氣動(dòng)泵和壓縮空氣直排法排放滲瀝液的特性比較

朱 燕

（上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

氣動(dòng)泵和壓縮空氣直排法排放滲瀝液的特性比較

朱 燕

（上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

研究了填埋氣體垂直井內(nèi)滲瀝液排放的不同方式，分析各排水方式的運(yùn)行數(shù)據(jù)，比較其排水速度和排水深度、出水狀況及費(fèi)用成本，總結(jié)其各自不同的運(yùn)行特點(diǎn)。

垂直井；滲瀝液；氣動(dòng)泵；壓縮空氣直排法

垃圾降解產(chǎn)生的填埋氣體常采用水平井和垂直井收集［1］，但2種收集方式均受到高滲瀝液水位的影響，尤其對(duì)于垂直井系統(tǒng)。若垂直井內(nèi)滲瀝液一直處于高位，氣井周邊垃圾堆體飽和，填埋氣體無(wú)法有效運(yùn)移、抽排。只有當(dāng)滲瀝液水位下降后，一定體積的垃圾堆體處于非飽和狀態(tài)，填埋氣體有足夠通道運(yùn)移進(jìn)入井內(nèi)，才能被主動(dòng)抽吸進(jìn)入氣體收集系統(tǒng)，供后續(xù)處理使用。筆者結(jié)合多年工作實(shí)踐研究填埋氣體的收集，利用多種方式對(duì)垂直井內(nèi)滲瀝液進(jìn)行導(dǎo)排，分析不同排水方式的運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，總結(jié)其運(yùn)行特點(diǎn)，旨在為國(guó)內(nèi)填埋場(chǎng)選擇垂直井排水方式提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外垂直井排水方式

1.1 氣動(dòng)泵

氣動(dòng)泵以壓縮空氣為動(dòng)力，安全性好，排水效率高，廣泛用于充滿易爆氣體和腐蝕性、結(jié)垢性強(qiáng)的液體中［2］。目前僅美國(guó)就有超過(guò)500家填埋場(chǎng)使用此泵，全世界超過(guò)75個(gè)國(guó)家使用此泵［3］。其工作原理是泵體中間為密閉的泵腔，泵腔上部設(shè)進(jìn)氣口、卸氣口，并由自動(dòng)控制裝置控制，泵腔下部設(shè)止回閥控制進(jìn)水出水。工作時(shí)壓縮空氣進(jìn)氣口打開(kāi)，在空氣作用下泵腔下降，底部止回閥關(guān)閉進(jìn)水口，滲瀝液從排水管壓出。水排盡后自動(dòng)控制裝置關(guān)閉進(jìn)氣口，打開(kāi)卸氣口，在靜水壓力作用下，泵體上升，底部止回閥關(guān)閉排水口，滲瀝液吸入泵體內(nèi)，自動(dòng)控制裝置關(guān)閉卸氣口，打開(kāi)進(jìn)氣口進(jìn)行下輪排水，以此循環(huán)往復(fù)，見(jiàn)圖1。當(dāng)垂直井內(nèi)滲瀝液水位排至泵腔位置，無(wú)法再排出空氣，壓縮空機(jī)停止工作，排水自動(dòng)停止。

1.2 電動(dòng)泵

目前，國(guó)內(nèi)仍有很多填埋場(chǎng)使用電動(dòng)泵抽排垂直井內(nèi)滲瀝液。電動(dòng)泵雖然可有效排出滲瀝液，但由于其使用電源，有可能產(chǎn)生火花，引爆井中填埋氣體，對(duì)填埋場(chǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生重大隱患。CJJ 133—2009生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定，在氣體收集過(guò)程中禁止使用電動(dòng)設(shè)備對(duì)氣井內(nèi)的滲瀝液進(jìn)行導(dǎo)排，但因成本等原因，電動(dòng)泵的使用仍然普遍存在。

1.3 壓縮空氣直排法

隨著對(duì)垂直井滲瀝液抽排安全的不斷重視，國(guó)內(nèi)逐漸開(kāi)始使用一種制作簡(jiǎn)便、運(yùn)行安全的排水方式——壓縮空氣直排法。如圖2所示，外圍大口徑井為垂直井，井中下部充滿滲瀝液，上部為填埋氣體。出水管置于垂直井內(nèi)，下部浸入滲瀝液。出水管底部區(qū)域開(kāi)孔，增大滲瀝液的進(jìn)水面積，開(kāi)孔區(qū)域與滲瀝液液面之間保證一定的距離，即為浸沒(méi)高度。壓縮空氣管自出水管底部開(kāi)孔伸入。運(yùn)行時(shí)，高壓空氣充入出水管，與管內(nèi)滲瀝液混合，形成氣水混合物，并在后續(xù)高壓空氣的作用下，沿井管向上運(yùn)移排出。當(dāng)浸沒(méi)高度充分時(shí)，壓縮空氣所形成的氣水混合物均可沿井管排出，不會(huì)有空氣溢入填埋氣體區(qū)，可有效實(shí)現(xiàn)滲瀝液導(dǎo)排，并確保填埋氣體、壓縮空氣分離。

2 各排水方式的數(shù)據(jù)分析和比較

因電動(dòng)泵在填埋氣體收集系統(tǒng)中禁止使用，本文不對(duì)此法進(jìn)行比較。筆者所在的現(xiàn)場(chǎng)分別采用氣動(dòng)泵和壓縮空氣直排法排放垂直井內(nèi)滲瀝液，垂直井取樣分布示意見(jiàn)表1和圖3。經(jīng)0．5 a的記錄和分析，比較了2種排水方式的排水速度和排水深度、出水狀態(tài)和運(yùn)行費(fèi)用。

表1 垂直井滲瀝液取樣位置

圖3 不同垂直井滲瀝液取樣位置示意

2.1 排水速度和排水深度

選取位于1B1區(qū)的垂直井J3，分別在7、5、3 kg/cm2的壓力下采用氣動(dòng)泵對(duì)垂直井內(nèi)滲瀝液進(jìn)行導(dǎo)排，觀察滲瀝液液位在15、10、6 m處的排水速度，結(jié)果見(jiàn)圖4。

同樣采用J3垂直井，觀察不同空氣壓力下壓縮空氣直排法的排水速度，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 壓縮空氣直排法對(duì)滲瀝液的排放速度

觀察發(fā)現(xiàn)，2種排水方式的排水速度與壓縮空氣的壓力有關(guān)。對(duì)于氣動(dòng)泵，空氣壓力越大，排出水量越多，隨著滲瀝液水位的下降，氣動(dòng)泵導(dǎo)排滲瀝液的流量有增大的趨勢(shì)。對(duì)于壓縮空氣直排法，排水速度與排水壓力并非成正比，有其最佳的排水壓力。由圖5發(fā)現(xiàn)，本次試驗(yàn)的最佳排水壓力是0．8 kg/cm2。當(dāng)空氣壓力過(guò)大時(shí)，壓縮空氣容易從排水管道底部反沖，不僅排不出滲瀝液，同時(shí)易污染垂直井內(nèi)填埋氣體；當(dāng)空氣壓力過(guò)小時(shí)，沒(méi)有足夠的動(dòng)力把滲瀝液排出井外。隨著垂直井內(nèi)液位的不斷下降，壓縮空氣直排法排放流量越來(lái)越?。粚?duì)于壓縮空氣直排法，當(dāng)滲瀝液出水呈連續(xù)狀態(tài)時(shí)，壓縮空氣的耗氣量和排水量達(dá)到最佳的比值。

對(duì)垂直井C3、J3、O1、P1用壓縮空氣直排法進(jìn)行排水，分別觀察不同時(shí)間的水位，以判斷滲瀝液的回滲速度，結(jié)果見(jiàn)圖6。觀察發(fā)現(xiàn)，不同的垂直井內(nèi)回滲速度不同，即使同一口垂直井，不同的高度滲瀝液的回滲速度也不同。越是水位排得深，回滲速度越快；水位上升后，回滲速度越來(lái)越慢。當(dāng)井內(nèi)滲瀝液的回滲速度小于排水速度時(shí)，滲瀝液液位可不斷降低；當(dāng)滲瀝液的回滲速度大于排水速度時(shí)，井內(nèi)水位下降到一定位置后甚至有上升的現(xiàn)象，最終達(dá)到平衡。當(dāng)井內(nèi)滲瀝液的回滲速度一直小于排水速度時(shí)，氣動(dòng)泵可將水位降至其安裝處，而壓縮空氣直排法需要保證有足夠的浸沒(méi)深度。

圖6 壓縮空氣直排法滲瀝液水位恢復(fù)

2.2 出水狀態(tài)

觀察不同區(qū)域垂直井滲瀝液的出水狀態(tài)，對(duì)滲瀝液水質(zhì)進(jìn)行持續(xù)0．5 a的監(jiān)測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同垂直井內(nèi)水質(zhì)和出水情況

部分垂直井在使用壓縮空氣直排法后的較短時(shí)間內(nèi)就產(chǎn)生了嚴(yán)重的泡沫問(wèn)題，如圖7所示。而使用氣動(dòng)泵的垂直井沒(méi)有顯著的泡沫問(wèn)題。當(dāng)壓縮空氣直接作用到滲瀝液上時(shí)，液體表面張力大，泡沫中的氣體難以穿過(guò)氣/液界面而釋放出來(lái)，造成泡沫在系統(tǒng)中的“高勢(shì)”富集。此類泡沫呈黃褐色、穩(wěn)固、連續(xù)，無(wú)論用高壓水沖洗或是用消泡劑都很難清理，不僅破壞了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的美觀，而且對(duì)于垃圾表面覆蓋膜的填埋場(chǎng)，雨水沖刷泡沫，膜表面的水排入雨水溝，造成地表水污染。而氣動(dòng)泵內(nèi)壓縮空氣不與滲瀝液直接接觸，故采用此法導(dǎo)排垂直井內(nèi)滲瀝液時(shí)，泡沫問(wèn)題可以控制，滿足環(huán)境要求。

數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，滲瀝液內(nèi)COD的含量是影響泡沫產(chǎn)生的主要原因。筆者所在的填埋場(chǎng)內(nèi)滲瀝液降解速度較快，垃圾填埋2～3 a后滲瀝液的COD濃度可以從100 g/L降至10 g/L。當(dāng)COD的濃度較低時(shí)，采用壓縮空氣直排法排水沒(méi)有泡沫問(wèn)題。因此壓縮空氣直排法在新鮮堆體上的垂直井內(nèi)使用時(shí)容易產(chǎn)生泡沫，而在填埋了一段時(shí)間后的堆體上的垂直井內(nèi)使用時(shí)，泡沫問(wèn)題是可以避免的。

2.3 投資運(yùn)行費(fèi)用

無(wú)論對(duì)于氣動(dòng)泵還是對(duì)于壓縮空氣直排法，滲瀝液的水位深度、壓縮空氣壓力均會(huì)對(duì)滲瀝液排出的流量有所影響。當(dāng)滲瀝液水位為15 m，選用1 kW可產(chǎn)生10 m3壓縮空氣的壓縮機(jī)時(shí)，氣動(dòng)泵和壓縮空氣直排法的耗氣量以及耗電量如表3所示。

表3 2種排水方式的耗氣量與耗電量對(duì)比

從表3數(shù)據(jù)可知，氣動(dòng)泵的耗氣量、耗電量均要優(yōu)于壓縮空氣直排法，其用量節(jié)省2倍以上。但在選擇排放方式時(shí)，除了考慮運(yùn)行成本外，還需要考慮設(shè)備成本、維護(hù)成本，應(yīng)根據(jù)綜合成本來(lái)指導(dǎo)填埋場(chǎng)選擇適合的排水方式。氣動(dòng)泵和壓縮空氣直排法的成本如表4所示。

表4 2種排水方式的費(fèi)用對(duì)比

由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有成品的氣動(dòng)泵，設(shè)備通常采用進(jìn)口，價(jià)格昂貴。以QED氣動(dòng)泵為例，設(shè)備成本40 000元/臺(tái)，設(shè)備的保修期為5 a，假設(shè)設(shè)備的重復(fù)率為3。壓縮空氣直排法采用HDPE管道現(xiàn)場(chǎng)制作，價(jià)格便宜，但排水管常因結(jié)垢而需要更新，雖結(jié)垢現(xiàn)象隨著滲瀝液的排放而逐漸減少［4］，但其重復(fù)率較高，假定為5。分析數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氣動(dòng)泵在此購(gòu)買價(jià)格下，氣體收集系統(tǒng)需要使用17 a才能使氣動(dòng)泵的綜合費(fèi)用等同于壓縮空氣直排法的綜合費(fèi)用。當(dāng)年限小于17 a時(shí)，壓縮空氣直排法在綜合費(fèi)用上更加節(jié)省。反之，氣動(dòng)泵在綜合費(fèi)用上占有優(yōu)勢(shì)。

計(jì)算不同的氣動(dòng)泵價(jià)格對(duì)應(yīng)的2種排水運(yùn)行方式費(fèi)用相同的年限，發(fā)現(xiàn)兩者呈線性關(guān)系。若氣動(dòng)泵的價(jià)格下降，2種運(yùn)行方式費(fèi)用相同的年限也下降，如圖8所示。若氣動(dòng)泵價(jià)格在20 000元以內(nèi)時(shí)，填埋場(chǎng)氣體收集系統(tǒng)的使用時(shí)間大于8 a，使用氣動(dòng)泵的綜合費(fèi)用要少于壓縮空氣直排法。故氣動(dòng)泵價(jià)格的降低勢(shì)必使氣動(dòng)泵在排水上比壓縮空氣直排法更有優(yōu)勢(shì)。此外，降低氣動(dòng)泵的重復(fù)率也是減少氣動(dòng)泵綜合成本的一個(gè)因素。運(yùn)行中為避免設(shè)備停止后滲瀝液結(jié)垢而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，氣動(dòng)泵最好處于運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 氣動(dòng)泵價(jià)格與2種排水方式費(fèi)用相同的年限關(guān)系

對(duì)于壓縮空氣直排法，減少運(yùn)行費(fèi)用是降低其綜合費(fèi)用的關(guān)鍵。觀察發(fā)現(xiàn)，使用壓縮空氣直排法排水可以使?jié)B瀝液水位降至一定程度，之后即便壓縮空氣一直工作，水位也不能有效地下降（見(jiàn)圖6），這對(duì)于壓縮空氣而言是浪費(fèi)。垂直井內(nèi)滲瀝液的回滲速度比較緩慢，恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，故采用階段式的方法排水，在節(jié)省壓縮空氣使用量的同時(shí)完成滲瀝液的排放，且不影響氣體的收集。筆者所在的現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)垂直井內(nèi)水位的監(jiān)測(cè)情況，采取3+2+2的運(yùn)行方式，即排水3 h，關(guān)閉2 h，再排水2 h的方式，完全滿足垂直井的排水需求和氣體需求。這個(gè)階段式的排水需要根據(jù)井內(nèi)的實(shí)際降水水位和恢復(fù)情況來(lái)確定。

3 排水方式的特點(diǎn)

通過(guò)上述對(duì)2種排水方式的運(yùn)行觀察和數(shù)據(jù)分析，各自的運(yùn)行特點(diǎn)如表5所示。

表5 2種排水方式的運(yùn)行特點(diǎn)

4 結(jié)論與建議

1）選擇垂直井滲瀝液排水方式時(shí)應(yīng)從排水速度和排水深度、出水狀況及費(fèi)用成本等多方面綜合考慮。

2）選用氣動(dòng)泵排水時(shí)，降低氣動(dòng)泵的設(shè)備價(jià)格是減少其費(fèi)用成本的關(guān)鍵。氣動(dòng)泵的國(guó)產(chǎn)化是未來(lái)氣體收集系統(tǒng)的要求。

3）選擇壓縮空氣直排法，可根據(jù)垂直井內(nèi)滲瀝液情況，采用階段式排水的方法，在節(jié)省壓縮空氣使用量的同時(shí)完成滲瀝液的排放，且不影響氣體的收集。

4）若垂直井位于新鮮垃圾堆體上，井內(nèi)滲瀝液水位較高，氣體利用系統(tǒng)對(duì)氣體的收集量有明確要求；同時(shí)氣體收集系統(tǒng)使用年限較長(zhǎng)，氣動(dòng)泵要優(yōu)于壓縮空氣直排法。

5）若垂直井位于已經(jīng)填埋了一段時(shí)間的堆體上，井內(nèi)滲瀝液水位較低，氣體利用系統(tǒng)對(duì)氣體收集量沒(méi)有嚴(yán)格的要求；同時(shí)氣體收集使用年限較短，采用壓縮空氣直排法較氣動(dòng)泵更能滿足抽氣排水的要求。

［1］趙由才，朱青山．城市生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)技術(shù)與管理手冊(cè)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999．

［2］ Christopher E．Combined Landfill Gas and Leachate Extraction Systems［R］．UKPS Ltd，The Barclay Centre Ltd，University of Warwick Science Park，1994．

［3］ QED Manufacturer of AutoPump Landfill Pumps．Landfill Gas Well Pump Evaluation Guild［R/OL］．http://www．qedenv．com．

［4］薛丹丹，劉丹，李軍，等．垃圾滲濾液輸送管道結(jié)垢原因分析［J］．四川環(huán)境，2008（6）：9-12．

Characteristic Comparison of Pneumatic Pump and Compressed Air Direct Drainage Method for Leachate Extraction

Zhu Yan
（Shanghai Laogang MSW Treatment Co．,Ltd,Shanghai201302）

Several different ways to discharge waste leachate from the vertical wells of landfill gas were researched,and the operation data of the different drainage methods was analyzed．Discharge speed,drainage depth,flow condition and the cost were compared．The different operation characteristics were summarized．

vertical well；leachate；pneumatic pump；compressed air direct drainage method

X703．1

A

1005-8206（2012）02-0057-04

2012-02-10

朱燕（1980—），碩士，工程師，研究方向?yàn)楣腆w廢物的處理及填埋氣體收集處理。

E-mail：echojuly@hotmail．com。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）