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环境工学

填埋地气体 LandGEM 生成量预测模拟器

基于美国 EPA 的 LandGEM (Landfill Gas Emissions Model) v3.02，根据废弃物量、受入期间、分解常数 k、甲烷生成势 L₀，实时计算填埋处分场产生的甲烷年间生成量、峰值年、发电可能量、CO₂eq 削减潜力。

参数设定
年间废弃物量 M
Mg/年
每年接收的废弃物质量（湿润基准）
受入期间（开场年数）
年
处分场接收新废弃物的期间
分解常数 k
1/年
湿润地区 0.04、干燥地区 0.02、生厨余多 0.1
甲烷生成势 L₀
m³CH₄/Mg
废弃物1吨最终 CH₄ 产生量
闭场年（从基准年起）
年
处分场闭场的年份。独立于开场年数设定
评估时点（从基准年起）
年
评估 CH₄ 生成率的年份（默认=闭场后为峰值）
计算结果
—
评估时点甲烷生成率 (m³CH₄/年)
—
峰值年甲烷生成率 (m³CH₄/年)
—
峰值年（从基准年起）
—
连续电力换算 (MW LHV)
—
回收率70%时的发电可能量 (MW)
—
年间 CO₂eq (Mg-CO₂eq)
—
填埋处分场的断面 — 气体回收井和生成分布

受入期间内废弃物堆积，闭场年产生峰值 CH₄。回收井（绿色）吸引气体送往发电/火焰焚烧。颜色深度表示 CH₄ 生成强度。

经年变化 — CH₄ 生成率曲线 (0～100年)
累积 CH₄ 生成量和 CO₂eq
理论·主要公式

$$Q_{CH_4}(t) \;=\; \sum_{i=1}^{n} k\,L_0\,M_i\,e^{-k\,t_i}$$

LandGEM 基本方程式（IPCC FOD）。每年投入的废弃物 M_i (Mg) 在时间 t_i (年) 内呈指数衰减释放 CH₄ 的贡献总和。k：分解常数 (1/年)，L₀：甲烷生成势 (m³CH₄/Mg)。

$$P_{el}\;[\text{MW}]\;=\;Q_{CH_4}\cdot\frac{35.8\,\text{MJ/Nm}^3}{1000\cdot 8760}\,,\quad E_{CO_2eq}\;=\;Q_{CH_4}\cdot 0.717\cdot 25$$

基于 CH₄ 低位热值 35.8 MJ/Nm³、密度 0.717 kg/m³、GWP-100 = 25 的连续电力换算和年间 CO₂eq (kg)。需另外乘以实际发电端效率和回收率进行评估。

填埋地气体 (LFG) 生成量预测 — LandGEM 模型

🙋
我听说填埋处分场在埋下垃圾后仍会"产生气体"，真的会持续产生几十年吗？
🎓
是的。埋入的生厨余、纸张、木材等有机物在缺氧（嫌气）状态下被微生物缓慢分解，大约等量产生甲烷 (CH₄) 和二氧化碳 CO₂。分解不是一蹴而就，而是大致按一阶反应 (FOD) 衰减。例如年受入 10 万吨、连续接收 30 年的处分场，闭场直后甲烷生成率达到峰值，之后以约 25 年的时间常数缓慢衰减。闭场 50 年后仍有峰值的约 14%（= e^(-0.04·50)）在继续产生。
🙋
什么，一半是甲烷？我学过甲烷的温室效应是 CO₂ 的 20 多倍。这些是直接排放到大气中吗？
🎓
很好的问题。GWP-100 为 25 倍（最新 IPCC AR6 为 27～30 倍），所以放任不管的话，填埋地会成为日本最大的温室气体排放源之一。因此先进国家的许多大型处分场采取"打气体回收井"吸引 LFG，进行 (1) 用内燃机或燃气轮机发电的 LFGTE、(2) 精制后注入城市燃气管网的 RNG、(3) 无法发电时简单焚烧的火焰燃烧，三者之一。仅通过燃烧转换为 CO₂，温室效应就降低至 1/25，这是其基本逻辑。
🙋
那如果把左边的分解常数 k 从 0.04 改成 0.1 会怎样？峰值会改变吗？
🎓
试试就知道。k 增大时峰值会升高，但衰减时间变短。也就是说变成"短而猛烈"的产生。湿润的日本或印度尼西亚 k=0.04～0.05 是标准，干燥的美国西部处分场 k=0.02 左右。生厨余多且降雨充沛的地方分解快，甲烷回收井的设计流量要相应加大。反过来干燥地区产生虽慢但周期长，运营成本要持续几十年，这是另一个课题。
🙋
右下显示"连续电力换算 29 MW""回收70%时 20 MW"，这是什么规模？
🎓
20 MW 大概相当于 4～5 万个一般家庭的电力消费。实际上 CH₄ 发电端效率 35～40% 后降到 7～8 MW，但仍可媲美中等规模太阳能光伏电站。美国 EPA 的 LMOP 项目有 500 多个处分场在运行 LFGTE，总发电容量超过 2 GW。日本也在推进 JR 铁路电源和地方政府温暖化对策计划中采用的可行性研究。
🙋
CO₂eq 12 万 Mg 的话……这是相当大的量吧？
🎓
12 万吨 CO₂eq 相当于 2.5 万辆汽油车一年的排放量。反过来说，仅通过回收焚烧就能"实质上零化"这么多温室气体。再加上发电，还有化石燃料代替的效果。日本地方政府制定 GHG 排放削减目标时，填埋地甲烷对策往往成为"重点施策"，因为单个事业的削减量大、成本效益高。

常见问题

LandGEM (Landfill Gas Emissions Model) 是美国 EPA 开发的填埋地气体生成量预测模型。基于 IPCC FOD (First Order Decay：一阶衰减) 方法，假定每年接收的废弃物 M_i 随时间呈指数函数衰减并释放甲烷气体，按此计算年间生成率。参数仅需分解常数 k (1/年) 和甲烷生成势 L₀ (m³CH₄/Mg-废弃物) 两个，从组成和气候条件确定。在日本，根据 JIS Q 14064 或 IPCC 2006 指南进行温室气体排放量核算时，实质上采用相同的 FOD 方法。
k 表示废弃物的分解速度，EPA 的默认值为：湿润地区（年降水量 635mm 以上）0.04～0.05，干燥地区约 0.02，半干燥地区 0.03。日本等温暖湿润气候下，0.04 是标准目标值。L₀ 是1吨废弃物最终产生的 CH₄ 总量，取决于可生物降解有机物的比例。EPA 默认值：混合城市垃圾 100 m³/Mg，生厨余多的情况 150～170，废塑料/建筑废料为主约 30～70。无实测值时，应根据废弃物组成和当地气候在此范围内设定。
峰值出现在"停止接收新废弃物（闭场年）之后"。接收期间，每年投入的废弃物尚未完全分解，每年积累，因此废弃物量和生成率同时增加。一旦闭场新流入停止，仅剩累积已有废弃物的指数衰减，故此后即为峰值。其后以 1/k 的时间常数衰减（k=0.04 时为 25 年）。闭场后 50 年仍有初始生成率的约 14%（= e^(-0.04·50)）留存。许多地方政府在闭场后 30～50 年内继续进行环保监测和发电/火焰焚烧。
可以。LFGTE (Landfill Gas To Energy) 是打入探井（气体回收井）进行吸引，用内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机发电的技术，在日美欧标准进行。CH₄ 低位热值约 35.8 MJ/Nm³，回收效率 70%（典型值），对于 100,000 Mg/年规模的处分场，不含发电效率的连续电力换算为 10～20 MW 级。CH₄ 的温室效应是 CO₂ 的 25 倍 (GWP-100)，仅通过燃烧转换为 CO₂ 即可实现年间 10万 t-CO₂eq 级的削减。无法发电的部分通常采用火焰燃烧破坏。

实际应用

地方政府最终处分场和温暖化对策计划：日本市町村运营的一般废弃物填埋处分场，根据《废弃物处理法》和《地球温暖化对策推进法》必须核算并报告甲烷排放量。本工具的 LandGEM 计算可用于根据年间废弃物量和组成进行初步排放量估算，支持温对计划削减目标（如 2030 年削减 50%）的方案分析，以及 LFG 发电、覆土改善等措施的成本效益比较。

LFGTE 项目（发电事业）：美国 EPA 的 LMOP (Landfill Methane Outreach Program) 采用本工具相同的逻辑进行"该处分场能否建成多少 MW 的发电厂"的事前评估。发电事业者利用 PPA（电力购买协议）或 FIT 制度进行项目 IRR 计算时，CH₄ 生成量的长期预测曲线是收益模型的基础。日本 JR 集团和独立发电事业者正在推进类似框架的研究。

碳信用（J-信用·GCF）创出：填埋地甲烷回收、焚烧带来的 GHG 削减可通过 J-信用制度、Verra VCS、Gold Standard 等自愿碳市场以吨-CO₂eq 为单位进行交易。事业性评估需要 LandGEM 为基础的保守基准线（不采取措施的排放量）和回收后残存排放量的差值作为"削减量"被认定。本工具的"年间 CO₂eq"输出可用于粗估。

环境影响评估与覆土设计：新建处分场的环境影响评估从恶臭、温室气体、爆炸风险角度需要 CH₄ 生成量的长期预测。基于 LandGEM 输出，设计气体回收井的间距、排气管径、脱水设备容量。覆土材的透气性改变会影响逃逸气体量，需与表面散逸模型（表面通量）联合检讨。

常见误区和注意事项

最大的陷阱是"将 LandGEM 输出值直接当作大气排放量"。LandGEM 计算的是"生成量 (generation)"，而非"大气排放量 (emission)"。实际排放到大气的是生成量减去气体回收井吸引的部分、覆土透过量和好氧氧化将 CH₄ → CO₂ 转换的部分。EPA 的标准仮定是回收率 75%、覆土氧化率 10%，故实排放量为生成量的 22.5%。本工具也以回收率 70% 计算"发电可能量"，但在温对计划书中写"排放量"时，务必用贵地区的回收率、氧化率实际数值进行折扣。

其次是"全国统一用 k = 0.04"的错误。k 随气候（年降水量、气温）和废弃物组成（生厨余比率）而大幅变化。沖绳、九州南部等湿润地区用 0.05 更现实，北海道或干燥内陆地区用 0.025 可能更近。而且产业废弃物处分场（废塑料、污泥为主）生物降解性低，L₀ 降至 30～50，k 也相应减小。先用默认值计算，再用 5 年以上连续气体回收量数据对 k 和 L₀ 进行校正。

最后是"闭场后不需要气体对策"的误解。从 LandGEM 曲线可看出，峰值后仅按指数衰减，不会"归零"。闭场后 30 年仍有峰值的 30%（k=0.04 时）在产生。美国 RCRA Subtitle D 规定"闭场后 30 年的事后护理义务"，包括气体回收、地下水监测、覆土管理的继续。日本的《废弃物处理法》虽通过廢止申告后的维护管理积立金担保长期监测，但实际上 50 年以上的事例并不罕见。务必在事业计划阶段将闭场后的运营成本计入。

使用指南

  1. 输入填埋处分场的年间废弃物接收量（1,000～100万 Mg）。例如年处分 50,000 Mg 的设施，输入 50000。
  2. 设定废弃物的受入期间（年数）。例如过去 20 年连续接收，设定为 20。
  3. 输入分解常数 k（年⁻¹）和甲烷生成势 L₀（m³CH₄/Mg）。一般而言，先进国家城市废弃物范围内 k=0.05～0.1，L₀=170～200 m³CH₄/Mg。
  4. 点击计算按钮，显示评估时点的甲烷生成率、峰值年和生成量、LFG 发电规模（MW）、CO₂削减潜力。

具体计算示例

年受入量 30,000 Mg、受入期间 15 年的填埋地，k=0.075 year⁻¹、L₀=180 m³CH₄/Mg 时的情况。评估时点（基准年）的甲烷生成率约为 8,500 m³CH₄/年。峰值约在基准年后 10 年达到约 12,000 m³CH₄/年，回收率 70% 时的发电可能量约 0.85 MW，年间 CO₂eq 削减潜力约 35,000 Mg-CO₂eq。

实务注意事项

  1. 埋地的气候、降水量、运営管理（覆土厚度、压密度）会导致实际 k 值大幅波动，如有现场采样数据应反映。
  2. L₀ 取决于废弃物组成。有机物多的场合（餐饮废弃物）200 m³CH₄/Mg 以上，少的场合（建筑废料混入）100～150 m³CH₄/Mg 需相应调整。
  3. LFG 发电的实现性评估需考虑甲烷浓度 40～50%、硫化氢·硅氧烷的前处理成本、发动机效率 30～40%，进行综合采算性分析。