城市垃圾填埋氣的產(chǎn)生、控制與利用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
0 引言
城市生活垃圾(Municipal solid waste)是在城市日常生活及為城市生活提供服務(wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢棄物，是城市環(huán)境的主要污染物之一。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市人口的增加以及人民生活水平的提高，城市生活垃圾的產(chǎn)量也迅速地增加。目前，我國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)量已達(dá)1.5億噸Π年左右，歷年堆存量達(dá)60多億噸，預(yù)計(jì)城市垃圾產(chǎn)量還將以8%～10%的速度遞增[1]。生活垃圾污染問題已成為一個(gè)十分嚴(yán)峻的社會(huì)及環(huán)境問題。
表1三種垃圾處理方法對(duì)比表
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縱觀全球城市生活垃圾處理技術(shù)現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)，焚燒、堆肥、填埋等是目前常見的處理方式。表1是這三種垃圾處理方式的優(yōu)缺點(diǎn)[2]。從表1中可以看出，盡管填埋法也有其自身的缺點(diǎn)，如選址困難，占地面積大，產(chǎn)生的滲瀝液(leachate)與填埋氣(LFG)會(huì)產(chǎn)生二次污染等，但是它投資省，處理費(fèi)用低，處理量大，回收填埋氣可有一定經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)，而且是城市生活垃圾的最終處置方式，也是焚燒、堆肥等處理技術(shù)不可或缺的重要組成部分。填埋法是目前世界上包括英、美等許多國(guó)家城市生活垃圾處理的主要方法。根據(jù)我國(guó)《城市生活垃圾污染防治技術(shù)政策》，加上社會(huì)財(cái)力、技術(shù)水平等影響，填埋在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)也將是我國(guó)城市生活垃圾處理的主要方式和最終手段。
1 垃圾填埋氣(LFG)的產(chǎn)生
垃圾填埋場(chǎng)里發(fā)生著一系列龐雜的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)，這些反應(yīng)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，一般要幾十年甚至上百年。研究表明，盡管這些反應(yīng)既龐雜而又漫長(zhǎng)，但是垃圾填埋降解過程大致可以分為5個(gè)階段[3]，即Ⅰ.初期調(diào)整階段(Initial adjustment)；Ⅱ.過渡階段(Transition phase)；Ⅲ.酸化階段(Acid phase)；Ⅳ.甲烷發(fā)酵階段(Methane fermentation)及Ⅴ.成熟階段(Maturation phase)。圖1為垃圾填埋降解過程5個(gè)階段的劃分。
2垃圾填埋氣(LFG)的控制
控制系統(tǒng)的作用是減少填埋氣向大氣的排放量和在地下的橫向遷移，并回收利用甲烷等氣體。工程上對(duì)填埋氣的控制手段主要有兩種：被動(dòng)型和主動(dòng)型。
被動(dòng)型氣體控制是利用填埋場(chǎng)內(nèi)部產(chǎn)生氣體的壓力和濃度梯度，將氣體導(dǎo)排入大氣或控制系統(tǒng)。對(duì)于填埋場(chǎng)主要?dú)怏w和微量氣體，被動(dòng)控制是在主要?dú)怏w大量產(chǎn)生時(shí)，為其提高滲透性的通道，使氣體沿設(shè)計(jì)的方向運(yùn)動(dòng)。例如通過由透氣性較好的礫石等材料構(gòu)筑的氣體導(dǎo)排通道，填埋場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的氣體被直接導(dǎo)入大氣、燃燒裝置或氣體利用設(shè)備，它適于頂部、周邊及底部防透氣性能較好的填埋場(chǎng)或僅考慮防止氣體向周邊土壤遷移的填埋場(chǎng)。被動(dòng)型控制只解決了部分環(huán)境問題，如減少爆炸的危險(xiǎn)、防止填埋氣壓力釋放損壞防滲層及阻斷LFG的地表遷移等，尚不能滿足對(duì)氣體進(jìn)行充分回收和利用的要求。
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圖1垃圾填埋降解過程5個(gè)階段劃分
主動(dòng)型氣體控制是通過空氣泵等耗能設(shè)備創(chuàng)造壓力梯度來收集氣體，收集的氣體可進(jìn)行利用，也可直接燃燒。收集系統(tǒng)又可分為垂直收集系統(tǒng)和水平收集系統(tǒng)。垂直收集系統(tǒng)一般在填埋場(chǎng)大部分或全部填埋完成以后，再進(jìn)行鉆孔和安裝，適于分區(qū)填埋的填埋場(chǎng)；而水平收集系統(tǒng)在填埋過程中即進(jìn)行分層安裝，適于分層填埋的填埋場(chǎng)和山谷型自然凹陷的填埋場(chǎng)。主動(dòng)型氣體控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是根據(jù)收集井的影響范圍確定系統(tǒng)的布設(shè)，保證填埋場(chǎng)內(nèi)各部分氣體盡可能完全地被回收。
3垃圾填埋氣(LFG)的利用
填埋氣利用方式的確定，需要綜合考慮多方面的因素，包括：填埋氣的產(chǎn)生量與產(chǎn)氣速率，利用方式的經(jīng)濟(jì)可行性，填埋場(chǎng)內(nèi)部及周邊地區(qū)的能源需求及使用條件等。綜合國(guó)內(nèi)外利用現(xiàn)狀，目前主要有以下幾種利用方式：
(1)做燃?xì)馐褂。一種是作為燃?xì)獗镜厥褂茫蠹淄樽畹蜐舛葹?5%，場(chǎng)內(nèi)使用適于有較大能源需求的填埋場(chǎng)，特別是已經(jīng)使用天然氣的填埋場(chǎng)。另一種是輸入燃?xì)夤艿溃?jīng)過干燥和過濾等凈化處理過程，使甲烷濃度達(dá)到95%以上，要求燃?xì)夤艿谰嗵盥駡?chǎng)較近，并有接收氣體的能力[4]。
(2)發(fā)電。LFG可用于內(nèi)燃機(jī)或氣輪機(jī)發(fā)電，要求甲烷濃度在40%以上，且必須去除填埋氣中的水分和H2S等雜質(zhì)，控制焚燒溫度，以防產(chǎn)生腐蝕和化學(xué)反應(yīng)。從1996年起，荷蘭填埋場(chǎng)氣體的利用量為每年1.15億m3，大部分(約8000萬m3)用于25個(gè)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，其發(fā)電量150兆瓦時(shí)，可以滿足約5萬個(gè)荷蘭家庭的用電量[5]，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益明顯。
(3)作化工原料。LFG中的CH4和CO2可通過物理、化學(xué)吸附方法及膜分離法加以分離，分離出的組分可用作化工原料。隨著未來科技的快速進(jìn)步，以下幾方面都是利用垃圾填埋氣的很有前景的方法：①新型高效垃圾填埋氣燃燒發(fā)電機(jī)和發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)及優(yōu)化運(yùn)行。②新型高效垃圾填埋氣火炬燃燒系的開發(fā)及優(yōu)化運(yùn)行。③垃圾填埋氣提純工藝(如變壓附、膜分離)等的研究。④垃圾填埋氣燃燒熱能用于埋場(chǎng)滲濾液蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的開發(fā)。
參考文獻(xiàn)略
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