小型填埋场填埋气体收集和利用探讨

文/黄春(黑龙江省城市规划勘测设计研究院)

1.前言

随着我国经济建设的快速发展，环境可持续发展问题也越来越引起人们的关注和重视，创造一个整洁、优美的工作环境和生活环境是一个现代化城市的重要标志之一。生活生产垃圾是伴随着人类的生产、生活而产生的，随着工业化和城市化的推进，城市人民的物质文化水平日益提高，垃圾的产量和成份也迅速增加和变化。在当今世界上，处理垃圾的难度越来越大，给城市的发展和管理带来了新的困难，直接或间接地影响着生态环境，对居民的健康和生存构成了严重威协。我国城市垃圾的处理方法目前还比较落后，其主要方法是填埋，约占整个垃圾处理方法的95%以上。因此，小型填埋场可能产生的污染问题、爆炸问题应引起我们足够的重视，目前，我国所采用的填埋方法基本上是随意堆放的方法，未经无害化处理。在填埋过程中，由于厌氧分解产生大量的甲烷气体，如果不加以收集处理就会发出臭味并可能产生火灾危险。同时，该气体中含有高浓度的甲烷气体是一种有效的资源。本文就小型填埋场填埋气体的收集和利用进行初步探讨。

2.小型填埋场填埋气体的产生

生活垃圾包括居民家庭、道路清扫、商业营业垃圾、企事业单位以及公共场所等产生的垃圾，亦有一部分工业垃圾和建筑垃圾混杂其中。因此在投入填埋场的垃圾中，含有相当丰富的有机物质。通常，家庭垃圾中，含有水果皮、食物残渣、菜叶、纸张、毛皮等有机物。垃圾一旦进入填埋场，微生物的分解过程就开始了。第一步是好氧分解，消耗填埋场中的氧气，产生大量的热。第二步进行厌氧分解，产生沼气。作为垃圾本身的生物厌氧降解过程，其最终产物主要是CO2和CH4。垃圾被填埋的初期，有机物分解产生的废气主要是CO2，经过一段时间以后，气体中的甲烷成分逐渐上升，产气高峰一般要在垃圾填埋3～5年之后才出现，而废气中CH4含量较高时会引起爆炸。因此，做好填埋场气体的收集是一项很重要的工作。

3.小型填埋场填埋气体的收集系统

填埋场中有机垃圾的生物降解分为好氧阶段、厌氧阶段，厌氧甲烷不稳定阶段，厌氧甲烷稳定阶段四个过程，前三个阶段的持续时间为180～500d，而厌氧甲烷阶段的稳定时间可持续多年，这主要取决于垃圾构成、填埋深度、气候条件和土壤类型等条件，在稳定阶段甲烷爆炸的报道已有多起，从而决定了导气系统的设计便成为垃圾卫生填埋的重要环节。小型垃圾填埋场为确保该垃圾填埋场的安全运行，仍设置导气系统。 可在场内设置64个导气竖管，每个导气竖管的服务半径为20m，导气竖管与场底水平收排渗系统相连，起导气及垂直收渗双重作用，导气竖管随着垃圾堆高而加高。为避免操作机械对导气竖管的碰撞，以保护导气竖管的稳定，同时亦为加强导气效果，在导气竖管的外侧设置石笼。导气竖管高出卫生填埋场封场面2m。垃圾填埋场内产生的气体，借压差流向特定的气体收集井，从收集井通过气体收集管引至集气柜，气体由集气柜输往气体收集站。根据废气的不同用途进行净化处理。气体的收集通过设置于填埋场竖井中垂直带孔管道收集竖井，每隔40～50 m设置一个，每3～5个收集井设置一个集气柜，组成一组输送系统，每个集气柜设有独立的管道接至收集站。集气柜可以互组联通，以便处理故障和检修。为有效地抽出井中气，井里应保持约20 kPa的负压，并以此考虑管道设计和设备的选择。竖井中的吸引管用高密度聚乙烯制造，直径100～150 mm，吸引管上有透气的小孔，垂直安装在直径为0.5 m的竖井中，为防止其客观存在气体渗透进入填埋场表层，吸引管上部3 m没有小孔，为增加吸收面积，吸引管周围装有过滤砾石。来自竖井中的气体含有水蒸汽，所以水平管道应逐渐向竖井方向倾斜，以便使冷凝液返回竖井，在一些管道的最低点，设置冷凝水收集装置。

4.填埋气体的再利用

垃圾填埋气体在所有的垃圾填埋场中都有产生。垃圾填埋气体的典型成分如下：甲烷45%-60%，二氧化碳40%-60%，氢0%-0.2%，氮2%-5%，硫化氢0%-1.0%，一氧化碳0%-0.2%。如果垃圾填埋气体得不到适当的收集和处理，将会带来一系列直接或潜在的危害。甲烷是一种易燃易爆的气体，当甲烷在空气中的浓度达到5%—15%时，遇火就会爆炸。填埋场内产生的大量气体无规则地随处迁移和扩散，会形成爆炸和火灾的隐患；气体中微量浓度的硫化氢和硫醇等化合物是产生臭气之源。另外，垃圾填埋气体中还可能含有一些有毒有害的挥发性有机气体如二甲苯、含卤化合物等，长期与之接触可以使人致癌。据估计，全世界每年排放的甲烷量大约为5亿吨，其中有2200—3600万吨来自城市垃圾填埋场。采用先进技术开展垃圾填埋气的利用，不但可以有效避免因无序迁移和排放带来的危害，而且可以化害为利，将污染环境的气体作为可再生资源转化成清洁能源，并对遏制地球气候变暖的趋势作出重要贡献。

美国是较早开展垃圾填埋气体回收利用的国家，每年可从垃圾中回收填埋气体达5×109m3，世界范围内的回收可达3.0×1010m3，而我国只是近两年来才开始这方面的试验研究，其初步研究结果表明：垃圾填埋气体可作为一种利用价值较高的燃料。沼气回收利用在我国是可行的，并有广阔的应用前景。目前世界上共有20多个国家的270多个垃圾填埋场安装了填埋气体的回收利用装置，利用途径包括：直接燃烧获取热量，或通过燃烧产生蒸汽用于生活或工业供热；通过燃气内燃机发电；作为运输工具的动力燃料；经脱水净化处理后用作管道煤气；用于CO2工业；另外还可用于制造甲醇的原料或用于垃圾填埋场本身渗滤液的蒸发处理等。其中发电、民用燃料和汽车燃料是三种最为普遍的利用方式。近年来，国内垃圾填埋场逐渐重视垃圾填埋气体的收集和管理，有些垃圾场采用主动式填埋气体集中回收燃烧系统；有些为将填埋气体作为清洁的可替代能源进行回收综合利用而建设了填埋气体发电厂等项目；杭州市天子岭、无锡市桃花山、南京市水阁、广州市大田山等垃圾填埋场利用垃圾填埋气体发电上网销售；鞍山市羊耳峪垃圾填埋场垃圾填埋气体净化后用于汽车燃料，马鞍山市向山垃圾填埋场的垃圾填埋气体的利用方式则分为两部分：一是建立集中的医疗垃圾焚烧站，利用填埋气体焚烧医疗垃圾；二是通过输气管道，向附近的炸药厂锅炉提供燃料等等。要高效地收集填埋气，必须改善其收集方式，变被动排放系统为主动收集系统。根据填埋场气体勘探情况，在垃圾堆体上合理布局，垂直钻孔打井或铺设水平收集管网，通过管网抽气输送到处理和应用设备，进行相应的利用。同时，为了最大限度地达到气体收集，填埋场还应采取防渗、覆盖、排水等措施，因此必须加强填埋场的气体收集的规范管理。