垃圾填埋气回收利用在我国的实践
摘要:文章结合我国生活垃圾的主要特点，分析了国内垃圾填埋气体产生的特点，对填埋气体利用的参数选择提出建议；回顾了我国垃圾填埋气利用项目和政策的发展历程，分析了国内垃圾填埋气体回收利用的实践和动态；结合清洁发展机制（CDM）的实施，分析了我国开展填埋气CDM项目存在的问题和障碍，并提出了相应建议。
关键词:垃圾填埋气;回收利用;清洁发展机制（CDM）
21世纪的今天，人类正面临着严重的环境问题。其中一个重要的问题就是温室气体排放日益增加，全球变暖趋势不断加快。为了应对这一趋势，联合国气候变化框架公约的第三次缔约方大会（COP3） 通过了京都议定书。另一个严重的环境问题是日益增长的垃圾带来的管理与处理的困扰，2004年仅我国城市生活垃圾的产生量就达到1.55亿吨，较2000年增长30%，较1990年增长130%。如何管理、处理好如此大量的垃圾，是一个棘手的问题。
上述两个问题实际上有着较密切的联系，其中一个重要的体现就是垃圾填埋副产物之一的填埋气是一种温室效应很强的气体，其主要由CH4、CO2组成。CH4作为一种主要的温室气体，其所造成的温室效应是CO2的21倍。据调查，在美国和德国等一些发达国家，垃圾填埋场已经成为温室气体的第一大排放源。
填埋气也是一种可再生能源，其热值约为天然气的一半，是一种很好的清洁能源。截至2005年，美国有395个填埋气利用项目，2005年这些运行的项目的减排量相当于19×1012吨碳当量，另外还有140个项目正在或准备建设。
我国对垃圾填埋气的回收和利用具有双重意义。一方面是保护环境、履行国际公约、满足减排温室气体的需要；另一方面是回收利用能源，这在能源日益紧张、大力提倡节约型社会的今日显得尤为重要。
1 我国生活垃圾填埋气体的产生特征
目前，我国80%以上的城市生活垃圾都是采用填埋处理，并且卫生填埋将在很长一段时间内作为城市生活垃圾处理的主要方式和最终手段，因此垃圾填埋气的回收利用具有广阔的前景。
1.1 生活垃圾成分特点
我国生活垃圾成分与发达国家和地区的生活垃圾成分相比，有较大的区别，表1列出了我国生活垃圾成分和国外生活垃圾成分的对比。
表1 我国和国外的生活垃圾成分比较 |
来源与说明：a.2000年全国67个城市的统计平均值；b.USEPA530-R-03-011 Municipal Solid Waste in the United States：2001 Facts and Figures； c.http://europa.eu.int/comm/environment/waste/index.htm；d.统计在庭院垃圾中；e.《促进中国城市垃圾填埋气体收集利用国家行动方案附录文件》；f.深圳市环境卫生设施总体规划。
由表1可以看出，我国生活垃圾成分和发达国家生活垃圾的最大区别表现在：我国垃圾中的食品等易降解垃圾的含量很高，通常在50%左右，甚至更高，而发达国家只有20%左右；我国垃圾中纸张含量相对较少，纸张是降解速度居中的有机物。同时我国垃圾的含水率相对较大，含水率一般为40%～60%，而发达国家则在30%左右；我国垃圾C/N较低，约为20∶1，国外垃圾C/N在50∶1左右，而实践证明20～30的C/N值对厌氧发酵最为有利。
由于我国垃圾成分的特点，导致了垃圾在填埋过程中具有产气速率较快，并能迅速到达产气高峰，然后快速下降的特点。国内的许多研究已经证实了这一点。
1.2 产气规律的确定
对填埋气体进行回收利用，需要先确定气体回收利用的经济效益、利用规模和方案，必须充分了解填埋场气体产生规律。因此，研究填埋场气体的产生量、产生速率和压力分布等基本参数，是控制填埋场气体无组织释放，进行回收利用的关键。
确定填埋场的产气量和产气速率的方法主要有三种：现场抽气、实验室模拟、模型估算。
（1）现场抽气
从理论上讲，现场抽气能够真实反映填埋场中实际的气体产生情况，但现场抽气受到很多条件的影响，如防渗层与覆盖层的完善程度、抽气效率等，同时从填埋气产生的漫长过程来看，现场抽气只是这个过程中的一个时间点，而全程抽气数据很难获得。
（2）实验室模拟
实验室模拟较难真实地反映实际填埋场的垃圾降解情况，实际上大多数实验室模拟得出的产气数据往往小于填埋场的实际数据，这主要是由于边界条件有很大的区别、实验室中产甲烷环境较难建立等原因。
（3）模型估算
模型估算克服了现场抽气的时间限制的缺点，能预测未来多年的填埋气产生情况，应用简单易行，如目前国内应用较多的Scholl Canyon模型。但是参数的选取经常与实际情况相差±100%。因此，参数的选择至关重要，建议在确定填埋场的产气量和产气速率的时候，最好能用抽气试验的数据对模型的参数值进行调整。
填埋气的预测模型有很多，简单的有IPCC模型、Palos Verdes模型、Scholl Canyon模型等，复杂的有Marticorena提出模型、El-Fadel的动力学模型等。本文对实际中应用较多的，也是美国国家环保局（U.S.EPA）所采用的Scholl Canyon模型进行讨论。
Scholl Canyon模型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，随后反应速度随可降解的有机底质的减少而降低，即：
Q = kL0e-kt
对于运行期内特定的填埋场，在其运行期内的产气速率表达式如下：
Q = RikiL0iexp（-kiti）
式中，Q—填埋场气体产生速率（m3/a）；Ri—第i年垃圾填埋量（t）；ti — 第i年填埋的垃圾从填埋到计算时的时间（a）；L0i — 第i年填埋垃圾的产气量潜势（m3）；ki — 第i年填埋垃圾的产气速率常数（a-1）。
应用Scholl Canyon模型的关键是参数L0和k值的确定。参数k值与很多因素有关，如含水率、可利用的营养物质、pH和温度等；而L0则与垃圾成分有关。表 2 为美国国家环保局建议的取值范围。
表2 U.S.EPA推荐的参数取值 |
如前所述，发达国家填埋垃圾的成分多为报纸、纸板、木材等可缓慢降解类废物，厨余、蔬菜、水果等含量较低，垃圾含水率低，所需降解时间较长，填埋气峰值期来得较晚，但单位垃圾产气量较高。而我国的垃圾成分多以易降解的蔬菜瓜果为主，填埋气峰值期来得早，产气时间相对较短，产气量也因此低于国外水平。因而，在参照表 2 选用L0和k值应用于我国填埋场产气预测时，L0的取值更多的时候会低于表2中的下限。而k值，往往比发达国家要高。
中国城市建设研究院承担的“八五”国家科技攻关专题对城市生活垃圾卫生填埋气体回收利用技术进行了研究，并进行了为期1年多的实验室模拟试验和杭州天子岭填埋场现场抽气研究，取得一些重要的结果可供参考：
1）我国典型的城市垃圾填埋气产生速率的速率常数为0.1～0.15a-1，采用渗滤液回灌的填埋场取高值，对杭州天子岭垃圾填埋场而言，k为0.102；
2）竖井抽气的作用半径为15～20m。
2 我国垃圾填埋气甲烷资源估算
以2004年统计的垃圾卫生填埋量为基准，对2004年卫生填埋的垃圾利用三种不同的方法分别进行了全国填埋垃圾的甲烷潜势计算（见表3），这三种方法分别为IPCC推荐的统计模型、N.Gardner提出的动力学模型和U.S.EPA推荐的Scholl Canyon模型。
表3 全国垃圾甲烷气潜势统计（2004年） |
说明：N.Gardner模型的易降解有机垃圾、一般降解垃圾和难降解垃圾的比例为11.4%、84.4%和4.2%；U.S.EPA模型中L0取100m3/t，k取0.1a-1，标准状态下。
由表 3 可知，三种计算方法计算出的CH4潜势基本相当，证明2004年全国经卫生填埋的垃圾能产甲烷的总量约为520万吨，如果能够利用起来，相当于700万吨左右煤炭的能源潜力，同时对环境保护所起的作用将更为可观。
3 垃圾填埋气回收利用在国内的实践
3.1 填埋气回收利用的发展历程
（1）工程发展动态
由于国内城市垃圾的卫生填埋起步较晚，符合标准的填埋场较少，长期以来，多是简单堆放，垃圾所产生的气体处于无控制排放状态。由于气体的无序排放，上海、北京、重庆、岳阳等城市都发生过填埋气体导致爆炸的事故。
随着人民生活水平的提高，城市生活垃圾才开始由简单堆放逐步向卫生填埋过渡。从20世纪90年代初开始，一些城市相继建成了大型的垃圾卫生填埋场，填埋气的利用开始受到关注。
1998年，杭州天子岭填埋场建立了国内第一个填埋气回收利用项目，此后一些城市如杭州、广州、北京、南京等也都相继建成了填埋气回收利用的项目，其中大部分项目是利用回收的填埋气发电；集中点火燃烧的如青岛市小涧西填埋场；燃烧后利用热能的，如马鞍山利用填埋气燃烧供医疗垃圾焚烧使用，北京安定填埋场气体燃烧用于渗滤液蒸发等。表 4 列出了国内部分垃圾填埋气利用项目。
表4 国内部分垃圾填埋气回收利用项目及方式 |
（2）填埋气利用政策发展历程
1994年，国务院通过了《中国21世纪议程—中国21世纪人口、环境和发展白皮书》，明确提出“大力推广沼气应用技术，利用生物质能生产沼气，用于生活和动力能源”。
1996年，国务院转发了国家经贸委等部门《关于进一步开展资源综合利用意见的通知》，把沼气发电划定为资源综合利用项目，享受相应的优惠政策。财政部和国税总局出台了包括垃圾发电在内的资源综合利用产品增值税给予即征即退的政策。
2002年，国家环保总局公布了《中国城市生活垃圾填埋气体收集利用国家行动方案》，方案分析了我国城市垃圾处理管理体制、政策、技术、融资障碍，提出了相应的建议，对城市垃圾填埋气的利用提出了三阶段实施的计划。
2002年，建设部印发了《关于加强生活垃圾填埋场气体管理工作的通知》，提出对于有条件的填埋场，要加强气体的收集和综合利用；鼓励多方投资，建立多元化的投资体系。
2006年，国家发改委发布《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》，规定生物质发电（含垃圾焚烧和填埋气发电）上网电价由标杆上网电价加补贴电价组成。补贴电价标准为每度电0.25元。发电项目自投产之日起，15年内享受补贴电价。可以预见，该政策的实施将对我国填埋气体利用产生积极的影响。
（3）按照产业化要求的技术、设备发展
美欧等发达国家在垃圾填埋气的收集和综合利用方面已形成较为成熟的技术和设备，与之相比，我国在此领域的技术水平差距较大。目前国内的填埋气利用项目绝大多数都是从国外进口关键设备。虽然国内一些研究机构曾对填埋气发电机的开发作过一些研究，但主要集中在内燃机系列上，目前一般只是对汽油机和柴油机进行一些粗略的改装，没有足够的设备运行经验。总体而言，目前国内的填埋气发电和用做清洁燃料的装置制造及系统运行正处于探索阶段。
在今后的若干年内，填埋气体回收利用的关键技术和设备将是一个重要的研究方向，并且将体现在如下方面：1）新型高效垃圾填埋气燃烧发电机和发电系统的开发及优化运行；2）新型高效垃圾填埋气火炬燃烧系统的开发及优化运行；3）垃圾填埋气提纯工艺（如变压吸附、膜分离）等的研究；4）垃圾填埋气燃烧热能用于填埋场渗滤液蒸发浓缩系统的开发。
3.2 典型项目
（1）发电项目
杭州市天子岭垃圾填埋场发电项目是国内第一家填埋气体利用项目，设计规模为4～6MW，一期工程投资约300万美元，安装了两台美国制造的内燃发电机组，每台装机容量为970kW。该填埋场的垃圾堆体平均厚度约30m，垃圾量约300万吨。填埋气组分为CH4占50%～60%，CO2占35%～40%，气体流量约为2000m3/d。
天子岭垃圾填埋场的气体收集方式为水平与垂直收集系统相结合，垃圾填埋过程中水平铺设盲沟（1.5m×1m），间距约50m。填埋气体在负压（抽气）的作用下，通过石笼内多孔钢管引到地表管网并输送到发电厂压缩冷凝进行进一步净化，然后在气液分离鼓中将冷凝液和气体分离，分离后的气体输送到发电机组发电。流程见图1。
 图1 天子岭垃圾填埋场气体处理系统流程 |
（2）燃烧蒸发渗滤液项目
北京安定垃圾填埋场的填埋气体利用项目是我国第一个CDM（清洁发展机制）项目。该项目利用甲烷燃烧时释放出的热能来蒸发渗滤液处理后的浓缩液。该装置主要由火炬系统（气水分离罐、鼓风机、火炬点燃、安全检测及尾气排放烟筒等设备）和蒸发罐系统（沼气加压风机、空气鼓风机、蒸发罐点燃、渗滤液浓缩液输入管道、排渣管道、尾气二次燃烧等设备）两组设备组成。工艺流程见图 2 。
 图2 安定垃圾填埋场沼气及渗滤液处理工艺流程 |
4 填埋气回收利用项目与CDM
4.1 CDM简介
清洁发展机制（简称CDM）是京都议定书下发达国家与发展中国家合作减排温室气体的一种“双赢”机制。CDM项目由发达国家提供资金和技术援助，在发展中国家境内开展项目级的合作，目的是协助发展中国家实现可持续发展，并帮助发达国家获得经核证的减排量（CERs），实现减少温室气体排放的承诺。CDM机制的实施，为发展中国家的环保项目提供了另一种融资渠道。
4.2 垃圾填埋气CDM项目在我国的开展
随着CDM机制的实施，为潜在的项目的实施提供了一种融资方式，加之项目的产品（热能、电力等）本身具有的价值，因此，填埋气体利用项目会有很好的效益。
但截至2006年3月，由国家CDM管理机构批准的填埋气体利用项目只有三个。与同是发展中国家的印度、巴西等相比较少。除了CDM实施本身周期长等原因外，还有其他方面的因素。国外各种机构纷纷跑马圈地，填埋场业主及其主管机构则是待价而沽，虽然市场看起来很红火，但是却比较混乱。
究其原因，主要是：
（1）风险较大。CDM项目程序比较复杂，不确定因素较多，项目风险相对较大，而目前项目业主大都不愿意承担此类风险；
（2）缺乏技术经验。垃圾填埋气体回收利用在我国属于新兴事物，而且技术要求较高，国内垃圾填埋场的技术人员对此缺乏了解，需要专业机构对其进行技术能力建设以及项目鉴定、开发的咨询服务；
（3）政策不够完善。尽管国家在再生能源、再生资源领域有优惠政策，但这些政策并没有得到认真的贯彻实施，主要原因是政策的可操作性不强，部分企业对政策缺乏了解等；
（4）体制不顺。例如，虽然国家发改委发布了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》，规定了填埋气体发电的价格核算方法，但传统上的环卫行业与电力行业或燃气行业是不同的部门，国家还没有填埋场气体及后续产品，如电力、供热和燃气等的跨部门销售规定。
4.3 对我国开展填埋气CDM项目的建议
（1）制定相关政策、标准和规范。目前国内大多数填埋场气体无组织排放，既浪费资源又对环境造成污染。制定垃圾填埋场气体收集标准、技术规范，提出填埋场气体收集、利用装置的设计、建设和维护标准；制定相应政策，要求电力公司或其它有关企业必须购买填埋场气体及后续产品，如电力、燃气、供热等产品。
（2）加快体制改革和技术发展，推进填埋气体产业化。发展相应的装备和技术产业，为填埋气回收利用提供必要的技术和装备支撑；气体排放应达到当地环保部门制定的填埋场污染物最低排放标准和允许排放量；鼓励有实力的企业进入填埋气利用领域，通过引入竞争机制，建立多元填埋气项目建设、运营机制。
（3）建立国家级垃圾填埋气体利用（包括CDM）咨询中心。CDM程序复杂，风险性大，为了降低项目开发的成本，政府应支持建立技术、信息和咨询服务机构并提供帮助。咨询中心可以制订计划、实施示范工程、编制垃圾填埋场建设和气体收集利用技术手册；为填埋场业主实施填埋气体项目提供技术和其他方面的咨询；对开发商、技术人员等进行能力培训。
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