高滲濾液水位填埋場的填埋氣高效收集探究

高 武,詹良通*,蘭吉武,陳云敏,張海華,鄭學娟

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高滲濾液水位填埋場的填埋氣高效收集探究

高 武1,詹良通1*,蘭吉武1,陳云敏1,張海華2,鄭學娟2

(1.浙江大學巖土工程研究所,軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室,浙江杭州 310058；2.杭州市環(huán)境集團有限公司,浙江杭州 310022)

在我國南方濕潤氣候區(qū)某高滲濾液水位填埋場開展現(xiàn)場抽氣試驗,測試了不同的水位埋深、試驗井數(shù)量和井頭負壓條件抽氣量,評估了該填埋場的填埋氣資源化利用情況.固廢堆體中的初始滲瀝液水位平均埋深約3m,該水位下的填埋氣收集率不足30%;不同井頭負壓和水位條件下豎井的抽氣影響范圍為8.85~30.53m;該填埋場固廢的平均產(chǎn)氣潛力為143.69L/kg,平均產(chǎn)氣速率為0.173a-1.此外通過調(diào)查現(xiàn)場豎井的滲濾液導排情況,揭示了用于降水的空氣壓縮機和豎井周邊固廢的滲透系數(shù)是影響豎井滲濾液導排效果的主要因素.結合抽氣試驗和現(xiàn)場調(diào)查,提出了提高填埋氣收集量的工程措施,通過增設66口抽水豎井降低堆體中滲濾液水位,該填埋場的填埋氣收集量由2240m3/h提高至5900m3/h.

固體廢棄物；填埋場；滲濾液水位；抽氣試驗；產(chǎn)氣潛力；降水

隨著城市人口的增長和居民消費水平的提高,我國已成為世界上最大的城市固體廢棄物(MSW)產(chǎn)生國[1],年產(chǎn)量已超過2.40×108t,并以7~10%的年增長率增長[2-3].我國的固廢處置以填埋(包括衛(wèi)生填埋和簡易填埋)為主,比例超過80%,因填埋的成本低且不用分選,未來較長時間仍將占據(jù)主導地位.固廢中的有機組分在填埋過程中經(jīng)過好氧和厭氧發(fā)酵產(chǎn)生填埋氣(LFG),其主要成分為甲烷和二氧化碳(含量超過90%),無序排放的填埋氣對全球變暖具有不可低估的影響.此外填埋氣中含有多種微量氣體如苯、甲苯

我國填埋場的填埋氣產(chǎn)量巨大,若以固廢年產(chǎn)量為2.40×108t,每噸產(chǎn)生140m3填埋氣[5],且填埋比例為80%計算,填埋氣總量高達2.69×1010m3.相比美國超過600余座填埋場進行填埋氣資源化利用的現(xiàn)狀[6],至2008年我國僅有33個填埋氣回收項目,且收集率僅為25%~40%,遠低于歐美發(fā)達國家60%~80%的填埋氣收集率[7-8].

現(xiàn)場抽氣試驗常用于評估填埋場產(chǎn)氣能力和填埋氣收集效果[9-16],然而相比西方國家“干墓式”填埋場,我國填埋場常存在較高的滲濾液水位,對實際的集氣效果產(chǎn)生影響.在馬鞍山市向山垃圾填埋場現(xiàn)場試驗過程中,侯貴光等[9]發(fā)現(xiàn)填埋場內(nèi)部積水對填埋氣產(chǎn)量存在負面影響,不利于固廢的降解和產(chǎn)氣.黃曉文等[10]在廣州大田山垃圾填埋場抽氣試驗中亦發(fā)現(xiàn)固廢堆體內(nèi)部的高水位會影響填埋氣的流動,阻塞抽氣井,形成填埋氣收集管網(wǎng)的湍動現(xiàn)象,影響填埋氣的回收量,也造成氣液難分離的問題.

固廢的氣體滲透系數(shù)是設計填埋氣收集系統(tǒng)和好氧填埋場中注氣系統(tǒng)的重要參數(shù)[17].鉆取蘇州七子山填埋場的固廢試樣,魏海云[18]利用自制的氣體滲透儀測得不同孔隙率的固廢試樣氣體滲透系數(shù)隨飽和度變化曲線,試驗數(shù)據(jù)表明固廢的氣體滲透系數(shù)會隨飽和度的增大顯著減小.Jain等[19]和Wu等[20]分別在美國加州New River Regional填埋場和北京某填埋場進行了類似的短時注氣試驗,并測得堆體不同深度的氣體滲透系數(shù).因北京的填埋場固廢的飽和度更大,其氣體滲透系數(shù)比美國New River Regional填埋場相近深度固廢的氣體滲透系數(shù)低一個量級[20].

影響填埋氣收集率的因素包括固廢的氣體滲透和壓實情況,覆蓋層類型和覆蓋情況,堆體中水位存在形式,以及填埋氣收集系統(tǒng)服役性能等.Chen等[21]提出了圍繞被動排氣井的二維軸對稱氣體遷移模型,利用該模型分析了美國Fresh Kills填埋場被動集氣井的集氣效果,結果表明被動集氣井的集氣能力隨徑向距離的增大大幅減弱,被動集氣井的影響半徑不足20m.馬小飛[13]和Zhan等[22]利用類似的數(shù)值模型分析了覆蓋層厚度,堆體厚度及相對滲濾液水位(滲濾液主水位厚度與堆體厚度比值)對集氣豎井收集量的影響,表明填埋場堆體中存在的高滲濾液水位會限制集氣豎井的影響半徑,大幅降低填埋氣收集率[13,23].

本文在我國南方濕潤氣候區(qū)某高滲濾液水位填埋場開展現(xiàn)場抽氣試驗,規(guī)范了抽氣試驗工法,評估了該填埋場的填埋氣資源化利用情況,測得包括滲瀝液水位、淺層氣壓、填埋氣成分和填埋氣收集量等指標,分析了豎井的抽氣影響范圍,反演了該填埋場固廢的填埋氣收集和產(chǎn)量的關鍵參數(shù)及填埋氣收集率;通過調(diào)查現(xiàn)場豎井的滲濾液導排情況,分析了影響豎井滲濾液導排效果的主要因素;最后提出了提高填埋氣收集率和收集量的工程措施,可為高滲濾液水位填埋場的填埋氣資源化利用提供參考.

1 材料與方法

1.1 場地條件

該填埋場是當?shù)氐闹饕虖U處理設施,現(xiàn)已進入第二填埋期(以下簡稱二埋場,見圖1),總庫容為2202萬m3.二埋場分期建設,其一期工程于2007年5月22日投入正式運行,截止2014年4月底,二埋場累計填埋量約843.93萬t.堆體采用HDPE膜臨時覆蓋,堆體平均厚度約35m,初探滲濾液水位平均埋深約3m.2013年7月31日~8月31日在庫區(qū)堆體上打設11口兼具收集填埋氣和導排滲濾液功能的豎井(W1~W11),成井直徑800mm,平均井長約19m,平均井間距約27m, 200mm直徑的HDPE管內(nèi)置壓縮空氣管和滲濾液導排管.壓縮空氣由位于垃圾壩附近的空氣壓縮機(以下簡稱空壓機)提供,經(jīng)過壓縮空氣管進入滲濾液導排管中形成液氣射流排出,以實現(xiàn)滲濾液的導排.

1.2 試驗方案

1.2.1 井位布置 根據(jù)庫區(qū)現(xiàn)狀,周邊環(huán)境和豎井的集氣情況,選擇平整堆體上的W5、W6和W7作為抽氣試驗的試驗井.W5、W6和W7的井長分別為17,20,13m,其中W5和W6位于試驗平臺北側,W7距試驗平臺邊緣40m可避免從邊坡吸入空氣,且試驗區(qū)遠離進場道路可避免填埋作業(yè)影響.在3口試驗井形成的三角區(qū)域內(nèi)布置了4口水位監(jiān)測井(S1~S4)和4口氣壓監(jiān)測井(Y1~Y4),如圖2所示.水位監(jiān)測井和氣壓監(jiān)測井的井長分別為15和6m,且在堆體表面2.5m以下沿管身鉆孔并包裹無紡土工布,保證水位和氣壓監(jiān)測的準確性.2013年11月~12月進行了初始水位條件下的抽氣試驗,2014年3月~4月進行了群井降水后穩(wěn)定水位條件下的抽氣試驗.

1.2.2 抽氣試驗 如表1所示,根據(jù)水位情況,試驗井數(shù)量和井頭負壓大小共進行了10種工況下的正式抽氣試驗.正式試驗前以可調(diào)頻的抽風機最大功率預抽氣,排盡堆體中積累的填埋氣,待抽氣泵出口處CH4體積濃度長時間(不低于4h)保持穩(wěn)定,產(chǎn)氣和抽氣達到動態(tài)平衡后進行正式試驗.

表1 正式抽氣試驗工況

注 :*-庫區(qū)11口豎井同時降水達到穩(wěn)定水位,降水過程持續(xù)2個月.

監(jiān)測項目和測量儀器如表2所示,各項目的監(jiān)測頻率為1次/h.當連續(xù)3h內(nèi)監(jiān)測井氣壓變化值小于0.2kPa,CH4體積濃度變化值小于1%,抽氣流量變化值小于2m3/h時,認為達到穩(wěn)定狀態(tài)可停止試驗.

表2 監(jiān)測項目和測量儀器

1.2.3 豎井滲濾液導排情況調(diào)查 在為期2個月的群井降水過程中,滲濾液出流總量不大(2.527m3/h),為此進行了豎井滲濾液導排情況的調(diào)查.如圖1所示,11口豎井導排的滲濾液通過堆體表面的滲濾液管道流入1#滲濾液采集井.通過閉合壓縮管端頭進氣閥門控制壓縮空氣的流入,測量了W1~W11各井的滲濾液出流量和空壓機施加在豎井上的壓縮空氣壓力.根據(jù)滲濾液出流量,拆解W7觀察井內(nèi)情況,并通過48h的水位恢復試驗測得了W7井周的滲透系數(shù).

2 結果與討論

2.1 抽氣試驗

2.1.1 滲濾液水位埋深 初始水位埋深和群井降水后穩(wěn)定水位埋深如圖3所示.堆體的初始滲濾液水位較高,其中W5井內(nèi)水位和S1~S3水位埋深2.60~2.85m,S4水位埋深3.40m,W6和W7井內(nèi)水位埋深4.80~5.20m.經(jīng)過長達2個月的群井降水,試驗區(qū)水位達到穩(wěn)定但整體并未顯著下降,W5井內(nèi)水位下降2.4m,S1和S2水位下降2.40m,S3水位僅下降0.43m,且W6和W7井內(nèi)水位分別下降1.74和0.42m.值得注意的是S4的水位埋深在群井降水后不降反升.

2.1.2 氣體組分及抽氣量 伴隨抽氣的進行,空氣混入,扣除混入的空氣量獲得校正后的填埋氣收集量,下同.初始水位條件下的填埋氣組分和收集量如表3所示.單井抽氣和群井抽氣時,CH4體積濃度均超過58%;填埋氣收集量隨著井頭負壓的增大而增大;群井在-1kPa下的平均收集量為55.87m3/h,與W5在-10.5kPa下的收集量接近.

群井降水后穩(wěn)定水位條件下的填埋氣組分和收集量如表4所示.相比初始水位的情況(見表3),單井抽氣時W5能夠達到的最大井頭負壓絕對值(1.7kPa)減小,CH4體積濃度降低,但填埋氣收集量明顯提高,表明降低水位有助于填埋氣的收集.因W6和W7井周范圍的滲濾液水位并沒有下降,反而有所上升(見圖3中S4水位),群井抽氣時W6和W7的收集量相比初始水位時下降,但仍超過50.00m3/h;降水后群井在-1kPa下的平均收集量為55.27m3/h,與初始水位時群井收集量相近.

表3 初始水位條件下填埋氣組分和收集量

注 : *-靜態(tài)指不施加井頭負壓.

表4 群井降水后穩(wěn)定水位條件下填埋氣組分和收集量

注 : *-W5實際的井頭負壓為-0.7kPa.

2.1.3 抽氣影響半徑 氣壓監(jiān)測井的穩(wěn)定氣壓和初始氣壓的差值?(kPa)與氣壓監(jiān)測井和試驗井的距離(m)存在以下關系[9,11,22]:

?=ln+(1)

式中:和為擬合參數(shù).一般將?=-0.25kPa對應的作為抽氣井影響半徑R,擬合W5的試驗數(shù)據(jù)獲得不同工況下W5的R如表5所示.滿足O2體積濃度不超標時,相同水位下井頭負壓絕對值越大,R越大.初始水位且井頭負壓為-2kPa時,R=13.39m;群井降水后穩(wěn)定水位且井頭負壓為-1.7kPa時,R=30.53m,表明降低滲濾液水位可有效增大豎井的抽氣影響半徑.

表5 不同工況下W5的抽氣影響半徑

2.2 豎井滲濾液導排情況調(diào)查

2.2.1 滲濾液出流量 當空壓機對11口豎井同時提供壓縮空氣時,滲濾液總出流量為2.527m3/h.當空壓機對各豎井單獨提供壓縮空氣時,如表6所示,各豎井的滲濾液出流量存在顯著差異,位于試驗區(qū)平臺西北側的豎井(包括W1~W4及W10)滲濾液導排效果較佳.在群井降水時,滲濾液傾向試驗區(qū)西北方向流動,將形成試驗區(qū)西北側水位低東側水位高的降水漏斗(圖3).位于試驗區(qū)東側W6和W7之間的S4處的滲濾液水位埋深在水力梯度作用下被抬高,因而其群井降水后的穩(wěn)定水位埋深低于初始水位埋深.

表6 各豎井的滲濾液出流量

當空壓機僅對W5、W6和W7提供壓縮空氣,3口豎井的總出流量為2.911m3/h;關閉滲濾液導排效果不佳的W8和W9的壓縮空氣進氣閥門,剩余9口豎井的總出流量為2.232m3/h.

2.2.2 壓縮空氣管端頭壓力 在11口豎井壓縮空氣進氣閥門全開的情況下,測量W6~W9上的壓縮空氣壓力.如表7所示,各豎井的壓力相近,范圍為60~65kPa,豎井距空壓機的距離對壓力分布的影響可以忽略.

表7 豎井上壓縮空氣管端頭壓力

2.2.3 豎井井周滲透系數(shù) 將W7中壓縮空氣管和滲濾液導排管拔出以排除對水位測量的影響,對W7進行了48h的水位恢復試驗.利用Theis-Jacob直線圖解法,求得W7井周滲透系數(shù)即豎井和固廢的綜合滲透系數(shù)3.89×10-7m/s.

2.3 填埋氣產(chǎn)量關鍵參數(shù)

2.3.1 固廢組分、填埋歷史和齡期 表8為2009~2011年該填埋場新鮮固廢中可降解組分含量,以廚余為主(含量超過50%),各組分含量與文獻[23]統(tǒng)計的我國典型固廢的組分相近,該填埋場固廢可代表我國固廢.

表8 新鮮固廢中可降解組分(濕基,%)

表9 固廢填埋歷史和齡期

根據(jù)填埋場運營管理部門提供的信息, 15.5m抽氣深度(平均井長扣除掉堆體以上1.5m部分)范圍內(nèi)的固廢填埋歷史和齡期如表9所示.

2.3.2 固廢產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣速率常數(shù) 單位重量固廢的理論最大產(chǎn)氣量即產(chǎn)氣潛力0(L/kg)和產(chǎn)氣速率常數(shù)(a-1)是填埋氣收集和產(chǎn)量的關鍵參數(shù).填埋氣來自于固廢中可降解組分的降解,0按式(2)計算[13]:

式中:1867為單位質(zhì)量有機碳與標準狀態(tài)下的填埋氣體積間的換算系數(shù),L/kg;W為第種可降解組分的濕基含量,%,見表8;DOC為第種可降解組分中可降解有機碳的干基含量,%,取值參考文獻[24];d為第種可降解組分的濕基含水率,%,取值參考文獻[25].計算獲得該填埋場固廢的0平均值為143.69L/kg,處于我國固廢產(chǎn)氣潛力范圍(90~280L/kg)的平均水平[13].

抽氣達到穩(wěn)定狀態(tài)時,影響半徑范圍R內(nèi)固廢的填埋氣產(chǎn)量(∑q,m3/h)等于收集量(c,m3/h),按式(3)計算:

式中:為固廢的初始密度,根據(jù)該填埋場的實際情況取0.8t/m3.

表10 固廢的產(chǎn)氣速率常數(shù)

代表了全場固廢的產(chǎn)氣速率,根據(jù)群井抽氣的收集量及對應的影響半徑反算獲得該填埋場固廢的值,群井抽氣時的影響半徑通過單井抽氣時的影響半徑確定.如表10所示,該填埋場固廢的平均值為0.173a-1,處于我國固廢產(chǎn)氣速率常數(shù)范圍(0.02~1.33a-1)之內(nèi)[5].

表11匯總了文獻中不同填埋場抽氣試驗結果.由表11可見,該填埋場固廢產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣速率常數(shù)基本可以代表我國固廢的平均水平.

表11 我國不同填埋場固廢的產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣速率常數(shù)匯總

注 : a-由PCC模型計算,b-由有機碳模型計算,c-由COD模型計算,d-由抽氣試驗確定,e-由本文式(2)計算,f-由Scholl-Canyon模型推薦值估計;g-0和均采用美國環(huán)境保護局(EPA)推薦值.

2.4 豎井滲濾液導排效果和填埋氣收集情況

2.4.1 豎井滲濾液導排效果 該填埋場單井平均出流量僅為0.23m3/h,相比國內(nèi)其他填埋場采用相同降水方法單井3m3/h的出流量明顯過低.影響豎井滲濾液導排效果的因素主要包括如下2個方面:

(1)空壓機工作狀況:提供壓縮空氣的空壓機最大功率僅為7.5kW.當11口豎井同時降水時,單井上壓縮空氣的平均壓力為62.75kPa.由國內(nèi)多個填埋場的降水經(jīng)驗可知,形成連續(xù)液氣射流的壓縮空氣壓力需達到200kPa.當前空壓機功率不足,提供的壓縮空氣壓力偏小.

(2)豎井工作狀態(tài):將已服役半年的W7拆解,滲濾液導排管管身附著大量固廢碎片,管身鉆孔被淤堵,不利于井內(nèi)滲濾液向管內(nèi)的匯集.

此外W7井周滲透系數(shù)為3.89′10-7m/s,而10m深度范圍內(nèi)固廢滲透系數(shù)的量級一般在10-5~10-6m/s[5],井周滲透系數(shù)隨時間降低,不利于外界滲透液流動以補充井內(nèi)排出的滲濾液.當前豎井的產(chǎn)流能力偏低.

2.4.2 填埋氣收集情況對比《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術規(guī)范》(CJJ176-2012)[26]推薦填埋氣收集量根據(jù)填埋場運行情況與滲濾液水位高度按式(4)和(5)計算:

(5)

式中:為填埋氣收集設施單位時間填埋氣收集量,m3/h;Q代表填埋場單位時間歷年產(chǎn)氣量, m3/h;代表填埋氣收集率,%;代表填埋氣設施影響范圍面積占已填埋面積的比例,%;χ代表對應于填埋場運行情況的填埋氣收集率折減系數(shù),%;代表對應于填埋場滲濾液水位高度的填埋氣收集率折減系數(shù),%.

若以堆體主水位埋深3m計算,則保守估計該填埋場的平均滲濾液水位高度與堆體平均厚度的比例高達90%,且豎井并未全場滿布,結合填埋場管理部門提供的逐年固廢填埋量及填埋氣收集量數(shù)據(jù),計算獲得了全場降水前歷年的填埋氣收集率,如表12所示.該填埋場歷年的填埋氣收集率不足30%.

表12 全場降水前填埋氣收集率

通過增配空壓機并定期打設豎井(截止2015年底新增66口豎井)進行長時間全場降水,此外保證覆蓋層的完整性,如圖5所示,填埋氣收集量由降水前的2240m3/h顯著增長至降水后的5900m3/h.

3 結論

3.1 通過現(xiàn)場抽氣試驗及豎井的滲濾液導排情況調(diào)查,對我國南方某填埋場的填埋氣資源化利用情況進行了評估和分析.該填埋場固廢堆體中滲濾液水位高,平均埋深約3m,填埋氣收集率不足30%.該填埋場固廢產(chǎn)氣潛力平均值為143.69L/kg,固廢產(chǎn)氣速率常數(shù)平均值為0.173a-1.

3.2 由不同井頭負壓抽氣試驗結果可知,抽氣影響半徑和填埋氣收集量隨井頭負壓的增大而增大.由初始水位和降水后抽氣試驗結果可知,降低堆體中滲濾液水位是提高填埋氣收集量和擴大抽氣影響半徑的有效方法.

3.3 為實現(xiàn)填埋場填埋氣的高效收集,豎井的井間距不宜大于25m,可采用定期打設和維護豎井,保證覆蓋層的完整性,利用足功率的空壓機進行長期降水的工程措施.

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致謝：本抽氣試驗得到了杭州市環(huán)境集團有限公司張帆挺工程師,盧耀耀工程師和白龍工程師的熱情協(xié)助,在此表示感謝.

Exploration on efficient collection of landfill gas in a landfill with a high leachate level.

GAO Wu1, ZHAN Liang-tong1*, LAN Ji-wu1, CHEN Yun-min1, ZHANG Hai-hua2, ZHENG Xue-juan2

(1.Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Ministry of Education, Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2.Hangzhou Environment Group Co., Ltd., Hangzhou 310022, China).

Landfill gas (LFG) extraction tests were carried out at a wet landfill of municipal solid waste (MSW) in Southern China. The influences from leachate level, well number and vacuum pressures on the LFG extraction rate were investigated. The efficiency of LFG collection and recovery at this kind of landfill was evaluated. It was found that the LFG collection efficiency was less than 30% when the average buried depth of leachate level was about 3 m in the landfill. The influence radius of extraction wells ranged from 8.85~30.53 m under different vacuum pressures and leachate levels. The average LFG generation potential of MSW at this landfill was 143.69L/kg, and the average LFG generation rate of MSW was 0.173a-1. In addition, field investigation indicated that the compressed air pressure for leachate pumping and the permeability around the vertical well were the main influence factors on the leachate drainage performance of pumping wells. On the base of the LFG extraction tests and the field investigation, practical measures were proposed to enhance the LFG collection rate at landfills with a high leachate level. The LFG collection rate at this landfill was increased from 2240m3/h to 5900m3/h after extra 66 pumping wells were put into use to drawdown the leachate level.

municipal solid waste；landfill；leachate level；LFG extraction test；LFG generation potential；leachate drawdown

X705

A

1000-6923(2017)04-1434-08

2016-09-18

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2012CB719806)

高 武(1990-),男,湖北天門人,浙江大學博士研究生,主要從事環(huán)境巖土工程,固體廢棄物填埋場的沉降和容量等研究.

* 責任作者, 教授, zhanlt@zju.edu.cn

, 2017,37(4)：1434~1441