隨著我國(guó)城市垃圾狀況和管理方式的變化，我國(guó)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(lái)，我國(guó)相繼建造了不少大型的垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)，填埋沼氣的問(wèn)題也日益突出，成為城市垃圾填埋處置過(guò)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(shí)，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(wú)疑將成為一個(gè)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(guó)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(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家分離出產(chǎn)甲烷的厭氧細(xì)菌，進(jìn)一步揭示出了有機(jī)物厭氧消化產(chǎn)生沼氣的微生物學(xué)機(jī)理。1896年，英國(guó)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(jìn)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(jī)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(jī)生活垃圾的處理，則只有十余年的歷史。
由于對(duì)城市垃圾采用填埋與沼氣化技術(shù)不僅可以能減輕其對(duì)環(huán)境的污染，而且可以回收利用能源，創(chuàng)造財(cái)富，變廢為寶。因此世界上許多國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了對(duì)垃圾填埋的填埋氣進(jìn)行研究，20世紀(jì)80年代初便開(kāi)始利用填埋氣。隨著近些年來(lái)環(huán)境變遷和溫室效應(yīng)的加劇、石油價(jià)格的上漲以及能源危機(jī)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(guó)對(duì)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(chǎng)由16個(gè)發(fā)展到244個(gè)。美國(guó)對(duì)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(guó)全國(guó)天然氣消費(fèi)量的1%可以被填埋氣體中的甲烷所代替，全國(guó)約有1000個(gè)填埋場(chǎng)適合開(kāi)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(dāng)于4～5億美元的價(jià)值[1]。
截止1990年，歐盟的垃圾填埋的沼氣利用項(xiàng)目就有175個(gè)。歐洲對(duì)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(gè)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(guó)共有33個(gè)商業(yè)性填埋氣體利用項(xiàng)目1個(gè)，另有20個(gè)項(xiàng)目正在規(guī)劃和建設(shè)中，其發(fā)電總裝機(jī)容量約為190MW。據(jù)估計(jì)，英國(guó)可利用的垃圾填埋的沼氣總能源價(jià)值相當(dāng)于500～600MW。德國(guó)垃圾填埋的沼氣的主要利用方式是通過(guò)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和直接燃燒供熱，到1991年，295個(gè)正在運(yùn)行的城市垃圾填埋場(chǎng)中有32%的填埋場(chǎng)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(wàn)m3用于直接燃燒以供熱，約2000萬(wàn)m3經(jīng)過(guò)加工處理用作燃料氣，大部分(約8000萬(wàn)m3)用于25個(gè)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，其發(fā)電量為150MW？h，可以滿足約5萬(wàn)個(gè)荷蘭家庭的用電量。此外，熱電連產(chǎn)機(jī)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(jià)為0.05～0.07美元/度[3]。拉丁美洲自1977年以來(lái)，已完成5個(gè)填埋沼氣利用項(xiàng)目，使拉丁美洲在發(fā)展中國(guó)家中居于領(lǐng)先地位。填埋沼氣經(jīng)過(guò)凈化后主要用于廚房、照明、機(jī)動(dòng)車燃料和管道煤氣，年利用量約為2.17億m3[4]。
近年來(lái)，在可持續(xù)發(fā)展原則指導(dǎo)下，歐洲國(guó)家紛紛立法，限制有機(jī)垃圾進(jìn)入衛(wèi)生填埋場(chǎng)。在德國(guó)，2005年以后，有機(jī)物含量高于5%的垃圾即被禁止直接進(jìn)入垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)。這種情況下，有機(jī)垃圾的處理和利用成為一個(gè)迫切的問(wèn)題。由于堆肥存在這樣那樣的問(wèn)題，人們不斷探討有機(jī)垃圾處理和利用的新技術(shù)方法。近十年來(lái)，有機(jī)垃圾厭氧消化系統(tǒng)在德國(guó)、瑞士、奧地利、芬蘭、瑞典等國(guó)家發(fā)展尤其迅速，日本荏原公司也從歐洲引進(jìn)技術(shù)，在日本建設(shè)了首座厭氧消化示范工程。有機(jī)垃圾的厭氧消化處理成為有機(jī)垃圾處理的一種新的趨勢(shì)。
1.2、國(guó)內(nèi)利用現(xiàn)狀
我國(guó)對(duì)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(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)性研究。1997年，國(guó)家環(huán)?？偩衷谀暇?、鞍山和馬鞍山三城市啟動(dòng)了“促進(jìn)中國(guó)城市垃圾填埋沼氣收集利用”項(xiàng)目。目前，南京市已成功實(shí)現(xiàn)氣體收集發(fā)電的目標(biāo)。鞍山市的“收集甲烷用于汽車燃料”項(xiàng)目，馬鞍山市的“收集甲烷用于焚燒醫(yī)院有毒有害廢物”項(xiàng)目，也已于2003年完成[4]。
2002年8月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)的廣州市興豐生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)是我國(guó)第一座與國(guó)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(chǎng)設(shè)置有垂直和水平填埋沼氣收集管網(wǎng)系統(tǒng)，有130個(gè)豎井，氣體收集率可達(dá)70%。根據(jù)興豐場(chǎng)未來(lái)的垃圾量計(jì)算，該場(chǎng)至少能發(fā)電20年以上，最高發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)1.3萬(wàn)kW。由國(guó)家計(jì)委、國(guó)家環(huán)?？偩?、國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、財(cái)政部、建設(shè)部、科技部等共同編寫(xiě)的《中國(guó)城市垃圾填埋氣體收集利用國(guó)家行動(dòng)方案》于2002年10月23日正式出臺(tái)，預(yù)計(jì)到2015年中國(guó)城市垃圾填埋無(wú)害化處理將達(dá)到60%至70%。據(jù)預(yù)測(cè)和專家估計(jì)，到2015年，我國(guó)的城市垃圾年產(chǎn)量將達(dá)1.79億t，預(yù)計(jì)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(duì)填埋垃圾所產(chǎn)生的沼氣全部進(jìn)行回收利用，按每kg垃圾產(chǎn)生0.064～0.44m3填埋氣來(lái)計(jì)，則可產(chǎn)生總量相當(dāng)于10～70億m3的天然氣，其最小值與目前我國(guó)煤層氣產(chǎn)量相當(dāng)，最大值相當(dāng)于我國(guó)目前天然氣產(chǎn)量的1/5，這是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)字。同時(shí)大量減少甲烷排放量，對(duì)環(huán)境保護(hù)所起的作用將更為可觀[5]。
根據(jù)我國(guó)政府制定的計(jì)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(wú)害化處理。據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年我國(guó)城市垃圾的產(chǎn)生量將達(dá)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(jī)垃圾被分選出來(lái)，有機(jī)垃圾含量按45%計(jì)算，則到2010年約有113億噸的有機(jī)垃圾產(chǎn)量。若按約有30%的有機(jī)垃圾被用來(lái)進(jìn)行厭氧消化處理計(jì)算的話，則每年可產(chǎn)生生物氣體量約為50億m3，其中蘊(yùn)含的能量大約為300億kWh，相當(dāng)于30億升柴油，可供車輛行駛420億公里，另外厭氧消化殘?jiān)a(chǎn)量約為1000萬(wàn)噸，其經(jīng)過(guò)靜態(tài)腐熟一段時(shí)間后即可作為粗堆肥產(chǎn)品出售，產(chǎn)生附加的經(jīng)濟(jì)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(guó)對(duì)城市垃圾填埋主要采用衛(wèi)生填埋技術(shù)，后來(lái)又逐漸發(fā)展成為生態(tài)填埋。所謂衛(wèi)生填埋就是能對(duì)垃圾滲濾液和填埋氣體進(jìn)行控制的填埋方式[7]，通常首先要進(jìn)行防滲處理，在填埋場(chǎng)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(chǎng)場(chǎng)底下形成一個(gè)獨(dú)立的水系，使之不會(huì)污染地下水，滲濾液一般通過(guò)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(chǎng)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(dāng)?shù)氖张畔到y(tǒng)進(jìn)行處理，則會(huì)在填埋場(chǎng)累積，通過(guò)填埋覆蓋層或側(cè)壁向場(chǎng)外釋放，對(duì)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(méi)有溶解氧和硝酸鹽氮的條件下，微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和腐殖質(zhì)的過(guò)程[8～10]。在這個(gè)過(guò)程中有機(jī)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(lái)。被分解的有機(jī)碳化物中的能量大部分儲(chǔ)存在甲烷中，僅一小部分有機(jī)碳化物氧化成二氧化碳，釋放的能量作為微生物生命活動(dòng)的需要。厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，在自然界內(nèi)厭氧發(fā)酵過(guò)程也廣泛存在著。有機(jī)物在有水的地方，在無(wú)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(guó)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(jì)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(wèn)題是沼氣的收集與導(dǎo)出和滲濾液的處理與防護(hù)，以防止爆炸和造成二次污染。對(duì)沼氣收集采用布設(shè)集氣管道的方式，在國(guó)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(duì)沼氣的導(dǎo)出通常采取的方法有：①通過(guò)石籠等形式將填埋沼氣導(dǎo)排；②進(jìn)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(gè)對(duì)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(shí)，對(duì)滲濾液收集之后采取專門(mén)的處理，再引入污水處理廠，最終達(dá)到達(dá)標(biāo)排放。
3.1.2、城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析
從投資的角度看，一個(gè)處置能力為2000t/d的垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)，其填埋氣體回收利用系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用約為2000～3000萬(wàn)元，相當(dāng)于填埋場(chǎng)建設(shè)費(fèi)用的20%～30%。而對(duì)于這種規(guī)模的衛(wèi)生填埋場(chǎng)，每年可回收利用的沼氣量約為1800萬(wàn)m3，熱值按18MJ/m3計(jì)，則每年可回收熱能1800萬(wàn)m3×18MJ/m3=01324PJ；如果全部用于發(fā)電，能量轉(zhuǎn)移率暫以30%計(jì)，則每年可發(fā)電27.1GWh，上網(wǎng)電價(jià)按0.5元/kWh計(jì)，年發(fā)電收入可達(dá)0.5元/kWh×27.1GWh/a=1355萬(wàn)元/a，運(yùn)行兩年即可回收投資[10]。根據(jù)以上分析，對(duì)于較大規(guī)模的垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)填埋氣體回收利用系統(tǒng)，無(wú)論是對(duì)投資方，還是對(duì)管理方都具有較大的市場(chǎng)吸引力。
3.2、在我國(guó)當(dāng)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(guó)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(jiǎn)單
該方法工藝要點(diǎn)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(lái)控制溫度以獲得預(yù)期的氣體回收率。設(shè)備簡(jiǎn)單，投資較少，可伸縮性強(qiáng)，處理徹底，比較適合我國(guó)國(guó)情。
3.2.2、我國(guó)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(chǎng)；二是質(zhì)量好[10]。雖然我國(guó)城市垃圾平均有機(jī)物含量較低，但我國(guó)部分大城市及城市的雙氣戶(暖氣、煤氣戶)地區(qū)有機(jī)物含量仍較高，而且有機(jī)物中動(dòng)植物殘骸等食品垃圾比例高，有利于產(chǎn)沼，并且隨著我國(guó)燃料結(jié)構(gòu)的改變，垃圾中有機(jī)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(jì)效益較高
我國(guó)目前能源緊張，勞動(dòng)力便宜，從經(jīng)濟(jì)效益或所謂競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格角度看采取該方法比發(fā)達(dá)國(guó)家更有利。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有城市垃圾特性推算，我國(guó)年產(chǎn)垃圾8000萬(wàn)t，能量相當(dāng)于270萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，價(jià)值約1.6億元。由于沒(méi)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(jì)。而且隨著我國(guó)城市垃圾中有機(jī)成分的不斷增加，垃圾填埋產(chǎn)沼量還會(huì)不斷增加。杭州天子嶺衛(wèi)生填埋場(chǎng)[11]是國(guó)內(nèi)第一家進(jìn)行填埋氣體回收利用的填埋場(chǎng)，其下設(shè)的填埋氣體發(fā)電廠設(shè)計(jì)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(dá)14343MW？h，年產(chǎn)值717萬(wàn)元，投資回報(bào)周期為6～7年。
4、城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展前景及存在的問(wèn)題
4.1、城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展前景
近年來(lái)我國(guó)城市垃圾填埋氣體顯著增加，表現(xiàn)為：
?、匐S著城市化的快速發(fā)展、人口的增加和居民消費(fèi)水平的穩(wěn)步提高，我國(guó)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(guó)每年的垃圾總產(chǎn)量已超過(guò)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(shì)。
?、诮?0年來(lái)，城市垃圾最終處置已開(kāi)始由無(wú)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(duì)環(huán)境的影響變得更加突出。
?、劬用裆钏降奶岣呤估杏袡C(jī)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(duì)來(lái)說(shuō)，大多數(shù)填埋場(chǎng)建造技術(shù)水平較低，大量氣體處于無(wú)序排放狀態(tài)，造成嚴(yán)重的環(huán)境危害。上海、北京、重慶、岳陽(yáng)等城市都發(fā)生過(guò)填埋氣體導(dǎo)致爆炸的事故。因此，對(duì)現(xiàn)有垃圾堆放場(chǎng)以及正在建設(shè)和將要建設(shè)的衛(wèi)生填埋場(chǎng)所產(chǎn)生的填埋氣體加以控制已成為迫在眉睫的問(wèn)題。
根據(jù)我國(guó)政府制定的計(jì)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(wú)害化處理。據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年我國(guó)城市垃圾產(chǎn)生量將達(dá)到219億t，按處理率計(jì)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(duì)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(dāng)于356萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤的熱量可利用。可見(jiàn)，填埋氣體的回收利用在我國(guó)也是有很大的發(fā)展?jié)摿Φ摹?/span>
4.2、推廣城市垃圾填埋與沼氣化技術(shù)存在的問(wèn)題
盡管垃圾填埋與沼氣化技術(shù)在環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益方面都有不容忽視的優(yōu)點(diǎn)，但其在應(yīng)用和大范圍的推廣仍然存在一定問(wèn)題。
4.2.1、項(xiàng)目準(zhǔn)備費(fèi)用過(guò)高
通常情況下，垃圾填埋場(chǎng)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(jià)，而這一過(guò)程是非常復(fù)雜的。常規(guī)能源發(fā)電項(xiàng)目的準(zhǔn)備費(fèi)用大約為幾百萬(wàn)美元，占項(xiàng)目總投資額的1%～3%，比填埋氣體發(fā)電項(xiàng)目的準(zhǔn)備金要高出許多。
4.2.2、缺乏可操作的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策
盡管我國(guó)政府已經(jīng)出臺(tái)了一些經(jīng)濟(jì)激勵(lì)政策以促進(jìn)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(shí)際操作過(guò)程中如何貫徹這些政策仍存在不少問(wèn)題，如缺少標(biāo)準(zhǔn)的上網(wǎng)協(xié)議、購(gòu)電協(xié)議、計(jì)算電價(jià)的方法等。
4.2.3、沒(méi)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(guó)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(duì)合適的發(fā)電裝機(jī)的估算很困難，增大了可行性研究和決策的難度。
