于 淼，张 芳，安建杰

（天津市环境卫生工程设计院，天津 300201）

基于垃圾产气速率差异的填埋气体产生量预测模型的探讨

于 淼，张 芳，安建杰

（天津市环境卫生工程设计院，天津 300201）

根据大韩庄垃圾填埋场进场垃圾的特性，对CJJ 133—2009的产气预测模型进行探讨。将垃圾分为快速降解和慢速降解2部分，对产气速率常数分别取值。结果表明：产气峰值发生在封场后的第1年，达到3 029．6万m3/a，封场后第10年产气量降低至峰值的29．0%。与CJJ 133—2009推荐模型相比，填埋期间本研究使用模型的产气量更高，峰值可高出9．8%。封场后该模型产气量的衰减速率也更快，但在第10年后两者的产气量开始逐渐趋同。

填埋气体；产气模型；产气速率常数

CJJ 133—2009生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范推荐的产气量预测模型来源于美国环保局相关标准的背景文件，其以混合垃圾确定1个降解速率常数为依据在国外有着广泛的应用。但我国生活垃圾成分与发达国家存在较大差距，主要体现为垃圾含水率高、厨余垃圾比例较大等，造成垃圾降解周期短，产气高峰出现早，可利用的产气阶段持续时间相对短［1］，不同垃圾组分的降解速率存在差异。而且S．G．Arigala等［2］按照降解能力将垃圾划分为若干组分并建立产气模型，取得较好的预测效果。因此，笔者根据我国垃圾成分的主要特点，充分考虑垃圾中不同组分降解能力的差异，对CJJ 133—2009产气量预测模型进行探讨。

1 研究实例

大韩庄生活垃圾填埋场位于天津市津南区南八里台镇大韩庄村，总占地面积约66．67 hm2。填埋库区采用分期建设形式，其中1号库区于2005年竣工并投入使用，有效库容约400万m3，目前进入地面以上的填埋作业阶段。填埋气体采用被动排放方式，利用导气石笼及导气管作为填埋气体的导出通道，直接排放至大气。

2 研究方法

CJJ 133—2009中认为厨余、纸类、竹木、织物、灰土（含有无法捡出的有机物）等5类可以分解产生填埋气体。其中，厨余垃圾的产气速率较快，能够快速到达产气高峰，属于快速降解垃圾；而纸类、织物、竹木的降解速率较慢，降解周期长，较晚才能到达产气峰值期，属于慢速降解垃圾。本研究将垃圾分为快速、慢速降解垃圾，对两者的降解速率进行讨论，分别计算各组分所产生的填埋气体，并将结果与CJJ 133—2009的推荐方法加以比较分析。

2.1 预测模型

本研究参考 CJJ 133—2009推荐的 Scholl Canyon一维动力学模型，分别计算垃圾中快速、慢速降解成分的理论产气量，见公式（1）：

式中：Gn为填埋场在投运后第n年的填埋气体产气量，m3/a；Mt为填埋场在第t年填埋的垃圾量，t；i=1，2，分别代表快速、慢速降解垃圾；Li为单位质量垃圾中快速（或慢速） 降解成分的最大产气量，m3/t；ki为快速（或慢速）降解垃圾的产气速率常数，a-1；n为自填埋场投运年至计算年的年数，a；f为填埋场封场时的填埋年数，a；t为从垃圾进入填埋场时算起的时间，a。

可以看出，Li和ki的确定是计算理论产气量的关键参数。CJJ 133—2009给出这2个参数的估算方法。

2.2 参数的确定

2.2.1 垃圾填埋量Mt的统计与预测

大韩庄垃圾填埋场2005—2010年累计填埋垃圾约126万t，平均填埋量为21万t/a。根据填埋作业规划，预计2011年垃圾处理量为27万t/a，此后逐年递增5%，使用年限至2018年。本文计算2011—2035年的产气量，以掌握填埋期间及封场的产气变化规律。

2.2.2 垃圾最大产气量Li

CJJ 133—2009中Li的估算采用可生物降解模型，该模型认为可降解垃圾在降解过程中遵循质量守恒原理。填埋气体主要成分是CH4和CO2，因此可近似认为填埋气体是由垃圾中的碳元素转化而来。但垃圾中只有具备可生物降解性的部分能够转化为填埋气体，并且还要考虑可降解有机碳的降解率。其计算公式为：

式中：1．867为有机碳完全转化为CH4和CO2的转化系数；ω为垃圾含水率，%；fj为快速（或慢速） 降解垃圾中第j种成分的比例，%；Cj为干基状态下第j种成分的有机碳含量，%；φj为第j种成分的可降解有机碳降解率，%。

1）垃圾成分。据调查，该填埋场的进场垃圾主要包括津南区、西青区、和平区、河西区、南开区的生活垃圾。参考2009年和2010年《天津市城市生活垃圾调查》，经计算，垃圾平均含水率为57．81%，干基状态下的垃圾各组分的均值见表1。

表1 大韩庄填埋场进场垃圾物理组成的均值 %

2） 可降解有机碳含量Cj。CJJ 133—2009给出了干基状态下的各类成分的Cj推荐值，如表2所示。考虑到灰土的主要成分是街扫土，其中“无法捡出的有机物”成分难以辨别、含量较低、可降解性不高，故本研究不考虑灰土成分。

表2 生活垃圾中可降解有机碳含量推荐值（干基） %

3） 可降解有机碳降解率φj。CJJ 133—2009对可降解有机碳的降解率进行了解释，但未给出推荐值。在实际的降解情况中，一部分可降解有机碳会随渗沥液排出，或成为微生物生长的营养物质，因此降解率应小于1。《生活垃圾卫生填埋技术导则》第9章给出了典型垃圾中各组分的φ值，见表3。因此，厨余、纸类、织物的φ采用导则的推荐值，分别为 0．8、0．5、0．2；竹木为庭院和木材φ推荐值的均值，即为0．6。

表3 可降解有机碳降解率的推荐值

2.2.3 产气速率常数ki

产气速率常数ki反映垃圾厌氧降解的速率，它受含水率、温度、营养物质、pH、微生物量等多种因素的影响，是产气量预测的关键参数。表4列出了部分模型的推荐值以及某些实验所得到的k值。

表4 国内外研究的k参数数值

国内大型填埋场的产气量预测一般采用CJJ 133—2009推荐方法，将所有垃圾作为一个整体来考虑，不按照降解率进行组分划分，k一般取推荐范围上下限的均值，即0．10 a-1。

本文模型需要对快速和慢速降解垃圾分别取ki值，体现2种组分降解能力的差异。ki的确定主要参考文献［5-6］，取其均值，快速降解垃圾k1定为 0．16 a-1，慢速降解垃圾 k2定为0．06 a-1。

3 结果与讨论

3.1 最大产气量Li

经计算，快速降解垃圾L1为100.04 m3/t，慢速降解垃圾L2为29.19 m3/t。垃圾中厨余垃圾所占比例较大，其可降解有机碳的降解率较高，使得快速降解垃圾的产气潜能较大。

美国环保局推荐的L为140～180 m3/t，其下限仍高于本研究的L=129.23 m3/t。这是因为本文中的垃圾含水率较高，达到57.8%，导致其有机含量偏低，产气潜能低于国外的经验数据。我国垃圾的产气潜能普遍低于国外［3］，因此，在预测填埋气体产生量时，应对垃圾的物理组分进行分析统计，根据CJJ 133—2009的方法计算L，避免使用经验值而造成较大误差。

3.2 计算结果

根据本研究模型对大韩庄垃圾填埋场填埋气体产生量进行预测，结果如图1所示。在填埋期间，随着垃圾进场量的增加，填埋气体产气量逐渐提高，并在封场后的第1年（2019年）达到峰值，产气量为3 029.6万m3/a。随后产气量逐年降低，在封场后的第10年（2028年） 降至878.4万m3/a，为产气峰值的29.0%，到2035年降至376.2万m3/a，仅为产气峰值的12.4%。

图1 填埋气体产气量组成分析

从图1中可以看出，快速降解垃圾的产气量占总气量比例较大，填埋期间从86.9%小幅度降为84.7%，封场后贡献率迅速降低，最终降至52.7%。

3.3 与CJJ 133—2009推荐模型的对比

利用本研究模型和CJJ 133—2009推荐模型分别进行产气量的计算，结果如图2所示。可以看出，无论采用何种计算方法，产气量的变化趋势大体相同。

本研究模型考虑了垃圾中不同组分降解能力的区别，由于快速降解垃圾的含量较高、降解速率较快，使得填埋期间的预测值大于CJJ 133—2009推荐模型，平均高出218.3万m3/a，其产气峰值（3 029.6万m3/a） 高出推荐模型峰值（2 759.3万 m3/a） 达 9.8%。

封场后，本研究模型产气量的衰减速率更快，第3年2种模型的产气量大体相同，随后逐年低于推荐模型，并在第10年（2028年） 差异达到最大，为243.4万m3/a。随后2种模型的产气量差值逐渐减少，预计在预测期以后的年份内，两者的产气量逐渐趋同。

在集气管网设计和工艺设备选型时，一般使用产气峰值作为设计依据。本研究模型和传统模型的最大理论产气量存在较大的差异，尤其对于国内的大型填埋场，峰值的差距将会比本研究的数值更大。本研究模型为产气量的预测提供了新的思路和方法，但模型的合理性、参数选择的准确性仍需要现场试验进行校验修正。

图2 2种模型填埋气体产气量预测结果

4 结论

1） 大韩庄垃圾填埋场的进场垃圾含水率较高，且厨余垃圾所占比例较大，计算得到快速降解垃圾L1为100.04 m3/t，慢速降解垃圾L2为29.19 m3/t，其总量低于国外的经验数据。

2）本研究模型将垃圾分为快速降解和慢速降解2类，分别确定两者的产气速率常数。预测结果显示，产气峰值发生在封场后的第1年，达到3 029.6万m3/a，封场后第10年产气量降至峰值的29.0%。

3） 与CJJ 133—2009的推荐模型相比，填埋期间本研究模型的产气量更高，峰值可高出9.8%。封场后该模型产气量的衰减速率更快，在第3年后低于推荐模型，但在第10年两者的产气量开始逐渐趋同。

［1］龚少鹏.填埋气体产量及处置方案评选研究［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［2］ Arigala S G，Theodre T T，Webster I A.Gas

Generation，Transport，and Extraction in Landfil［lJ］．J Environ Eng-ASCE，1995，121 （1）：33-44．

［3］刘景岳，徐文龙，黄文雄，等．垃圾填埋气回收利用在我国的实践［J］．中国环保产业，2007（10）：34-38．

［4］李志华，勾红英．城市生活垃圾可生物降解组分降解规律的研究［J］ ．陕西建筑，2008，34（29）：339-340．

［5］刘磊，薛强，梁冰，等．垃圾填埋场封场后气体产出及释放规律研究［J］．环境卫生工程，2010，18 （1）：19-21．

［6］龚利华．生活垃圾填埋场填埋气产生量估算模型［J］．环境科学与技术，2009，32 （9）：73-76．

Landfill Gas Generation Model Based on Difference of Gas Generation Rate of Waste

Yu Miao，Zhang Fang，An Jianjie
（Tianjin Environmental Sanitation Engineering Design Institute，Tianjin 300201）

According to the waste characteristics of Dahanzhuang Waste Landfill Site，the gas generation model in CJJ 133—2009 was discussed．The waste was divided into rapid biodegradable group and slowly biodegradable group while values of gas generation rate constant were taken for two groups respectively．The results showed that the peak volume of gas generation was 30．296 million m3/a occurred in the first year after closure，and gas volume in the tenth year will decrease to 29．0%of peak volume．Compared with the model recommended by CJJ 133—2009，the improved model had higher gas generation volume and peak volume was 9．8%higher than that of the recommendation model during landfill operations．And after closure，the improved model had the more rapid decay rate，but gas volumes of two models begin to reflect convergence in the tenth year．

landfill gas；gas generation model；gas generation rate constant

X701

A

1005-8206（2012）04-0045-04

2012-06-24

于淼（1985—），主要从事固体废物处理处置与资源化。E-mail：yumiao_85@sina．com。

（责任编辑：刘冬梅）