垃圾填埋气体的收集利用填埋场气体的组成与性质垃圾填埋

第四节垃圾填埋气体的收集利用•填埋场气体的组成与性质•垃圾填埋气体的产生过程•LFG产生量的估算•LFG收集系统•LFG净化与利用1、填埋场气体的组成与性质•填埋气(LFG)–指在填埋垃圾中可生物降解有机物在微生物作用下的产物。–填埋气的主要组成•NH3、CO2、CO、H2、H2S、CH4、Cl2和O2等。•特征：温度43~49°C，相对密度1.02~1.06，高位热值15630~19537kJ/m3。–填埋场气体对环境的影响温室效应产生令人讨厌的气味产生毒害影响和健康问题产生爆炸的可能性对植物生长不利但其有较高的利用价值2、垃圾填埋气体的产生过程•第一阶段――初始调整阶段（好氧分解阶段）–垃圾刚填埋即进入初始调整阶段，此阶段中垃圾中易降解组分迅速与填埋时所夹带的氧气发生好氧生物降解反应，生成CO2和H2O，同时释放热量，垃圾温度可升高10~15°C。–本阶段渗滤液水量较少，O2明显下降，无CH4生成。–本阶段持续时间较短•第二阶段――过渡阶段–氧气耗尽，开始形成厌氧条件，进入兼性厌氧降解阶段。硝酸盐和硫酸盐开始被还原为氮气和硫化氢。–特征•由于水解、发酵作用生成挥发性有机物，气体成分复杂，但仍以CO2为主，含少量N2、H2，但基本没有CH4；•渗滤液的pH值开始下降，COD升高，渗滤液含有较高浓度的脂肪酸、钙、铁、重金属。•第三阶段――酸化阶段（产酸阶段）–非甲烷菌(主要是兼性厌氧菌和专性厌氧菌)活动显著，复杂有机化合物如多糖、蛋白质等在微生物作用下水解、发酵，由不溶性物质变为可溶性物质，并迅速生成挥发性脂肪酸将和醇。–特征•CO2占主要，到后阶段逐渐减少，同时会产生少量H2；•由于大量有机酸的累积，pH值下降显著，导致重金属溶出增加，COD和BOD急剧升高；•渗滤液含有大量的可产气的有机物和营养物质。•第四阶段――甲烷发酵阶段–厌氧阶段，甲烷菌成为优势种群，将产酸阶段的酸和H2转化成CH4和CO2。–主要特征•CH4产生率稳定，浓度保持在50~65%；•脂肪酸浓度下降，渗滤液的BOD、COD下降，BOD5/COD为0.1~0.01，可生化性差，属于后期的渗滤液，也称为“老化”的垃圾渗滤液•pH值开始升高，保持在6.5~8，重金属离子浓度开始下降•第五阶段――成熟阶段（填埋场稳定阶段）–当废物中大部分可降解有机物转化成CH4和CO2后，垃圾中的易降解组分基本分解完全，LFG的释放速率显著减少，填埋场处于稳定阶段或成熟阶段。–特征•几乎没有气体产生，开始复氧；•渗滤液及废物的性质稳定，渗滤液中常含有富里酸和腐殖酸，很难用生化方法处理；•填埋场中微生物量极贫乏CH43、LFG产生量的估算•动力学模型――化学需氧量法–1gCOD有机物＝0.25gCH4–换算成体积：1gCOD有机物＝0.35LCH4•IPCC的统计模型5.012164rDOCHMSWVCH仅适用于估算较大规模的产气量式中：VCH4为垃圾填埋场的甲烷排放量，m3；MSW为城市固体废物量，t；H为城市垃圾填埋率；DOC为垃圾中可降解机碳的质量分数，IPCC的推荐值为：发展中国家为15%，发达国家为22%；r为垃圾中可降解有机碳的分解率，IPCC推荐为77%。16/12为CH4和C之间的换算系数；0.5为甲烷中碳与总碳的比率。•Marticorena经验模型)]exp((10nidditttMPmF式中，MP0为新鲜垃圾的特定产甲烷潜能，m3/t；t为时间，a；td为垃圾生命持续时间，a；mi为第i层中废物的质量，t；F为整个填埋场的甲烷产率，m3/a)exp(0ddtttMPD4、LFG导排系统•导排分类被动式收集系统利用填埋气体的压力进行收集，适用于：填埋面积不大，产气较小，填埋深度浅的填埋场主动式收集系统利用抽真空的方式进行收集•水平收集系统•竖井收集系统主动收集系统•竖井收集系统–垂直集气井收集竖井管网布置一般采用正三角形布局X=2Rcos30°常用井间距45~60m，如果覆盖层使用粘土，一般井间距为30m。•主动式收集系统–水平收集系统填埋场水平抽气管(沟)示意图5、LFG净化与利用LFG的利用燃料发电、产热民用燃气化工原料合成•LFG的净化–脱水–脱CO2–脱H2S–脱O2–脱N2•从垃圾场回收的甲烷气体的利用与当地或周围地区对能源的需求及使用条件有关。•（1）填埋气体的能源回收系统•LFG常被转换成能源。对于小的装机容量而言（到5MW），常使用内燃发电机或者使用气轮机。对于大的装机容量而言，常常使用蒸汽涡轮机。当使用内燃发电机时，要尽量除去LFG中的水分以防损坏柱头。如LFG含H2S，必须控制焚烧温度以防产生腐蚀。也可以先除去LFG中含有的H2S，然后再燃烧。•（2）气体净化和回收•LFG中的二氧化碳和甲烷可通过物理、化学吸附方法和膜分离法加以分离。但只能吸附某些组分，而使用弱渗透薄膜分离法可从甲烷中分离出二氧化碳。•（3）就地使用•最简单的利用方法是用管道将回收的LFG从采集点输送到临近的使用地。在输送给使用者前，LFG必须经干燥和（或）过滤，去除冷凝液和粉尘，使之变为达一定清洁度的甲烷浓度为35%～50％的气体。•（4）管道注气•如果找不到当地的使用者，管道输送是一种适宜的选择。若附近有输送中等质量LFG的管道，将气体处理，干燥并除去腐蚀杂质，加压到管道压力便可注入LFG的输送管道。中等质量的LFG甲烷浓度为50％，具有明显的能源价值。为得到高质量的LFG，需要回收气体中的二氯化碳并去除微量杂质，该处理过程较为困难，费用更贵。•（5）发电