小型填埋場(chǎng)填埋氣體收集和利用探討

文/黃春(黑龍江省城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院)

1.前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，環(huán)境可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注和重視，創(chuàng)造一個(gè)整潔、優(yōu)美的工作環(huán)境和生活環(huán)境是一個(gè)現(xiàn)代化城市的重要標(biāo)志之一。生活生產(chǎn)垃圾是伴隨著人類的生產(chǎn)、生活而產(chǎn)生的，隨著工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，城市人民的物質(zhì)文化水平日益提高，垃圾的產(chǎn)量和成份也迅速增加和變化。在當(dāng)今世界上，處理垃圾的難度越來(lái)越大，給城市的發(fā)展和管理帶來(lái)了新的困難，直接或間接地影響著生態(tài)環(huán)境，對(duì)居民的健康和生存構(gòu)成了嚴(yán)重威協(xié)。我國(guó)城市垃圾的處理方法目前還比較落后，其主要方法是填埋，約占整個(gè)垃圾處理方法的95%以上。因此，小型填埋場(chǎng)可能產(chǎn)生的污染問(wèn)題、爆炸問(wèn)題應(yīng)引起我們足夠的重視，目前，我國(guó)所采用的填埋方法基本上是隨意堆放的方法，未經(jīng)無(wú)害化處理。在填埋過(guò)程中，由于厭氧分解產(chǎn)生大量的甲烷氣體，如果不加以收集處理就會(huì)發(fā)出臭味并可能產(chǎn)生火災(zāi)危險(xiǎn)。同時(shí)，該氣體中含有高濃度的甲烷氣體是一種有效的資源。本文就小型填埋場(chǎng)填埋氣體的收集和利用進(jìn)行初步探討。

2.小型填埋場(chǎng)填埋氣體的產(chǎn)生

生活垃圾包括居民家庭、道路清掃、商業(yè)營(yíng)業(yè)垃圾、企事業(yè)單位以及公共場(chǎng)所等產(chǎn)生的垃圾，亦有一部分工業(yè)垃圾和建筑垃圾混雜其中。因此在投入填埋場(chǎng)的垃圾中，含有相當(dāng)豐富的有機(jī)物質(zhì)。通常，家庭垃圾中，含有水果皮、食物殘?jiān)⒉巳~、紙張、毛皮等有機(jī)物。垃圾一旦進(jìn)入填埋場(chǎng)，微生物的分解過(guò)程就開始了。第一步是好氧分解，消耗填埋場(chǎng)中的氧氣，產(chǎn)生大量的熱。第二步進(jìn)行厭氧分解，產(chǎn)生沼氣。作為垃圾本身的生物厭氧降解過(guò)程，其最終產(chǎn)物主要是CO2和CH4。垃圾被填埋的初期，有機(jī)物分解產(chǎn)生的廢氣主要是CO2，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，氣體中的甲烷成分逐漸上升，產(chǎn)氣高峰一般要在垃圾填埋3～5年之后才出現(xiàn)，而廢氣中CH4含量較高時(shí)會(huì)引起爆炸。因此，做好填埋場(chǎng)氣體的收集是一項(xiàng)很重要的工作。

3.小型填埋場(chǎng)填埋氣體的收集系統(tǒng)

填埋場(chǎng)中有機(jī)垃圾的生物降解分為好氧階段、厭氧階段，厭氧甲烷不穩(wěn)定階段，厭氧甲烷穩(wěn)定階段四個(gè)過(guò)程，前三個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間為180～500d，而厭氧甲烷階段的穩(wěn)定時(shí)間可持續(xù)多年，這主要取決于垃圾構(gòu)成、填埋深度、氣候條件和土壤類型等條件，在穩(wěn)定階段甲烷爆炸的報(bào)道已有多起，從而決定了導(dǎo)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便成為垃圾衛(wèi)生填埋的重要環(huán)節(jié)。小型垃圾填埋場(chǎng)為確保該垃圾填埋場(chǎng)的安全運(yùn)行，仍設(shè)置導(dǎo)氣系統(tǒng)。 可在場(chǎng)內(nèi)設(shè)置64個(gè)導(dǎo)氣豎管，每個(gè)導(dǎo)氣豎管的服務(wù)半徑為20m，導(dǎo)氣豎管與場(chǎng)底水平收排滲系統(tǒng)相連，起導(dǎo)氣及垂直收滲雙重作用，導(dǎo)氣豎管隨著垃圾堆高而加高。為避免操作機(jī)械對(duì)導(dǎo)氣豎管的碰撞，以保護(hù)導(dǎo)氣豎管的穩(wěn)定，同時(shí)亦為加強(qiáng)導(dǎo)氣效果，在導(dǎo)氣豎管的外側(cè)設(shè)置石籠。導(dǎo)氣豎管高出衛(wèi)生填埋場(chǎng)封場(chǎng)面2m。垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的氣體，借壓差流向特定的氣體收集井，從收集井通過(guò)氣體收集管引至集氣柜，氣體由集氣柜輸往氣體收集站。根據(jù)廢氣的不同用途進(jìn)行凈化處理。氣體的收集通過(guò)設(shè)置于填埋場(chǎng)豎井中垂直帶孔管道收集豎井，每隔40～50 m設(shè)置一個(gè)，每3～5個(gè)收集井設(shè)置一個(gè)集氣柜，組成一組輸送系統(tǒng)，每個(gè)集氣柜設(shè)有獨(dú)立的管道接至收集站。集氣柜可以互組聯(lián)通，以便處理故障和檢修。為有效地抽出井中氣，井里應(yīng)保持約20 kPa的負(fù)壓，并以此考慮管道設(shè)計(jì)和設(shè)備的選擇。豎井中的吸引管用高密度聚乙烯制造，直徑100～150 mm，吸引管上有透氣的小孔，垂直安裝在直徑為0.5 m的豎井中，為防止其客觀存在氣體滲透進(jìn)入填埋場(chǎng)表層，吸引管上部3 m沒(méi)有小孔，為增加吸收面積，吸引管周圍裝有過(guò)濾礫石。來(lái)自豎井中的氣體含有水蒸汽，所以水平管道應(yīng)逐漸向豎井方向傾斜，以便使冷凝液返回豎井，在一些管道的最低點(diǎn)，設(shè)置冷凝水收集裝置。

4.填埋氣體的再利用

垃圾填埋氣體在所有的垃圾填埋場(chǎng)中都有產(chǎn)生。垃圾填埋氣體的典型成分如下：甲烷45%-60%，二氧化碳40%-60%，氫0%-0.2%，氮2%-5%，硫化氫0%-1.0%，一氧化碳0%-0.2%。如果垃圾填埋氣體得不到適當(dāng)?shù)氖占吞幚?，將?huì)帶來(lái)一系列直接或潛在的危害。甲烷是一種易燃易爆的氣體，當(dāng)甲烷在空氣中的濃度達(dá)到5%—15%時(shí)，遇火就會(huì)爆炸。填埋場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的大量氣體無(wú)規(guī)則地隨處遷移和擴(kuò)散，會(huì)形成爆炸和火災(zāi)的隱患；氣體中微量濃度的硫化氫和硫醇等化合物是產(chǎn)生臭氣之源。另外，垃圾填埋氣體中還可能含有一些有毒有害的揮發(fā)性有機(jī)氣體如二甲苯、含鹵化合物等，長(zhǎng)期與之接觸可以使人致癌。據(jù)估計(jì)，全世界每年排放的甲烷量大約為5億噸，其中有2200—3600萬(wàn)噸來(lái)自城市垃圾填埋場(chǎng)。采用先進(jìn)技術(shù)開展垃圾填埋氣的利用，不但可以有效避免因無(wú)序遷移和排放帶來(lái)的危害，而且可以化害為利，將污染環(huán)境的氣體作為可再生資源轉(zhuǎn)化成清潔能源，并對(duì)遏制地球氣候變暖的趨勢(shì)作出重要貢獻(xiàn)。

美國(guó)是較早開展垃圾填埋氣體回收利用的國(guó)家，每年可從垃圾中回收填埋氣體達(dá)5×109m3，世界范圍內(nèi)的回收可達(dá)3.0×1010m3，而我國(guó)只是近兩年來(lái)才開始這方面的試驗(yàn)研究，其初步研究結(jié)果表明：垃圾填埋氣體可作為一種利用價(jià)值較高的燃料。沼氣回收利用在我國(guó)是可行的，并有廣闊的應(yīng)用前景。目前世界上共有20多個(gè)國(guó)家的270多個(gè)垃圾填埋場(chǎng)安裝了填埋氣體的回收利用裝置，利用途徑包括：直接燃燒獲取熱量，或通過(guò)燃燒產(chǎn)生蒸汽用于生活或工業(yè)供熱；通過(guò)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電；作為運(yùn)輸工具的動(dòng)力燃料；經(jīng)脫水凈化處理后用作管道煤氣；用于CO2工業(yè)；另外還可用于制造甲醇的原料或用于垃圾填埋場(chǎng)本身滲濾液的蒸發(fā)處理等。其中發(fā)電、民用燃料和汽車燃料是三種最為普遍的利用方式。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)垃圾填埋場(chǎng)逐漸重視垃圾填埋氣體的收集和管理，有些垃圾場(chǎng)采用主動(dòng)式填埋氣體集中回收燃燒系統(tǒng)；有些為將填埋氣體作為清潔的可替代能源進(jìn)行回收綜合利用而建設(shè)了填埋氣體發(fā)電廠等項(xiàng)目；杭州市天子嶺、無(wú)錫市桃花山、南京市水閣、廣州市大田山等垃圾填埋場(chǎng)利用垃圾填埋氣體發(fā)電上網(wǎng)銷售；鞍山市羊耳峪垃圾填埋場(chǎng)垃圾填埋氣體凈化后用于汽車燃料，馬鞍山市向山垃圾填埋場(chǎng)的垃圾填埋氣體的利用方式則分為兩部分：一是建立集中的醫(yī)療垃圾焚燒站，利用填埋氣體焚燒醫(yī)療垃圾；二是通過(guò)輸氣管道，向附近的炸藥廠鍋爐提供燃料等等。要高效地收集填埋氣，必須改善其收集方式，變被動(dòng)排放系統(tǒng)為主動(dòng)收集系統(tǒng)。根據(jù)填埋場(chǎng)氣體勘探情況，在垃圾堆體上合理布局，垂直鉆孔打井或鋪設(shè)水平收集管網(wǎng)，通過(guò)管網(wǎng)抽氣輸送到處理和應(yīng)用設(shè)備，進(jìn)行相應(yīng)的利用。同時(shí)，為了最大限度地達(dá)到氣體收集，填埋場(chǎng)還應(yīng)采取防滲、覆蓋、排水等措施，因此必須加強(qiáng)填埋場(chǎng)的氣體收集的規(guī)范管理。