（环境工程专业论文）垃圾填埋气产生过程与产气量预测模型的研究.pdf

摘要 摘要 填埋法是现阶段我国垃圾处理的主要方式，垃圾填埋所产生的填埋气 是一种以甲烷和二氧化碳为主要成分混合气体，会对环境和人体健康造成 很大的影响，同时它又是一种可回收利用的能源，因此必须对填埋气进行 利用，但是得首先研究清楚填埋气的产量和产气速率。 填埋气的产生受到很多因素的影响，虽然国外出现了一些垃圾填埋气 的产气模型，但是由于我国垃圾特点和国外的有较大的差异，不能照搬使 用，而国内的研究成果还不能满足实际的需要，因此必须建立起适合我国 自身垃圾特点的产气模型，来为填埋气的回收利用服务。 本文在分析研究困内外有关垃圾填埋气产气模型和影响垃圾厌氧降 解产气的因素基础上，从动力学角度来分析垃圾厌氧降解产气的实质，得 出甲烷和二氧化碳的产气速率表达式；并通过实验室的现场实验，得到了 垃圾产气量和产气速率的数据，建立了适合我国垃圾自身特点的产气模 型。其主要的工作和结论如下： 通过试验对比了温度控制和添加污水厂污泥这两个因素对填埋气 产生的影响，得到： a ) 当温度范围在2 0 4 0 * ( 2 之间时，升高温度不仅能增加填埋气的总 量，还能够增加其产气速率。 b ) 添加污水厂污泥不仅能够明显增加填埋气体的总量和产气速率， 还能够大大增加其气体中甲烷的含量。 c ) 当垃圾自身的含水率达到或接近饱和时，在垃圾自身产生的渗滤 液后再进行回灌，它虽然对渗滤液本身具有一定的处理作用，但是对产气 量和产气速率却没有太大影响。 提出我国垃圾实际产气量的计算公式。 在实验数据的基础上，建立起了垃圾填埋气模型，并对实测值和本 模型的预测值以及s c h o l lc a n y o n 模型预测值进行了对比，结果表明建立 的模型是合理可靠的，最后利用此模型计算出了重庆市某填埋场的产气速 率和产气量。 关键词：填埋，产气量，产气速率，甲烷，二氧化碳，模型 a b s t a c t a b s t r a c t l a n d f i l l ，t h ep r e d o m i n a n tm e t h o do fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) t r e a t m n o w a d a y s ，w i l le m i tl a n d f i l lg a s ( l f g ) t oe n v i r o n m e n t ，w h i c ha r em a i n l ym a d e o fm e t h a n ea n dc a r b o nd i o x i d ea n dw i l lb eg r e a th a r m f u lt oe n v i r o n m e n ta h u m a nb e i n g s ，l a n d f i l lg a s ，h o w e v e r ，i sak i n do fr e n e w a b l ee n e r g y t h e r e f o r e i si m p e r a t i v et or e c o v e rl f g i no r d e rt or e c o v e rl fg - i ti sn e c e s s a r yt or e s e a l t h ep r o d u c t i o na n dg e n e r a t i o nr a t eo fl f g t h ep r o c e s so fl f gg e n e r a t i o ni sv e r yc o m p l i c a t e d ，w h i c hi sa f f e c t e d m a n yf a c t o r s 。a l t h o u g hs o m el a n d f i l ig a sm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e da ta b r o t h e s em o d e l sc a n tb ed i r e c t l yu s e di nc h i n ab e c a u s eo fg r e a td i f f e r e n c e c h a r a c t e r sb e t w e e nd o m e s t i ca n da l i e nm s w d o m e s t i cs t u d y , h o w e v e r , c a n tm t t h ed e m a n do fr e c o v e r y c o n s e q u e n t l y , i ti sp r e r e q u i s i t et oe s t a b l i s hl f gm o ( t h a ti sa d a p tt ot h ec h a r a c t e r so fd o m e s t i cm s wf o rr e c y c l el f g t h ee s s e n c eo fa n a e r o b i cd e c o m p o s i t i o na n dg a sg e n e r a t i o nk i n e t i c sw ( a n a l y z e da n dt h ee q u a t i o n so fm e t h a n ea n dc a r b o nd i o x i d eg e n e r a t i o nr a t e w e b r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e rt h o u g hi n v e s t i g a t et h er e l a t e dl i t e r a t u r e s o fl a n d f g a s m o d e la th o m ea n d a b r o a d a n d a n a l y z e f a c t o r st h a ta f f e c ta n a e r o t d e c o m p o s i t i o no fm s w f u r t h e r m o r e ，t h ed a t ao fg a sp r o d u c t i o na n dg e n e r a t i r a t ew e r ea c q u i r e dt h r o u g he x p e r i m e n ta n dl a n d f i l lg a sm o d e l sf i tf o rd o m e s t m s ww e r ea d v a n c e di nt h i sp a p e r t h em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ， t e m p e r a t u r ea n ds e w a g es l u d g e ，t h em a i n l y t w of a c t o r st h a t a f f e d e c o m p o s i t i o na n dg a sp r o d u c t i o no fm s w ：w e r ec o m p a r e di n t h i sp a p e r t 】 r e s u l t ss h o w 虹1 a t ： a ) a tt h er a n g eo f2 0 c - 4 0 。c ，t e m p e r a t u r ei n c r e a s ec a nn o to n l ye n h a n c el f p r o d u c t i o nb u ta c c e l e r a t et h es p e e do fg a sg e n e r a t i o n b ) a d d i n gs e w a g es l u d g ei nl y s i m e t e rc a nn o to n l ym a r k e d l yi n c r e a s el f p r o d u c t i o na n dg e n e r a t i o nr a t e ，b u ta l s oe x t r e m e l ye n h a n c em e t h a n ec o n t e n t c ) i fw a t e rc o n t e n to fm s w r e a c h e so ra p p r o a c h e sf i e l dc a p a c i t y ，l e a c h a p r o d u c e df r o mm s w i t s e l fr e c y c l ec a nt r e a ti t s e l f , b u tc a nh a v el i t t l ee f f e c to ng p r o d u c t i o na n dg e n e r a t i o nr a t e t h em o d e lo fa c t u a lp r o d u c t i o no fm s wi nc h i n aw a sp u tf o r w a r d 儿 一垒! ! 坚! ! 0 nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s ，t h e 乙fgm o d e l s f i tf o rc h a r a c t e r s c h o n g q i n gw e r eb r o u g h tf o r w a r d ，a n da c t u a lv a l u e s ，p r e d i c t e dv a l u e sa n ds e t c a n y o nm o d e lv a l u e so fg a sg e n e r a t i o nr a t e w e r ec o m p a r e di nt h i sp a p e r r e s u i t ss h o wt h a tt h em o d e l sa r er e a s o n a b l ea n dc r e d i b l e m o r e o v e r ，t h e d r o d u c t i o na n dg e n e r a t i o nr a t eo fonel a n d f i l ls i t eo fc h o n g q i n gw e r ec o m p u w j t ht h e s em o d e l s k e y w o r d s ：l a n d f i l l ，g a sp r o d u c t i o n ，g e n e r a t i o nr a t e ，m e t h a n e ， c a r b o nd i o x i d e ，m o d e l i i i 第一章前言 1 1 课题的提出 1 1 1 填埋法所占的地位 1 前言 随着我国社会经济的发展，城市数量、城市人口的增加以及人民生活 水平的提高，作为城市公害的城市生活垃圾( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，简称 m s w ) 的产量也迅速地增加。2 0 0 0 年，我国的生活垃圾的产量达到1 2 1 4 亿吨，在未来的1 0 2 0 年内，预计城市垃圾将以每年3 一5 的速度递 增。垃圾的污染问题已成为一个十分严峻的问题，它和大气污染、水污 染成为当今最主要的三种污染形式。如何处理和处置城市生活垃圾，实现 减量化、资源化和无害化已成为我国迫切需要解决的一个重大课题。 垃圾处理处置的方法主要包括卫生填埋( s a n i t a r yl a n d f i l l ) 、堆肥 ( c o m p o s t i n g ) 、焚烧( i n c i n e r a t i o n ) 和资源回收( r e c y c l e ) 等，不同的处理处置 方法各有优缺点。焚烧法减量化好，处理彻底，但是它一次性投资大，运 行费用也很高，对管理水平和设备维修要求高，而且焚烧过程中产生的烟 气含有很多的有毒有害物质，若处理不当，所产生的二次污染对环境产生 很大的危害：堆肥法存在着堆肥肥效低，产品出路不佳，与化肥等同类产 品相比竞争力差的缺点，而且长期使用易造成土壤板结和地下水变质变 坏；资源回收是一个很好的方法，它从源头上削减垃圾产量，而且还能变 废为宝，但是它只是一种垃圾减量化的途径，并不能代替垃圾的最终的处 置。尽管卫生填埋法也有其自身的缺点，如选址困难，占地面积大，产生 的渗滤液与填埋气污染地下水与大气等，但是填埋法具有投资省，处理费 用低，处理量大，所需设备少，操作简便且能回收沼气等优点，而且如果 设计运行得当，可以避免二次污染。因此垃圾卫生填埋法成为了世界上许 多国家的垃圾处理的主要方式。 表1 1 为一些国家垃圾填埋处理所占的比例。由表1 1 可知，填埋法 是世界上许多国家，包括英美等发达国家的垃圾处理的主要方法。 我国作为发展中国家，资金相对紧缺，而卫生填埋法最大的优点是投 资省，处理量大，因此卫生填埋法是垃圾处理必不可少的最终处理手段， 也是现阶段我国垃圾处理的主要方式【4 】。 重庆大学硕士学位论文 表i 1 各国垃圾填理处理所占比例 t a b 1 1p r o p o r t i o no fs a n i t a r yl a n d f i l li nm s wt r e a t m e n t 1 1 2 垃圾填埋气及其特点 填埋气( 1 a n d f i l lg a s ，简称l f g ) 是填埋场内的有机物质通过微生物 厌氧降解、挥发和化学反应而产生的一种混合气体，作为垃圾填埋的副产 物，它主要由c h 4 、c 0 2 、0 2 、n 2 、h 2 和多种痕量气体组成，一个成熟的 垃圾填埋场c h t 和c 0 2 可占填埋气总量的9 0 以上甚至更高。典型的填埋 气成分和含量如表2 示5 l ： 表1 2 典型的填埋气成分与含量 t a b 1 2 c o m p o n e n ta n dc o n t e n to f t y p i c a ll a n d f i l lg a s 成分 百分比( ) 甲烷4 5 6 0 二氧化碳 氮气 氧气 硫酸盐、硫酸氢盐、硫醇 氨气 氢气 氧化碳 其它痕量气体 填埋气具有以下特点： 填埋气是一种温室气体，其中的主要成分c h 4 、c 0 2 能导致温室效 应，特别是c h 。气体，它的温室效应是c 0 2 的2 0 倍以上【”。据估算，垃 2 5 加 m 2 五 ：= = 嚣 第一章前 言 圾填埋气对于全球变暖所做的贡献为3 7 】，仅次于稻田的贡献。 填埋气是爆炸性的气体，当空气中的c h 4 浓度在5 1 5 时，有爆 炸的可能性。甲烷比空气轻，它的密度约为空气的o 5 5 倍，在填埋场中会 向上运动，并在不渗透的封闭空问积聚，容易造成爆炸事故。 填埋气中含有大量的痕量气体，这些气体大多是非甲烷有机物，它 们总量虽然很小，但是对环境和人体健康却具有很大的危害性，而且很多 还是“三致”有机物 5 1 。邹世春 8 等通过对广州填埋场的研究，发现了包 括苯、甲苯、氯乙烯、氯仿等被美国国家环保局( u s e p a ) 列为优先控 制物的痕量气体。y o u n g 等【9 人测定了英国3 个不同的垃圾填埋场周围空 气中微量挥发性有机物，共检测出1 5 4 种化合物，其中1 1 6 种在各个填埋 场中均可检验出。 填埋气是一种可回收利用的能源。一般成熟的垃圾填埋场中c h 4 的体积含量在5 5 左右，c 0 2 的体积含量在4 5 左右f l ，填埋气的高位热 值在1 5 6 3 0 1 9 5 3 7 k j m3 i ” ，经过一定的处理后，是一种很好的能源。据 调查，到1 9 9 0 年，世界上有4 8 1 家填埋场进行了填埋气的回收利用，大 约有多于5 x 1 0 9 m 3 的填埋气得到了开发利用，这些能源相当于2 4 x 1 0 6 吨 石油，足可以供一个容量为l 1 0 9 w 的电厂进行发电 ”。在美国，1 9 9 0 年 利用的填埋气约为4 3 1 0 9 m 3 【心】。可见，填埋气是一种较好的能源，具有 很好的利用价值。 1 1 3 垃圾填埋气的利用前景 由于垃圾填埋气是一种可回收利用的能源，对它进行利用不仅能减轻 其对环境的污染，而且能创造一笔财富，变费为宝。因此世界上许多国家 如美国、英国早在7 0 年代就开始了对填埋气的研究，8 0 年代初便开始利 用填埋气。而且随着近些年来环境变迁和温室效应的加剧、石油价格的上 涨以及能源危机的加剧，对填埋气的利用更是受到了重视。 垃圾填埋气主要作以下几个方面的用途【13 】：1 ，填埋气用以燃烧供热 发电；2 作民用燃料；3 作汽车燃料。 截止1 9 9 0 年，欧盟的填埋气利用项目就有l7 5 个【2 】。而在美国，到 1 9 9 9 年6 月，有2 7 0 个填埋场进行了填埋气的利用，u s e p a 估计在近几 年将还有5 0 0 个填埋场要进行填埋气的利用。 徐新华应用统计学的原理，以19 9 1 年的数据为基准，认为我国的垃 圾产生的甲烷气体如果能够利用起来，相当于7 0 0 万吨的煤炭的能源潜力， 重庆大学硕士学位论文 直接经济价值达1 0 亿元，同时对环境傈护的作用更为可观 h 】。 目前，杭州天子岭卫生填埋场是国内唯一的进行填埋气利用的填埋 场，该填埋场气体发电厂设计规模4 6 m w ，于1 9 9 8 年正式发电，并入华 东电网，年上网电量1 4 3 4 3 m w h ，年产值7 1 7 万元，投资回报周期为6 7 年【1 “。 出以上的分析可见，无论是在国外还是在国内，垃圾填埋气都有很好 的利用价值和前景，因此在我国，填埋气的利用一样具有很大的环境效益 和经济效益。 1 1 4 课题的提出 随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，国家对市政和 环卫基础设旋的投入也在不断地增加，因此一批大型的卫生填埋场已经开 始运行或者正在规划建设中。由于垃圾填埋气是爆炸性的气体，又是温室 气体，其中的微量气体对环境和人体健康有很大的破坏作用，但是它又是 一种可以回收利用的资源，因此为了保护环境与人体健康，同时取得较好 的经济效益，对于研究结果表明有利用价值的填埋场，要对填埋气进行收 集处理与利用，以达到社会效益、环境效益和经济效益的统一。而一些发 达国家的环境标准从保护环境保护角度考虑更是要求对填埋气进行强制 性的收集处理。 但是，要对填埋气进行收集处理和利用，一个最基本的问题就是垃圾 填埋气的产量和产气速率的问题。确定一个垃圾填埋场的填埋气是否具有 利用价值和利用规模要依赖于填埋气的产量和产气速率，尤其是产气速率 更是个关键的参数，因此填埋气的产量和产气速率是填埋气利用的最基本 参数，必须首先确定这一参数值，才能很好地进行回收利用。 对于一个垃圾填埋场，其产气量和产气速率受很多因素影响，如垃圾 成分、填埋场“年龄”、含水率、生物种群等等，1 6 】。每个填埋场，即使 是在同一个地区，在不同时间其产气量及产气速率都会有所不同，找不到 一个确定的数值适合于任何不同类型的填埋场。而且一般填埋场的产气持 续时间为几十年，如何来预测几十年后的产量和产气速率，这是一个需要 研究的课题。 目前确定填埋场的产气量和产气速率的方法主要有三种：一是现场抽 气实验，二是实验室模拟实验，三是模型估算法。需要指出的是这三种方 法并不是孤立的，三者往往结合在一起，确定产气量、产气速率经常要用 4 第一章前言 到两种或三种方法。 从理论上讲，现场抽气实验能够反映填埋场中实际的气体产生情况， 但是它受到很多条件限制，如气体在垃圾堆体中的运动、衬里与覆盖层的 完善程度、抽气效率、土壤覆盖层对甲烷的氧化作用等等。同时现场抽气 实验只能反映填埋场近期的产气情况，并不能反映出填埋场的整个产气过 程。而工程应用必须要有整个过程的数据，但实际的填埋场整个过程的产 气数据往往不可得，因此这是个矛盾。这决定了在实际应用中不能完全依 赖于现场抽气实验。 目前见报道的实验室模拟实验规模不一，从利用几公斤垃圾到几十公 斤的甚至几吨的都有。实验室模拟实验从规模上看属于小试范畴，和大规 模的填埋场存在一定的差异，但是由于其产气动力学短律和物质在填埋场 中的转化规律是一致的，因此它能够模拟出垃圾填埋产气的过程和转化规 律，为确定填埋气的产气量和速率服务。在应用时，此方法往往和其他方 法结合起来。 模型估算法可以反映出垃圾降解这一整个过程的产气数据，因而受到 广泛重视。一般地，此方法从垃圾产气的动力学上进行考虑，对垃圾填埋 气的产生进行全过程地描述，它克服了现场抽气实验有时间限制和基本资 料难以获得的缺点，可以预测某填埋场未来若干年内的填埋气产生情况， 应用上简单易行。 随着我国垃圾产量的增加和填埋场的相继建设，如何预测我国填埋气 的产量和产气速率是个值得研究的阔题。从整个填埋产气的过程上看，现 场抽气实验的实验数据只是一个时间点上的数据，而且整个产气过程数据 难以获得，而且从经济角度考虑，现场抽气实验比较昂贵。而模型估算法 能反映出整个填埋过程中的产气情况，并且应用简单经济易行，因此此方 法更加受到青睐。而且从目前国外的文献报道上看，用数学模型来估计产 气情况也一直是个热点和重点，研究得比较多。我国的填埋场要进行填埋 气的回收利用工程，也要在这方面进行研究。 1 2 课题研究的目的和意义 由以上的分析可知，为了达到垃圾填埋场的社会效益、环境效益和经 济效益的统一，一般上规模的填埋场都应当进行填埋气的收集处理和利 用，通过建立简单有效的数学模型，预测垃圾填埋气的产量和产气速率， 为工程实践提供理论上的依据。 重庆大学硕士学位论文 本课题研究的意义是很明显的，它包括以下几个方面： 为填埋气回收利用的可行性研究以及垃圾填埋场的设计、运行管 理提供理论依据。一个填埋场所产生的填埋气有否回收利用的价值、从经 济角度上讲可不可行、并按多大的规模来设计，归根结底就是对填埋气的 产量和产气速率的预测问题。填埋场建好之后，产气量与产气速率的数据 也为日常的运行管理提供依据。 为垃圾填埋场的环境影响评价提供理论依据。工程项目都应当进 行环境影响评价，垃圾填埋场对环境造成的影响主要包括几个方面，其中 一个方面就是填埋气，填埋气的特性已在前面提到，由于其温室效应、爆 炸性以及有毒有害性，已经对环境造成了较大的影响。要评价填埋气对环 境的影响，一个最基本的参数便是产气量和产气速率。 为研究填埋场内气体的运动迁移的情况提供依据。垃圾填埋气在 填埋场中如何迂移，要依赖于垃圾堆体内的产气情况，压力分布等条件。 为建立与制定垃圾填埋场在填埋气方面的规范和法律法规提供理 论依据。由于填埋气是种温室气体，又会对环境与人体健康造成较大的负 面影响，必须建立和制定相应的规范和法规来控制其向周围大气的排放 量，一些发达国家已经建立起了相应的规范，而我国在这一方面还是一片 空白。造成这一现象的根本原因就是理论研究没有跟上，缺乏基础的数据。 因此，通过建立这一数学模型，可以为制定关于填埋气的相应的规范和法 规提供依据。 1 3 国内外填埋气预测模型概况及存在的问题 1 3 1 填埋气模型的分类 一般的产气模型是根据数据的可利用性和对系统的认识深度来分类 的，可以分为下面几类，如图1 1 所示 i o j ： 统计分析模型。当可以获得很多数据，但是对系统的认识尚不充 分，并且这些收集到的数据是由于不同目的时，这种模型就是统计分析模 型。这一模型并不假设任何原因结果关系，也不处理系统在时间上的动力 学关系，而是提出全部数据的特征及相互关系。 随机模型。这一模型描述数据在时间上的趋势，但不进行解释。 它在描述黑盒子系统时很有用，根据这一模型可以简单地确定与一个具体 的输入量相对应的输出量。 第一章前言 掣 2 “ 莓 日 星 摹 糕 理解水平 圈1 1产气模型的分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no f l a n d f i l lg a sm o d e l s 简化的确定模型。这一模型要求要有控制反应系统机制的知识， 它能够通过简单的数学关系式来描述反应系统中发生的反应行为。 复杂的确定模型。这一模型也要求要有对控制反应系统机制的理 解，并且通过更为复杂的数学方程式来表达反应系统中所发生的行为。 大多数的产气模型属于第三类。确定模型可以进一步分为静态模型和 动态模型 1 0 1 。静态模型中，输入量和输出量之间有个瞬时的关系，即系统 不去记忆过去的输入量和输出量，系统是处于静态的，没有时间的影响。 而在动态的决定模型中，输入量和输出量的关系不是瞬时的。 产气模型还可以按照对产气动力学理解的深度迸一步划分为以下几 类：经验模型、化学计量模型、生化模型和生态模型0 1 。 经验模型就是处理一个黑盒子问题，只有进入和出去的数据，这种模 型是建立在一系列按时阀分配的经验数据的基础之上。化学计量模型是建 立在整个化学反应的基础之上，垃圾的分子式可以由经验公式来表示，通 常这种模型得出气体产量要比实际情况大。生化模型考虑垃圾的不同成分 的可生物降解性，不同的成分有着不同的降解动力学、基质数和参数。生 态模型是处理产气过程的生态系统，并且描述系统要素之间的相互关系， 这是个更为复杂的模型。 1 3 2 垃圾填埋气模型的国外研究现状 国外对填埋气的产气模型的研究始于二十世纪七十年代，当时一些学 者合理地总结了一些试验性的数据来描述填埋产气的情况【1 0 1 ，而真j 下定量 重庆大学硕士学位论文 的产气模型由f a r q u h a r 和r o v e r s 二人于1 9 7 3 年提出l 1 “，这一模型的提出 标志着定量产气模型研究的开始。这以后在美国陆续地出现了根据不同的 填埋场的产气行为而提出的不同的产气模型，此后许多学者对产气模型进 行了研究，时值今日研究还一直在进行，这中间出现了很多的产气模型。 随着人们对厌氧降解和作为生物反应器的填埋场的研究和理解的越来越 深入，提出的产气模型也愈加复杂和接近于实际填埋场的情况。 然而，出于填埋场的产气情况和具体的很多因素有关，以及人们对填 埋场反应器里面的机制尚未明确，而且里面的反应过于庞杂，难以用数学 表达式对所有的影响因素一一进行描述，尽管出现了许多产气模型，目前 尚没有哪一种模型占主导地位，并为大家所普遍接受，这些模型只能是近 似地模拟实际的产气情况。到今天关于填埋气模型的研究还在进行。 下面就其中的具有代表性的模型进行论述。 p a l o s v e r d e s 模型1 1 0 , 2 7 , 2 8 】假设甲烷产生经历两个阶段，在第一阶段中， 甲烷产生速度正比于已经产生的甲烷的体积，第二阶段中，余下的产甲烷 潜能( b i o c h e m i c a lm e t h a n ep o t e n t i a l ) 一一简称b m p 一一的减少速度正比 于剩余的产气潜能。p a l o sv e r d e s 模型进一步假设，最大的产气速率和半 衰周期t i 2 ( h a l f t i m e ) 都发生在两个阶段的连接点处，t 1 ，2 是指填埋场中一半 的可产甲烷的物质潜能( b m p ) 转化为甲烷的时问，即是填埋气产生的半 衰周期。此模型将可降解的有机垃圾成分分为三大类：快速降解的( 食品 等) ，中等程度降解的( 纸张、木材、织物等) 和难降解的( 橡胶、塑料 等) 。对于每一类有机物用此模型可以计算出对闯t 内产生的气体体积，对 时间微分便可求出产气速率。其产气速率如图1 2 示。 褂 删 圹 科、 图1 2 p a l o sv e r d e s 模型产气速率图 f i g 1 2l f gg e n e r a t i o nr a t em o d e lo fp a l o sv e r d e s 第一章前言 s h e l d o n a r l e t a 模型1 f 0 , 2 8 1 是从城市污水厂污泥厌氧消化产气曲线( f a i r 和m o o r e 曲线) 中演变而来的。它也假设经历了两个阶段，也服从一级反 应，而且它假设两个阶段的转折点也在半衰期处。它将填埋场中的有丰几物 分为两大类：易降解的有机物和相对难降解的有机物，又将这两种有机物 分为2 4 类，总的产气量是这2 4 种产量之和。 此模型是建立在关于垃圾中的有机碳含量及其生物降解性的假设基 础上，它假设垃圾中的碳的质量百分含量为2 6 ，其中3 1 为易生物降解 的，6 6 为较慢生物降解的。 其产气速率如图1 3 示： 爵 蚓 矿 j l 图1 3 s h e l d o na r l e t a 模型产气速率图 f i g 1 3l f gg e n e r a t i o nr a t em o d e lo fs h e l d o na r l e t a 需要指出的是这一模型是从污泥厌氧消化产气曲线中得来的，假设填 埋场的产气速率不受垃圾含水率和营养物的影响，这显然违背了现实中的 填埋场的实际情况。它假设最大的产气速率发生在半衰期处，而真正的最 大产气速率要在半衰期之前就到达，而且在一般的厌氧消化池中，在适宜 的条件下，生物量将成几何倍数的增长，直至有机底物的量降到某一临界 值而成为生物量增长的限制因素时，而在填埋场中，在总的有机物成为限 制性条件之前，生物量的增长要受到很多因素的影响。 s c h o l lc a n y o n 模型 1 0 2 7 1 假设经历一段可以忽略的时间后，填埋气的产 生速率迅速地达到它的最大值( 这段时间主要用来建立起厌氧条件和生物 量的增长) 。随后产气速率遵循级动力学，反应速度随可降解的有机底 质的减少而降低，这等于就是假设微生物的增长主要受着垃圾中有机底物 含量的限制。这些可降解的有机底质可由余下的甲烷潜能来度量。 此模型把填入填埋场的垃圾量按照每年填入的量来分为许多子重量， 总的产气速率和产气量就是各个子重量的产气速率和产气量之和。其产气 速率如图l ，4 示： 重庆人学硕士：学位论文 静 捌 圹 l 图1 4s c h o l lc a n y o n 模型产气速率图 f i g 1 4l f gg e n e r a t i o nr a t em o d e lo fs c h o l lc a n y o n s c h o l lc a n y o n 模型的优点是模型简单，需要的参数较少。但是应当指 出的是，该模型忽略了垃圾自填埋开始到产气速率达到最大这段时间和这 段时间的产气量，因此它只能大体上反映产气速率的变化趋势。 m g me m c o n 模型1 0 1 也把垃圾中的有机物分为三部分：容易降解的 有机物，中等程度降解的有机物，较慢降解的有机物，每一种有机物都有 其产气曲线，其输入项为垃圾量、成分、含水率以及产气滞后时间( 1 a g t i m e ) 和转化时间( 可降解的物质转化为生物气所需的时间) 。三种不同的有机 物的转化量之和就是总的垃圾填埋气的产气量，每种有机物的产气量可由 下式确定： c i = k k w cp i ( 1 一m i ) v i e i ( 1 - 1 ) 式中，c i 表示第i 种成分可产生的甲烷总体积； w 。表示垃圾的总湿重； p 。表示第i 种成分占的百分比； m i 表示第i 种成分的含水率： v i 表示第i 种成分中挥发性固体的含量： e i 表示第i 种成分中挥发性固体中的可生物降解部分的含量； k = 3 5 1lc h 4 k gc o d ； k7 = 1 5 k g c o d k gv s 。 垃圾总的产气量是是各个不同成分的产气量之和。 其产气速率如图1 5 示。 h o e k s ( 1 9 8 3 ) t 2 2 1 也应用简单的一级的动力学反应来估计有机物的降解 速率，其基本的方程式可由下式表示： d p t d t ：一k p t( i 2 ) 式中，p t 是t 时刻的可降解的有机物的浓度： k 为降解速率常数。 第一章前 言 胯 吲 旷 科、 图1 5m g me m c o n 模型产气速率图 f i g 1 5l f gg e n e r a t i o nr a t em o d e lo fm g m e m c o n 积分上式得： p t = p o e 4 ( 1 - 3 ) 式中，p o 是最开始时可降解的有机物的浓度。 此模型也将有机物分为易降解的，中等程度降解的，降解较慢的三大 类，还同时给出了三类有机物各自不同的p o 和k 值。它也假设经历一段可 以忽略不计的时间后产气速率达到最大值。 这一模型和s c h o l lc a n y o n 模型大致相同，只不过在s c h o l lc a n y o n 模 型中p t 代表的是t 时刻余下的还可以产生的甲炕的体积，其余的都相同。 以上五种模型均为早期的产气模型，它们的共同点就是模型结构比较 简单，使用起来较为方便，但是它们的不足之处也很明显。首先，p a l o s v e r d e s 模型和s h e l d o n a r l e t a 模型均假设最大的产气速率发生在半衰期处， 而实际的请况并非如此，最大的产气速率往往在半时间之前就已经到达。 其次，s c h o l lc a n y o n 模型和h o e k s 提出的模型忽略了垃圾降解自开始产气 到产气速率达到最大这段时间及其产气量，而认为从一开始产气速率就达 到最大值。再者，以上的模型均认为填埋场中生物量的增长主要受着有机 底物含量的限制，而实际的情况是除了有机物外，还有很多的因素影响着 生物量的生长。 针对于以上的不足，随着人们对厌氧降解以及填埋场里面发生的反应 理解的不断地深入，人们又提出了一些改进的模型。 s t a n f o r d 大学的a n f i n d i k a k i s 等1 2 9 通过对美国加州的m o u n t a i nv i e w 填埋场的产气情况进行了研究，从该填埋场控制方案的数据中发现简单的 指数下降的一级动力学模型并不能充分地反跌在填埋场开始运行前几年 的产气情况。于是在h a l v a d a k i s 的研究的基础之上，对其提出的三角形模 型进行了改进。三角形的函数式的最基本的缺点是认为甲烷产生速率是随 重庆大学硕士学位论文 对闻线形变化的。他们通过简化和求解系列的控制气体产生的生物化学 反应方程式，得到个较为简单的函数关系式： g k ( t ) 2 0当t t o k ( 1 - 4 ) g t ( t ) = c o 出疆k ( t 2 k t ) 一c o t h 口k ( t 2 k t o k )当t 畦 t l k ( 1 - 6 ) 式中，g k 表示产气速率； t o k 表示开始产气的时间； t 。k 表示产气速率到达最大的时间； t 2 k 表示双曲线分支无限延伸并超出其最大点，到达其渐进线的时间； g 。k 表示最大产气速率： 下标k 表示垃圾中的第k 种成分： 常数九。是产气速率常数。 这一函数关系式可由图1 6 表示出： 图1 6 a n f i n d i k a k i s 提出的模型产气速率图 f i g i 6l f gg e n e r a t i o nr a t em o d e lo f f e r e db ya n f i n d i k a k i s 上述的产气模型大都是较笼统地认为c h 4 和c 0 2 是由有机物转化而 来，而未将有机物按其化学成分进行分类。日本京都大学的j i u n n j y il a y 等人1 30 】根据填埋场中的羧酸、蛋白质和油脂等有机物质转化为甲烷的能 力，认为填埋过程中微生物的增殖满足细菌生长的g o m p e r t z 方程，得到 了甲烷的产气模型，这一模型包涵有三个生物动力学参数：滞后时间、产 甲烷潜能及产甲烷速率。然而它也有它自身的主要缺陷，就是模型本身较 为复杂，中间参数较多，工程上应用比较困难。 前面讨论的产气模型均认为由有机物直接转化为c h 4 和c 0 2 ，而忽略 了这种转化所经历的中闻过程，随着人们对厌氧降解过程及对填埋场中发 生的反应与中间产物理解的不断深入，一些学者根据垃圾厌氧降解经历的 不同阶段，结合其中的微生物的生长情况，提出了更为精确的模型，当然 第一章前言 这些模型就更加复杂些。 s t a n f o r d 大学的e 1 f a d e l 等 3 t 】根据垃圾厌氧降解的四个阶段：水解阶 段、产酸阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段，将有机碳以碳链的形式表示出 来，其存在的形式有：固态碳、液态碳、产酸菌含的碳、产甲烷菌含的碳、 乙酸碳、二氧化碳、甲烷碳。其碳链表示如图1 7 ： 图1 7 垃圾填埋产气转化示意图 f i g 1 7f i g u r eo fm s w l a n d f i l lg a sg e n e r a t i o na n dt r a n s f o r m 根据每一阶段经历的反应，分别写出各自的m o n o d 方程，忽略由h 2 和c 0 2 反应生成的c h 4 ，通过四级r u n g e k u t t a 方法得出c h 4 和c 0 2 的产 气速率。 此后不少学者对此模型进行了进一步的修改与完善。 s a n d e e pp a r e c k 等 3 2 1 认为产甲烷过程还存在着硫酸盐还原菌( s r b ) 与产甲烷菌的竞争，不能忽略其影响，该模型同样按照m o n o d 方程写出每 一步的反应式，得出较e 1 f a d e l 还要复杂的模型。 j j l e e 等人 3 3 1 同样按照厌氧经历的阶段，根据m o n o d 方程也得出了 c h 4 和c 0 2 的产气关系式，不过他将由h 2 和c 0 2 反应生成的c h 4 也算在 里面，因此所得的模型表达式也稍复杂些。 e 1 一f a d e l ”j 本人也对上述的模型进行了改进，他考虑了填埋场中温度 作用于产甲烷效应，将热量产生和迁移模型和气体的产生和迁移模型相结 合起来，并结合填埋场中的物理、化学及生物过程，模拟出填埋场中的气 体和热量在时间和空间上的分布。由于这一模型考虑了热量对于产甲烷的 效应，因此更好地模拟出了填埋场的过程，但是模型却更复杂些。 另外还有一些产气模型，但是都存在这样那样的问题，不是与实际情 况不能很好地吻合，就是较为复杂，或者二者兼而有之。还有一点，就是 重庆大学硕士学位论文 这些模型都到需要在实际的一些填埋场中检验，才能最终确定其优劣性。 如前所述，确定垃圾填埋场内填埋气的产量和产气速率有很多种方法， 最主要的途径有三种：一是实验室模拟，二是现场抽气实验，三是模型佶 算。 表1 3 列出了国外报道的由上述三种方法得到的填埋气的比较典型的 产量和产气速率的数据。 表1 3 国外出现的填埋气产量和速率豹典型值 t a b 1 3t y p i c a ll f gg e n e r a t i o np r o d u c t i o na n dr a t e 注：上表中没有给出数据的地方是由于该参数数值没有报道。 必须指出的是，填埋气的产量和产气速率受很多条件因素影响，如垃 圾成分、含水率、湿度、营养物质、微生物种群等等，因此填埋气的产量 与产气速率千差万别，同时填埋气在填埋场的迁移运动十分的复杂，土壤 覆盖层中的微生物对甲烷具有一定的氧化能力，因此十分准确定量地预测 和收集填埋气比较困难。 由表1 3 可知，国外在这一领域已经做了很多的研究，但是由于各个 研究的条件各不一样，所得出的数据相差较大。 第一章前言 1 3 3 垃圾填埋气模型的国内研究现状 与发达国家相比，我国在城市垃圾填埋处置方面的研究起步较晚，对 填埋气的产量和产气速率的研究就更晚，并且研究也相当有限。但是近年 来，随着我国城市垃圾填埋场气体问题的日益突出，对这方面的研究已开 始引起热来热多的关注i ”】。 黎青松等 3 6 , 3 7 1 人通过对深圳市玉龙坑填埋场的现场打井抽气实验结 合理论计算得到该填埋场的垃圾产气量为1 8 9 m 3 i t ，而且还得出了垃圾产 气速率的表达式，需要指出的是，该产气速率是建立在s c h o l lc a n y o n 模 型的基础上的。 焦学军等1 3 8 j 针对上海是老港垃圾填埋场结合实验室研究，应用m g m e m c o n 模型得出理论上的甲烷产量为5 2 9 7 l k g ，实验室研究结果为：在 填埋后的l 一5 年内，产气速率随时间的增加而减少，波动范围为1 7 2 4 7 m l k g d ，现场实验填埋两年的垃圾，实际的产气速率为4 6 m l k g d 。 陈鲁言等 3 9 1 针对佛山五蜂垃圾填埋场对其填埋气组成与产量进行现 场试验，发现c h 4 浓度在1 7 7 0 o 之间，c 0 2 的浓度在1 7 一3 7 8 之 间，并根据有机碳的质量守衡关系，计算出了c h 。和c 0 2 的产量。 李雁等 4 0 , 4 1 也对五峰垃圾填埋场的填埋气进行了一年多的现场监测， 发现在该填埋场未封场区c h 。和c 0 2 的浓度要比封场区高很多，填埋场内 部平均气温为2 5 0 c ，他还根据监测的数据，由线性回归的方法导出了五峰 垃圾填埋场甲烷气体浓度变化的关系式。由于此关系式是由试验数据的统 计分析得出的，不是由填埋场内部的反应杌理导出，因此它不能适用于其 他的填埋场。 如前所述，确定填埋场的产气量和产气速率的方法有现场抽气试验、 试验室模拟以及模型估算等三种，我国目前进行的研究基本上都