三峡库区固体有机废物厌氧发酵产生气体的危害

三峡库区固体有机废物厌氧发酵产生气体的危害

废水是指人类在生产、建设、日常生活和其他活动中产生的、不能利用的污染环境的固体和半固体物质。根据其组成，可分为有机和有机废物。随着经济的发展,我国的固体废物产生量越来越大。三峡库区作为一个现代地理概念,系指按照位于宜昌县中堡岛的三峡大坝蓄水175m方案,因水位升高而受淹没影响的有关行政区域,包括重庆的18个,湖北的4个,共计22个县、市、区,总面积近6万km2。2004年,三峡库区总人口约1800万,其中农村人口约占70%,城镇人口占30%。由于三峡工程的修建,库区生态环境比较脆弱,另一方面,库区的经济也在快速发展,产生的固体废物量也在大幅度增加,其固体废物的处理、处置、利用及对环境的影响越来越引起人们的重视。固体废物的处理方法主要有卫生填埋、焚烧、堆肥、回收再利用及厌氧发酵等。卫生填埋是三峡库区城镇固体废物处理的最主要的方法,其处理量占80%以上,优点是处理量大,总成本较低,缺点是占用宝贵的城市土地,产生甲烷等温室气体,如不加以利用,将对环境产生危害。焚烧法在三峡库区主要用于医疗废物处理。堆肥法在库区农村使用比较普遍,在城镇使用较少。此外,在库区农村及一些小城镇,厌氧发酵法也比较普遍。无论是城镇固体废物的卫生填埋,还是农村地区厌氧处理产生沼气法,都是由于固体废物中有机成分在缺氧的环境下进行发酵,将有机成分分解成混合气体,其中甲烷占了较大的比例,这些气体如不妥善处理,将对三峡库区的大气环境造成影响。1氧化碳和hs固体有机物厌氧发酵产生的气体主要成分为甲烷和二氧化碳,其总体积占产生混合气体总量的95%～99%,其中甲烷的含量占50%～70%,二氧化碳占30%～50%,此外,还有一些常见成分H2S、NH3和H2等气体,这些气体的含量较小,占气体总体积不到5%,其中H2S和NH3分别是含硫和含氮有机物降解产生的,H2则是有机物在厌氧降解的产酸阶段产生而未被甲烷茵消耗的那一部分。最后,固体有机物厌氧发酵产生的气体还含有种类繁多的微量成分,总量低于1%,主要是包括烷烃,环烷烃,芳烃,卤代化合物等在内的挥发性有机物(VOC)。2城镇有机生活垃圾处理固体有机物根据其生成过程,可分为城镇有机垃圾、农业副产物、人畜禽粪尿及工业有机固体废物四类。农业副产物主要是秸秆,秸秆主要作为薪柴及饲料来使用,用于厌氧发酵的较少,工业有机固体废物用于厌氧发酵的也比较少(工业废水也有用于厌氧发酵的,不在此列),因此,三峡库区可能用于厌氧发酵固体有机物的主要是城镇有机垃圾及人畜禽粪尿。城镇有机生活垃圾每年的产生量可以用公式(1)进行计算:Mosw=365PNQ/1000(1)Μosw=365ΡΝQ/1000(1)式中:Mosw为城镇有机生活垃圾每年的产生量,t;P为垃圾中有机成分的含量百分比,%;N为某区域的总城镇人口数;Q为某区域每天人均垃圾的产生量,kg。三峡库区总人口约1800万人(据2004年《重庆市统计年鉴》及《湖北省统计年鉴》),城市化率按30%计算,此外,还有很大一部分农民进城务工(估计占20%),应作为城镇人口计算,人均垃圾每天的产生量约1.2kg,因此,三峡库区城镇有机生活垃圾每年的产生量为18000000×(30%+20%)×1.2×365=3942000t/a,即三峡库区城镇每年产生垃圾约394.2万t。人畜禽粪尿每年的产生量可以用公式(2)进行计算:Mm=∑Mj=365∑NjQj/1000(2)Μm=∑Μj=365∑ΝjQj/1000(2)人、畜、禽粪尿有机质标准排泄量,人粪尿有机质标准排泄量为40kg/(人·年),城镇人口的人粪尿一般进入城市市政排污管道,作为废水来处理,计算固体废物厌氧发酵时,不计算此部分。由于牛占大牲畜总数约80%,所以用牛的粪尿有机质标准排泄量1200kg/(头·年)作为大牲畜的标准排泄量,猪为150kg/(头·年),羊为170kg/(只·年),鸡为5kg/(只·年)。根据重庆市及湖北省2004年年鉴,三峡库区2003年饲养猪1100万头,大牲畜100万头,家禽6000万只,养110万只。根据公式(2),三峡库区人畜禽粪尿每年的产生量为(900×40+1100×150+100×1200+110×170+6000×5)×10000=36.97×108kg≈37×108kg。3通过测定低固体有机氧化产生的气体量3.1填埋垃圾产生甲烷气的量理论上,固体有机物厌氧发酵产生的气体量可用被降解物质的分子式通过化学方程式计算而出,也可以通过实验提出经验数学模型。由于固体废物成分种类繁多、含量变化频繁、环境条件变化大等原因,到目前为止,还没有令人十分满意的理论或经验公式来进行气体量的计算。目前,计算城镇垃圾填埋厌氧发酵产生的甲烷气体使用比较多的方法是IPCC(theIntergovementalPanelonC1imateChange)l995年推荐的经验公式,计算公式如下:ECH4=MSW×DOC×η×r×(16/12)×0.5(3)式中:ECH4为固体有机物的甲烷排放量;MSW为城镇垃圾,t;η为城镇垃圾填埋率,%;DOC为城镇垃圾中可降解有机物的含量,%。IPCC推荐DOC值发展中国家为15%,发达国家为22%;η为填埋垃圾占生活垃圾总量的百分比;r为垃圾中可降解有机碳的分解百分率,推荐为77%(定为常数);比值(16/12)为CH4和C的转换系数;数值0.5为CH4中的碳与总碳的比率。基于三峡库区的实际,根据IPCC推荐,本文DOC值取15%,η取85%,r取77%,按此公式(3)计算1吨填埋垃圾产生甲烷气的量为:ECH4=1×15%×85%×77%×(16/12)×0.5×1000=65.45kg,整个三峡库区每年填埋垃圾平均产生的甲烷气的量为65.45×4380000=2.86671×108≈2.9亿kg。城镇垃圾填埋厌氧发酵产生的其他气体量可以根据其与甲烷的比例进行换算,此略。3.2人畜禽粪尿厌氧发酵量三峡库区人畜禽粪尿厌氧发酵主要是农村地区户用沼气池、畜禽养殖场及一部分小城镇化粪池产生的。截至2003年底,三峡库区已累计建设小型户用沼气池约35万座,按每座接纳4口人计算,厌氧发酵的比例为4×35/1000=12.5%,畜禽养殖场及一部分小城镇化粪池为中或大型厌氧发酵池,显然接纳的人畜禽粪尿比小型户用沼气池要多的多,因此,三峡库区人畜禽粪尿厌氧发酵的比例取20%来进行计算。公式(3)主要是针对填埋垃圾的经验公式,对于人畜禽粪尿厌氧发酵,也可以使用该公式,只不过人畜禽粪尿中可降解有机物的含量要比垃圾高得多,本文DOC值取60%,因此,三峡库区人畜禽粪尿厌氧发酵产生的甲烷量为38×108×60%×20%×77%×(16/12)×0.5=2.3408×108≈2.3亿kg。此外,在三峡库区农村,堆肥比较普遍,在堆肥的某些阶段,也可能发生厌氧发酵,产生的甲烷初步估计为沼气池的1/10,即2.3×107亿kg。同样,人畜禽粪尿厌氧发酵产生的其他气体量也可以根据其与甲烷的比例进行换算,此略。4通过固体有机物氧化分解产生的气体对水库的大气环境影响4.1甲烷气体的净化甲烷和二氧化碳一样,吸收短波的能力弱,能使大部分太阳辐射的高能短波通过,但是其吸收长波辐射的能力却比较强,所以,甲烷是一种比较重要的温室气体。在所有温室气体中,甲烷对温室效应的贡献仅次于二氧化碳。目前,甲烷气体对温室效应的贡献已占18%左右,而且在等质量的情况下它的温室效应是二氧化碳的20倍左右。大气中甲烷气体的浓度正在急剧地上升,每年以0.6%的速度增加,在过去的200年时间里浓度增加了一倍。此外,甲烷气体和二氧化碳相比,稳定性相对较差,在大气中的寿命比较短,大约为11年,而二氧化碳在大气中的寿命为120年,正因为甲烷气体的强温室效应和短大气寿命,其减排对减缓气候变暖具有很明显的作用。甲烷主要来源是沼泽、稻田、牲口反刍、固体有机废物等,其甲烷排放分别约占大气甲烷总来源的22%、21%、15%及18%。一般说来,沼泽、稻田及牲口反刍排放的甲烷很难控制,而对于有机固体废物厌氧发酵而言,其产生的甲烷则比较容易利用,因此,固体有机物厌氧发酵产生的甲烷进行有效利用是减少甲烷排放的最有效途径。4.2气体及固体有机污染物固体有机废物厌氧发酵产生的气体当中,二氧化碳占30%～50%,二氧化碳是大气中正常的组分,是大气循环不可缺少的成分,但大气中二氧化碳过多,将引起“温室效应”,使地表温度增加,目前,大气中二氧化碳已偏多,所以固体有机废物厌氧发酵产生的二氧化碳将加剧“温室效应”。除二氧化碳外,厌氧发酵产生的气体中常见成分还包括H2S、NH3和H2等气体,这些气体的含量较小,占气体总体积的不到5%,对环境的影响主要是H2S、NH3的酸碱效应,H2S还会散发的一定强度恶臭,NH3则散发刺激性。固体有机废物厌氧发酵产生的气体当中,还含有种类繁多的微量成分(种类超过100多种),含量低于1%,主要是包括烷烃,环烷烃,芳烃,卤代化合物等在内的挥发性有机物(VOC)。虽然含量小,对整个大气环境的影响较小,但是,在垃圾填埋场周围的大气环境中,含量可能比较高,此外,这些上百组的气体化合物还要发生累积效应,对垃圾填埋场周围的居民造成比较严重的影响,同时,微量气体中的1