填埋場氣體收集系統(tǒng)

1、第 17卷第 2期 水 利 水 電 科 技 進(jìn) 展 1997年 4月 現(xiàn)代衛(wèi)生填埋工程系列講座 (2 填 埋 場 氣 體 收 集 系 統(tǒng)錢學(xué)德 郭志平(河海大學(xué)巖土工程研究所 南京 210098 作者簡介 :錢學(xué)德 , 男 , 博士 , 旅美學(xué)者 , 美國密歇根州環(huán)保署官員 , 河海大學(xué)兼職教授 , 從事環(huán)境土工研究。 郭志平 , 男 , 教授 , 從事巖土工程研究 , 曾發(fā)表 土工原理與計(jì)算 等論著。 固體廢棄物填埋場可看作一生物化學(xué)反應(yīng)堆 , 輸入物是固體廢棄物和水 , 輸出物則主要是填埋廢 氣和淋洗液 。 填埋場內(nèi)物質(zhì)分類包括部分生物降解 有機(jī)物和其它原來位于場內(nèi)的無機(jī)廢棄材料 。填埋

2、場氣體控制系統(tǒng)被用來防止廢氣不必要地進(jìn)入大 氣 , 或在周圍土體內(nèi)作側(cè)向和豎向運(yùn)動 ?；厥盏奶?埋廢氣可以用來產(chǎn)生能量或有控制地焚燒以避免其 有害成分釋放到空氣中去 1,2。1 填埋場氣體的生成, , 這些氣體 中 , 甲烷等氣體 , 也有少量的微量氣 體。 主要?dú)怏w系廢棄物中有機(jī)成分經(jīng)分解生成的 , 微 量氣體雖然數(shù)量很少 , 但其中一部分可能有毒 , 會對 公眾健康帶來危害。填埋場中各類氣體生成的百分分布典型值如附 表所示 , 其中甲烷 (CH 4 和二氧化碳 (CO 2 是廢棄物中 生物降解有機(jī)廢料在厭氧環(huán)境中分解生成的。圖 1表示填埋場氣體組成隨時(shí)間的變化4。 最初 , 填埋場中氣體的

3、分布和大氣是一樣的 , 約 80%為氮 ,20%為 氧 , 還有少許二氧化碳和其它氣體。 后來填埋場中的 微生物開始分解有機(jī)材料 , 氧氣減少 , 二氧化碳增加 , 需氧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醐h(huán)境。 一開始填埋場氣體中甲 烷很少 , 但隨著時(shí)間增加其含量愈來愈高 , 二氧化碳 附表 城市固體廢棄物填埋場氣體成分典型值 3成 分 占干燥體積百分比 成分 占干燥體積百分比 甲烷 (沼氣 4560氨 011110二氧化碳 4060氫 0012氮 25一氧化碳 0012氧 011110微量成分 0101016硫、 硫酸等 0110的含量反而略有減少 。 這些氣體實(shí)際上是以甲烷和 二氧化碳為主的一種混合氣體 ,

4、 經(jīng)過較長時(shí)間 , 當(dāng)填 埋場中的有機(jī)材料消耗完時(shí) , 所有氣體的生成也就 中止了 。圖 1 填埋場氣體組成隨時(shí)間的變化2 影響填埋場氣體生成的因素填埋場氣體產(chǎn)出能力取決于很多因素 , 包括廢棄物的構(gòu)成 、 含水量 、 p H 值以及有效營養(yǎng)成分等 。 如果填埋場非常干燥 , 生成的氣體將很少 。在有些 填埋場內(nèi) , 季節(jié)溫度變化也會影響氣體的產(chǎn)出 , 如填 埋場埋藏較淺 , 在寒冷季節(jié) , 其氣體產(chǎn)出率將大大降 低 。 同一填埋場不同位置的氣體產(chǎn)出率也會有很大 變化 , 因?yàn)閺U棄物的類型分布往往是不均勻的 。一開始 , 當(dāng)可分解的垃圾倒入填埋場時(shí) , 垃圾帶 著周圍大氣中的氧一起進(jìn)入 , 經(jīng)

5、過一段細(xì)菌分解的 自然過程 , 耗盡了空氣中的氧 (需氧分解 , 在填埋場 中形成厭氧環(huán)境 , 這通常發(fā)生在填埋單元封閉后 6個(gè)月或更長一段時(shí)間內(nèi) 。 厭氧環(huán)境是產(chǎn)生甲烷的必46要條件之一 。 如果氧氣重新進(jìn)入填埋場 , 帶有氧氣 的廢棄物將回復(fù)到需氧狀態(tài) , 并使產(chǎn)生甲烷的細(xì)菌 群體被殺死 , 需要再過一段時(shí)間以后 , 甲烷產(chǎn)出能力 才能回復(fù)正常 。 由于此時(shí)填埋場內(nèi)尚有部分甲烷存 在 , 甲烷逐漸減少完全取決于剛填埋的需氧廢棄物 有多少 , 還有其它一些因素 。二氧化碳則在需氧和 厭氧狀態(tài)均可產(chǎn)生 。在靜止?fàn)顟B(tài)下 , 填埋場氣體的 構(gòu)成大概一半為甲烷 , 另一半為二氧化碳 , 另有少量 的

6、氮 。 圖 2 城市固體廢棄物填埋場氣體產(chǎn)出概念模型只要存在一定條件 , 填埋場氣體將不斷生成 , 這 些條件包括 :垃圾成柱狀堆積 , 缺少空氣的環(huán)境 , 溫 度在 1057 之間以及纖維素或其它有機(jī)材料 (甲 烷細(xì)菌的作用物 的有效作用 。給填埋場加水可加 快氣體的產(chǎn)出 , 在干旱地區(qū)干燥的填埋場內(nèi) , 長時(shí)間 (也許要 100年 內(nèi)也只有少量氣體生成 , 而對那些 有機(jī)材料可適當(dāng)加水的填埋場 , 在 815年內(nèi) , 填埋 場廢氣將生成得很快 , 以后就降到較低的水平 (見 圖 23 。 氣體的生成速率 , 在填埋場中甚至在每一 單獨(dú)的填埋單元內(nèi)均是變化的 。 理論上講每 1kg 干 有機(jī)

7、材料能生成 01440156m 3氣體 , 而通常每 1垃圾每年可生成 01003010193成時(shí) , 壓力大約為 75, 1150kPa , , 滲 入土內(nèi) , 甚至進(jìn)入周圍的建筑之中 。3 填埋場氣體的流動氣體從填埋場內(nèi)向外流動 , 通常有對流和擴(kuò)散 兩種方式 。 對流是由于氣體對周圍透水性很小或完 全飽和的土層形成壓力梯度引起的 , 也可能是因?yàn)?甲烷比二氧化碳或空氣輕而產(chǎn)生浮力所引起的 5。 擴(kuò)散則是由于氣體濃度之間的差別而引起的 。厭氧 分解所產(chǎn)生的帶有甲烷和二氧化碳的混合氣體 , 其 濃度比周圍空氣的濃度要大得多 , 因此甲烷和二氧 化碳的分子將從填埋場向周圍空氣中擴(kuò)散 。 與對流

8、 相比 , 擴(kuò)散在氣體流動中只起次要作用 。填埋場氣體的流動受壓力 、 濃度以及溫差所制 約 , 氣體生成時(shí)形成的氣壓 , 就存在一個(gè)梯度要使它 自身達(dá)到平衡 。 填埋場中氣體將沿著阻力最小的途 徑流動 , 無論豎向或側(cè)向 , 其流動程度均取決于很多 因素 , 包括填埋場設(shè)計(jì)時(shí)的自然狀態(tài) , 周圍土體的情 況 , 廢棄物類型 , 廢棄物在填埋場中被分割的程度以 及每天或最終覆蓋的類型等等 。 對于相對透氣性較 好的砂礫覆蓋層 ,氣體傾向于均勻地向垂直方向排 出 , 并通過覆蓋層直達(dá)表面 ,而且排氣速率基本不 變 。 如果覆蓋層透氣性較差 , 則氣體傾向于側(cè)向流 動 , 若填埋場用低透水材料封頂

9、 , 則氣體不再向上排 出 , 而如果側(cè)向流動的阻力又小于垂直向的阻力 , 氣 體將傾向于向側(cè)向流動并在較低的位置積累起來 , 如基底 、 窨井 、 填埋場附近的泵站等處 , 最終成為消 耗氧氣和可能引起爆炸的地方 。因此 , 對在填埋場 頂部或附近的任何建筑物都必須進(jìn)行監(jiān)測以保證廢 氣不在那里積累 。 3及 圖 44圖 3 形成氣體豎向流動的填埋場環(huán)境圖 4 形成氣體側(cè)向流動的填埋場環(huán)境氣體通常經(jīng)過非飽和土中無水的孔隙和巖石裂 隙進(jìn)行流動 , 但因?yàn)闅怏w是可溶的 , 它也可在孔隙壓 力作用下通過飽和土的孔隙進(jìn)行流動 。 例如在過去 某些大的填埋場中 , 相對不透水的廢棄物常常被直 接堆在地上

10、而在其下并不設(shè)置淋洗液收集系統(tǒng)或進(jìn) 行排水 。 這些填埋場也能產(chǎn)生相當(dāng)多的氣體 , 有時(shí) 其壓力大得可以將氣體溶入地下水 , 然后通過地下 水再排至周邊壓力較小的非飽和土中 。影響氣體流動的因素很多 , 其中比較重要的有 填埋場的設(shè)計(jì) , 包括垃圾庫的建造 , 最終覆蓋設(shè)計(jì)以56 及如何結(jié)合氣體流動進(jìn)行監(jiān)控等 。 透水率低的土層 和土工膜可以很有效地?fù)踝×鲃託怏w , 砂礫層的孔 隙則為氣體流動提供了良好的通道 。 其它有利于氣 體流動的通道還有由于不均勻沉降在廢棄物或土中 形成的裂隙等。 圖 7 主動氣體收集系統(tǒng)剖面圖4 氣體收集系統(tǒng)的類型和構(gòu)造在填埋場使用時(shí)和關(guān)閉之后 , 經(jīng)營者可能需要 對

11、氣體的流動實(shí)行控制 。 收集填埋場廢氣的系統(tǒng)有 兩種類型 , 即被動收集系統(tǒng)和主動收集系統(tǒng) 。411 被動氣體收集系統(tǒng)被動氣體收集系統(tǒng)讓氣體直接排出而不使用機(jī) 械手段如氣泵或水泵等 (見圖 5。這個(gè)系統(tǒng)可以在圖 5 其排入大氣 。 , 溝槽可以挖至地 下水位那個(gè)深度 , 然后回填透水的石渣或埋設(shè)多孔 管作為被動系統(tǒng)的隔墻 , 根據(jù)周圍土的種類 , 需要在 溝槽外側(cè)設(shè)置實(shí)體的透水性很小的隔墻 , 以增進(jìn)溝槽內(nèi)被動排氣量 。如果周圍是砂性土 , 其透水性和 溝槽填土相似 , 則需在溝槽外側(cè)鋪一層柔性薄膜 , 以 阻止氣體流動 , 讓氣體經(jīng)排氣口排出 。如果周邊地 下水位較深 , 作為一個(gè)補(bǔ)救辦法

12、, 也可用泥漿墻阻止 氣體流動 。 圖 6表示一種典型的被動排氣方式 , 它 既有中間覆蓋又有封頂系統(tǒng) 。 被動氣體收集系統(tǒng)的 優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用較低 , 而且維護(hù)保養(yǎng)也較簡單 。圖 6 典型的填埋場排放氣體被動收集系統(tǒng)412 主動氣體收集系統(tǒng)若被動氣體收集系統(tǒng)不能有效地處理填埋場氣 體 , 就必須采用主動氣體收集系統(tǒng) , 利用動力形成真 空或產(chǎn)生負(fù)壓 , 強(qiáng)迫氣體從填埋場中排出。 極大多數(shù)主動氣體收集系統(tǒng)均利用負(fù)壓形成真空 , 使填埋廢氣 通過抽氣井、 排氣槽或排氣層排出。 圖 7是一主動氣 體收集系統(tǒng)的剖面圖。 主動氣體收集系統(tǒng)構(gòu)造的主 要部分有抽氣井、 集氣管、 真空 源、 ( (見圖 8 ,

13、平洞槽圖 8 垂直抽氣井66則必須鋪設(shè)在填埋垃圾的上面 (見圖 9 。 在井或槽中 放置部分有孔的管子 , 然后用礫石回填 , 形成氣體收 集帶 。 在井口表面套管的頂部應(yīng)裝上氣流控制閥 , 也可以裝氣流量測設(shè)備和取氣樣的出口 。 井應(yīng)和已 形成填埋場抽氣系統(tǒng)的管路聯(lián)成一起 。 圖 8表示一 能用于填埋場內(nèi)部或周邊的垂直抽氣井 , 典型的抽 氣井是用直徑為 1m 的勺鉆鉆至填埋場底部以上 3m 以內(nèi) , 或鉆至碰到淋洗液層 6。井內(nèi)通常放一根 直徑為 15cm 的預(yù)制 PVC 套管 , 其上部 1/3無孔 , 下 部 2/3有孔 。鉆孔用直徑 2155cm 的石渣回填 。 其表面通常用細(xì)粒料

14、(可用石渣過篩 和膨潤土加以 封閉 。 井及管路系統(tǒng)上均應(yīng)裝有調(diào)節(jié)氣流和作為取 樣口的閥門 。圖 9 水平氣體收集槽示意圖b. 集氣管 成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò) , 。 地下暗管要有一個(gè)坡度 , 其控制坡度應(yīng)使最低點(diǎn)能 利用重力收集冷凝水 , 并盡量避免因不均勻沉降引 起堵塞 。 可以增加管徑來減少因摩擦而造成的壓力 損失 。 管路埋入填以砂土的槽內(nèi) , 管身用 PVC 或 HDPE 管 , 管壁不能有孔 。在管線不同位置應(yīng)設(shè)置 閥門以便在系統(tǒng)維修或擴(kuò)大期間可以將不同部位的 井壁隔開 。圖 10 集水管網(wǎng)c. 冷凝水脫離和水泵站 。 從氣流中控制和排除冷凝水對于氣體收集系統(tǒng)的有效使用十分重要 。填埋廢氣中的

15、冷凝水集中在氣體收集系統(tǒng)的低處 , 它會切斷抽氣井中的真空 , 破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行 。冷凝水脫離 (或冷凝水回收 可以通過增加液體水滴的形 成并從氣流中脫離進(jìn)入被控制的位置 。間隔 60150m 一個(gè)的冷凝水回收器應(yīng)包括在氣體收集系統(tǒng) 的整體設(shè)計(jì)內(nèi) , 這些回收器可以使隨著氣流移動的 冷凝水滴從集氣管中脫離 , 以防止管子堵塞 (見圖 11 。 大概每生成 2183萬 m 3氣體 , 可產(chǎn)生 1902270L 冷凝水 , 這取決于系統(tǒng)真空壓力的大小和廢 棄物中水汽的含量 。 當(dāng)冷凝水已經(jīng)積聚在水池或氣 體收集系統(tǒng)的低處時(shí) , 它可以直接排入水泵站的貯 水池中 , 然后將冷凝水抽入水箱或污水管內(nèi)進(jìn)

16、行處 理 。d. 真空源 (氣泵 。氣泵應(yīng)置于高度略高于集 氣管末端的建筑物內(nèi) , 以促使冷凝水下滴 , 通常安裝 于填埋場廢氣發(fā)電廠或燃?xì)庹緝?nèi) (見圖 11 。 氣泵使 抽氣系統(tǒng)形成真空 , 并將填埋廢氣輸送至廢氣發(fā)電 廠或燃?xì)庹?。 為 573min 為 215、 。圖 11 冷凝水脫離和水泵系統(tǒng)詳圖e. 氣體監(jiān)測設(shè)備 。 如果填埋場氣體收集井群調(diào)配不當(dāng) , 填埋廢氣就會遷離填埋場向周邊土層擴(kuò)散 。 由于填埋廢氣會引起爆炸 , 因此沿填埋場周邊的天 然土層內(nèi)均應(yīng)埋設(shè)氣體監(jiān)測設(shè)備 , 以避免甲烷對周76圍居民產(chǎn)生危害 。 埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備的孔常用空心鉆桿 打至地下水位以下或填埋場底部以下 115

17、m 處 , 孔 內(nèi)放一根 215cm 直徑的 40號或 80號 PVC 套管用 來取氣樣 。 鉆孔用細(xì)小的碎石和任何一種封閉材料 (包括膨潤土 回填 , 地面設(shè)置直徑為 15cm 并帶有封 閉帽的鋼管以保護(hù) PVC 套管 。5 填埋場廢氣的處理若使用主動氣體收集系統(tǒng)收集填埋場廢氣 , 則 必須對廢氣進(jìn)行處理 。 廢氣處理通常包括通過燃燒 造成有機(jī)化合物熱破壞或者對廢氣進(jìn)行清理加工和 回收能量 7。511 廢氣燃燒當(dāng)填埋場廢氣中有足夠的甲烷時(shí) (超過總體積 的 20%以上 , 燃燒是一種常用的處理方法 。 燃燒可 以減少臭氣 , 而且控制臭氣的效果比被動散發(fā)要好 得多 。 現(xiàn)今大多數(shù)燃燒方式均設(shè)

18、計(jì)成封閉式 , 與開 敞式相比 , 它停留時(shí)間較長 , 有較高的氧化溫度和較 好的焚毀效果 。一般來說 , 設(shè)在進(jìn)口處的閥門 (見圖 12 。 燃燒的煙囪相連 , 。 安全裝置 ( , 以及 (用來監(jiān)測回火 、 自動閥門 (用來關(guān)閉廢氣入口 和自動停機(jī)傳感器等 。 一旦火 焰熄滅 , 火焰探測器會立即感知 , 并將自動閥門關(guān) 閉 , 以阻止未燃燒的廢氣逸入大氣 。燃燒機(jī)構(gòu)應(yīng)同 時(shí)設(shè)置被動和主動兩種安全系統(tǒng) , 如果其中之一失 效 , 另一系統(tǒng)可馬上接替工作 。圖 12 帶有氣泵的填埋場氣體燃燒系統(tǒng)示意圖512 氣體清理和能量回收可通過脫水和去除其它雜質(zhì) (包括二氧化碳 對 填埋場廢氣進(jìn)行清理

19、。 沒有經(jīng)過清理的填埋場廢氣其熱量約為 4452kcal (1kcal =4. 1868×103J , 這個(gè) 熱量大約只有天然氣的一半 , 因?yàn)樘盥駡鰵怏w中只 有接近一半是甲烷 。 經(jīng)過清理可使氣體的熱量增加1倍 , 達(dá)到天然氣的水平 , 氣體就可以直接送入管道并像天然氣一樣使用了 。對某些填埋場 , 特別是大型填埋場 , 可實(shí)施能量 回收 , 那里產(chǎn)生氣體的數(shù)量和潛力使回收能量十分 經(jīng)濟(jì) (見圖 13 。能量能否在合適的成本下進(jìn)行回 收 , 完全取決于填埋場氣體的質(zhì)量和數(shù)量 。一個(gè)小 型填埋場其廢氣熱量約為 4452kcal (1kcal =4. 1868×103J ,

20、可以用來驅(qū)動一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的燃?xì)庖婊?驅(qū)動發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)換為電能 。在較大的填埋場 , 經(jīng)過脫水和去除二氧化碳等清理后的氣體可以用來 燒鍋爐和驅(qū)動渦輪發(fā)電機(jī)以回收能量 。圖 13 , , 對能量回, , 填埋場 然而 , 只要條件恰當(dāng) , 填 , 這取 、 廢棄物的含水量和填埋場封 閉的方式 。參考文獻(xiàn)1 Qian Xuede. G eotechnical aspects on land fill design. TheUniversity of Michigan , Department of C ivil and Environmental Engineering , Ann Arb or

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