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安靜1，常軍1，朱宗強2，3
(1.中國石油新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依834000；2.廣西環(huán)境工程與保護評價重點實驗室，廣西桂林541004；3.桂林工學(xué)院資源與環(huán)境工程系，廣西桂林541004)
摘要：綜合闡述國內(nèi)外在城市垃圾填埋與沼氣化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀、城市垃圾填埋以及沼氣化技術(shù)原理，結(jié)合經(jīng)濟和技術(shù)實際，詳細分析城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在我國的可行性，并對其在我國大范圍推廣的發(fā)展前景和存在的問題進行簡析。
隨著我國城市垃圾狀況和管理方式的變化，我國的城市生活垃圾管理正從單純的末端處理向源頭治理和綜合管理方向發(fā)展。近年來，我國相繼建造了不少大型的垃圾衛(wèi)生填埋場，填埋沼氣的問題也日益突出，成為城市垃圾填埋處置過程中引起廣泛關(guān)注的最重要的環(huán)境影響因素之一，同時，填埋沼氣也是可以加以利用的寶貴資源。因此，隨著人民生活水平的提高和垃圾分類收集工作的試行和推廣，采用填埋與沼氣化技術(shù)工藝處理城市生活垃圾無疑將成為一個非常重要的將城市垃圾資源化處理方法。
1城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
1.1國外利用現(xiàn)狀
利用厭氧消化能產(chǎn)生沼氣的現(xiàn)象早已為人們所知，其應(yīng)用也已有100多年的歷史。進入20世紀以來，科學(xué)家分離出產(chǎn)甲烷的厭氧細菌，進一步揭示出了有機物厭氧消化產(chǎn)生沼氣的微生物學(xué)機理。1896年，英國小城市Exeter建起了一座處理生活污水污泥的厭氧消化池，所產(chǎn)沼氣用作一條街道的照明燃料；1906年印度Matunga建造了利用人糞生產(chǎn)沼氣的沼氣池。隨著工藝的進步與發(fā)展，厭氧消化被應(yīng)用于畜牧業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品加工廢料的處理，并逐漸在高濃度有機廢水的處理上得到廣泛應(yīng)用，但將其應(yīng)用于固體廢物的處理，尤其是有機生活垃圾的處理，則只有十余年的歷史。
由于對城市垃圾采用填埋與沼氣化技術(shù)不僅可以能減輕其對環(huán)境的污染，而且可以回收利用能源，創(chuàng)造財富，變廢為寶。因此世界上許多國家如美國、英國早在20世紀70年代就開始了對垃圾填埋的填埋氣進行研究，20世紀80年代初便開始利用填埋氣。隨著近些年來環(huán)境變遷和溫室效應(yīng)的加劇、石油價格的上漲以及能源危機的加劇，采用填埋與沼氣化技術(shù)處理城市垃圾更加得到重視。
美國對垃圾填埋的沼氣利用發(fā)展較快，1982～1990年，利用填埋沼氣的填埋場由16個發(fā)展到244個。美國對填埋沼氣的利用主要集中在發(fā)電，也有部分將填埋沼氣轉(zhuǎn)化為管道天然氣。據(jù)估算，美國全國天然氣消費量的1%可以被填埋氣體中的甲烷所代替，全國約有1000個填埋場適合開展填埋氣體的利用，每年可產(chǎn)生570億m3的沼氣，如果全部加以利用相當于4～5億美元的價值[1]。
截止1990年，歐盟的垃圾填埋的沼氣利用項目就有175個。歐洲對填埋沼氣的利用以將其轉(zhuǎn)換為熱能和發(fā)電為主。歐洲第一個完全使用垃圾填埋的沼氣發(fā)電的工廠建于1987年。1995年底，英國共有33個商業(yè)性填埋氣體利用項目1個，另有20個項目正在規(guī)劃和建設(shè)中，其發(fā)電總裝機容量約為190MW。據(jù)估計，英國可利用的垃圾填埋的沼氣總能源價值相當于500～600MW。德國垃圾填埋的沼氣的主要利用方式是通過內(nèi)燃機發(fā)電和直接燃燒供熱，到1991年，295個正在運行的城市垃圾填埋場中有32%的填埋場擁有氣體利用設(shè)備[2]。
從1996年起，荷蘭填埋沼氣的利用量為1.15億m3，其中約1000萬m3用于直接燃燒以供熱，約2000萬m3經(jīng)過加工處理用作燃料氣，大部分(約8000萬m3)用于25個發(fā)電機組進行發(fā)電，其發(fā)電量為150MW?h，可以滿足約5萬個荷蘭家庭的用電量。此外，熱電連產(chǎn)機組用沼氣生產(chǎn)供熱31MW?h。在荷蘭，1t垃圾在20年中可產(chǎn)生200m3沼氣，發(fā)電成本為0.03～0.05美元/度，上網(wǎng)售價為0.05～0.07美元/度[3]。拉丁美洲自1977年以來，已完成5個填埋沼氣利用項目，使拉丁美洲在發(fā)展中國家中居于領(lǐng)先地位。填埋沼氣經(jīng)過凈化后主要用于廚房、照明、機動車燃料和管道煤氣，年利用量約為2.17億m3[4]。
近年來，在可持續(xù)發(fā)展原則指導(dǎo)下，歐洲國家紛紛立法，限制有機垃圾進入衛(wèi)生填埋場。在德國，2005年以后，有機物含量高于5%的垃圾即被禁止直接進入垃圾衛(wèi)生填埋場。這種情況下，有機垃圾的處理和利用成為一個迫切的問題。由于堆肥存在這樣那樣的問題，人們不斷探討有機垃圾處理和利用的新技術(shù)方法。近十年來，有機垃圾厭氧消化系統(tǒng)在德國、瑞士、奧地利、芬蘭、瑞典等國家發(fā)展尤其迅速，日本荏原公司也從歐洲引進技術(shù)，在日本建設(shè)了首座厭氧消化示范工程。有機垃圾的厭氧消化處理成為有機垃圾處理的一種新的趨勢。
1.2國內(nèi)利用現(xiàn)狀
我國對城市垃圾填埋制取沼氣技術(shù)的研究起步較晚，只是近一、二年進行了一些實驗性研究。1997年，國家環(huán)保總局在南京、鞍山和馬鞍山三城市啟動了“促進中國城市垃圾填埋沼氣收集利用”項目。目前，南京市已成功實現(xiàn)氣體收集發(fā)電的目標。鞍山市的“收集甲烷用于汽車燃料”項目，馬鞍山市的“收集甲烷用于焚燒醫(yī)院有毒有害廢物”項目，也已于2003年完成[4]。
2002年8月開始運營的廣州市興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場是我國第一座與國際技術(shù)管理接軌的大型生活垃圾處理設(shè)施。興豐垃圾場設(shè)置有垂直和水平填埋沼氣收集管網(wǎng)系統(tǒng)，有130個豎井，氣體收集率可達70%。根據(jù)興豐場未來的垃圾量計算，該場至少能發(fā)電20年以上，最高發(fā)電裝機容量可達1.3萬kW。由國家計委、國家環(huán)保總局、國家經(jīng)貿(mào)委、財政部、建設(shè)部、科技部等共同編寫的《中國城市垃圾填埋氣體收集利用國家行動方案》于2002年10月23日正式出臺，預(yù)計到2015年中國城市垃圾填埋無害化處理將達到60%至70%。據(jù)預(yù)測和專家估計，到2015年，我國的城市垃圾年產(chǎn)量將達1.79億t，預(yù)計其中60%采用衛(wèi)生填埋處理，則每年需填埋處置1.1億t垃圾，假設(shè)對填埋垃圾所產(chǎn)生的沼氣全部進行回收利用，按每kg垃圾產(chǎn)生0.064～0.44m3填埋氣來計，則可產(chǎn)生總量相當于10～70億m3的天然氣，其最小值與目前我國煤層氣產(chǎn)量相當，最大值相當于我國目前天然氣產(chǎn)量的1/5，這是一個相當可觀的數(shù)字。同時大量減少甲烷排放量，對環(huán)境保護所起的作用將更為可觀[5]。
根據(jù)我國政府制定的計劃，到2010年所有城市都要建設(shè)符合環(huán)境要求的城市垃圾處理設(shè)施，使全部垃圾做到無害化處理。據(jù)預(yù)測，到2010年我國城市垃圾的產(chǎn)生量將達到219億t[6]。隨著垃圾分類收集工作的大力推廣與發(fā)展，必將有更多的廚余類有機垃圾被分選出來，有機垃圾含量按45%計算，則到2010年約有113億噸的有機垃圾產(chǎn)量。若按約有30%的有機垃圾被用來進行厭氧消化處理計算的話，則每年可產(chǎn)生生物氣體量約為50億m3，其中蘊含的能量大約為300億kWh，相當于30億升柴油，可供車輛行駛420億公里，另外厭氧消化殘渣產(chǎn)量約為1000萬噸，其經(jīng)過靜態(tài)腐熟一段時間后即可作為粗堆肥產(chǎn)品出售，產(chǎn)生附加的經(jīng)濟效益。
2城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的原理
2.1城市垃圾填埋技術(shù)的原理
我國對城市垃圾填埋主要采用衛(wèi)生填埋技術(shù)，后來又逐漸發(fā)展成為生態(tài)填埋。所謂衛(wèi)生填埋就是能對垃圾滲濾液和填埋氣體進行控制的填埋方式[7]，通常首先要進行防滲處理，在填埋場底采用人工襯層，四周采用垂直防滲幕墻并使之與天然隔水層相連接，使填埋場場底下形成一個獨立的水系，使之不會污染地下水，滲濾液一般通過管道收集后直接處理或送城市污水處理廠處理。垃圾填埋場氣體中含有大量甲烷、二氧化碳及其他微量成分，若不采取適當?shù)氖张畔到y(tǒng)進行處理，則會在填埋場累積，通過填埋覆蓋層或側(cè)壁向場外釋放，對周圍環(huán)境和人類健康造成很大危害。
2.2城市垃圾沼氣化技術(shù)的原理
城市垃圾沼氣化技術(shù)就是利用垃圾厭氧消化制沼氣。厭氧消化Anaerobic Digestion又稱為厭氧發(fā)酵，是指在沒有溶解氧和硝酸鹽氮的條件下，微生物將有機物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、無機營養(yǎng)物質(zhì)和腐殖質(zhì)的過程[8～10]。在這個過程中有機物不斷被幾種微生物的組合體分解，最后將其中大部分的碳以甲烷和二氧化碳的形式釋放出來。被分解的有機碳化物中的能量大部分儲存在甲烷中，僅一小部分有機碳化物氧化成二氧化碳，釋放的能量作為微生物生命活動的需要。厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程，在自然界內(nèi)厭氧發(fā)酵過程也廣泛存在著。有機物在有水的地方，在無氧條件下，很容易發(fā)生厭氧發(fā)酵，并產(chǎn)生厭氧發(fā)酵的代表性產(chǎn)物甲烷和硫化氫。
3城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在我國的可行性分析
3.1城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟性分析
3.1.1城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的技術(shù)性分析
城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的關(guān)鍵問題是沼氣的收集與導(dǎo)出和滲濾液的處理與防護，以防止爆炸和造成二次污染。對沼氣收集采用布設(shè)集氣管道的方式，在國內(nèi)外已經(jīng)有了一定的應(yīng)用，技術(shù)上也基本成熟；而對沼氣的導(dǎo)出通常采取的方法有：①通過石籠等形式將填埋沼氣導(dǎo)排；②進石籠和收集灌將沼氣導(dǎo)排并使安全燃燒；③經(jīng)管網(wǎng)系統(tǒng)收集凈化作能源回收利用。另一個對防止垃圾滲濾液的方法有：①設(shè)置防滲襯里；②設(shè)置導(dǎo)流渠或?qū)Я鲏危虎圻x擇合適的覆蓋材料。同時，對滲濾液收集之后采取專門的處理，再引入污水處理廠，最終達到達標排放。
3.1.2城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的經(jīng)濟性分析
從投資的角度看，一個處置能力為2000t/d的垃圾衛(wèi)生填埋場，其填埋氣體回收利用系統(tǒng)的建設(shè)費用約為2000～3000萬元，相當于填埋場建設(shè)費用的20%～30%。而對于這種規(guī)模的衛(wèi)生填埋場，每年可回收利用的沼氣量約為1800萬m3，熱值按18MJ/m3計，則每年可回收熱能1800萬m3×18MJ/m3=01324PJ；如果全部用于發(fā)電，能量轉(zhuǎn)移率暫以30%計，則每年可發(fā)電27.1GWh，上網(wǎng)電價按0.5元/kWh計，年發(fā)電收入可達0.5元/kWh×27.1GWh/a=1355萬元/a，運行兩年即可回收投資[10]。根據(jù)以上分析，對于較大規(guī)模的垃圾填埋場建設(shè)填埋氣體回收利用系統(tǒng)，無論是對投資方，還是對管理方都具有較大的市場吸引力。
3.2在我國當前城市規(guī)劃發(fā)展的前提下，垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的可行性分析
初步研究結(jié)果表明，該方法在我國是可行的，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。主要原因如下：
3.2.1技術(shù)設(shè)備簡單
該方法工藝要點是：垃圾分單元以約2m厚一層逐層填埋，每層設(shè)置集氣系統(tǒng)，層與層之間隔絕，整體封閉，靠調(diào)節(jié)濕度來控制溫度以獲得預(yù)期的氣體回收率。設(shè)備簡單，投資較少，可伸縮性強，處理徹底，比較適合我國國情。
3.2.2我國城市垃圾的特性適于填埋制沼
一是數(shù)量大，便于建造大規(guī)模、效率高的填埋場；二是質(zhì)量好[10]。雖然我國城市垃圾平均有機物含量較低，但我國部分大城市及城市的雙氣戶(暖氣、煤氣戶)地區(qū)有機物含量仍較高，而且有機物中動植物殘骸等食品垃圾比例高，有利于產(chǎn)沼，并且隨著我國燃料結(jié)構(gòu)的改變，垃圾中有機成分的增加，將有利于填埋制沼技術(shù)的推廣。
3.2.3經(jīng)濟效益較高
我國目前能源緊張，勞動力便宜，從經(jīng)濟效益或所謂競爭性價格角度看采取該方法比發(fā)達國家更有利。根據(jù)我國現(xiàn)有城市垃圾特性推算，我國年產(chǎn)垃圾8000萬t，能量相當于270萬t標準煤，價值約1.6億元。由于沒有考慮已填埋垃圾的潛在能量，因而上述數(shù)字是最保守的估計。而且隨著我國城市垃圾中有機成分的不斷增加，垃圾填埋產(chǎn)沼量還會不斷增加。杭州天子嶺衛(wèi)生填埋場[11]是國內(nèi)第一家進行填埋氣體回收利用的填埋場，其下設(shè)的填埋氣體發(fā)電廠設(shè)計規(guī)模4～6MW，于1998年正式發(fā)電，并入華東電網(wǎng)，年上網(wǎng)電量達14343MW?h，年產(chǎn)值717萬元，投資回報周期為6～7年。
4城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在我國的發(fā)展前景及存在的問題
4.1城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在我國的發(fā)展前景
近年來我國城市垃圾填埋氣體顯著增加，表現(xiàn)為：
①隨著城市化的快速發(fā)展、人口的增加和居民消費水平的穩(wěn)步提高，我國城市垃圾產(chǎn)生量以每年8%～10%的比例遞增。目前，城市人均垃圾日產(chǎn)量略高于1.0kg，全國每年的垃圾總產(chǎn)量已超過1億t。垃圾填埋量的增加使得填埋氣體產(chǎn)生量呈上升趨勢。
②近20年來，城市垃圾最終處置已開始由無控的分散堆放向有控的集中處置發(fā)展，發(fā)生源的集中使填埋氣體對環(huán)境的影響變得更加突出。
③居民生活水平的提高使垃圾中有機物組分大大增加，這種垃圾組分的變化也使得單位重量的垃圾填埋氣體產(chǎn)生量提高。
而相對來說，大多數(shù)填埋場建造技術(shù)水平較低，大量氣體處于無序排放狀態(tài)，造成嚴重的環(huán)境危害。上海、北京、重慶、岳陽等城市都發(fā)生過填埋氣體導(dǎo)致爆炸的事故。因此，對現(xiàn)有垃圾堆放場以及正在建設(shè)和將要建設(shè)的衛(wèi)生填埋場所產(chǎn)生的填埋氣體加以控制已成為迫在眉睫的問題。
根據(jù)我國政府制定的計劃，到2010年所有城市都要建設(shè)符合環(huán)境要求的城市垃圾處理處置設(shè)施，使全部垃圾做到無害化處理。據(jù)預(yù)測，到2010年我國城市垃圾產(chǎn)生量將達到219億t，按處理率計算，衛(wèi)生填埋占70%、焚燒占20%、綜合利用(堆肥或厭氧發(fā)酵等)占10%，到2010年垃圾衛(wèi)生填埋的能力將是2億t，產(chǎn)生沼氣約25億m3。如此多的垃圾填埋，其沼氣的產(chǎn)生及對大氣環(huán)境的影響將不可忽視。而這些沼氣能全部回收的話，可相當于356萬t標準煤的熱量可利用。可見，填埋氣體的回收利用在我國也是有很大的發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>
4.2推廣城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)存在的問題
盡管垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在環(huán)境效益和經(jīng)濟效益方面都有不容忽視的優(yōu)點，但其在應(yīng)用和大范圍的推廣仍然存在一定問題。
4.2.1項目準備費用過高
通常情況下，垃圾填埋場不具備電力傳輸系統(tǒng)，出售填埋氣體發(fā)電系統(tǒng)的電力，必須得到電力公司的許可并取得合法的、規(guī)范的上網(wǎng)協(xié)議和合理的上網(wǎng)電價，而這一過程是非常復(fù)雜的。常規(guī)能源發(fā)電項目的準備費用大約為幾百萬美元，占項目總投資額的1%～3%，比填埋氣體發(fā)電項目的準備金要高出許多。
4.2.2缺乏可操作的經(jīng)濟激勵政策
盡管我國政府已經(jīng)出臺了一些經(jīng)濟激勵政策以促進包括填埋氣體
發(fā)電在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展，但在實際操作過程中如何貫徹這些政策仍存在不少問題，如缺少標準的上網(wǎng)協(xié)議、購電協(xié)議、計算電價的方法等。
4.2.3沒有專用的甲烷發(fā)電設(shè)憊
杭州天子嶺所采用的填埋氣體發(fā)電設(shè)備是由美國公司提供的。
4.2.4技術(shù)推廣的可行性和決策難度大
填埋氣體產(chǎn)生量不穩(wěn)定，對合適的發(fā)電裝機的估算很困難，增大了可行性研究和決策的難度。
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