某填埋場填埋氣收集率評(píng)估及高效收集建議

史 煒

（西安市固體廢棄物管理處，陜西 西安 710000）

目前城市生活垃圾主要的處理方式有堆肥、資源回收、焚燒和衛(wèi)生填埋［1］。其中衛(wèi)生填埋是公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)有效的處理方式，也是英美等發(fā)達(dá)國家城市生活垃圾處理的主要方式。垃圾填埋后在厭氧性細(xì)菌的作用下會(huì)產(chǎn)生填埋氣，其主要成分為甲烷和二氧化碳，兩者分別占到填埋氣體積的50%～65%和30%～40%，兩者都是溫室氣體［2］。其中甲烷是一種高熱值的經(jīng)濟(jì)氣體，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂评?，可以變廢為寶，為社會(huì)產(chǎn)生效益。我國可用于填埋氣發(fā)電的甲烷潛在產(chǎn)量為4.186×109m3，可發(fā)電1.28×1010kWh［3］。國內(nèi)填埋場填埋氣收集率普遍不明確，填埋氣資源化利用程度也相對(duì)較低。評(píng)估填埋氣收集率，確定可利用的填埋氣量，并在此基礎(chǔ)上提高填埋氣收集效果，最重要的是確定填埋場的填埋氣總產(chǎn)量。目前國內(nèi)填埋氣總產(chǎn)量是根據(jù)國外模型計(jì)算的，但由于國內(nèi)垃圾組分與國外差異較大［4］，參數(shù)取值存在一定誤差［5］。通過現(xiàn)場抽氣試驗(yàn)，可獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)和填埋氣總產(chǎn)量。

筆者對(duì)某填埋場填埋氣收集現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，并在該場地進(jìn)行抽氣實(shí)驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)填埋氣總產(chǎn)量進(jìn)行了估算，評(píng)價(jià)了現(xiàn)場實(shí)際填埋氣收集率，提出了提高填埋氣收集率的技術(shù)措施，為填埋場填埋氣收集和配套發(fā)電的設(shè)施建設(shè)提供參考。

1 填埋氣收集現(xiàn)狀調(diào)查

該填埋場是西北地區(qū)某市的生活垃圾衛(wèi)生填埋場，占地約7.333×105m2，總?cè)莘e3.500×107m3，生活垃圾日處理量約6 000 t，屬于國內(nèi)填埋規(guī)模最大的生活垃圾填埋場之一。填埋場上下游長度超過1 000 m，寬度300～500 m；經(jīng)長期填埋，下游堆體現(xiàn)有坡高80～90 m，整體坡度1∶4左右；后續(xù)計(jì)劃填埋堆體最終高度超過120 m。

該填埋場是典型溝谷型填埋場，分層填埋作業(yè)，每填高10 m垃圾覆蓋1層20～30 cm的黃土中間覆蓋層。填埋氣收集設(shè)施隨填埋作業(yè)在最上層垃圾表層設(shè)置，主要包括水平井和豎井。水平井用于收集最上層填埋垃圾產(chǎn)氣，豎井可以收集到最上面1～2層填埋垃圾中的氣體。水平井直接在上層垃圾頂部挖溝建設(shè)，深度1 m，間距15 m左右，長度約50 m；豎井深度20 m，間距30 m，并設(shè)置壓縮空氣排水設(shè)施。水平井與豎井共用抽氣井頭，井頭結(jié)構(gòu)見圖1。抽氣井中的氣體經(jīng)集氣支管、集氣主管連接至填埋氣發(fā)電廠。

圖1 抽氣井及井頭示意

2014年4月，對(duì)現(xiàn)場抽氣設(shè)施運(yùn)行情況進(jìn)行摸底調(diào)查，重點(diǎn)關(guān)心現(xiàn)場抽氣區(qū)域的水平井和抽氣豎井是否正常工作。本次調(diào)查分為3個(gè)區(qū)域，分別是已填埋區(qū)、擬填埋區(qū)、T區(qū)和M區(qū)，如圖2所示。受填埋作業(yè)影響，很大一部分區(qū)域集氣設(shè)施遭到破壞，無法工作，未進(jìn)行填埋氣收集。進(jìn)行填埋氣收集的區(qū)域占全場面積的1/3。在填埋氣收集區(qū)域內(nèi)水平井和豎井，正常工作水平井約占總水平井?dāng)?shù)的2/3；正常工作豎井僅占總豎井?dāng)?shù)的1/5。相當(dāng)一部分井頭監(jiān)測口處于打開狀態(tài)，當(dāng)水平井產(chǎn)氣量很大時(shí)，大量填埋氣從監(jiān)測口中外溢；當(dāng)產(chǎn)氣量小時(shí)，有空氣從監(jiān)測口中進(jìn)入了抽氣管網(wǎng)系統(tǒng)。

進(jìn)一步對(duì)T區(qū)所有井進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，測試了各井氣體組分、排水情況、井內(nèi)水位情況、產(chǎn)氣量以及是否與抽氣管網(wǎng)連接等情況。發(fā)現(xiàn)水平井氣體甲烷濃度普遍超過50%，產(chǎn)氣量大，T區(qū)處于產(chǎn)氣高峰；部分水平井被滲瀝液浸沒，無法產(chǎn)氣?？赡苡捎诙洋w內(nèi)水位高、豎井排水情況不佳等因素影響，豎井的工作效率不高。

圖2 抽氣調(diào)查分區(qū)

2 抽氣試驗(yàn)

為了掌握填埋場產(chǎn)氣現(xiàn)狀和產(chǎn)氣潛力，評(píng)估現(xiàn)狀填埋氣收集率；獲得與抽氣工程相關(guān)的基礎(chǔ)信息和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，包括垃圾堆體滲瀝液水位及分布規(guī)律、淺層垃圾氣壓、填埋氣成分，以及不降水和降水條件下抽氣豎井單位時(shí)間填埋氣收集量、抽氣井影響半徑等，在現(xiàn)場開展抽氣實(shí)驗(yàn)。選取了2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平行試驗(yàn)，分別打設(shè)1號(hào)抽氣井和2號(hào)抽氣井，現(xiàn)場位置如圖3所示。1號(hào)抽氣井靠近填埋作業(yè)區(qū)，在該區(qū)域布置3口氣壓監(jiān)測井和3口水位監(jiān)測井；2號(hào)抽氣井靠近邊坡區(qū)域，在該區(qū)域布置16口氣壓監(jiān)測井和16口水位監(jiān)測井，如圖4所示。

圖3 抽氣井平面布置示意

圖4 試驗(yàn)井、水位監(jiān)測井、氣壓監(jiān)測井布置

抽氣試驗(yàn)主要內(nèi)容：不同降水條件下1號(hào)和2號(hào)單井抽氣試驗(yàn)，控制抽排豎井水位降深分別為10、15、20、25 m。每級(jí)水位降深分別控制4級(jí)抽氣負(fù)壓：0（即靜態(tài)試驗(yàn)，抽風(fēng)機(jī)不工作）、-1、-3、-5 kPa；每級(jí)抽氣負(fù)壓條件下連續(xù)抽氣，直至抽氣量和監(jiān)測井氣壓穩(wěn)定，抽氣實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1～2。

表1 1號(hào)井抽氣試驗(yàn)結(jié)果

表2 2號(hào)井抽氣試驗(yàn)結(jié)果

受制于試驗(yàn)區(qū)域的覆蓋條件，當(dāng)抽氣負(fù)壓較大時(shí)，部分工況的抽氣試驗(yàn)可能有空氣混入。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理計(jì)算時(shí)，需要扣除混入的空氣量，獲得校正穩(wěn)定抽氣量。填埋氣校正穩(wěn)定收集量按公式（1）計(jì)算。

式中：P校正為校正后的穩(wěn)定收集量（m3/h）；P為試驗(yàn)直接測得的穩(wěn)定收集量（m3/h）；21%為空氣中的氧含量（體積%）；VO2為填埋氣中測得的氧含量（體積%）。后文填埋氣收集量均按公式（1） 進(jìn)行校正，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 抽氣井抽氣流量

使用Scholl Canyon模型對(duì)本場填埋氣產(chǎn)氣規(guī)律進(jìn)行預(yù)測。Scholl Canyon模型計(jì)算公式為：

式中：Qt為第t年的小時(shí)總產(chǎn)氣量，m3/h，計(jì)算結(jié)果為甲烷含量約50%的填埋氣；k為氣體產(chǎn)率變化系數(shù)，a-1；L0為甲烷理論總產(chǎn)量，m3/t；Mi為年垃圾填埋量，t；ti為垃圾填埋年限，a；ta為最長產(chǎn)氣年限，a。計(jì)算得到填埋氣產(chǎn)量，確定L0和k。L0根據(jù)垃圾組分，按IPCC模型預(yù)測；根據(jù)預(yù)測得到的L0和抽氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，反演得到k。根據(jù)抽氣試驗(yàn)結(jié)果，該填埋場L0=163.2 m3/t，k=0.346，利用公式（2），對(duì)全場填埋氣產(chǎn)量預(yù)測，結(jié)果見圖5。據(jù)預(yù)測，2014年全場填埋氣總產(chǎn)量為42 416 m3/h，現(xiàn)場實(shí)際填埋氣收集量約4 000 m3/h，填埋氣收集率約為9.4%。全場有效收集面積約為145 000 m2，約占全場面積的30%，有效收集面積內(nèi)的總產(chǎn)氣量為14 138 m3/h，填埋氣收集率為28.3%。

圖5 全場填埋氣產(chǎn)量預(yù)測

3 填埋氣高效收集建議

3.1 分區(qū)填埋作業(yè)，提高填埋氣收集覆蓋范圍

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受水平推填作業(yè)方式的影響，填埋作業(yè)面大，無法布設(shè)收集設(shè)施；且填埋氣收集設(shè)施使用壽命短，需要不斷重復(fù)建設(shè)，投入較大、效率較低。建議采取分區(qū)填埋作業(yè)方式，減少作業(yè)面積，提高填埋氣收集覆蓋范圍。

3.2 采取立體導(dǎo)排措施，控制堆體水位

馬小飛在上海黎明填埋場抽氣實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)抽氣井周圍的水位下降后，該區(qū)域的填埋氣的收集量迅速提高，約為降水前的2倍。Tony Liang Tong Zhan等在現(xiàn)場開展了不同降水深度的抽氣實(shí)驗(yàn)，降水后收集率明顯增大，抽氣影響半徑增大。陳云敏等［6］為了控制深圳下坪填埋場堆體穩(wěn)定，在現(xiàn)場布設(shè)立體導(dǎo)排設(shè)施導(dǎo)排滲瀝液，邊坡部分的滲瀝液水位從原來的地面以下2 m降低至堆體表面以下5～10 m，堆體后部水位降至表面以下10～15 m，降水后填埋氣收集率也從原來的10%升高到70%。可見，構(gòu)建立體導(dǎo)排體系，降低滲瀝液水位，可以有效提高填埋氣收集率。

3.3 加強(qiáng)覆蓋，提高抽氣負(fù)壓

Z.Z.Chen等［7］在現(xiàn)場分別開展了表面未密封和良好密封HDPE膜條件下的抽氣實(shí)驗(yàn)，判定表面密封對(duì)填埋氣的收集率的影響。結(jié)果表明，HDPE膜未很好密封時(shí)，氣體收集時(shí)會(huì)有空氣從周邊流進(jìn)收集系統(tǒng)，填埋氣的氧氣含量較高。重新鋪設(shè)新的HDPE膜并且密封良好后，填埋氣的收集率增加25%。文章指出黃土作為覆蓋層造價(jià)越來越高，而且黃土覆蓋層容易在干濕循環(huán)條件下出現(xiàn)龜裂，堆體內(nèi)部氣壓順著這些裂縫形成優(yōu)勢(shì)流，造成大量的填埋氣泄漏。同時(shí)提高抽氣負(fù)壓可以明顯增大填埋氣的收集量，對(duì)比現(xiàn)場抽氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)收集負(fù)壓在-5 kPa的收集量約為-1 kPa時(shí)的2～3倍，收集率提升效果明顯。建議在現(xiàn)場采用HDPE膜良好密封，同時(shí)加大填埋氣抽氣負(fù)壓，尤其是產(chǎn)氣高峰區(qū)域的填埋氣收集負(fù)壓。

3.4 打設(shè)深層液氣聯(lián)合抽排豎井，有效收集深層填埋氣

根據(jù)現(xiàn)場抽氣實(shí)驗(yàn)可知，實(shí)驗(yàn)用液氣聯(lián)合抽排深井的抽氣能力約為現(xiàn)場抽氣豎井的3倍，當(dāng)抽排深井在-5 kPa的抽氣負(fù)壓作用下，每小時(shí)可以抽氣100 m3，現(xiàn)場抽氣豎井的產(chǎn)氣量約為30 m3/h。而且現(xiàn)場抽氣豎井的深度約為20 m，無法有效收集深層填埋氣。深層填埋氣在堆體內(nèi)部積聚，甚至可能對(duì)填埋場的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，應(yīng)設(shè)置深層液氣聯(lián)合抽排豎井，井深達(dá)到30～40 m，并采取有效的降水措施，高效收集各層填埋氣。

4 結(jié)論

1）現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受填埋作業(yè)影響，填埋氣收集區(qū)域僅占全場面積的1/3，且收集區(qū)域內(nèi)收集設(shè)施運(yùn)行不佳，正常工作水平井約占總水平井?dāng)?shù)的2/3；正常工作豎井僅占總豎井?dāng)?shù)的1/5。

2）2014年4月抽氣試驗(yàn)表明，全場填埋氣產(chǎn)量為42 416 m3/h，現(xiàn)場實(shí)際填埋氣收集量約4 000 m3/h，填埋氣收集率約為9.4%?？紤]到有效收集面積因素，填埋氣的收集率約為28.3%。

3）建議采取分區(qū)填埋作業(yè)，立體導(dǎo)排控制堆體水位，加強(qiáng)覆蓋、提高抽氣負(fù)壓，打設(shè)深層液氣聯(lián)合抽排豎井等措施，有效提高填埋氣的收集率。

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