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的應用現(xiàn)狀
1.1、國外利用現(xiàn)狀
利用厭氧消化能產生沼氣的現(xiàn)象早已為人們所知，其應用也已有100多年的歷史。進入20世紀以來，科學家分離出產甲烷的厭氧細菌，進一步揭示出了有機物厭氧消化產生沼氣的微生物學機理。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沼氣的沼氣池。隨著工藝的進步與發(fā)展，厭氧消化被應用于畜牧業(yè)和農產品加工廢料的處理，并逐漸在高濃度有機廢水的處理上得到廣泛應用，但將其應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化為管道天然氣。據估算，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)劃和建設中，其發(fā)電總裝機容量約為190MW。據估計，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，熱電連產機組用沼氣生產供熱31MW？h。在荷蘭，1t垃圾在20年中可產生200m3沼氣，發(fā)電成本為0.03～0.05美元/度，上網售價為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)展中國家中居于領先地位。填埋沼氣經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，在日本建設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、國內利用現(xiàn)狀
我國對城市垃圾填埋制取沼氣技術的研究起步較晚，只是近一、二年進行了一些實驗性研究。1997年，國家環(huán)?？偩衷谀暇?、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管理接軌的大型生活垃圾處理設施。興豐垃圾場設置有垂直和水平填埋沼氣收集管網系統(tǒng)，有130個豎井，氣體收集率可達70%。根據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)?？偩帧医涃Q委、財政部、建設部、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，預計到2015年中國城市垃圾填埋無害化處理將達到60%至70%。據預測和專家估計，到2015年，我國的城市垃圾年產量將達1.79億t，預計其中60%采用衛(wèi)生填埋處理，則每年需填埋處置1.1億t垃圾，假設對填埋垃圾所產生的沼氣全部進行回收利用，按每kg垃圾產生0.064～0.44m3填埋氣來計，則可產生總量相當于10～70億m3的天然氣，其最小值與目前我國煤層氣產量相當，最大值相當于我國目前天然氣產量的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]。
根據我國政府制定的計劃，到2010年所有城市都要建設符合環(huán)境要求的城市垃圾處理設施，使全部垃圾做到無害化處理。據預測，到2010年我國城市垃圾的產生量將達到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量約為1000萬噸，其經過靜態(tài)腐熟一段時間后即可作為粗堆肥產品出售，產生附加的經濟效益。
2、城市垃圾填埋與沼氣化技術的原理
2.1、城市垃圾填埋技術的原理
我國對城市垃圾填埋主要采用衛(wèi)生填埋技術，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的原理
城市垃圾沼氣化技術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，微生物將有機物轉化為甲烷、二氧化碳、無機營養(yǎng)物質和腐殖質的過程[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)酵是一個復雜的生物學過程，在自然界內厭氧發(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，并產生厭氧發(fā)酵的代表性產物甲烷和硫化氫。
3、城市垃圾填埋與沼氣化技術在我國的可行性分析
3.1、城市垃圾填埋與沼氣化技術的技術經濟性分析
3.1.1、城市垃圾填埋與沼氣化技術的技術性分析
城市垃圾填埋與沼氣化技術的關鍵問題是沼氣的收集與導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集氣管道的方式，在國內外已經有了一定的應用，技術上也基本成熟；而對沼氣的導出通常采取的方法有：①通過石籠等形式將填埋沼氣導排；②進石籠和收集灌將沼氣導排并使安全燃燒；③經管網系統(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設置防滲襯里；②設置導流渠或導流壩；③選擇合適的覆蓋材料。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的經濟性分析
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)的建設費用約為2000～3000萬元，相當于填埋場建設費用的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，能量轉移率暫以30%計，則每年可發(fā)電27.1GWh，上網電價按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]。根據以上分析，對于較大規(guī)模的垃圾填埋場建設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的可行性分析
初步研究結果表明，該方法在我國是可行的，并且具有廣闊的應用前景。主要原因如下：
3.2.1、技術設備簡單
該方法工藝要點是：垃圾分單元以約2m厚一層逐層填埋，每層設置集氣系統(tǒng)，層與層之間隔絕，整體封閉，靠調節(jié)濕度來控制溫度以獲得預期的氣體回收率。設備簡單，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，有利于產沼，并且隨著我國燃料結構的改變，垃圾中有機成分的增加，將有利于填埋制沼技術的推廣。
3.2.3、經濟效益較高
我國目前能源緊張，勞動力便宜，從經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。根據我國現(xiàn)有城市垃圾特性推算，我國年產垃圾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，垃圾填埋產沼量還會不斷增加。杭州天子嶺衛(wèi)生填埋場[11]是國內第一家進行填埋氣體回收利用的填埋場，其下設的填埋氣體發(fā)電廠設計規(guī)模4～6MW，于1998年正式發(fā)電，并入華東電網，年上網電量達14343MW？h，年產值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：
?、匐S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，我國城市垃圾產生量以每年8%～10%的比例遞增。目前，城市人均垃圾日產量略高于1.0kg，全國每年的垃圾總產量已超過1億t。垃圾填埋量的增加使得填埋氣體產生量呈上升趨勢。
?、诮?0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生量提高。
而相對來說，大多數(shù)填埋場建造技術水平較低，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)生過填埋氣體導致爆炸的事故。因此，對現(xiàn)有垃圾堆放場以及正在建設和將要建設的衛(wèi)生填埋場所產生的填埋氣體加以控制已成為迫在眉睫的問題。
根據我國政府制定的計劃，到2010年所有城市都要建設符合環(huán)境要求的城市垃圾處理處置設施，使全部垃圾做到無害化處理。據預測，到2010年我國城市垃圾產生量將達到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，產生沼氣約25億m3。如此多的垃圾填埋，其沼氣的產生及對大氣環(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?？梢姡盥駳怏w的回收利用在我國也是有很大的發(fā)展?jié)摿Φ摹?/span>
4.2、推廣城市垃圾填埋與沼氣化技術存在的問題
盡管垃圾填埋與沼氣化技術在環(huán)境效益和經濟效益方面都有不容忽視的優(yōu)點，但其在應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)范的上網協(xié)議和合理的上網電價，而這一過程是非常復雜的。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、缺乏可操作的經濟激勵政策
盡管我國政府已經出臺了一些經濟激勵政策以促進包括填埋氣體
發(fā)電在內的可再生能源的發(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)電設憊
杭州天子嶺所采用的填埋氣體發(fā)電設備是由美國公司提供的。
4.2.4、技術推廣的可行性和決策難度大
填埋氣體產生量不穩(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。
