零级动力学模型产甲烷量估算值与实测值的比较研究

王登玉 贾跃然 王淑娜

（河北建筑工程学院能源与环境工程学院，张家口075000）

0 引 言

填埋场产甲烷量是卫生填埋场设计和填埋气发电厂设计中很重要的技术参数，由于产甲烷量只能在填埋场运行的过程中测得，填埋场和填埋气发电厂的设计先于填埋场的运行，产甲烷量最初只能由估算得到.因此产甲烷量的估算将直接影响生活垃圾卫生填埋场和填埋气发电厂的投资成本和运行成本.

到目前为止，产甲烷模型共分为三类［1］，分别是缺省模型、化学模型和动力学模型.缺省模型和化学模型用于估算总产甲烷量，动力学模型不仅可以估算总产甲烷量，还可估算逐年产甲烷量.三类模型中，动力学模型考虑了产甲烷量随时间的衰减因素更复杂一些，拥有的模型个数又最多.根据动力学级数，动力学模型又分为零级模型、一级模型和二级模型.本文以广州某生活垃圾填埋场为例，用零级动力学模型估算逐年产甲烷量，并将估算值和实测值进行比较.

1 零级模型简介

表1中Q为甲烷产气速率m3／a；L0－单位质量垃圾的产甲烷潜能m3／kg；W为湿垃圾填埋量（kg）；ω为湿垃圾含水率（%）；V0为单位干垃圾理论产沼气量（m3／kg）；t0为一定量垃圾开始填埋时间；tf为垃圾产气结束时间；0.35为1kgCOD的CH4理论产量为0.35m3；V为1kg填埋垃圾的有机物含量（%）；ow为可降解有机物含量；cw为可降解有机物含碳量；r为可降解有机碳分解百分率；1.867为1kg有机碳可转化为1.867m3（CH4＋CO2）气体；0.5为CH4和CO2气体中CH4的含量.

表1 零级模型表达式

2 产甲烷量估算

2.1 背景资料

广州某填埋场截止2010年底，总填埋量［3］达到1.9×107t，日均填埋量为6271t.该填埋场从2002年8月到2010年12月的各年垃圾填埋吨数分别是13×104t、134×104t、221×104t、236×104t、217×104t、239×104t、255×104t、288×104t和301×104t.该垃圾场垃圾物理组成如表2所示.

表2 填埋场垃圾组分、含水率及挥发性固体含量

元素组成如表3所示.

表3 垃圾各组分干基中化学元素组成

赵超等通过布点监测，得到2010年该填埋场甲烷的实际收集量为1.75×107m3.

2.2 参数确定

相关参数值根据Revised 1996IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoties：Reference Manual［4］、填埋场垃圾资料或文献值确定.其中，产甲烷时间取值27年；产甲烷潜能L0为0.065m3／kg垃圾；COD为1.51kgO2／kg干垃圾；湿垃圾含水率为0.558；单位干垃圾理论产沼气量为0.165m3／kg干垃圾；1kg填埋垃圾的有机物含量为93.7%；可降解有机物含碳量为0.524.

3 结果与讨论

根据填埋场年填埋垃圾资料和该填埋场生活垃圾的物理组成和元素组成资料，利用零级模型表达式，计算出逐年产甲烷量.以产甲烷时间27年计，各模型逐年产甲烷量如图1所示.

图1 零级模型估算值与真实值比较

图1中，（1）表示以COD模型为基础的零级模型，（2）表示以可生物降解为基础的零级模型，（3）表示以概化分子模型为基础的零级模型，（4）表示SWANA零级模型，水平虚线和垂直虚线的交点表示2010年产甲烷量实测值，垂直虚线和各曲线的交点表示2010年（从2002年8月开始的第9年）产甲烷量估算值.

从图1可以看出，四个零级模型逐年产甲烷量的变化曲线是一致的，即从填埋开始产甲烷量逐渐增大，在运行期末达到最大，此后经历一个稳定产气期，再在产气期内逐渐衰减为0，这种梯形状变化曲线是零级模型逐年产甲烷量的典型变化曲线.

以COD模型为基础的零级模型逐年产甲烷量的估算值最大，SWANA零级模型逐年产甲烷量的估算值最小.由于以COD模型为基础零级模型的COD值包含了可降解有机物和不可降解有机物的COD值，由该模型得到的产甲烷估算值在所有模型估算值中最大.SWANA零级模型产甲烷潜能采用了文献值，估算值与其他零级模型比最小，这与课题组估算张家口市某填埋场产甲烷量结果［5］一致.

2010年该填埋场产甲烷量估算值分别是（1）15.4×107m3＞（2）11.4×107m3＞（3）5.1×107m3＞（4）4.5×107m3.同2010年实测值相比，与实测值差距由小到大的零级模型的顺序是SWANA零级模型、以概化分子模型为基础的零级模型、以可生物降解模型为基础的零级模型、以COD模型为基础的零级模型.显然，SWANA零级模型的可用性最好，估算值与实测值的比值为2.6.

4 结 论

零级模型逐年产甲烷量在产甲烷年限内先增大，后稳定，最后减小到0，呈梯形状曲线；同实测值相比，以COD模型为基础的零级模型估算值与实测值差距最大，以概化分子模型为基础的零级模型和以可生物降解模型为基础的零级模型差距次之，SWANA零级模型差距最小；用零级模型估算产甲烷量，SWANA零级模型是最适合模型.

［1］王登玉.填埋场填埋气的产气量估算［J］.可再生能源，2013，31（4）：112～119

［2］彭绪亚.垃圾填埋气产生及迁移过程模拟研究［D］.重庆：重庆大学建筑与城市规划学院.2004

［3］赵超，赵玲，陈晓梅，等.城市生活垃圾填埋场甲烷收集效率研究［J］.环境科学学报，2012，32（4）：955～959

［4］IPCC.Revised 1996IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventoties：Reference Manual［M］.Geneva：IPCC，1996

［5］王登玉，罗义.新零级模型估算产甲烷量的研究［J］.可再生能源，2014，32（5）：699～702