固体废弃物第九章第四节.ppt

第四第四节节 填埋填埋场场气体收集与利用系气体收集与利用系统统 填埋场气体收集与利用系统是填埋场设计过程中需重点考虑的问题之一。填埋场气体收集与利用系统是填埋场设计过程中需重点考虑的问题之一。对填埋场气体处理和管理程度直接决定着填埋场是否达到卫生填埋场要求的对填埋场气体处理和管理程度直接决定着填埋场是否达到卫生填埋场要求的一个重要标志。一个重要标志。垃圾在填埋场填埋一定时间后，在垃圾不断地被降解和稳定化的过程中垃圾在填埋场填埋一定时间后，在垃圾不断地被降解和稳定化的过程中将产生气体。随着气体的不断产生，气体将在填埋场内产生浓度梯度，直接将产生气体。随着气体的不断产生，气体将在填埋场内产生浓度梯度，直接向上或是通过填埋场周围土壤的侧向和竖向迁移向上或是通过填埋场周围土壤的侧向和竖向迁移，以致通过扩散进入大气层，以致通过扩散进入大气层，污染环境。，污染环境。若填埋场气体中甲烷与空气混合到若填埋场气体中甲烷与空气混合到515%的浓度时会发生爆炸、火灾和的浓度时会发生爆炸、火灾和对大气的污染，同时对植物生长也有妨害。对大气的污染，同时对植物生长也有妨害。填埋气体中的甲烷会增加全球温填埋气体中的甲烷会增加全球温室效应室效应，其温室效应的作用是二氧化碳的其温室效应的作用是二氧化碳的 22 倍。倍。填埋气体中含有少量的有毒气体填埋气体中含有少量的有毒气体，如硫化氢、硫醇氨等如硫化氢、硫醇氨等，对人畜和植物对人畜和植物均有毒害作用。均有毒害作用。填埋气体还会影响地下水水质填埋气体还会影响地下水水质，溶于水中的二氧化碳溶于水中的二氧化碳，增加了地下水的增加了地下水的硬度和矿物质的成分。可见硬度和矿物质的成分。可见，填埋气体对周围的安全始终存在着威胁填埋气体对周围的安全始终存在着威胁，必必须对填埋气体进行有效的控制。须对填埋气体进行有效的控制。填埋气体的热值很高填埋气体的热值很高，具有很高的利用价值。国内外已经对填埋气体开具有很高的利用价值。国内外已经对填埋气体开展了广泛的回收利用展了广泛的回收利用，将其收集、贮存和净化后用于气体发电、提供燃气、将其收集、贮存和净化后用于气体发电、提供燃气、供热等。供热等。1一、填埋气体的组成及特性一、填埋气体的组成及特性 填埋场气体填埋场气体(Landfill Gas，简称简称 LFG)又称填埋气体或沼气又称填埋气体或沼气，它是垃圾中有机成分生化分解的产物。它是垃圾中有机成分生化分解的产物。一、填埋气体的组成一、填埋气体的组成填埋气体含有多种气体成分填埋气体含有多种气体成分，一般可分为主要气体和微量气体两个部一般可分为主要气体和微量气体两个部分。分。1、填埋气体主要气体组成、填埋气体主要气体组成 填埋气体中主要气体包括甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢、硫填埋气体中主要气体包括甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢、硫化氢、氮和氧等，其中最主要的是甲烷和二氧化碳气体。它的典型特化氢、氮和氧等，其中最主要的是甲烷和二氧化碳气体。它的典型特征为征为:温度达温度达 4349，相对密度约相对密度约 1.021.06，为水蒸气所饱和为水蒸气所饱和，高位热值在，高位热值在 1563019537 kJ/m3。表。表6-1给出了典型垃圾填埋场主给出了典型垃圾填埋场主要气体的组分和含量。要气体的组分和含量。表表6-1 城市生活垃圾卫生填埋场填埋气体的典型组成城市生活垃圾卫生填埋场填埋气体的典型组成2 甲烷和二氧化碳是填埋气体中的最主要气体。当甲烷在空气甲烷和二氧化碳是填埋气体中的最主要气体。当甲烷在空气中的浓度处在中的浓度处在515范围时，遇明火会发生爆炸。在填埋场范围时，遇明火会发生爆炸。在填埋场内部，由于垃圾体缺少氧气和火种，没有发生爆炸的危险。但内部，由于垃圾体缺少氧气和火种，没有发生爆炸的危险。但是，假如填埋气体迁移扩散到场区边缘并与空气混合，则会形是，假如填埋气体迁移扩散到场区边缘并与空气混合，则会形成浓度在爆炸范围内的甲烷混合气体。这些气体的浓度与渗滤成浓度在爆炸范围内的甲烷混合气体。这些气体的浓度与渗滤液相接触的气相的浓度，可用亨利定律来估算。因为二氧化碳液相接触的气相的浓度，可用亨利定律来估算。因为二氧化碳会影响渗滤液的会影响渗滤液的pH值，故还可用碳酸盐平衡常数来估算渗滤液值，故还可用碳酸盐平衡常数来估算渗滤液的的pH值。值。2 2、填埋气体微量气体组成、填埋气体微量气体组成 填埋场产生的微量气体含量虽然很少填埋场产生的微量气体含量虽然很少,但其成分比较复杂，但其成分比较复杂，毒性较大毒性较大,对公众健康具有极其危害性。美国从对公众健康具有极其危害性。美国从66个填埋气体个填埋气体样品中均发现了微量有机化合物的存在。英国从三个不同填埋样品中均发现了微量有机化合物的存在。英国从三个不同填埋场采集的气体样品中检测到了场采集的气体样品中检测到了 116 种有机化合物种有机化合物,且其中大部分且其中大部分为挥发性有机化合物。国外所发现的填埋气体中挥发性有机化为挥发性有机化合物。国外所发现的填埋气体中挥发性有机化合物浓度较高的填埋场，往往是接受含挥发性有机物的工业垃合物浓度较高的填埋场，往往是接受含挥发性有机物的工业垃圾的老填埋场。在一些新填埋场圾的老填埋场。在一些新填埋场，其填埋气体中挥发性有机化，其填埋气体中挥发性有机化合物的浓度均较低。合物的浓度均较低。3二、填埋气体特性二、填埋气体特性 填埋气体的特有组成决定了其特有的性质。据监测分析表明，填填埋气体的特有组成决定了其特有的性质。据监测分析表明，填埋气体除含有大量的甲烷、二氧化碳成分外，还含有浓度小于埋气体除含有大量的甲烷、二氧化碳成分外，还含有浓度小于4000ppm的挥发性有机化合物，其中包括硫化氢、硫醇、氯乙烯、甲的挥发性有机化合物，其中包括硫化氢、硫醇、氯乙烯、甲苯、己烷、氯甲烷、二甲苯等苯、己烷、氯甲烷、二甲苯等。填埋气体像渗滤液一样，在所有填埋场中都有产生。填埋条件不填埋气体像渗滤液一样，在所有填埋场中都有产生。填埋条件不同，其中的生物化学反应程度不同，产生的填埋气体组分也会变化。同，其中的生物化学反应程度不同，产生的填埋气体组分也会变化。填埋气体经垃圾堆体、填埋覆盖土和邻近的土壤迁移，进入大气，对填埋气体经垃圾堆体、填埋覆盖土和邻近的土壤迁移，进入大气，对环境产生如下影响：环境产生如下影响：1 1、温室效应、温室效应 全球变暖被普遍认为是在大气中增加温室气体的浓度所致，包括全球变暖被普遍认为是在大气中增加温室气体的浓度所致，包括CO2、CH4、N2O、水汽和非甲烷碳。大气中、水汽和非甲烷碳。大气中CH4约以每年约以每年1%的速度的速度增加，增加，CO2约以约以0.4%的速度增加。甲烷由于其内部的辐射特性，每增的速度增加。甲烷由于其内部的辐射特性，每增加一个加一个CH4分子产生的热效应是增加一个分子产生的热效应是增加一个CO2分子产生热效应的分子产生热效应的24倍。倍。一般认为一般认为CH4要对地球趋热负要对地球趋热负20%的责任。的责任。2 2、引起臭味、引起臭味 填埋气体气味以微量浓度存在于其中的硫化氢和硫醇引起。这些填埋气体气味以微量浓度存在于其中的硫化氢和硫醇引起。这些化合物分别可在极低浓度被感官嗅到（化合物分别可在极低浓度被感官嗅到（0.005ppm和和0.001ppm），引起），引起人的不快。人的不快。43 3、毒害影响和健康问题、毒害影响和健康问题 填埋气体可以引起窒息和中毒。在狭小空间充满填埋气体将取代填埋气体可以引起窒息和中毒。在狭小空间充满填埋气体将取代此处的氧气，引起空气中氧气不足。健康影响一般与填埋气体中的微此处的氧气，引起空气中氧气不足。健康影响一般与填埋气体中的微量气体有关，例如氯乙烯、硫化氢等。一些微量化合物达到足够的浓量气体有关，例如氯乙烯、硫化氢等。一些微量化合物达到足够的浓度时是有毒的，与之长期接触可以致癌。度时是有毒的，与之长期接触可以致癌。4 4、爆炸、爆炸 当空气中的甲烷浓度超过它的最低爆炸极限时，就存在爆炸危险。当空气中的甲烷浓度超过它的最低爆炸极限时，就存在爆炸危险。最低爆炸极限是甲烷浓度占空气体积的最低爆炸极限是甲烷浓度占空气体积的5%。爆炸危险与小空间的通风。爆炸危险与小空间的通风有关，与甲烷的迁移和积累有关。有关，与甲烷的迁移和积累有关。5 5、植被影响、植被影响 当填埋气体迁移通过土壤时，可使植物根部的氧被其取代，造成当填埋气体迁移通过土壤时，可使植物根部的氧被其取代，造成植被恶化，在植被覆盖的地方发生植被的减少和侵蚀。植被恶化，在植被覆盖的地方发生植被的减少和侵蚀。6 6、潜在的好处、潜在的好处 填埋气体中甲烷含量一般在填埋气体中甲烷含量一般在50%以上。甲烷的可燃烧性以上。甲烷的可燃烧性（CH4+O2=CO2+H2O8813kJ/mol）决定了填埋气体的潜在价值。填）决定了填埋气体的潜在价值。填埋气体的利用可代替相当数量的燃料的消耗；与其它燃料相比，甲烷埋气体的利用可代替相当数量的燃料的消耗；与其它燃料相比，甲烷是最清洁的燃料。填埋气体的利用将产生收益，抵消部分或全部的填是最清洁的燃料。填埋气体的利用将产生收益，抵消部分或全部的填埋场环境控制成本。埋场环境控制成本。5三三 、填埋气体的产生的过程和产量预测、填埋气体的产生的过程和产量预测 填埋气体的产生过程填埋气体的产生过程填埋场主要气体的产生过程大致可分为下述五个阶段填埋场主要气体的产生过程大致可分为下述五个阶段(见图见图 6-1)。1、第一阶段、第一阶段初始调整阶段初始调整阶段垃圾中的可降解有机组分在被放置到填埋场后很快就发生微生物分解反应。此阶段的生化分解反应垃圾中的可降解有机组分在被放置到填埋场后很快就发生微生物分解反应。此阶段的生化分解反应是在好氧条件下进行的是在好氧条件下进行的，其原因是有一定数量的空气随垃圾体夹带进入填埋场内。使垃圾分解的微其原因是有一定数量的空气随垃圾体夹带进入填埋场内。使垃圾分解的微生物主要来自于垃圾本身、日覆盖层和最终覆盖层土壤、填埋场接纳的城市废水处理产生的污泥和生物主要来自于垃圾本身、日覆盖层和最终覆盖层土壤、填埋场接纳的城市废水处理产生的污泥和填埋场运转所产生的并进行再循环的渗滤液等。填埋场运转所产生的并进行再循环的渗滤液等。2、第二阶段、第二阶段过程转移阶段过程转移阶段 垃圾体夹带进入填埋场内的氧气逐渐被消耗垃圾体夹带进入填埋场内的氧气逐渐被消耗，厌氧条件开始形成并发展厌氧条件开始形成并发展，厌氧微生物逐步占厌氧微生物逐步占据主导地位。在此阶段据主导地位。在此阶段，可作为电子接受体的硝酸盐和硫酸盐被还原为氮气和硫化氢气体。可作为电子接受体的硝酸盐和硫酸盐被还原为氮气和硫化氢气体。图图6-1填埋气体产生经历的过程填埋气体产生经历的过程63 3、第三阶段、第三阶段产酸阶段产酸阶段此时垃圾堆体转变为纯的厌氧环境此时垃圾堆体转变为纯的厌氧环境，厌氧微生物群落数量增多且活动加快。首先厌氧微生物群落数量增多且活动加快。首先，垃垃圾中的大分子有机组分圾中的大分子有机组分，如核酸、多糖、蛋白质、脂肪等如核酸、多糖、蛋白质、脂肪等，在发酵细菌的作用下水解在发酵细菌的作用下水解为糖为糖，并进一步分解为二氧化碳、氢气和各种小分子有机酸并进一步分解为二氧化碳、氢气和各种小分子有机酸，如丙酸、丁酸、乳酸、如丙酸、丁酸、乳酸、长链脂肪酸、长链脂肪酸、醇类等；随后醇类等；随后，在产酸菌的作用下在产酸菌的作用下，这些有机酸被转化为乙酸及其衍这些有机酸被转化为乙酸及其衍生物、二氧化碳和氢气。生物、二氧化碳和氢气。此阶段是填埋气体中二氧化碳和氢气产生的主要阶段此阶段是填埋气体中二氧化碳和氢气产生的主要阶段，浓度分别可达到浓度分别可达到 80%和和 20%(体积分数体积分数)。4 4、第四阶段、第四阶段产甲烷阶段产甲烷阶段此阶段甲烷菌居于支配地位此阶段甲烷菌居于支配地位，它利用产酸阶段的产物如氢、二氧化碳、醋酸以及甲醇、它利用产酸阶段的产物如氢、二氧化碳、醋酸以及甲醇、甲酸、甲烷等碳类化合物为基质甲酸、甲烷等碳类化合物为基质，将它们转化为甲烷。在某些情况下将它们转化为甲烷。在某些情况下，甲烷菌在第三甲烷菌在第三阶段开始结束时就会开始繁殖。阶段开始结束时就会开始繁殖。此阶段是填埋气体中甲烷产生的主要阶段此阶段是填埋气体中甲烷产生的主要阶段，持续时间最长持续时间最长，可达数十年甚至上百年。可达数十年甚至上百年。5 5、第五阶段、第五阶段稳定化阶段稳定化阶段在填埋垃圾中的可降解有机组分被转化为甲烷和二氧化碳之后在填埋垃圾中的可降解有机组分被转化为甲烷和二氧化碳之后，填埋垃圾进入成熟阶填埋垃圾进入成熟阶段段，或称为稳定化阶段。此时大部分有机组分均已被微生物所利用或称为稳定化阶段。此时大部分有机组分均已被微生物所利用，剩余的多为难生剩余的多为难生化降解的有机物化降解的有机物，虽然它们在水分不断通过垃圾层向下迁移时仍将会被转化虽然它们在水分不断通过垃圾层向下迁移时仍将会被转化，但填埋但填埋气体的产生速率将明显下降。此阶段产生的填埋气体主要为甲烷和二氧化碳。但是由于气体的产生速率将明显下降。此阶段产生的填埋气体主要为甲烷和二氧化碳。但是由于各填埋场的封场措施不同，某些填埋场产生的气体中也可能含有少量的氯气和氧气。各填埋场的封场措施不同，某些填埋场产生的气体中也可能含有少量的氯气和氧气。填埋场各产气阶段的持续时间是不同的填埋场各产气阶段的持续时间是不同的，它受填埋垃圾的可生物降解性、温度、湿度、它受填埋垃圾的可生物降解性、温度、湿度、初始压实程度及是否可以得到营养物质等因素的影响。初始压实程度及是否可以得到营养物质等因素的影响。7四、填埋气体产生的影响因素四、填埋气体产生的影响因素填埋堆体犹如一个巨大的反应釜，在其内进行着复杂的生物化学反应。影响填埋气体产填埋堆体犹如一个巨大的反应釜，在其内进行着复杂的生物化学反应。影响填埋气体产生速率和总量的因素有诸如垃圾组成、水分、温度、养分、生速率和总量的因素有诸如垃圾组成、水分、温度、养分、pH和缓冲能力、垃圾密度和缓冲能力、垃圾密度和粒径等。和粒径等。1 1、垃圾组成、垃圾组成是影响填埋气体产生速率和总量的重要因素。一定量的垃圾产气总是影响填埋气体产生速率和总量的重要因素。一定量的垃圾产气总量取决于垃圾的有机物类型和含量。量取决于垃圾的有机物类型和含量。2 2、水分、水分填埋场内的水含量是控制填埋气体产率的最重要因素之一。水分提供产填埋场内的水含量是控制填埋气体产率的最重要因素之一。水分提供产气必需的水环境，水分的存在有益于形成微生物和养分传递的环境。填埋场内的水含量气必需的水环境，水分的存在有益于形成微生物和养分传递的环境。填埋场内的水含量常常受气候条件（温度、降雨）、垃圾的自身含水、填埋场衬垫设计、渗滤液收集系统、常常受气候条件（温度、降雨）、垃圾的自身含水、填埋场衬垫设计、渗滤液收集系统、覆盖类型和渗滤液的再循环等因素的影响。覆盖类型和渗滤液的再循环等因素的影响。3 3、温度、温度填埋堆体内部的厌氧降解过程是一个放热过程，内部温度一般高于环境填埋堆体内部的厌氧降解过程是一个放热过程，内部温度一般高于环境空气温度空气温度。在填埋堆体内，温度条件影响着微生物的类型和产气速率。产气速率随堆。在填埋堆体内，温度条件影响着微生物的类型和产气速率。产气速率随堆体温度降低而降低。填埋堆体温度受填埋深度影响，填埋较深时，温度趋于平衡；填埋体温度降低而降低。填埋堆体温度受填埋深度影响，填埋较深时，温度趋于平衡；填埋较浅时，温度常受表面因素和天气条件影响而产生变化。较浅时，温度常受表面因素和天气条件影响而产生变化。4 4、pHpH和缓冲能力和缓冲能力垃圾和渗滤液的垃圾和渗滤液的pH显著地影响产气速率。在显著地影响产气速率。在pH为中性时甲烷为中性时甲烷产量最高。产量最高。5 5、养分、养分促使有机物降解的细菌需要多种养分维持其生长。主要包括促使有机物降解的细菌需要多种养分维持其生长。主要包括C、H、N、P。一般情况下城市生活垃圾含有的养分可供微生物在降解过程中的需要。但应引起关。一般情况下城市生活垃圾含有的养分可供微生物在降解过程中的需要。但应引起关注的是垃圾中的有毒物质和重金属，比如重金属能阻止微生物在局部生长、减少填埋气注的是垃圾中的有毒物质和重金属，比如重金属能阻止微生物在局部生长、减少填埋气体的产生。体的产生。6 6、垃圾密度和粒径、垃圾密度和粒径垃圾密度和粒径可以通过影响养分、水分在堆体中的传递垃圾密度和粒径可以通过影响养分、水分在堆体中的传递而影响产气。垃圾密度大，粒径小，填埋气体产生就多。而影响产气。垃圾密度大，粒径小，填埋气体产生就多。7 7、覆土、覆土一般覆土要及时，覆土层越厚，产生填埋气体越多，反之越少。一般覆土要及时，覆土层越厚，产生填埋气体越多，反之越少。8五、填埋气体产生量的预测五、填埋气体产生量的预测填埋场气体的产生量和产率在理论上可采用经验估算法、化学计量计算法和理论需氧量三种方法来填埋场气体的产生量和产率在理论上可采用经验估算法、化学计量计算法和理论需氧量三种方法来预测。预测。1 1、经验估算法经验估算法 经验估算法是依靠经验和参考其它类似填埋场的数据，经验估算法是依靠经验和参考其它类似填埋场的数据，并结合给定填埋场的场地尺寸、填埋平并结合给定填埋场的场地尺寸、填埋平均深度、垃圾组成、降解速度、垃圾填埋量和场地的最大容量等有关数据进行填埋气体产气量估算均深度、垃圾组成、降解速度、垃圾填埋量和场地的最大容量等有关数据进行填埋气体产气量估算的一种方法。的一种方法。1 1）经验粗估法经验粗估法经验粗估法是指利用己运行的类似项目中观察到的垃圾量和填埋气体产生量之间的关系，来估计填经验粗估法是指利用己运行的类似项目中观察到的垃圾量和填埋气体产生量之间的关系，来估计填埋气体产生速率的方法。例如，假设每吨垃圾产生埋气体产生速率的方法。例如，假设每吨垃圾产生6m3的填埋气体，则填埋场气体产生量（的填埋气体，则填埋场气体产生量（m3/a）=填埋场处置的垃圾量（填埋场处置的垃圾量（t/a）6（m3/t）。）。2 2）垃圾含水率粗估法）垃圾含水率粗估法 利用垃圾填埋量和填埋垃圾含水率进行填埋气体产生量初步估算是最为常用的方法之一。根据利用垃圾填埋量和填埋垃圾含水率进行填埋气体产生量初步估算是最为常用的方法之一。根据多年的历史资料可知：典型垃圾填埋场多年的历史资料可知：典型垃圾填埋场(含水率为含水率为 25%，填埋以后保持不变填埋以后保持不变)每年的产气量近似为每年的产气量近似为 0.06m3/kg 或更高；如果是干旱或半干旱的气候条件或更高；如果是干旱或半干旱的气候条件，又没有添加水分又没有添加水分，填埋垃圾含水率低于填埋垃圾含水率低于25%，则产气量在则产气量在 0.030.45 m3/kg；当垃圾填埋后当垃圾填埋后，湿度条件非常合适时湿度条件非常合适时，填埋垃圾含水率大填埋垃圾含水率大于于25%，产气量可达，产气量可达 0.15 m3/kg或更高。或更高。在知道填埋的垃圾数量和含水率后在知道填埋的垃圾数量和含水率后，就可根据上述经验就可根据上述经验数据数据(或其它类似数据或其它类似数据)来估算给定填埋场的产气量。来估算给定填埋场的产气量。3 3）试验井法）试验井法 利用试验井抽气测量填埋气体的流量和质量，是估计填埋气体产生速率的最可行的方法。但只利用试验井抽气测量填埋气体的流量和质量，是估计填埋气体产生速率的最可行的方法。但只有设置在有代表性位置处的试验井有设置在有代表性位置处的试验井，其测定结果才有实际意义。对于填埋垃圾压实不好的填埋场其测定结果才有实际意义。对于填埋垃圾压实不好的填埋场，由于存在填埋气体迁移问题由于存在填埋气体迁移问题，可持续回收的填埋体气产量一般是试验井测定值的一半。可持续回收的填埋体气产量一般是试验井测定值的一半。经验估算法的优点是简单、快速，但需要设计者具有良好的经验和比较可靠的类似填埋场的历经验估算法的优点是简单、快速，但需要设计者具有良好的经验和比较可靠的类似填埋场的历史数据。史数据。92、化学计算法、化学计算法城市生活垃圾中有机组分厌氧分解的一般化学反应为城市生活垃圾中有机组分厌氧分解的一般化学反应为:细菌细菌 有机物质（垃圾）有机物质（垃圾）+H20 不可生物降解的有机物质不可生物降解的有机物质+CH4+C02+其它气体其它气体 按按照照填填埋埋气气体体产产生生的的原原理理可可知知，垃垃圾圾中中可可生生物物降降解解的的有有机机组组分分的的组组成成和和该该组组分分被被降降解解的的程程度度直直接接决决定定着着填填埋埋气气体体的的产产生生量量。假假设设垃垃圾圾中中所所有有可可生生物物降降解解有有机机组组分分可可用用分分子子式式 CxHyOzNm 表表示示，并并假假定定它它们们完完全全被被生生物物降降解解转转化化为为C02和和CH4，则则可可用用下下式式计计算算填填埋埋场场理理论产气总量：论产气总量：CxHyOzNm+（4x-y-2z+3m）/4 H20（4x+y-2z-3m）/8CH4+（4x-y+2z+3m）/8 C02+mNH3 按按照照生生物物降降解解速速率率的的快快慢慢，可可将将城城市市生生活活垃垃圾圾中中的的有有机机组组分分分分为为三三类类：快快速速分分解解的的有有机机物物（3个个月月到到5年年）；缓缓慢慢分分解解的的有有机机物物(5年年以以上，直到上，直到50年或更长时间年或更长时间)和不可生物降解的有机物。和不可生物降解的有机物。通通常常，城城市市生生活活垃垃圾圾中中可可快快速速分分解解的的有有机机组组分分包包括括食食品品垃垃圾圾、新新闻闻纸纸、办办公公纸纸、纸纸板板、树树叶叶和和草草；缓缓慢慢分分解解的的有有机机组组分分有有纺纺织织品品、橡橡胶胶、皮皮革革、木木头头和和树树枝枝、杂杂物物等等；塑塑料料通通常常被被认认为为是是不不可可生生物物降降解解的。的。103、理论需氧量法、理论需氧量法 该该法法假假设设：填填埋埋气气体体产产生生过过程程中中无无能能量量损损失失；垃垃圾圾中中有有机机组组分分全全部部分分解解为为 CH4 和和 C02。则则根根据据能能量量守守恒恒定定理理，垃垃圾圾中中有有机机组组分分含含有有的的能能量量将将全全部部转转化化为为CH4所所含含的的能能量量，即即有有机机物物所所含含能能量量=CH4 所所含含能能量量。同同时时，考考虑虑到到物物质质所所含含能能量量与与该该物物质质完完全全燃燃烧烧所所需需氧氧气气量量(即即理理论论需需氧氧量量，TOD)成特定比例成特定比例，即即TOD 有机物有机物=CODCH4。据甲烷燃烧化学计量式据甲烷燃烧化学计量式:CH4+202=C02+2H20则可得到计算填埋场则可得到计算填埋场 CH4 理论产生量的公式理论产生量的公式:1kg TOD 有机物有机物=0.35m3CH4(O ，1atm，即即 101325Pa)由由于于CH4在在填填埋埋气气体体中中的的浓浓度度约约为为 50%，故故可可近近似似认认为为总总气气体体量量为为CH4理理论论产产生生量量的的2 倍倍，于于是可得到是可得到:1kg TOD 有机物有机物=0.7m3 填埋气体填埋气体(O，1atm，即即 101325Pa)如如果果知知道道单单位位质质量量垃垃圾圾中中有有机机组组分分的的 TOD 以以及及填填埋埋垃垃圾圾总总量量，就就可可以以计计算算出出填填埋埋场场理理论论产产气气量量(Lo):Lo=W(1 一一)有机物有机物 CTODVTOD式中：式中：L0填埋场理论产气量；填埋场理论产气量；m3；垃圾的含水率垃圾的含水率(质量分数质量分数)，%；有机物有机物垃圾中有机组分的含量垃圾中有机组分的含量(质量分数质量分数)，%(干重干重)。W 垃圾的质量，垃圾的质量，kg；CTOD单单位位质质量量垃垃圾圾中中有有机机组组分分的的 TOD，kg/kg，我我国国城城市市生生活活垃垃圾圾中中的的有有机机组组分分主主要要为为植植物性厨余垃圾，典型值物性厨余垃圾，典型值 CTOD=1.2 kg/kg；VTOD单位单位TOD相当的填埋场产气量，相当的填埋场产气量，m3/kg；11考考虑虑到到有有机机组组分分中中可可生生物物降降解解部部分分的的比比例例和和在在填填埋埋场场内内的的损损失失，实实际际潜在的产气量为潜在的产气量为:L 实际实际=有机物有机物(1-有机物有机物)Lo式中：式中：L 实际实际填埋场实际潜在产气量，填埋场实际潜在产气量，m3；有机物有机物有机组分中可生物降解部分所占比例；有机组分中可生物降解部分所占比例；有有机机物物在在填填埋埋场场内内因因随随渗渗滤滤液液等等而而损损失失的的可可溶溶性性有有机机组组分分所所占占比例。比例。填填埋埋场场产产生生的的填填埋埋气气体体不不一一定定都都能能被被收收集集起起来来，故故在在计计算算实实际际可可收收集集到到的的填填埋埋气气体体产产量量时时，还还需需考考虑虑填填埋埋气气体体收收集集系系统统的的集集气气效效率率。故最终实际可收集到的填埋气体量故最终实际可收集到的填埋气体量 L 收集收集为为:L 收集收集=LFG L 实际实际式式中中：LFG 填填埋埋场场气气体体收收集集系系统统的的集集气气效效率率，其其值值在在30%80%之之间间。一一般般堆堆放放场场较较低低，最最高高为为30%，而而密密封封较较好好的的现现代代化化卫生填埋场可达到卫生填埋场可达到80%。12六、影响填埋场气体的因素六、影响填埋场气体的因素 影响填埋场气体产气速率的主要因素包括：含水率、营养物质、微影响填埋场气体产气速率的主要因素包括：含水率、营养物质、微生物量、生物量、pH 值和温度等。值和温度等。1、含水率、含水率 含水率是产气速率的主要限制因素。当含水率低于垃圾的含水率是产气速率的主要限制因素。当含水率低于垃圾的持水能力时，持水能力时，含水率的提高对产气速率的影响不大；含水率的提高对产气速率的影响不大；当含水率超当含水率超过持水能力后，过持水能力后，水分在垃圾内运动，水分在垃圾内运动，促进营养物、微生物的转移，促进营养物、微生物的转移，形成良好的产气环境。垃圾的持水能力通常在形成良好的产气环境。垃圾的持水能力通常在 0.250.50 之间，之间，因因而，而，50%70%的含水率对填埋场的微生物生长最适宜。决定含水的含水率对填埋场的微生物生长最适宜。决定含水率的因素包括填埋垃圾的原始含水率，率的因素包括填埋垃圾的原始含水率，当地降水量，当地降水量，地表水与地地表水与地下水的入渗，下水的入渗，以及填埋场对渗滤液的管理方式。以及填埋场对渗滤液的管理方式。2、营养物质、营养物质 填埋场中微生物的生长代谢需要足够的营养物质，填埋场中微生物的生长代谢需要足够的营养物质，包包括括 C、0、H、N、P 及一些微量营养物，及一些微量营养物，通常填埋垃圾的组成通常填埋垃圾的组成都能满足要求。据研究，都能满足要求。据研究，当垃圾的当垃圾的C/N 比在比在 2030 之间时，之间时，厌厌氧微生物生长状态最佳氧微生物生长状态最佳，即产气速率最快。当碳元素过多时即产气速率最快。当碳元素过多时，氮氮元素首先被耗尽元素首先被耗尽，剩余过量的碳，剩余过量的碳，使厌氧分解过程不能顺利进行。使厌氧分解过程不能顺利进行。我国大多数地区的城市生活垃圾所含有机物以食品垃圾我国大多数地区的城市生活垃圾所含有机物以食品垃圾(淀粉、淀粉、糖、糖、蛋白质、脂肪蛋白质、脂肪)为主，为主，C/N比约为比约为 20，而国外垃圾而国外垃圾C/N比典型值比典型值为为 49，可见，我国垃圾厌氧分解的速度会比国外快很多可见，我国垃圾厌氧分解的速度会比国外快很多，达到产达到产气高峰的时间也相对较短。气高峰的时间也相对较短。133 3、微微生生物物量量 填填埋埋场场中中与与产产气气有有关关的的微微生生物物主主要要包包括括水水解解微微生生物物、发发酵酵微微生生物物、产产乙乙酸酸微微生生物物和和产产甲甲烷烷微微生生物物四四类类，大大多多为为厌厌氧氧菌菌，在在氧氧气气存存在在状状态态下下，产产气气会会受受到到抑抑制制。微微生生物物的的主主要要来来源源是是填填埋埋垃垃圾圾本本身身和和填填埋埋场场表表层层和和每每日日覆覆盖盖的的土土壤壤。大大量量研研究究表表明明，将将污污水水处处理理厂厂污污泥泥与与垃垃圾圾共共同同填填埋埋，可可以以引引入入大大量量微微生生物物，显显著著提提高高产产气气速速率率，缩短产气之前的停滞期。缩短产气之前的停滞期。4 4、pH pH 值值 填埋场中对产气起主要作用的产甲烷菌适宜填埋场中对产气起主要作用的产甲烷菌适宜于中性或微碱性环境，于中性或微碱性环境，因此，因此，产气的最佳产气的最佳 pH 值范围为值范围为 6.67.4。当。当 pH 值在值在 68 范围以外时，范围以外时，填埋产气会受到填埋产气会受到抑制。抑制。5 5、温度、温度 填埋场中微生物的生长对温度比较敏感，故，填埋场中微生物的生长对温度比较敏感，故，产气速率与温度密切相关。大多数产甲烷菌是嗜中温菌，产气速率与温度密切相关。大多数产甲烷菌是嗜中温菌，在在 1545 可以生长，可以生长，最适宜温度范围是最适宜温度范围是 3235，温度在温度在 1015 以下时，以下时，产气速率会显著降低。产气速率会显著降低。14七、填埋场气体的迁移七、填埋场气体的迁移（一）（一）填埋场气体的迁移填埋场气体的迁移 填埋场气体产生后具有一定的流动性和运动性，这种运动填埋场气体产生后具有一定的流动性和运动性，这种运动与气体的扩散性能、压力梯度和气体的密度有关。一般情况下，与气体的扩散性能、压力梯度和气体的密度有关。一般情况下，填埋场内部填埋气体存在如下三种不同类型的迁移运动。填埋场内部填埋气体存在如下三种不同类型的迁移运动。1.填埋气体向上迁移填埋气体向上迁移 填埋气体向上迁移是指填埋气体中的二氧化碳和甲烷通过填埋气体向上迁移是指填埋气体中的二氧化碳和甲烷通过对流和扩散作用释放到大气圈中。对流和扩散作用释放到大气圈中。2.填埋气体向下迁移填埋气体向下迁移 填埋气体向下迁移是指填埋气体中相对密度较大的二氧化填埋气体向下迁移是指填埋气体中相对密度较大的二氧化碳（二氧化碳的密度是空气的碳（二氧化碳的密度是空气的1.5 倍倍，甲烷的，甲烷的2.8倍）向填埋场倍）向填埋场底部运动底部运动，并最终在填埋场底部聚集的现象。对于采用天然粘并最终在填埋场底部聚集的现象。对于采用天然粘土衬垫的填埋场土衬垫的填埋场，二氧化碳可能通过扩散作用穿过衬垫，二氧化碳可能通过扩散作用穿过衬垫，从填，从填埋场底部向下运动埋场底部向下运动，并通过下伏地层最终扩散进入并溶于地下并通过下伏地层最终扩散进入并溶于地下水，反应生成碳酸，即水，反应生成碳酸，即CO2+H2O=H2CO3，结果使地下水，结果使地下水 pH 值降低值降低，并通过溶解作用增加地下水的硬度和矿化度。并通过溶解作用增加地下水的硬度和矿化度。15图6-2 填埋气体向上或向下迁移示意图 163.3.填埋气体横向迁移填埋气体横向迁移 填埋气体横向迁移有两种情况。一是填埋气体通过周边可渗透地质介质填埋气体横向迁移有两种情况。一是填埋气体通过周边可渗透地质介质迁移到远离填埋场的地方后迁移到远离填埋场的地方后，释放进入大气。二是填埋气体通过树根造成释放进入大气。二是填埋气体通过树根造成的裂痕、的裂痕、人造或风化或侵蚀造成的洞穴、疏松层、旧通风道和公共线路组人造或风化或侵蚀造成的洞穴、疏松层、旧通风道和公共线路组成的人造管道、地下公共管道以及地表径流造成的地表裂缝等途径成的人造管道、地下公共管道以及地表径流造成的地表裂缝等途径，迁移迁移释放到环境中或进入到填埋场附近的建筑物或封闭空间中。释放到环境中或进入到填埋场附近的建筑物或封闭空间中。填埋气体横向迁移示意图见图填埋气体横向迁移示意图见图6-4。图6-4 填埋气体横向迁移示意图17八、影响填埋气体迁移的主要因素八、影响填埋气体迁移的主要因素 影响填埋气体迁移的主要因素有如下几个方面影响填埋气体迁移的主要因素有如下几个方面:1 1、覆盖和垫层材料、覆盖和垫层材料当垃圾处于顶面覆盖层和底部防渗层严密的当垃圾处于顶面覆盖层和底部防渗层严密的“包裹包裹”中时，上中时，上下通道被堵住，填埋气体只能横向迁移；若覆盖层和底部防下通道被堵住，填埋气体只能横向迁移；若覆盖层和底部防渗层的渗透性较大，填埋气体就会向大气层中释放或向下迁渗层的渗透性较大，填埋气体就会向大气层中释放或向下迁移。移。2 2、地质条件、地质条件周围的地质条件会影响横向迁移，填埋气体可绕过非渗透性障周围的地质条件会影响横向迁移，填埋气体可绕过非渗透性障碍物碍物(如粘土层如粘土层)进行迁移进行迁移，也可以通过疏松层或砂砾层进也可以通过疏松层或砂砾层进行迁移。行迁移。3 3、水文条件、水文条件地下水水位可以影响填埋气体的迁移和释放。通常春天从地表地下水水位可以影响填埋气体的迁移和释放。通常春天从地表径流或融雪释放的地下水会使地下水位上升，径流或融雪释放的地下水会使地下水位上升，填埋气体处于填埋气体处于水封状态，迫使填埋气体横向迁移。水封状态，迫使填埋气体横向迁移。4 4、大气压、大气压日大气压的变化影响着填埋气体的迁移和释放日大气压的变化影响着填埋气体的迁移和释放。通常情况下通常情况下，大气压低时大气压低时，填埋气体的迁移和释放将增加。填埋气体的迁移和释放将增加。18九、九、填埋气体控制系统填埋气体控制系统 填填埋埋气气体体控控制制系系统统是是针针对对填填埋埋气气体体的的迁迁移移而而引引发发自自爆爆、危危害害植植物物、人人类类及及其其它它受受体体等等现现象象所所采采取取的的必必要要控控制制系系统统。该该系系统统可可减减少少填填埋埋气气体体向向大大气气的的排排放放量量和和在在地地下下的的横横向向迁迁移移，提提高高甲甲烷烷气气体体回回收收利利用用率率。通通常常填填埋埋气气体体控控制系统分为主动控制系统和被动控制系统。制系统分为主动控制系统和被动控制系统。主动控制系统主动控制系统通过泵等耗能设备创造压力梯度来收集气体，收集的气体通过泵等耗能设备创造压力梯度来收集气体，收集的气体可进行利用，可进行利用，也可直接燃烧。其收集系统分为垂直井和水平沟系统。垂直也可直接燃烧。其收集系统分为垂直井和水平沟系统。垂直井系统一般在填埋场大部分或全部填埋完成以后，再进行钻孔和安装；而井系统一般在填埋场大部分或全部填埋完成以后，再进行钻孔和安装；而水平沟系统在填埋过程中即进行分层安装。主动型气体控制系统的关键是水平沟系统在填埋过程中即进行分层安装。主动型气体控制系统的关键是根据收集井、收集沟的影响范围确定系统的布设，保证填埋场内各部分气根据收集井、收集沟的影响范围确定系统的布设，保证填埋场内各部分气体尽可能完全地被回收。体尽可能完全地被回收。被被动动控控制制系系统统是是靠靠填填埋埋气气体体自自身身产产生生的的压压力力来来控控制制气气体体的的运运动动，而而非非泵泵等等耗耗能能设设备备将将气气体体导导排排入入大大气气或或控控制制系系统统。被被动动控控制制系系统统通通过过由由透透气气性性较较好好的的砾砾石石等等材材料料构构筑筑的的气气体体导导排排通通道道，将将气气体体直直接接导导入入大大气气、燃燃烧烧装装置置或或气气体体利利用用设设备备。当当填填埋埋场场顶顶部部、周周边边、底底部部防防透透气气性性能能较较好好时时，被被动动型型气气体体收收集集系系统统也也有有较较高高的的收收集集效效率率。但但总总的的说说来来，被被动动型型气气体体控控制制效效率率较较低低，只只解解决决了了部部分分环环境境问问题题，如如减减少少爆爆炸炸的的危危险险，防防止止气气体体无无组组织织释释放放而而损损坏坏防渗层等，尚不能满足对气体进行充分回收和利用的要求。防渗层等，尚不能满足对气体进行充分回收和利用的要求。对对于于有有合合适适条条件件(填填埋埋垃垃圾圾中中可可降降解解有有机机物物的的含含量量在在 50%以以上上、产产气气量量大大、产产气气速速率率稳稳定定)的的填填埋埋场场，应应该该采采取取主主动动收收集集利利用用填填埋埋气气体体的的方方法法，世世界界各国也正逐步采用由主动来代替被动的气体控制系统。各国也正逐步采用由主