普通全過程分階段動力學(xué)模型產(chǎn)甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，張家口 075000)

普通全過程分階段動力學(xué)模型產(chǎn)甲烷量估算

王 登 玉

(河北建筑工程學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，張家口 075000)

普通全過程分階段動力學(xué)模型包括AWAST level 1模型、德國模型、盧廷浩等研究中提到的的兩階段動力學(xué)模型.用普通全過程分階段動力學(xué)模型估算了廣州某生活垃圾填埋場的產(chǎn)甲烷量.結(jié)果表明，盧廷浩研究中提到模型的估算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AWAST level 1模型和德國模型估算值；德國模型估算值與實(shí)測值最接近，但用于較精確估算還需對模型本身做更好的改進(jìn).修正后的德國模型可用性大大增強(qiáng).

全過程分階段；動力學(xué)模型；產(chǎn)甲烷量；估算

0 引 言

全過程分階段動力學(xué)模型[1]是指將填埋場中產(chǎn)甲烷的整個過程分為若干不同階段，每個階段逐年產(chǎn)甲烷量用不同表達(dá)式表示的模型.這類模型按照生活垃圾是否分類，分為普通模型和多降解類型模型.普通模型不考慮垃圾分類，多降解類型模型將垃圾分為快速降解、中等降解和慢速降解組分等不同的類型.普通模型包括AWAST level 1模型、德國模型、盧廷浩等研究中提到的的兩階段動力學(xué)模型.多降解類型模型包括Palos Verdes模型、Emcon MGM模型、GAS FILL模型和LFGGEN模型.本文以廣州某生活垃圾填埋場填埋的生活垃圾為研究對象，用全過程分階段動力學(xué)模型中普通模型估算填埋場從開始運(yùn)行到2010年底填埋生活垃圾的產(chǎn)甲烷量.

1 模型介紹

AWAST level 1模型[2]是AWAST項(xiàng)目(歐洲城市固體廢物處理全球性、可持續(xù)方法比較和管理方面的援助項(xiàng)目)推出的填埋氣估算模型.AWAST項(xiàng)目共推出兩款填埋氣估算模型，分別是level 0和level 1.level 0應(yīng)用于廢物管理系統(tǒng)的全球性估算，本款為level 1模型，適合具體的模擬估算.該模型的逐年產(chǎn)甲烷量衰減形式除了和垃圾自身的性質(zhì)有關(guān)外，還與填埋場運(yùn)行年限和最大產(chǎn)甲烷量年限有關(guān)，產(chǎn)甲烷期由兩個階段組成，分別是指數(shù)上升階段和指數(shù)下降階段；德國模型[3]產(chǎn)甲烷量估算考慮了填埋垃圾溫度、年填埋量、有機(jī)垃圾的物理組成等，未將有機(jī)垃圾分類，以填埋場封場年限為界，將整個產(chǎn)甲烷期分為兩階段，不同階段的逐年產(chǎn)甲烷量呈不同的指數(shù)衰減形式；盧廷浩與錢學(xué)德研究采用的兩階段動力學(xué)模型[4]也以封場年限為界，但每個階段逐年產(chǎn)甲烷量的估算形式比德國模型更為簡單；AWAST level 1模型、德國模型和盧廷浩與錢學(xué)德等提到的兩階段動力學(xué)模型的共同點(diǎn)是在產(chǎn)甲烷量的影響因素中，都未考慮將有機(jī)垃圾分類，因而估算過程簡單.各模型的表達(dá)式如表1所示.

表1 模型表達(dá)式

表1中，Q-逐年產(chǎn)甲烷量，m3kg-1a-1；t-垃圾填埋時間，a；te-填埋場封場年限，a；gmax，Gt,L0-最大產(chǎn)氣速率，m3kg-1a-1；k1-無因次系數(shù)；k*，k-可生物降解系數(shù)a-1；tmax-最大產(chǎn)氣速率對應(yīng)時間，a；τ-產(chǎn)氣時間，a.所有下文重復(fù)出現(xiàn)的符號含義相同.

2 產(chǎn)甲烷量估算

2.1 背景資料

在國內(nèi)諸多填埋氣產(chǎn)氣量的研究中，暨南大學(xué)較完整地研究了廣州某生活垃圾填埋場，積累了豐富的基礎(chǔ)資料，本文以其中的一些作為產(chǎn)甲烷量估算的背景資料.廣州某生活垃圾填埋場是山谷型填埋場[5]，設(shè)計(jì)日處理垃圾2000噸，使用年限22年.實(shí)際日填埋量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值，該填埋場從2002年8月開始運(yùn)營，到2010年12月止，共填埋生活垃圾1.9×107噸.期間各年填埋量分別是13×104噸、134×104噸、221×104噸、236×104噸、217×104噸、239×104噸、255×104噸、288×104噸和301×104噸.2010年趙超等[6]通過實(shí)測計(jì)算，得到該填埋場該年甲烷的實(shí)際收集量為1.75×107m3.生活垃圾的性質(zhì)如表2所示.

表2 填埋場垃圾的性質(zhì)

2.2 參數(shù)確定

gmax,Gt,L0雖均為最大產(chǎn)甲烷速率，但由于計(jì)算基準(zhǔn)不同，其表達(dá)式及相應(yīng)的值有所區(qū)別.AWAST模型中，gmax=k*bL0，k1=ln(gmax/0.01)/tmax，k*=ln2/t1/2.其中b為可生物降解有機(jī)垃圾的比率，%；t1/2為半衰期，即可降解有機(jī)物含量降低到初始含量一半時經(jīng)歷的時間，a.德國模型中，Gt=0.00274×(θ+18)×d×Vc，θ為填埋垃圾的平均溫度，℃；d為擴(kuò)散損失率，%；Vc為有機(jī)碳含量，%；τ=3.32τ1/2.L0=MCF·DOC·DOCF·F·16/12，MCF為甲烷修正因子，DOC為可降解有機(jī)碳含量(kgC/kg垃圾)，DOCF為經(jīng)過異化的可降解有機(jī)碳的比例，F(xiàn)為甲烷在垃圾填埋氣體中的比例.

所需參數(shù)值的確定有兩種方式：根據(jù)已有參考文獻(xiàn)確定和根據(jù)計(jì)算確定.最大產(chǎn)甲烷量對應(yīng)的時間取4.5a；綜合考慮可降解有機(jī)垃圾中易降解、中等降解和難降解組分的比例，確定半衰期采用10年，即t1/2=10a；L0值采用文獻(xiàn)值0.165m3/kg垃圾；d采用文獻(xiàn)值0.5；垃圾堆體溫度取為38 ℃；根據(jù)填埋垃圾的物理性質(zhì)，可計(jì)算得到垃圾含水率為55.81%，可生物降解有機(jī)垃圾包括廚余、草木、紙類、塑料和織物，占93.7%，該生活垃圾有機(jī)碳含量為20.97%；根據(jù)半衰期，可計(jì)算得到產(chǎn)甲烷時間為33.2a，可生物降解系數(shù)為0.0693；Gt、gmax和k1由計(jì)算得到分別為0.0225m3kg-1a-1、0.0107m3kg-1a-1和1.5501a-1.

2.3 結(jié)果與討論

用AWASTlevel1模型、德國模型、盧廷浩等研究中提到的兩階段動力學(xué)模型分別估算廣州某生活垃圾填埋場的產(chǎn)甲烷量，得到各模型產(chǎn)甲烷量的逐年變化曲線如圖1所示.

圖1 不同估算模型逐年產(chǎn)甲烷量

根據(jù)圖1和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，三個模型估算逐年產(chǎn)甲烷量在垃圾填埋當(dāng)年均不產(chǎn)氣，隨時間均經(jīng)歷一個產(chǎn)甲烷量的增加階段和兩個減小階段.但盧廷浩研究中提到模型的逐年產(chǎn)甲烷量估算值最大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩個模型的估算值.這是由于AWASTlevel1模型、德國模型對產(chǎn)甲烷潛能進(jìn)行了更為詳細(xì)的分析和分配，使得結(jié)果更小一些，而盧廷浩研究中提到的模型未對產(chǎn)甲烷潛能隨時間分配，估算結(jié)果很大.

逐年產(chǎn)甲烷量最大估算值出現(xiàn)的時間AWASTlevel1模型為第13年，德國模型和盧廷浩研究中提到的模型為第16年.用零級動力學(xué)模型估算產(chǎn)甲烷量，最大估算值出現(xiàn)的時間均為第8年[7]，由于垃圾填埋資料未收集第8年后的資料，所以可以認(rèn)為該填埋場運(yùn)行期為9年，最大估算值出現(xiàn)在運(yùn)行末期.因此普通全過程分階段動力學(xué)模型最大估算值出現(xiàn)的時間與用零級動力學(xué)模型估算的結(jié)果相比延后了5～8年.這主要是由于前者把產(chǎn)氣階段分成了兩個階段，每個階段都有各自的表達(dá)式；把運(yùn)行期等作為甲烷產(chǎn)量一個重要的影響要素.

2010年產(chǎn)甲烷量按盧廷浩研究中提到的模型、AWASTlevel1模型和德國模型的順序分別為95.563×109m3>0.7788×109m3>0.6227×109m3,與該年的實(shí)測值[6]1.75×107m3相比，德國模型估算值與實(shí)測值最接近，盧廷浩研究中提到模型的估算值則差距太大.雖然德國模型估算值最接近，但其估算值與實(shí)測值的比值為36.為更好地估算產(chǎn)甲烷量，還需對德國模型做更好的改進(jìn).

鑒于只有一年的實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合前述分析，對德國模型做簡單修正，修正公式如式(4)所示：

(4)

由于AWASTlevel1模型、德國模型和盧廷浩與錢學(xué)德等提到的兩階段動力學(xué)模型對產(chǎn)甲烷潛能分配不夠或未分配，使得估算結(jié)果都很大.而估算值與實(shí)測值的比值36恰恰和產(chǎn)甲烷時間33.2接近.因此將估算式(2)修正為式(4)，也即將產(chǎn)甲烷潛能在產(chǎn)甲烷時間內(nèi)平均分配一下.將式(4)用于估算2010年的產(chǎn)甲烷量為1.88×107m3,與該年的實(shí)測值1.75×107m3相比已非常接近，非常適合用于填埋場產(chǎn)甲烷量的估算.

3 結(jié) 論

普通全過程分階段動力學(xué)模型估算產(chǎn)甲烷量，盧廷浩研究中提到模型的估算值與AWASTlevel1模型和德國模型估算值相比，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者；與零級動力學(xué)模型估算值相比，最大估算值出現(xiàn)期延后，原因主要與表達(dá)式考慮運(yùn)行期有關(guān)；德國模型估算值與實(shí)測值最接近，但用于較精確估算還需對模型本身做更好的改進(jìn).修正后的德國模型可用性大大增強(qiáng).

[1]王登玉.垃圾填埋場填埋氣的產(chǎn)氣量估算[J].可再生能源,2013(31)4:112～119

[2]PascaleMichel,SolèneTouzé,YannickMénard(BRGM)(2004).Landfillmodels.Deliverable25to28[M].AWAST:EUProjectNr.EVK4-CT-2000-00015

[3]RWOlF,EAPELT.üL.DeponiegasgewinnunginderDDRambeispielderdeponienscheicheundschwerborn[M].Berlin,Germany:AxelSpringerAG,1990.432

[4]盧廷浩,錢學(xué)德,郭志平.固體廢棄物填埋場產(chǎn)氣率的估算.安全與環(huán)境學(xué)報[J].2002,2(6):26～28

[5]陳曉梅.城市生活垃圾填埋場甲烷利用研究[D].廣州:暨南大學(xué).2011

[6]趙超,趙玲,陳曉梅等.城市生活垃圾填埋場甲烷收集效率研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012,32(4):955～959

[7]王登玉,賈躍然,王淑娜.零級動力學(xué)模型產(chǎn)甲烷量估算值與實(shí)測值的比較研究[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報,2015,33(2):91～94

Estimation of Methane Production with General Whole Process and Staged Dynamic Models

WANGDeng-yu

(College of Energy and Environment Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

The general whole process and staged dynamic models include AWAST level 1model,DDR model and the two-stage dynamic model mentioned by Lu-Tinghao.Methane production of one landfill in Guangzhou is estimated with general whole process and staged dynamic models.The results show that the values estimated with the two-stage dynamic model mentioned by Lu-Tinghao are more than those estimated with DDR model and AWAST level 1model;the values estimated with DDR model are most close to the measured values,and this model needs to be improved for more accurate estimation.The availability of revised DDR model is greatly enhanced.

whole process and staged;dynamic models;methane production;estimation

2016-04-25

河北省建設(shè)科技研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(2013-215)

王登玉(1972-)，男，碩士，講師，主要從事固體廢物處理與處置的教學(xué)與研究工作.

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