垃圾填埋场沼气的收集与利用项目可行性分析

我国是世界上城市垃圾产量最高的国家，每年城市生活垃圾产量已超出1.4亿多吨，占全世界总量的1/4以上，且每年还在以8-10%的速度增长。日益严重的生活垃圾对城市环境的污染势必成为政府高度重视和解决的重大社会问题。而随着城市环境卫生状况和管理方式的变化，我国城市生活垃圾管理方式也正在从单纯的末端处理向源头治理和综合管理的方向发展。近年来，通过国家拨款和地方政府筹资，各地相继建造了不少垃圾填埋场，将随处可见的城市生活垃圾统一收集到一起处理。使城区卫生状况得到改善，环境污染得到了有效解决。但垃圾在填埋处置过程中所产生的大量沼气却很少收集和利用，既造成了对空气的第二次污染，同时又浪费了宝贵的能源资源。
    因此，随着人们环保意识的提高和垃圾收集工作的试行和推广，采用填埋发酵降解和沼气技术工艺相结合的方法处理城市有机生活垃圾是将城市垃圾无害化处理和资源化利用的有效途径。
    1、国内外垃圾填埋与沼气技术的应用状况
    1.1国外利用状况
    厌氧消化产生沼气的现象早已为人们所知，其应用也已有100多年的历史。进入20世纪以来，科学家分离出来产甲烷的厌氧细菌，进一步揭示出了有机物厌氧消化产生沼气的微生物学机理。1896年，英国建起了一座处理生活污水污泥的厌氧消化池，所产沼气用作一条街道的照明燃料；1906年印度建造了利用人粪生产沼气的沼气池。随着工艺的进步与发展，厌氧消化工艺被应用于畜牧业和农产品加工废料的处理，并逐渐在高浓度有机废水的处理上得到广泛应用。但将其应用于固体废物的处理，尤其是对有机生活垃圾的处理的历史并不长。
    由于对城市垃圾采用填埋与沼气收集利用相结合的工艺技术不仅可以减轻其对环境的污染，而且可以回收利用能源，创造财富，变废为宝。因此世界上许多国家如美国、英国早在20世纪70年代就开始了对垃圾填埋产生的气体进行研究，到20世纪80年代初便开始利用填埋气。近些年来，随着环境变迁和温室效应的加剧、石油价格的上涨以及能源危机的加剧，采用填埋与沼气技术处理城市垃圾更加引起各国的重视。
美国对垃圾填埋沼气的利用速度发展较快，从1982~1990年，利用沼气的填埋场就由16个发展到244个。美国对填埋沼气的利用主要集中在发电上，也有部分将填埋沼气转化为管道天然气。据估算，美国全国天然气消费量的1%可以被填埋气体中的甲烷所代替，全国约有1000个填埋场适合开展填埋气体的利用，每年可产生570亿m3的沼气，如果全部加以利用相当于4~5亿美元的价值。
    早在1990年前，欧盟垃圾填埋场的沼气利用项目就有175个。欧洲对填埋沼气的利用方式以转换为热能和发电为主。欧洲第一个完全使用垃圾填埋场沼气发电的工厂建于1987年。至1995年底，英国共建成33个商业性填埋气体利用项目，另有20个项目正在规划和建设中，其发电装机总容量约为190MW。据估计，英国可利用的垃圾填埋场沼气总能源价值相当于500~600MW。德国垃圾填埋场沼气的主要利用方式是通过内燃机发电和直接燃烧供热，到1991年，295个正在运行的城市垃圾填埋场中有32%的填埋场拥有气体利用设备。
    从1996年起，荷兰垃圾填埋沼气的利用量为1.15亿m3，其中约1000万m3用于直接燃烧以供热，约1000万m3经过加工提纯处理用作机动车燃料，大部分（约8000万m3）用于25个发电机组发电，其发电量为150MW，可满足约5万个荷兰家庭用电。此外，热电联产机组用沼气生产供热31MW。在荷兰，1t垃圾在20年中可产生200 m3沼气，发电成本为0.03~0.05美元/度，上网售价为0.05~0.07美元/度。拉丁美洲自1977年以来，已完成5个填埋场沼气利用项目，使拉丁美洲在发展中国家中居于领先地位，其填埋沼气经过净化后主要用于厨房、照明、机动车燃料和管道煤气，年利用量约为2.17亿m3。
    近年来，在可持续发展原则指导下，欧洲国家纷纷立法，限制有机垃圾进入卫生填埋场。在德国，2005年以后，有机物含量高于5%的垃圾即被禁止直接进入垃圾卫生填埋场。这种情况下，有机垃圾的处理和利用成为一个迫切的问题。由于堆肥存在这样那样的问题，人们不断探讨有机垃圾处理和利用的新技术新方法。近十年来，有机垃圾厌氧消化系统在德国、瑞士、奥地利、芬兰、瑞典等国家迅速发展。日本荏原公司也从欧洲引进技术，在日本建设了首座厌氧消化示范工程。由此可见，有机垃圾的厌氧消化处理已成为国际上有机垃圾处理的一种新的趋势。
    1.2国内利用状况
    我国对城市垃圾填埋制取沼气的技术研究起步较晚，起初只进行了一些实验性研究。1997年，国家环保总局在南京、鞍山和马鞍山三城市启动了“促进中国城市垃圾填埋沼气收集利用”项目。此后，南京市成功实现了填埋气体收集发电的目标。鞍山市“收集甲烷用于汽车燃料”的项目，马鞍山市“收集甲烷用于焚烧医院有毒有害废物”的项目，也分别于2003年完成。
    2002年8月开始运营的广州市兴丰生活垃圾填埋场是我国第一座与国际技术管理接轨的大型生活垃圾处理设施。兴丰垃圾填埋场沼气收集设置有垂直和水平管网系统，建有130个竖井，气体收集率可达70%。根据兴丰垃圾填埋场未来的垃圾量计算，该场至少能发电20年以上，最高发电装机容量可达1.3万kw。由国家计委、国家环保总局、国家经贸委、财政部、建设部、科技部等共同编写的《中国城市垃圾填埋气体收集利用国家行动方案》也于2002年10月23日正式出台，预计到2015年中国城市垃圾填埋无害化处理率将达到60%至70%。
    有关资料曾显示，至2010年，我国城市垃圾的产生量突破219亿t。若能将如此巨大量的垃圾分类收集处理，有机垃圾含量又只按45%计算的话，就有113亿吨的有机垃圾产量。而仅按30%的有机垃圾被用来进行厌氧消化处理计算，每年可产生的生物质气体量约为50亿m3，其中蕴含的能量大约为300亿kWh，相当于30亿升柴油，可供车辆行驶420亿公里，另外厌氧消化残渣产量约为1000万吨，其经过静态腐熟一段时间后即可作为粗堆肥产品出售。
根据专家的预测和估算，到2015年，我国的城市垃圾年产量将达1.79亿t，预计其中60%采用卫生填埋处理，则每年需填埋处置1.1亿t垃圾，假设对填埋垃圾所产生的沼气全部进行回收利用，按每kg有机垃圾产生0.064~0.44m3填埋气来计算，则可产生总量相当于10~70亿m3的天然气，其最小值与目前我国煤层气产量相当，最大值相当于我国目前天然气产量的1/5，这是一个相当可观的数字。同时大量减少甲烷排放量，对环境保护所起到的作用将更为可观。
    2、垃圾填埋与沼气利用的技术原理
    2.1垃圾填埋技术的原理
    我国对城市垃圾填埋主要采用卫生填埋技术，后来又逐渐发展成为生态填埋。所谓卫生填埋就是能对垃圾渗滤液和填埋气体进行控制的填埋方式，通常首先要进行防渗处理，在填埋场底部采用人工衬层，四周采用垂直防渗膜墙并使之与天然隔水层相连接，使填埋场场底下形成一个独立的水系，使之不会污染地下水，渗滤液一般通过管道收集后直接处理或送城市污水处理厂处理。垃圾填埋场气体中含有大量甲烷、二氧化碳及其他微量成分，若不采取适当的收排系统进行处理，则会在填埋场累积，通过填埋覆盖层或侧壁向场外释放，对周围环境和人类健康造成很大危害。
    2.2垃圾制取沼气的技术原理
城市垃圾填埋气体收集技术就是利用有机垃圾通过厌氧消化制取沼气的工艺及其过程。厌氧消化AnaerobicDigestion又称为厌氧发酵，是指在没有溶解氧和硝酸盐氮的条件下，微生物将有机物转化为甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质的过程。在这个过程中有机物不断被几种微生物的组合体分解，最后将其中大部分的碳以甲烷和二氧化碳的形式释放出来。被分解的有机碳化物中的能量大部分储存在甲烷中，仅一小部分有机碳化物氧化成二氧化碳，释放的能量作为微生物生命活动的需要。厌氧发酵是一个复杂的生物学过程，在自然界内厌氧发酵过程也广泛存在着。有机物在有水的地方，在无氧的条件下，很容易发生厌氧发酵，并产生厌氧发酵的代表性产物甲烷和硫化氢。甲烷产生和收集利用的工艺及其过程就是我们通常说的沼气制取利用技术。
    3、垃圾填埋与沼气利用技术相结合的可行性分析
    3.1垃圾填埋与沼气利用技术的经济性分析
    3.1.1垃圾填埋与沼气利用的技术分析
城市垃圾填埋与沼气利用技术的关键问题是沼气的收集与导出和渗滤液的处理与防护，以防止爆炸和造成二次污染。对沼气收集采用布设集气管道的方式，在国内外已经有了一定的应用，技术上基本成熟；沼气的导出通常采取的方法有：①通过石笼等形式将填埋沼气导排；②进石笼和收集灌将沼气导排并使之安全燃烧；③经管网系统收集净化，作能源回收利用。而防止垃圾渗滤液渗漏的方法有：①设置防渗衬里；②设置导流渠或导流坝；③选择合适的覆盖材料。同时，对渗滤液收集处理后，再引入污水处理厂，最终达到达标排放。
    3.1.2垃圾填埋与沼气利用技术的经济性分析　从投资的角度看，一个处置能力为2000t/d的垃圾卫生填埋场，其填埋气体回收利用系统的建设费用约为2000~3000万元，相当于填埋场建设费用的20%~30%。而对于这种规模的卫生填埋场，每年可回收利用的沼气量约为1800万m3，热值按18MJ/m3计，则每年可回收热能1800万m3×18MJ/m3=0.324PJ；如果全部用于发电，能量转移率暂以30%计，则每年可发电27.1GW，上网电价按0.5元/kW计，年发电收入可达0.5元/kW×27.1GW/a=1355万元/a，运行两年即可回收投资。根据以上分析，对于较大规模的垃圾填埋场建设填埋气体回收利用系统，无论是投资方，还是对管理方都具有较大的市场吸引力。
    3.2垃圾填埋与沼气利用的可行性分析
    初步研究结果表明，该方法在我国是可行的，并且具有广阔的应用前景。主要原因如下：
    3.2.1技术设备简单　该方法的工艺要点是：垃圾分单元以约2m厚一层逐层填埋，每层设置集气系统、层与层之间隔绝，整体封闭，靠调节湿度来控制温度以获得预期的气体回收率，设备简单，投资转让，可伸缩性强，处理彻底，比较适合我国国情。
    3.2.2我国城市垃圾的特性适宜于填埋制沼气　一是数量大，便于建造大规模、效率高的填埋场；二是质量好。虽然我国城市垃圾平均有机物含量较低，但城市生活垃圾中的有机物含量仍较高，而且有机物中动植物残骸等食品垃圾比例高，有利于产沼气，随着我国燃料结构的改变，垃圾中有机成分的增加，还将有利于填埋制沼技术的推广。
    3.2.3经济效益较高　我国目前能源紧张，劳动力便宜，从经济效益或所谓竞争性价格角度来看采取该方法比发达国家更有利。根据我国现有城市垃圾特性推算，我国年产垃圾达到8000万t以上，其能量相当于270万t标准煤，价值约1.6亿元。由于没有考虑已填埋垃圾的潜在能量，因而上述数字是最保守的估计。而且随着我国城市垃圾中有机成分的不断增加，垃圾填埋产生的沼气量还会不断增加。杭州天子岭卫生填埋场是国内第一家进行填埋气体回收利用的填埋场，其下辖的填埋气体发电厂设计规模4~6MW。该项目于1998年正式发电，且并入华东电网，年上网电量达14343MW，年产值717万元，投资回报周期为6-7年。
    4、垃圾填埋气发电站投资预算及其效益分析案例
    现以一个400米见方、40米深、垃圾填埋量为320万吨的填埋场为例作投资预算及效益分析，拟供业内人士参考。设计该项目发电机装机容量2000kW。可选用5台500GF燃气发电机组建立沼气发电站。
    4.1投资估算表如下：

    4.2效益分析
    4.2.1年总运行成本
垃圾填埋气发电机组运行功率按450kW，年运行时间按330天计算则：
年发电量：450kW×24h×330天×5台=1782万kWh
年运行成本：包括人工、机油、维修及配件、管理、不可预测等费用，折合单位发电成本为0.1元/度。
年总成本费用：1782万kWh×0.1元/kWh=178万元
    4.2.2减排量及效益计算：
垃圾填埋气发电的项目，其气体的主要成分为甲烷，其物理反应式如下：CH4+O2→CO2+H2O
根据有关折合标准煤及排碳系数，其减排量及效益见下表：

注：1）tce—吨标准煤；2）toe—标准油；3）t—c吨碳
从表上可知：
年电量折合标准煤=年发电量×0.399=17820MWh×0.399=0.711万吨
年电量折合排碳量=年发电量×0.2268=17820MWh×0.2268=0.404万吨
减排收益（按8美圆/吨碳计算）：
0.404万吨×8美圆/吨×8元/美圆=25.8万元
   4.2.3年发电效益（电价按0.50元计算）
年发电总量：1782万kWh。
年发电收入：1782万kW×0.5元/kW=890万元
年发电收益=年发电收入-年运行费用+减排收益=890万元-178万元+25.8万元=737.8万元
   4.2.4经济效益分析
投资回收期：875万元÷737.8万元=1.8年
注：效益分析中不包括余热利用，如加上余热利用部分效益更加可观。
    5、城市垃圾填埋与沼气利用技术在我国的发展前景
    近年来，随着城市化建设的快速发展、城镇人口的急剧增加和居民消费水平的稳步提高，我国城市垃圾产生量以每年8%~10%的比例递增。目前，城市人均垃圾日产量略高于1.0kg，全国每年的垃圾总产量已超过1亿t。垃圾填埋量的增加使得填埋气体产生量呈上升趋势。
    近20年来，城市垃圾最终处置已开始由无控的分散堆放向有控的集中处置方向发展，因而发生源的集中，使得填埋气体对环境的影响变得更加突出。
同时，因居民生活水平的提高使垃圾中有机物成分也大大增加了，这种垃圾成分的变化也使得单位重量的垃圾填埋气体产生量提高。根据有关部门调查分析，一个三口之家每年可形成一吨生活垃圾，一吨垃圾全部发酵可产生的填埋气体量约300m3，每立方米的可燃气体能发1.5千瓦电，即每吨生活垃圾实际可给我们提供400多千瓦的电能。
而相对来说，大多数填埋场建造技术水平较低，大量气体处于无序排放状态，造成严重的环境危害。上海、北京、重庆、岳阳等城市都发生过填埋气体导致爆炸的事故。因此，对现有垃圾堆放场以及正在建设和将要建设的垃圾填埋场所产生的填埋气体加以控制已成为迫在眉睫的问题。
    如前所述，如此多的垃圾要填埋，所产生的填埋气（沼气）对大气环境的影响将不可忽视。而这些沼气若能全部回收的话，就相当于356万t标准煤的热量可利用。可见，填埋气体的回收利用在我国也是有很大的发展潜力的。
    6、结论
    垃圾填埋气的收集并利用不仅解决了垃圾填埋气对大气环境的污染问题，同时开发和利用了能源，它是一个项目可行、效益可观的朝阳产业。
而对于我国正在蓬勃发展的绿色环保产业来说，利用垃圾填埋场的沼气发电，这是一件很有意义的事。垃圾填埋场沼气的收集及其利用的新工艺新技术必将得到迅速推广应用。