填埋气的收集与利用

填埋场气的收集与利用

陈晓东

（南昌有色冶金设计研究院330002）

[内容摘要]论述了填埋场气的产生、主要成分及其特性，提出了填埋场气产气量和收集量的估算方法，简要介绍了收集系统的设计，对填埋场气的处理和利用提出了设想。

[关键词]填埋场气收集利用

一概述

随着国民经济的发展，人民生活水平日益提高，城市人口的不断增长，城市生活垃圾越来越多，垃圾成份日益复杂多样,一种是生活垃圾，包括居民生活垃圾、商业垃圾、集市贸易垃圾、街道垃圾、公共场所垃圾和机关、学校、厂矿等单位的生活垃圾；一种是建筑废弃物，包括建筑残土、砖瓦石陶瓷等残碎物、废水泥及水泥制品残碎物和废砂及其它建材残弃物。其中生活垃圾含有有机物。为了防止垃圾对环境造成污染，必须对垃圾进行处理如卫生填埋、堆肥及焚烧等。但填埋场在一定的条件下会产生填埋场气，该气体具有易燃易爆的性质，同时还蕴藏着丰富的能量。为保证填埋场的安全和尽可能的回收能源，变废为宝，因而有必要对填埋场气加以收集，进行处理和利用。

二填埋场气的产生、主要成分和特性

（一）填埋场气的产生

填埋场气的产生与很多因素有关，包括垃圾的成分、ＰＨ值及其堆积量、填埋场的水分、温度及填埋年份等。在一定的条件下，如适当的水份、温度及酸碱度，垃圾中的有机物经过生物化学反应后，使填埋场产生大量的气体，通常称为填埋场气。国外资料一般称为LFG（landfill gas）。由于其主要成分和热值近似于沼气，也有文章称其为“沼气”。

据国内外有关资料介绍，产生填埋场气的生物化学反应分为以下四个阶段。

第一阶段为好氧生物分解，可能持续几周，主要成分是氮、氧和二氧化碳。氧气是从周围大气被垃圾带入填埋场的，经过一段时间的生物化学反应后而被逐渐被耗尽。二氧化碳将随时间的推移而迅速产生。

第二阶段为厌氧生物分解，为不产甲烷期，氮特别是氧的百分数下降很快，直到氧气耗尽进入厌氧反应阶段。本阶段的主要成分是氢、氮和二氧化碳。

第三阶段为厌氧生物分解，为产甲烷的不稳定期，二氧化碳和氮的百分数显著下降，氢和氧的浓度趋于零，甲烷的百分数很快上升。

第四阶段为厌氧生物分解，为产甲烷的假稳定期。这个阶段的甲烷、二氧化碳和氮的百分数

达到了稳定的数值。甲烷的百分数在达到了高峰值后开始下降。经过较长的一段时间后，当垃圾中的有机物被消耗完后，便不再产生任何气体。

（二）填埋场气的主要成分

填埋场气的成分是随着填埋场气产生的不同阶段而变化的，换句话说是随着填埋年份而变化的；同时填埋场气的成分还与垃圾的成分有关，是一个变数，从理论上来说是一个非常难确定的数值。

我院一九九三年四月所作《深圳市下坪垃圾卫生填埋场初步设计说明书》中填埋场气主要成分见表1.1。填埋场气的热值（40℃时）为18900kJ／m3。

《水利水电科技进展》一九九七年四月钱学德和郭志平合著的“填埋场气体收集系统”一文中的气体主要成份见表1.2。

建设部同济大学环卫机械研究所与深圳市卫生管理处于一九九六年七月所作的《深圳市玉龙坑垃圾填埋场安全防范研究》中的气体成份见表1.3。

一般的填埋场气的气体成份随时间而变化的规律见图1──填埋场气成分随时间变化图。

一般而言，填埋场气的热值约在18850 kJ／m3(4500kcal/m3 )上下。

（三）填埋场气的特性

1、易燃易爆性：由于气体中甲烷含量较高，为可燃气体。如不加以收集和控制，就很容易引起火灾和爆炸。

2、有毒有恶臭气味：是由于沼气中含有硫化氢、一氧化碳和硫醇等。

3、甲烷、二氧化碳和氮气会使人窒息。

三填埋场气的产生量和收集量

正确掌握填埋场气的产气规律及其产生量和收集量，才可以对其进行收集处理和加以利用，选择设备，确定合理的工艺流程，进行技术经济分析。

对于某一特定的垃圾填埋场而言，其产气量取决于填埋年份和垃圾中的可降解有机物的数量和品质，但是要正确的测出任何一个填埋场的产气量都很困难，因此只能通过下列经验数据或经验公式来估算。

（一）通过经验数据来估算

美国人Amalendu Bagchi所著《废弃物填埋场的设计、施工和监测》一书中提到甲烷的产气速率为2.5～15.0ｌ／ｋｇ·年。

同济大学环卫机械研究所与深圳市卫生管理处于1996年7月所作的《深圳市玉龙坑垃圾填埋场安全防范研究》中提到的产气率为17×10-6 m3 ／kg·d，换算为6.205ｌ／ｋｇ·年，生活垃圾的产气量为0.37m3 ／ｋｇ。

用垃圾总量与上述产气速率相乘，就可以得到每年的产气量。

（二）通过经验公式来估算

可以通过下经验公式计算产气量。

1、当知道填埋物的有机含碳量时：

Ｇｔ＝1.868×TOC×（0.014×Ｔ＋0.28）───────（1）

式中，Ｇｔ──长时间产生的总气体量，m3／ton垃圾；

TOC ──总有机碳，kg／ton垃圾，其经验值为150～200；

Ｔ──温度，℃。

2、产气量随时间变化的计算：

Ｇａ＝Ｇｔ×（1－１０－ｋｔ）─────────（2）

式中，Ｇｔ──至ｔ年为止的产气量，m3／ton垃圾；

Ｋ──TOC衰减常数，其值在0.025～0.050之间，

ｔ──至ｔ年为止，气体产生时间，年。

3、对于特定t年之产气量的计算：

Ｇb＝Ｇｔ×（１０ｋ－1）×１０－ｋｔ────────（3）

式中，Ｇb ──在第ｔ年的产气量，m3／ton垃圾；

Ｋ──TOC衰减常数，其值在0.025～0.050之间，其它符号同上。

通过以上计算公式计算出填埋场气逐年的变化量。由于各种原因，填埋场所产生的气体不能完全被收集，实际收集的气体量为理论产气量的11～39％。一般计算时可取20～25％。

四填埋场气的收集系统

（一）收集系统的作用

首先，填埋场气是填埋场的必然产物，如不有效地加以收集和控制，极易发生火灾和爆炸事故，造成损失。因而填埋场必须设置气体收集和输导等控制系统，以保证填埋场的安全。

其次，控制气体成份，提高甲烷的含量，为填埋场气的有效利用提供基础。

（二）收集系统主要设备

填埋场内的气体由于压力不平衡而产生流动，经过收集井的吸收进入收集管，并通过汇流中转器进入输气管后，集中送入收集站。填埋场气在站内进行净化和加压处理后，送入燃气发电站进行发电或进行其他利用。

1、垂直式收集井：较水平式收集井施工方便，造价低，是目前通常采用的收集形式。竖井通常设计为直径在0.6～1.2m之间接，长3m；井内为多孔管，直径在150～200mm范围内，其管材采用耐腐蚀和耐久性的材料如PVC或HDPE，其顶部用盖板密封。收集井的结构见图2──收集井结构示意图。垂直式收集井的作用半径为40～50 m，井间距则在80～100 m，需要注意的是，收集井的定位要使其影响区域相互交迭，如果竖井建在正六边形的角上，则可以得到100%