寒冷地区垃圾卫生填埋场沼气回收技术试验与研究

寒冷地区垃圾卫生填埋场沼气回收技术试验与研究摘要：本文通过实验室和室外沼气池两组模拟实验，对寒冷地区垃圾填埋场产沼规律和影响因素进行研究试验，取得了第一手资料，对垃圾场回收沼气方面的研究具有一定的指导作用。关键词：寒冷地区；垃圾场；沼气回收1.1.1.1.研究的目的和意义卫生填埋是目前世界上广泛采取的垃圾处理方法之一。近几年随着经济的增长和人们对环境质量的要求愈来愈高，国内陆续地建造了一批规范的垃圾卫生填埋场，并相继投入使用。卫生填埋法处理垃圾在今后很长一段时间内将是我国垃圾无害化处理的主要方法。随着时间的推移，在每一填埋场都会产生一定量的沼气和其它一些混合气体，其中包括少量的有毒有害气体。如不将这些气体加以回收和利用，一方面会造成能源的浪费，不符合我国国情，另一方面这些气体扩散到大气中会造成大气污染，增加温室效应，有时甚至浓度过高会引起爆炸，造成人员伤害，因此如何有效地收集卫生填埋场产生的沼气，并加以利用、变废为宝是一项利国利民、符合中国国情和需要的理想方式。沼气属于清洁能源，是我们国家可持续战略发展的重要内容之一，是利在当代，功在千秋的大事，具有很好的现实意义和深远的历史意义。2.2.2.2.国内外发展概况2.1国外发展概况目前，世界上处理垃圾的方式大体上分三种：1、垃圾焚烧；2、垃圾卫生填埋；3、垃圾堆肥，具体采用哪种方式主要是根据各国的经济实力、土地资源等情况来定，美国由于其地域辽阔，主要以填埋为主，所以美国早在70年代就开始垃圾填埋场回收沼气的研究，目前在美国和德国等国家沼气燃烧系统、沼气发动机等已相继投入使用，由此，带动了其它一些产业的繁荣发展。2.2国内发展现状我国垃圾场回收沼气的研究刚刚起步，南方城市相比起步早一些，1998年杭州天子岭垃圾场引进美国惠民公司独资开发收集垃圾场沼气技术并已发电。投资350万美元，每年发电近1600万度，此外每年还可减少一氧二碳排放8-10万吨。这一项目的实施，为我国垃圾填埋场气体的开发利用奠定了基础。目前，国内垃圾场回收沼气技术还处在探索阶段，尚无成型技术，尤其是北方寒冷地区填埋场沼气回收技术更是空白，有待进一步研究开发。3.研究内容、工艺、目的按照小试、中试与工程试验相结合的原则我们分别做了四种试验与研究（本文只介绍前两种），旨在通过几种方式的研究试验找出垃圾场回收沼气的最佳途径和最佳效果，以及安全的沼气回收系统。3.1实验室垃圾模拟产沼试验本实验通过在实验室建立三组垃圾填埋产气试验，对不同的垃圾和不同的环境下产气量、温度、渗滤液、渗滤液回灌对产气的影响，以及它的发酵过程进行研究监测。3.1.1影响产沼因素试验我们按照不同的环境温度分别做三组实验，实验装置是三组填埋柱体，该柱体为圆形有机塑料板和透明有机玻璃制成，可以看到柱内垃圾的变化。分别将柱体放置于不同地方。A冰箱冷藏室内在5℃左右；B生化培养箱内温度控制在35℃左右；C室外模拟自然条件下温度的变化。表1是填埋柱垃圾成份，图1为垃圾填埋柱体结构示意图。表1实验室模拟填埋柱垃圾成份（单位：％）图1垃圾填埋柱体结构示意图定期监测柱内气体流量、柱内温度和柱外温度，并定期监测柱内垃圾的产气量、气体成份、含水率、PH值的变化，定期收集渗滤液并进行渗滤液回灌试验，观察其对产气量的影响，监测数据如表2。表2A,B,C三柱监测数据3.1.2产气最佳含水率试验在上述A、B柱内重新加入垃圾进行第二组实验，垃圾成份如下：表3第二组模拟柱实验垃圾成分（％）将A,B柱均放于生化培养箱内，调节温度为35℃。在两柱开始产气时，每隔5天向A柱加入适量清水，向B柱内加入适量垃圾渗滤液(COD=5000MG/L)，并且每隔5天化验柱中垃圾水分（共50天），使柱内水分不断增高，同时监测柱内CH4浓度，绘出水份与CH4浓度变化曲线（如图2所示）。图2CH4百分含量随垃圾水分变化曲线从曲线看，A柱CH4最高含量44%左右，产气高峰持续15天，B柱CH4最高含量为53%左右，高于A柱，可以看出，回灌垃圾渗滤液有利于产沼，这是因为回灌垃圾渗滤液，增加了垃圾中有机物造成的。从两图中可以看出，最佳产沼水份含量为45%－70％。3.1.3垃圾产沼的发酵过程垃圾产沼发酵是一个复杂的化学过程，沼气发酵过程中起主导作用的微生物大多是厌氧菌，所以严格厌氧环境是垃圾产沼气的先决条件，沼气发酵大致可分为三个阶段。A液化阶段液化阶段也称水解阶段，大分子有机物不能被产甲烷菌吸收利用，一些水解性细菌或发酵性细菌将纤维素、淀粉等碳水化合物水解成单糖或二糖，糖类再被分解成丙酮酸；蛋白质被水解成多肽和氨基酸再经脱氨形成有机酸和氨；脂肪被水解成脂肪酸，进一步降解为各种低级有机酸、二氧化碳和水。如此大分子固态有机质转化液态小分子化合物。B产酸阶段在液化的基础上产氢产乙酸菌群把第一阶段的液化产物进一步分解转化为更简单的小分子化合物，如低级脂肪酸、醇等，主要是挥发性酸。液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统称为不产甲烷阶段。C产甲烷阶段产甲烷菌利用前一阶段产生的合成甲烷基质，最后形成甲烷，约有30%甲烷来自氢的氧化和二氧化碳的还原，70%的甲烷来自乙酸盐。主要化学反应式如下：(1)由挥发酸形成甲烷2CH3CH2COOH＋2H2O＋CO2→4CH3COOH＋CH4CH3COOH→CH4＋CO2(2）由醇和二氧化碳开形成甲烷2CH3CH2OH＋CO2-2CH3COOH＋CH44CH3OH→3CH4＋CO2＋2H2O(3)由氢还原二氧化碳为甲烷CO2＋H2→CH4＋2H2O沼气发酵的三个阶段是相互制约相互协调的，并保持着动态平衡。3.2封闭沼气池试验在实验室试验的基础上，为使研究结果更符合填埋场实际，我们在垃圾填埋场又进行了沼气池填埋试验和单元填埋取气试验。研究试验方法如下：3.2.1沼气池试验我们开始在垃圾场上建了三个地下式全封闭砖结构沼气池子，每个2m3，填上垃圾监测后发现，反应很不明显，沼气时有时无。经查阅资料和研究发现，主要原因一是沼气池容积较小，二是沼气池封闭不严，找到原因后，我们重新建了两个砖砼结构沼气池，两池装填垃圾成份表4。表4沼气也装填垃圾成份3、图4为沼气温度和PH值变化曲线，图5、图6为两池中各种气体含量变化曲线。图3沼气池温度变化曲线图4渗滤液中PH随时间变化曲线图51＃池中各种气体含量变化曲线图62＃池中各种气体含量变化曲线通过研究图中曲线，我们可看出：①池内温度受外界影响较大（虽然在地下），池内温度高产气量就多，当温度下降时产气量也随之下降，最佳的产气温度在30℃。②PH值最初呈微酸性，随着垃圾的分解发酵，逐渐过渡到产酸阶段，这时PH值呈微酸性，最后产气阶段又恢复中性偏碱。③从两个池子对比来看，1＃池有机物高于2＃池，所以我们监测也是1＃池的产气量始终高于2＃池，即相同条件下有机物高产气量就多。④水份对垃圾产沼是很重要的，据资料报导，含水率20%－100%，沼气都是可以产生的，但通过我们试验观察，垃圾产沼含水率在45-70%范围内是最佳范围，所以说垃圾场渗滤液的回灌对产沼是有很大益处的，即可以调节垃圾含水率，又可以减少渗滤液的处理量。4.经济效益和社会效益4．1经济效益预测根据国外研究开发的填埋场产甲烷统计模型，IPCC模型（该模型由政府气候变化委员会IntrngorenmentalPanelonClimateChang简称IPCC提出）推荐的计算公式：Ech4＝MSW×η×DOC×R×（16/12）×0.5式中:MSW－城市生活垃圾量(T)η－填埋垃圾占生活垃圾总量的百分比DOC－垃圾中可降解有机碳的含量％(IPCC推荐发展中国家取值15%)R－垃圾中可降解有机碳的百分率（IPCC推荐值77％）16/12－为CH4和C的转换系数0.5－为CH4中碳与总碳的比率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，我们用该模型计算牡丹江市垃圾无害化处理场封场后产生的CH4量。该垃圾填埋场总容量1500万m3，按压实度0.8t/m3计算，实际可填埋1200万吨垃圾，代入上式计算：Ech4＝1.2×107×15％×77％×16/12×0.5＝92.4万吨换算成体积V＝92400×1000÷1.095亿m3＝8.44亿m3牡丹江市垃圾填埋场可使用40年，理论上平均每年可产CH42110万m3，如果CH4按0.8元／m3计算，每年可创产值1688万元。但实际上是有差距的，若按收集率30%、实际利用率85%、每立方米0.8元算，可创产值8.44×30%×x0.85×0.8＝1.72亿元，平均每年创产值430.4万元，这些沼气完全燃烧后相当于2.79亿立方煤气，1.34亿公升汽油、2.54万吨原煤产生的热量，可发电3.64亿千瓦。通过计算可以看出，垃圾填埋场回收沼气是大有发展的，而且是有利可图的。根资料介绍，根据近年我国垃圾填埋数据，对全国垃圾填埋场CH4产生量进行预测：图7我国垃圾填埋年度CH4产生量从图中可看出，到2020年，我国填埋垃圾CH4产生量将比2000年增加近2倍，达到120亿m3。从全国的市场看，垃圾填埋场是一个潜在的能源基地，从广义上讲垃圾填埋场不再是一个藏污纳垢和造成危害的根源，而是一个聚宝盆一种新型能源——清洁能源的诞生地、储备库。4.2环境效益分析随着我国社会经济的持续发展，城市化进程和城市人口的增加，垃圾的产量逐年增加，有机物含量也呈上升趋势。在今后相当长一段时间内，我国垃圾处理仍将是以卫生填埋为主，从而导致CH4的排放量迅速增加。如果不能得到及时有效的控制和利用，温室气体造成的影响和损失将是不可估量的，也是无法挽回的。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排放量的作用不亚于CO2。我国城市生活垃圾的产量已超过1.2万吨，目前大部分是采用卫生填埋法处理垃圾，每年产生的CH4量很多（目前我国在垃圾填埋场产CH4预测和评价研究方面刚刚起步，尚缺乏准确的预测方法和评价数据），仅牡丹江市每年CH4产生量就达2110万m3，如果不采取措施加以控制势必造成大气污染，而且这些气体，埋藏在垃圾场中，将来会带来隐患，如果将它们回收利用变废为宝，可以达到一举两得的利益。因此无论是从环保的角度，还是从能源再生利用角度考虑，沼气回收利用都是利在当代，功在千秋的大好事，不仅有可观的经济益效，而且有非常显著的社会效益、环境效益。