作者：张毅
由于填埋气的利用价值依赖于填埋场产气量的估算，因此，产气量的估算在填埋气的收集利用中有很大的作用。我国对生活垃圾填埋场产气量的估算晚于发达国家，产气量估算模型均采用发达国家的模型，且模型直接使用国外的参数。我国生活垃圾填埋场垃圾的组分与国外差别较大，因此，在估算产气量时须结合实际情况，采用适合本国的产气量模型，还要对模型参数进行调整。目前，国外研究者根据各国的情况从不同角度开发出了许多产气量估算模型，包括缺省模型、化学模型和动力学模型。动力学模型中的LandGEM模型(Landfill Gas Emission Model)是国际认可的填埋场产气量估算模型，该模型的估算结果具有较高的准确性。据统计，我国26个垃圾填埋场CDM项目中选用LandGEM模型的占总数的42%左右，占有较大比例。
本文根据南通某垃圾填埋场的概况、垃圾填埋量、填埋场垃圾组分等条件，选用LandGEM模型对填埋场填埋气体的产生量进行了估算，然后结合填埋场产气量对填埋气发电进行成本效益分析，为同类填埋场填埋气产量估算与利用提供了参考。
1垃圾填埋场概况
南通某垃圾填埋场二期工程于2008年8月20日正式投入运行，设计服务年限为20 a，填埋场占地面积约25hm2，总库容约为800万m3，填埋场垃圾处理规模为1 000 t/d，标高为黄海标高15—80 m，垃圾含水率(59.7%)取2009—2013年之间的平均值。根据2010年的统计结果，填埋场垃圾的组分见表1。
2填埋场产气量估算
2.1 LandGEM模型
LandGEM模型是由USEPA开发的通过Microsoft Excel界面来进行估算的一个模型，基于一级降解反应的方程，该模型可用于估算填埋场总气体、甲烷、二氧化碳等的产生量和产气速率，并且能够估算出城市固体垃圾填埋场产生的一些单独的气体污染物。该模型中垃圾产气速率在填埋一年后达到最大，而后随时间的增加而衰减。
甲烷产量的计算方程为
式中：Q为计算年份的产甲烷量，m3/a；i为1年增加量；，为0.1年增加量；n为填埋场运行年份（计算年份一垃圾填埋年份）；k为甲烷产气率，a-1；L。为产甲烷潜力，m3/t；M：为第i年里垃圾填埋量，t；ti为第i年里填埋的第j部分垃圾的年龄。
估算填埋场产气量时，LandGEM模型需要确定两个最重要的参数：甲烷产气率（k）和产甲烷潜力(Lo)。在缺乏填埋场详细资料的情况下，填埋场模型参数可以使用系统默认值，如果有填埋场垃圾填埋量、垃圾组分、当地气候条件等资料，就可以根据填埋场实际情况进行计算。输入模型的参数质量越高，模型的估算结果就越准确。
2.2甲烷产气率的确定
不同垃圾填埋场的甲烷产气率有较大的差异，甲烷产气率与垃圾含水量、垃圾处理方式以及地下水源、降雨、温度、pH值、有机物浓度等相关。2006 IPCC (Intergovernment Panel on Cli-mate Change)导则指出，不同气候条件下的垃圾的降解速率(p)的取值应根据垃圾成分的降解速率（表2）划分，使得p的取值更加具有针对性。
江苏南通平均气温为15℃，年平均降雨量约为1 000 mm，由IPCC导则可知南通属于温带湿润地区，考虑到当地垃圾含水率高达59.7%，降解速度快，选择厨余、纸、竹木、纤维等的p值分别为0.15，0.06，0.03，0.08，按照垃圾权重计算得出甲烷产气率为0.106。
2.3产甲烷潜力的确定
每吨垃圾的产气能力（即产甲烷潜力）是一个非常关键的参数，国内有较多学者对产甲烷潜力进行了理论计算分析，采用的模型主要有IPCC模型刚有机碳模型、化学方程式模型、COD模型、可生物降解模型等。
为了做好对产甲烷潜力的估算分析，我们采用了不同的理论模型（IPCC模型、有机碳模型、COD模型）进行估算，并参考国内外同行的研究结果。填埋场气体最主要的可利用成分是甲烷，因此，产气量估算主要是针对甲烷的产量。
(1)IPCC模型
采用1995年国际上通用的IPCC质量平衡理论产气量模型，该模型的计算公式为
式中：Q为垃圾填埋场的甲烷产生量，t;MSW为城市垃圾产量，t；叼为城市垃圾填埋率，%；DOC为垃圾中可降解有机碳的含量，IPCC推荐发展中国家为15%;r为垃圾中可降解有机碳的分解百分率，IPCC推荐为77%;f为填埋气中甲烷含量，通常取0.5。
根据以上参数可以计算出产甲烷潜力。
将上述结果转化成标准体积量，即1t填埋垃圾可产生107.8 1T13甲烷，按甲烷含量为50%计算，则1t填埋垃圾可产生215.6 m3填埋气。
此模型是一个比较简单的估算模型，不须区分垃圾的成分，只须给出垃圾有机碳含量的经验数值。该模型适合于从宏观角度估算一个地区或整个国家的填埋场产气量，或者用于垃圾成分比较普通，有机和无机成分比较接近平均值的垃圾填埋场。
(2)有机碳模型
该模型假设1kg有机碳可以转化成1.867L CH4与C01的混合气体（即填埋气），因此甲烷产生量的计算公式为
式中：Q为垃圾填埋场的甲烷产生量，m3；w为垃圾含水率，%;OW为垃圾中可降解有机物含量，%;CW为可降解有机物中的碳含量，%；r为可降解有机碳的分解百分率，国内通常取0.66。
垃圾中的可降解有机物主要是厨余和纸，根据城市垃圾的典型成分，得到相关数据（表3）。
根据以上参数可以计算出产甲烷潜力。
按甲烷含量为50%计算，则It填埋垃圾可产生168.3 m3填埋气。
(3)COD模型
在COD模型中，垃圾有机物中的1 g CODcr理论上可产生0.35 L CH4，由此得到甲烷产生量的计算公式为
式中：Q为1t填埋垃圾的理论CH4产量，m3；w为垃圾含水率，%;v为垃圾中有机物含量，%;COD为填埋垃圾中1 kg有机物的COD值，g/g。
根据以上参数可以计算出产甲烷潜力。
按甲烷含量为50%计算，则It填埋垃圾可产136 IT13填埋气。
(4)K值经验系数法
工程上通常采用K值经验系数法，K指1 kg可生物降解挥发性固体可产生526.5 L甲烷，由此得到：
式中：Q为It垃圾转化成甲烷气体的体积，m3；w为含水率，%;OW为垃圾中挥发性有机物含量，%；'7为挥发性有机物可降解率，通常取77%。
根据以上参数可以计算出产甲烷潜力。
按甲烷含量为50%计算。则1t填埋垃圾可产252.2 m3填埋气。
(5)其他参考数据
为了评判产气能力估算的合理性，我们对国内外部分相关资料进行了收集和整理。国外报道显示，每吨湿垃圾可产生200—400m3填埋气：国内报道显示，每吨垃圾产生填埋气的量为64—440m3；《美国城市固体垃圾管理及填埋技术》中提出，在12—15年的填埋期间内，每吨固体垃圾可回收98.9—148.3 m3的甲烷，若按甲烷含量为50%计算，则每吨固体垃圾可回收197.8～296.6 m3的填埋气：南京大学对南京市生活垃圾产气能力进行了估算，在计算中假设动植物垃圾的降解率为70%，纸张、纺织品的降解率为60%，塑料、橡胶基本不降解，计算结果为每吨干垃圾可产生沼气300 m3．根据上述结果推算本次评价对象，若含水率为59.7%，则每吨湿垃圾的产气量为120.9m3。
(6)数据分析及产气量参数的确定
综上可知，生活垃圾的产气量参数主要取决于垃圾的含水率、有机物含量及其可生物降解率这3个参数。国外提出的垃圾产气量参数普遍比
国内数据偏高，其主要原因是国内外生活垃圾在含水率和有机物含量之间存在较大差异，因此，在本次评估中不参考国外数据。IPCC模型为国外通用模型，该模型未计人含水率的影响，所以产气量的计算数值明显偏高。工程上的K值经验系数法的K值取自国外研究结果，计算结果也偏高。有机碳模型和COD模型的计算结果偏差不大，且COD模型中计算参数的可靠性最高，故本次评估的产气量参数采用COD模型的计算结果，即136.0 m3/t，该数据与国内相关研究得到的数据也比较一致，也验证了该数据的可靠性。
2.4模型估算结果
根据最佳模型参数值(
)，以南通某垃圾填埋场开始填埋年2008年为基准年，通过LandGEM模型估算40年的填埋气理论产气量。在计算填埋气收集量时，收集率是个非常重要的参数，国内通常常取0.6，而国外提出的数据为0.1—0.3．通过综合分析收集率大约在30%比较合理。
图1所示为各年填埋气体理论产气量和可收集量。由图1可以看出，填埋气产量一开始增幅较快，在封场后一年（即2028年）产气量达到最大，为4 957.45 m3/h，按30%的收集率计算，可收集量为1487.23 m3/h。
图2所示为40年内填埋气累积可收集量。填埋初期由于填埋气产气量较少且杂质较多，所以所产填埋气采用火炬进行燃烧处理，填埋气预计从2018年开始收集。填埋气可收集量在初期增长较快，在封场约10年后增长趋于缓慢，到2047年约能收集到2.27x10sm填埋气。
2.5预测结果分析
通过对2010～2014年填埋气产量的统计，得出预测值与实际产气量差别，见表4。
比较2010—2014年实际产气量与模型预测可收集量可知，实际产气量结果比较理想，与模型预测可收集量较为接近，收集率为26.76%—34.44%。因此，本工程的预测结果基本准确。
3垃圾填埋气发电利用
3.1发电方式选择
垃圾填埋气经过预处理后进人沼气发电机组进行发电，既可减少环境污染，又能减少大气温室效应，同时创造良好的经济效益，目前，利用填埋气发电的技术方式主要有燃气内燃机发电、燃气轮机发电、蒸汽轮机发电，表5所示为这3种填埋气发电方式的比较。
通过以上对比可知，填埋气发电方式中的燃气内燃机发电具有技术要求低、一次投资少、热能利用率高、经济效益好等优点，因此，本研究采用燃气内燃机发电作为填埋气的利用方式。
3.2发电成本效益估算
填埋气发电规模确定的原则是依据填埋场的垃圾总库容、现有的垃圾量、垃圾日均处理量进行总体规划，分步实施，依据填埋气的产量及收集率确定发电机组，以气定电，保持适度的弹性，确保机组投入发电。首先拟定以下条件：填埋气中甲烷的含量为500/0，每立方米甲烷能产生10 kWh电能，发电效率为360/0，年发电时间为8 000 h，自用电及线损为发电量的10%，填埋气发电价格为0.636元/kWh，政府补贴价格为0.25元/kWh。根据填埋气可收集量计算实际装机容量、实际发电量、上网电量等，详见表6。
表6给出了填埋气收集20 a内的发电量，产气量在2028年达到最大值，因此，项目最大理论总装机容量为2 MW。考虑到影响填埋气收集的因素很多，本着保守原则，依据总装机容量和市场上现有发电机型号，选用2台进口的单机装机容量为1 MW的燃气内燃发电机组。
投资成本：2 MW装机容量的投资成本约为1815万元，其中机组占投资比例的55%，沼气收集系统及脱硫预处理系统约占投资比例的30%，厂房基础建设占投资比例的3%，自控及电器设备占投资比例的12%。
运行成本：配置运行人员8个，分为四班，采用四班三倒班制，维修T2个，技术人员1个，管理人员2个，人员平均工资为8万元／a，13人合计104万元/a;机油、水等消耗为100万元／a。
设备折1日与维护：设备折1日按平均年限计算，折旧年限为10 a，残值率为5%，即172.425万元；设备维护费用为30万元／a。
对以上数据进行成本效益分析，经计算第一年收人为820.885万元。通过计算得出投资回收期为两年2个月，表明项目运行两年2个月就能完成投资成本的回收。
4结论
①采用LandGEM模型对南通市某垃圾填埋场进行产气量估算，根据垃圾组成、填埋量等条件得出甲烷产气率为0.106 a-1，结合不同的理论模型并参考国内外同行的研究结果得出甲烷潜在产气能力为68 m3/t。填埋场产气约持续40 a，填埋气在封场后一年（即2028年）产气量达到最大，为4 957.45 m3/h，按300/0的收集率计算为1487.23 m3/h。填埋气预计从201 8年开始收集，填埋气可收集量在初期增长较快，在封场10年后增长趋于缓慢，到2047年约能收集到2.27xl08m3填埋气。
②通过对比，采用燃气内燃机发电作为填埋气的利用方式。根据填埋气集气量，选择2台1MW燃气内燃机进行发电，并进行成本效益分析，结果发现，一次性投资成本约为1815万元，第一年收人为820.885万元，项目运行两年2个月就能完成成本的回收。
5摘要：文章以南通市某垃圾填埋场为研究对象，利用USF:PA开发的LanclCEM模型进行填埋场产气量估算，并基丁模型估算产气量进行发电成本效益分析。根据填埋场垃圾组分及填埋量等条件确定模型参数（甲烷产气率为0.1 06 a。1，产甲烷潜力为68 rn'n），将模型参数输入LanclGEM模型估算m 40 a的填埋气理论产气量。填埋场产气量在封场后一年（即2028年）达到最大，为4 957.45 ml/h，填埋气可收集量（收集率为30%）为1 487.23 m3/11根据填埋气可收集量选择2台l MW燃气内燃机进行发电，并进行成本效益分析，结果发现，一次性投资成本约为1815万元，第一年收入能达到820.885万元，项同运行两年2个月就能完成成本的同收。
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