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。
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。