西藏日喀則市垃圾填埋場甲烷產(chǎn)量預(yù)測及資源化利用研究

周鵬，周文武，窮達卓瑪，汪晶，李揚，旦增

（西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏拉薩市850000）

伴隨著城市化的快速發(fā)展，我國城市生活垃圾處理已成為我國經(jīng)濟發(fā)展面臨的又一個突出問題[1]。相關(guān)研究表明：近幾年我國城市生活垃圾的產(chǎn)生量正以5%～10%的速度逐年遞增[2]，截至2016年底，我國城市生活垃圾年產(chǎn)生量已達2.15億t，約占世界生活垃圾總產(chǎn)量的1/4[3]。而垃圾填埋處理方式因其建設(shè)、運營和管理成本低，對進場垃圾要求低以及操作方便等原因在我國被廣泛應(yīng)用[4]，截至2016年底，我國城市生活垃圾的61.7%主要以衛(wèi)生填埋的方式進行處理[5]。垃圾填埋場在投入運營期間產(chǎn)生的垃圾滲濾液和填埋氣體等對周邊環(huán)境造成較高的二次污染風(fēng)險。如填埋氣體，其主要成分甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）：（1）CH4的溫室效應(yīng)影響是CO2的21倍，將對全球氣候造成不利影響[6-8]；（2）甲烷是易燃氣體，當(dāng)其在空氣中體積分數(shù)達到 5%～15% 時，極易發(fā)生爆炸[9，10]；（3）填埋氣體中的揮發(fā)性有機化合物毒性較大，對附近居民的健康具有較高的危害性；（4）填埋氣體會遷移至土壤，造成植物根系缺氧，影響植物生長等[9，10]。同時，填埋氣體也可以作為一種清潔的可再生能源利用，研究表明：CH4在填埋氣中占 45%～50%，總發(fā)熱量可達40020 kJ/m3，是一種利用價值較高的清潔燃料[11，12]。

西藏作為我國國家重要生態(tài)安全屏障,其生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護一直備受關(guān)注[13]。然而，由于西藏地廣人稀、鄉(xiāng)鎮(zhèn)間距甚遠的特點，生活垃圾運輸、處理和管理不利，致使西藏地區(qū)城鎮(zhèn)生活垃圾主要以填埋方式進行處理處置[14]，覆蓋全區(qū)七地（市）各縣。據(jù)西藏自治區(qū)住建廳相關(guān)統(tǒng)計資料，西藏地區(qū)已建設(shè)運營了104座生活垃圾衛(wèi)生填埋場。通過對日喀則市生活垃圾填埋場甲烷產(chǎn)生量進行預(yù)測評估，探究其綜合利用方式，可減少廢氣排放，營造良好的區(qū)域生態(tài)環(huán)境；可節(jié)約資源、提高資源利用率，對城市垃圾資源化利用具有重要意義，也是減少溫室氣體的有效途徑。

1 填埋場概況

日喀則市垃圾填埋場所在區(qū)域?qū)俑咴瓬貛О敫珊禋夂?，年均降雨量?39 mm，年均蒸發(fā)量為2448 mm，年均日照時間為3233 h。填埋場位于距日喀則市城南辦事處曲夏居委會多林溝內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)：88°55′18.23″—88°55′35.16″，北緯：29°17′55.37″—29°18′16.63″，海拔約 3860 m。該垃圾填埋場采用分區(qū)、分格堆置法，垃圾進場先經(jīng)計算稱重后，按預(yù)先劃好的區(qū)、格卸下，再用推土機將其推平攤鋪均勻，垃圾壓實機壓實后覆土。其總庫區(qū)面積約15萬m2。由于日喀則市人口數(shù)量少（2000年建場，2010年約16.4萬人），垃圾收集、運輸機械化程度低，初期建設(shè)庫容量約為125萬m3，垃圾日處理量為155 t左右；隨著日喀則市的經(jīng)濟發(fā)展、機械化程度的提高以及衛(wèi)生配套設(shè)施的完善，垃圾收運效率將會有很大提高，此外，預(yù)計2010年日喀則市總?cè)丝跀?shù)量將達到25萬人，因此，2012年場區(qū)進行了改擴建工程，擴建庫容量達到了215萬m3，垃圾日處理量為267 t左右，2020年投入運營，設(shè)計使用年限為20年。

2 生活垃圾組分及產(chǎn)生量

2.1 生活垃圾組分

由于目前對日喀則市生活垃圾組分調(diào)查分析的研究較少，日喀則作為西藏自治區(qū)第二大城市（拉薩為西藏自治區(qū)首府），兩者生活水平、飲食結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)等相差不大，因此，借鑒、引用旦增等教授[15]“西藏拉薩市市區(qū)生活垃圾物理特性分析”的研究結(jié)果為文中的分析評估依據(jù)，其組分詳細見表1。

表1 拉薩市生活垃圾組分表 %

2.2 生活垃圾產(chǎn)生量（估算）

依據(jù)西藏日喀則市生活垃圾填埋場一期和二期工程環(huán)境影響評價文件以及第五次和第六次全國人口普查數(shù)據(jù)：2000年日喀則市常住人口約10萬人；2010年約17萬人；2020年約50萬人；2010年日喀則市區(qū)垃圾產(chǎn)生量約194 t/d，清運量約155 t/d；2020年垃圾產(chǎn)生量約295 t/d，清運量約267 t/d，此外，日喀則市生活垃圾填埋場也是附近部分縣域生活垃圾傾倒場。結(jié)合填埋場實際進場垃圾量，期間生活垃圾清運量變化如表2所示。

表2 日喀則市生活垃圾填埋場進場垃圾量預(yù)測

3 研究方法及數(shù)據(jù)來源

目前國內(nèi)外關(guān)于填埋場CH4排放量的計算模型主要有動力學(xué)模型（包括Gardner動力學(xué)模型和Marticoren動力學(xué)模型）[16]和統(tǒng)計模型（包括IPCC模型、化學(xué)計量式模型）[16]兩種類型[17]。IPCC模型是聯(lián)合國政府間氣候變化委員會《國家溫室氣體排放清單》中提出的填埋氣產(chǎn)生量估算模型[18]，用于計算某一垃圾統(tǒng)計量最終產(chǎn)生的甲烷總量。其評價模型如下：

式中：Q 為第 t年產(chǎn)生的 CH4量，m3/a；DOC（t）為某年可降解有機碳。

劉桐武等[19]對中國城市生活垃圾中可降解有機碳成分進行了相關(guān)研究，將我國垃圾降解有機碳分為5類：廚余垃圾（A）、紙類（B）、織物（C）、竹木（D）、灰渣（E），計算公式如下：

此外，參考國內(nèi)相關(guān)研究，取值0.09；其他相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 IPCC一階衰減模型參數(shù)的意義及取值方法

4 結(jié)果與討論

4.1 甲烷產(chǎn)生量預(yù)測結(jié)果

依照IPCC預(yù)測模型，對日喀則市垃圾填埋場自封場后甲烷產(chǎn)生量進行了預(yù)測評估，結(jié)果如表4所示。

表4 甲烷產(chǎn)生量變化趨勢

結(jié)果表明：日喀則市垃圾填埋場在2020年封場之后，其甲烷氣體的產(chǎn)氣量緩慢下降，2021年產(chǎn)氣量為387.49 m3/h，今后10年其平均產(chǎn)氣量為225.286萬m3/a。

4.2 甲烷的回收價值及效益評估

（1）填埋氣體中甲烷的能源效益評估，首先應(yīng)通過相關(guān)模型計算其是否具有回收利用價值。其主要依據(jù)為甲烷導(dǎo)致的溫室效應(yīng)是CO2的21倍，可以通過計算甲烷收集、回收利用后可獲得的CO2減排量（以CO2當(dāng)量計）來衡量其利用價值大小，其計算公式如下[18，23，24]：

式中：TAvail·CO2eq為總減排量，以 CO2當(dāng)量噸數(shù)計；AF 為調(diào)整因子（本研究為0%）；%VOL為甲烷在填埋氣中所占的百分比；QAvail為填埋氣總量；ρCH4為甲烷密度，0.0007168 t/m3。

由于降水、溫度等因素導(dǎo)致甲烷實際收集量一般小于理論收集量，一般實際收集率在40%～60%，文中取值60%。結(jié)果表明：以2021年為研究基準(zhǔn)年，甲烷焚燒利用，可使得當(dāng)年CO2排放量減少729.6 t；自2021—2030年，CO2排放量減少 4844 t。

（2）相關(guān)研究表明：垃圾填埋場填埋氣體的熱值約為18 MJ/m3（甲烷體積分數(shù)為50%），則1 m3填埋氣體的熱能相當(dāng)于1.5 kW·h電能[25]。日喀則市生活垃圾填埋場填埋氣體經(jīng)焚燒發(fā)電產(chǎn)生的電能見表5。

表5 日喀則垃圾填埋場填埋氣體發(fā)電能力預(yù)測

結(jié)果表明：理論上近10年內(nèi)，日喀則市垃圾填埋場填埋氣體經(jīng)焚燒發(fā)電可產(chǎn)生231.45 kW/h的電能。但是，由于填埋場整體產(chǎn)氣量較少，發(fā)電機組的負荷較低，因此，日喀則市垃圾填埋場不適宜進行填埋氣發(fā)電項目，需要采用其他方式收集和處理填埋氣體。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

通過對日喀則市垃圾填埋場填埋氣體排放量進行預(yù)測評估，得出以下結(jié)論。

（1）日喀則市垃圾填埋場自封場后填埋氣體產(chǎn)生量將逐年減少，近10年產(chǎn)氣量約2252.86萬m3，平均產(chǎn)氣量為225.286萬m3/a。

（2）日喀則市垃圾填埋場填埋氣體經(jīng)焚燒后可減少CO2排放量約4844 t（以CO2當(dāng)量計），對減少溫室氣體的排放、營造良好的氣候環(huán)境具有重要意義。

（3）經(jīng)評估分析，西藏日喀則市垃圾填埋場填埋氣體不適宜進行焚燒發(fā)電，其甲烷氣體產(chǎn)生量不能滿足發(fā)電機組工作負荷，需采取其他處理方式。

5.2 建議

通過查閱相關(guān)文獻資料發(fā)現(xiàn)，垃圾填埋場填埋氣的利用方式主要有：甲烷燃燒發(fā)電將其轉(zhuǎn)換成電能；甲烷和燃煤聯(lián)合發(fā)電；直接用作鍋爐、窯爐等的加熱燃料；凈化后與城市天然氣/煤氣混合作民用燃料；凈化和壓縮后作為汽車燃料；作化工材料、燃料電池等利用方式[26-28]。其中心理念為收集回收利用甲烷氣體，提高資源利用率，降低填埋氣體及其他成分造成的大氣環(huán)境污染。結(jié)合文中預(yù)測評價結(jié)果、日喀則垃圾填埋場現(xiàn)狀及環(huán)保理念，建議日喀則市垃圾填埋場填埋氣體采用火炬焚燒的方式進行處理，以減少大部分甲烷對環(huán)境的影響。