至1991年,已有20个国家的242个这种工程投入运行,由此而替代的常规能源,1989年已相当于120万t石油[2]。可见,对垃圾填埋场甲烷气体的开发利用具有明显的社会效益和经济效益。许多国家对于这部分能源开发给予政策性的支持和优惠,对于这部分能源发电入网,价格上给予相应的调整。1垃圾填埋场甲烷气体产率垃圾填埋场产气过程实际上就是微生物的厌氧发酵过程,和其它厌氧分解过程相似,从物质的角度来看,有机废弃物首先被微生物分解成一系列可溶性的分子态物质,然后再将这些物质降解成H2、CO2和各种酸,这种酸然后转化为醋酸,而上述三者是共同形成甲烷细菌生长环境的基质。CH4气体产量的主要影响因素很多,包括固体废弃物的组成、颗粒的大小、填埋时间、含水Ξ收稿日期:1996-01-15;收到修改稿日期:1996-04-08。图2垃圾填埋场甲烷气累积产量示意图Fig.2Asketchofthecumulateoutputofmethaneintherubbishdumpingfield图1垃圾填埋场甲烷气产率示意图Fig.1Asketchoftheproductionrateofmethaneintherubbishdumpingfield量、温度、pH值等。由于影响甲烷气体产率的影响因素众多,给甲烷产率的计算带来了诸多困难。不同地区的垃圾填埋场,即使是同一地区的不同垃圾填埋场其甲烷产率也不相同。基于我国在这方面的工作还处于起步阶段,有必要进行研究。目前垃圾填埋场的甲烷气产率的计算主要有两种方法:质量平衡和理论产气量模型;理论动力学模型。下面就两种计算方法选择典型的例子进行比较分析与计算。(1)按IPCC(theIntergovermentalPanelonClimateChange)Guidelines1995推荐的经验公式[3],垃圾填埋场CH2排放的计算公式如下:ECH4=MSW×Γ×DOC×r×(16�12)×0.5其中:ECH4:垃圾填埋场的甲烷排放量;MSW:城市垃圾量(MunicipalSolidWaste);Γ:城市垃圾填埋率;DOC:垃圾中可降解有机碳的含量,IPCC推荐值发展中国家为15%;发达国家为22%,本文用15%;r:垃圾中可降解有机碳的分解百分率,IPCC推荐为77%(定为常数)。按此公式计算1t垃圾填埋产甲烷气的量为:ECH4=1×100◊×15◊×77◊×(16�12)×0.5=0.077t(2)N.Gardner和S.D.Probert提出的模式[4]:P=CdX∑iFi(1-e-KTt)其中:P:单位重量垃圾时间t内的甲烷排放量;Cd:垃圾中可降解的有机碳百分率;X:填埋场产气中CH4的分额;Fi:各降解组分占有机碳的含量;Ki:各降解组分的降解系数(a-1);t:填埋时间,(a)。按此公式计算具体某个城市的情况:X按实际情况取0.58;Cd根据IPCC推荐取0.15;根据上述数据计算甲烷气的年产率如图1,累计甲烷气的产量见图2。从下图可知:垃圾填埋场堆放在第二年甲烷气的产率达到最大,随后逐渐下降,到15a之后甲烷的产率只是最大的10%,从累计产量图中我们同样可以看到,1