增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣能力影響因素及優(yōu)化布置

李光耀，劉思達(dá)，李鶴，詹良通，夏敏

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；3.北京工業(yè)大學(xué)重慶研究院，重慶 401151；4.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

我國(guó)生活垃圾年產(chǎn)量超過(guò)2.4 億噸，衛(wèi)生填埋目前約占生活垃圾無(wú)害化總處理量的21%[1].我國(guó)生活垃圾廚余含量與含水率較高，分別達(dá)到57.0%和54.8%[2-3].高廚余含量和高含水率導(dǎo)致我國(guó)生活垃圾在填埋易在堆體內(nèi)形成液氣阻滯現(xiàn)象，滲濾液液位居高不下，填埋氣導(dǎo)排困難[4-5].長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)填埋場(chǎng)填埋氣收集設(shè)施的不匹配，導(dǎo)致我國(guó)填埋場(chǎng)的填埋氣收集率普遍在25%～40%，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家50%～95%的平均水平[6-7].填埋氣的無(wú)序逸散對(duì)大氣環(huán)境造成污染，并帶來(lái)臭氣擾民問(wèn)題[8].近年來(lái)，隨著我國(guó)生活垃圾分類處理政策的逐步實(shí)施，有部分填埋場(chǎng)進(jìn)行了階段性封場(chǎng)或正式封場(chǎng)，但是所采用的封場(chǎng)覆蓋層底部缺少填埋氣主動(dòng)收集與導(dǎo)排設(shè)施，導(dǎo)致填埋氣在堆體內(nèi)或膜破損點(diǎn)附近積聚，易引發(fā)堆體穩(wěn)定或膜面工作人員中毒的安全問(wèn)題[9].綜上所述，如何對(duì)填埋氣進(jìn)行及時(shí)、高效地導(dǎo)排和收集是亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)城市環(huán)境保護(hù)與安全生產(chǎn)具有重要意義.

目前，國(guó)內(nèi)填埋氣收集與導(dǎo)排技術(shù)的發(fā)展可以劃分為兩代.第一代填埋氣收集與導(dǎo)排技術(shù)以抽排豎井為主，并被編入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》CJJ 17—2004[10]，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)20 世紀(jì)90 年代至2010 年之間修建的第一代衛(wèi)生填埋場(chǎng).該技術(shù)借鑒自歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的“干垃圾”填埋場(chǎng)，沒(méi)有考慮我國(guó)填埋場(chǎng)堆體內(nèi)滲濾液液位高、液氣阻滯現(xiàn)象嚴(yán)重的特征[11-12]，這也是導(dǎo)致我國(guó)眾多填埋場(chǎng)填埋氣收集率不足40%的主要原因.第二代填埋氣收集與導(dǎo)排技術(shù)由蘭吉武等[13-15]在系統(tǒng)研究我國(guó)高廚余生活垃圾降解穩(wěn)定化進(jìn)程及堆體內(nèi)液氣分布規(guī)律的基礎(chǔ)上研發(fā)提出，該技術(shù)包括液氣聯(lián)合抽排豎井、水平井和水平盲溝，這些設(shè)施組成的液氣分離立體導(dǎo)排系統(tǒng)可以有效地解除填埋堆體內(nèi)的液氣阻滯，實(shí)現(xiàn)滲濾液液位的降低和填埋氣的順暢導(dǎo)排.該技術(shù)已被編入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》CJJ 176—2012[16]，杭州市天子嶺衛(wèi)生填埋場(chǎng)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)后，填埋氣收集率由10%～20%提高到60%以上[15].第二代填埋氣收集與導(dǎo)排技術(shù)由于建設(shè)成本高，在中小填埋場(chǎng)中的應(yīng)用受限，并且該技術(shù)建設(shè)工期較長(zhǎng)，難以對(duì)填埋初期由于易降解組分降解產(chǎn)生的大量填埋氣進(jìn)行高效收集.

為了解決上述兩代技術(shù)存在的問(wèn)題，本文提出增強(qiáng)型集氣覆蓋層技術(shù).利用Geo-Studio 軟件對(duì)增強(qiáng)型集氣覆蓋層工作時(shí)的HDPE 膜下氣體運(yùn)移和氣壓分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，分析土質(zhì)調(diào)節(jié)層的厚度和滲透性、膜下集氣管的管內(nèi)負(fù)壓、管徑和相對(duì)埋設(shè)位置及填埋垃圾層厚度對(duì)增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的影響程度，界定了控制增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的關(guān)鍵參數(shù).基于上述分析結(jié)果，提出增強(qiáng)型集氣覆蓋層膜下集氣管合理布置間距的估算公式以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)增強(qiáng)型集氣覆蓋層的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià).本文的研究成果對(duì)于填埋場(chǎng)的填埋氣收集、碳減排、填埋堆體穩(wěn)定以及填埋場(chǎng)工作人員的生命安全具有非常重要的意義，為我國(guó)正在運(yùn)行和即將進(jìn)行封場(chǎng)的填埋場(chǎng)治理提供了一種經(jīng)濟(jì)合理的新治理技術(shù).

1 數(shù)值模擬方法

1.1 增強(qiáng)型集氣覆蓋層結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)型集氣覆蓋層結(jié)構(gòu)如圖1 所示，自上而下依次為HDPE 土工膜、膜下集氣管、土質(zhì)調(diào)節(jié)層和填埋垃圾層.該覆蓋層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工周期短，易拆除，當(dāng)垃圾完成階段性填埋后即可很快地實(shí)現(xiàn)源頭密閉.膜下集氣管處于垃圾頂部，工作性能不會(huì)受到滲濾液液位的影響，堆體內(nèi)產(chǎn)生的填埋氣運(yùn)移至堆體頂部時(shí)即會(huì)被膜下集氣管所收集.覆蓋層工作時(shí)在HDPE 膜下形成微負(fù)壓，使HDPE 膜緊貼土質(zhì)調(diào)節(jié)層，可以有效地減少HDPE 膜破損處的空氣流入量與膜面有害氣體濃度.增強(qiáng)型集氣覆蓋層也可作為封場(chǎng)覆蓋層的一部分，與第二代填埋氣收集與導(dǎo)排技術(shù)中的液氣聯(lián)合抽排豎井協(xié)同工作，進(jìn)一步對(duì)滲濾液液位以下封存的填埋氣體進(jìn)行收集，顯著提升填埋氣的收集率，減小堆體的孔隙氣壓.

圖1 增強(qiáng)型集氣覆蓋層的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of enhanced gas collection cover

1.2 分析模型

利用Geo-studio 軟件中的Air/W 模塊，建立二維水氣耦合運(yùn)移分析模型，如圖2 所示.考慮到在水平方向上單根集氣管兩側(cè)的水氣運(yùn)移規(guī)律具有對(duì)稱性，選取集氣管單側(cè)覆蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，以提高計(jì)算效率.模型總寬度為2 根集氣管間距的一半，取10 m.模型由上至下分別為HDPE土工膜、土質(zhì)調(diào)節(jié)層和填埋垃圾層，在土質(zhì)調(diào)節(jié)層的最右側(cè)布置圓形截面集氣管.由于表層土工膜的厚度很小（一般為1.0～2.0 mm），在模型中未設(shè)置土工膜的幾何實(shí)體，通過(guò)控制土質(zhì)調(diào)節(jié)層的上部邊界條件來(lái)模擬土工膜的閉氣作用.

圖2 增強(qiáng)型集氣覆蓋層的計(jì)算模型Fig.2 Analysis model of enhanced gas collection cover

數(shù)值分析過(guò)程包括穩(wěn)態(tài)分析和瞬態(tài)分析2 個(gè)階段.穩(wěn)態(tài)分析階段反映的是鋪設(shè)土工膜之前的狀態(tài)，此時(shí)填埋的垃圾尚未開始產(chǎn)氣，集氣管也未進(jìn)行負(fù)壓抽氣.模型表面的水、氣相邊界分別設(shè)為零流量和大氣壓力，模型底面水、氣相邊界分別設(shè)為零孔壓（模擬滲濾液液面）和零流量，模型左、右兩側(cè)（包括集氣管位置處）的水、氣相邊界均設(shè)為零流量.瞬態(tài)分析階段反映的是鋪設(shè)土工膜之后的狀態(tài)，此時(shí)模型的初始條件為通過(guò)穩(wěn)態(tài)分析獲得的水、氣壓力分布.模型表面的水、氣相邊界均設(shè)為零流量，模型底面的水相邊界為零流量，氣相邊界設(shè)為指定空氣流量邊界，該流量即填埋垃圾層的產(chǎn)氣速率，與填埋垃圾的厚度有關(guān)，計(jì)算過(guò)程詳見后文.模型左、右兩側(cè)土質(zhì)調(diào)節(jié)層和垃圾層位置處的水、氣相邊界設(shè)為零流量，集氣管所在位置處設(shè)為負(fù)氣壓邊界.

增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的控制要求如下：在覆蓋層工作期間，HDPE 土工膜下任何位置處的最大允許氣壓不得超過(guò)0 kPa.這一要求能夠保證HDPE 膜緊貼土質(zhì)調(diào)節(jié)層，有效地避免HDPE土工膜發(fā)生鼓包和隆起，確保填埋垃圾產(chǎn)生的氣體全部被集氣管收集，也能夠防止由于土工膜破損造成的覆蓋土體滑坡、填埋氣泄漏和燃燒等安全隱患.從工程應(yīng)用的角度考慮，較低的集氣管氣壓會(huì)增加能耗，不利于控制運(yùn)行成本.采用膜下最大氣壓為0 kPa，作為閉氣效果的控制標(biāo)準(zhǔn).

1.3 工況設(shè)置與參數(shù)取值

基于上述計(jì)算模型，通過(guò)開展不同工況的分析，以揭示增強(qiáng)型集氣覆蓋層的閉氣效果及其影響因素.考慮的影響因素包括土質(zhì)調(diào)節(jié)層的固有滲透率K和厚度h、集氣管的抽氣負(fù)壓p、管徑D、相對(duì)埋設(shè)深度d以及填埋垃圾厚度H（即底部產(chǎn)氣速率）.考慮到我國(guó)填埋場(chǎng)的實(shí)際情況，土質(zhì)調(diào)節(jié)層的固有滲透率取1×10-13～1×10-9m2(碎石～粉砂)，厚度取0.1～0.3 m，集氣管抽氣負(fù)壓取0～-2 kPa，管徑取0.05～0.20 m，相對(duì)埋設(shè)深度包括位于土質(zhì)調(diào)節(jié)層上、中、下3 種情況，填埋垃圾厚度取5～10 m，具體工況及其參數(shù)取值如表1 所示.垃圾的固有滲透率取4.91×10-11m2[17].土質(zhì)調(diào)節(jié)層和垃圾層的水、氣相滲透系數(shù)通過(guò)下式確定：

表1 增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的分析工況匯總Tab.1 Summary of different analysis conditions for gas control performance of enhanced gas collection cover

式中：帶下標(biāo)w 和g 的參數(shù)分別適用于水和氣；k為滲透系數(shù)；ρ 為流體密度；g為重力加速度；η 為動(dòng)力黏滯系數(shù)；K為固有滲透率；Se為有效飽和度；γ 和m為擬合參數(shù)，土質(zhì)調(diào)節(jié)層的2 個(gè)參數(shù)分別取為0.5 和0.81，垃圾層的2 個(gè)參數(shù)分別為2.7 和0.37[17].

垃圾層產(chǎn)氣速率根據(jù)下式的產(chǎn)氣模型確定：

式中：V為單位面積填埋垃圾每秒的理論產(chǎn)氣體積；H為填埋的垃圾厚度；LR為單位質(zhì)量垃圾中降解物質(zhì)的理論產(chǎn)氣體積，本研究取我國(guó)20 余座城市填埋場(chǎng)的理論平均值，即168.1 L/kg[3]；ρs為填埋垃圾的密度，本研究取700 kg/m3；kR為降解物質(zhì)的產(chǎn)氣速率常數(shù)，前人的測(cè)試結(jié)果表明，我國(guó)垃圾的kR為0.53～1.75 a-1[18-21]，本研究取其平均值，即1.15 a-1；T為填埋垃圾的齡期；TR為降解物質(zhì)的產(chǎn)氣滯后時(shí)間，受氣候、填埋物質(zhì)組成、填埋場(chǎng)構(gòu)造等因素的影響，一般不容易確定，本研究取李鶴[3]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽氣試驗(yàn)給出的推薦值，即3 個(gè)月.利用式（3）計(jì)算得到的不同填埋垃圾厚度下的產(chǎn)氣速率如圖3 所示.

圖3 不同垃圾厚度對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣速率Fig.3 Gas production rates for different waste thicknesses

2 數(shù)值分析結(jié)果

2.1 增強(qiáng)型集氣覆蓋層膜下的填埋氣運(yùn)移及分布規(guī)律

如圖4 所示為代表性工況3～5 的數(shù)值模擬結(jié)果.圖中，p0為膜下氣壓.如圖4(a)所示為模型最左端（即2 根集氣管中間位置處）膜下氣壓隨時(shí)間的變化過(guò)程，該位置處的氣壓在開始抽氣后迅速降低到設(shè)定的負(fù)壓（即-2 kPa），這是由于此時(shí)填埋的垃圾尚未開始產(chǎn)氣.填埋3 個(gè)月后垃圾開始產(chǎn)氣，氣壓隨之上升，在第100 天時(shí)達(dá)到峰值，此后表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢(shì).該氣壓變化的規(guī)律與圖3 所示的填埋氣產(chǎn)生速率變化規(guī)律吻合，反映了填埋氣對(duì)覆蓋層膜下氣壓的直接影響.本研究重點(diǎn)關(guān)注膜下最大允許氣壓，如圖4(b)所示為第100 天時(shí)膜下氣壓與模型水平距離x的關(guān)系.可以看出，膜下氣壓呈現(xiàn)自右向左逐漸提高的趨勢(shì)，提高速率逐漸降低，上述結(jié)論也可以通過(guò)圖4(c)中整個(gè)模型的氣壓分布規(guī)律得出.以上結(jié)果表明，膜下最大氣壓將出現(xiàn)在2 根集氣管的中間位置處.在實(shí)際工程中需要合理布置集氣管的間距，保證膜下最大氣壓不超過(guò)0 kPa.

圖4 代表性工況3～5 的數(shù)值分析結(jié)果Fig.4 Numerical results of representative case 3-5

2.2 增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣能力的影響因素

圖5 給出所有工況第100 天時(shí)膜下氣壓與模型水平距離的關(guān)系.從圖5(a)可知，隨著土質(zhì)調(diào)節(jié)層固有滲透率K的減小，相同位置處的膜下氣壓增大.這是由于較小的K對(duì)氣體運(yùn)移具有更強(qiáng)的阻滯作用，降低了集氣管的集氣效果，導(dǎo)致氣壓增大.當(dāng)K由1×10-9m2降低至1×10-12m2時(shí)，膜下最大氣壓由-1.5 kPa 提高至0.75 kPa，這揭示了K對(duì)增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的顯著影響.隨著K的減少，集氣管附近的氣壓梯度會(huì)提高，這容易引起細(xì)粒土遷移并堵塞集氣管，降低集氣效果.圖5(b)表明，土質(zhì)調(diào)節(jié)層厚度對(duì)膜下氣壓的影響甚小，當(dāng)土質(zhì)調(diào)節(jié)層厚度為0.1～0.3 m 時(shí)，不同工況下計(jì)算得到的膜下最大氣壓的差別小于0.10 kPa.從節(jié)省工程造價(jià)的角度出發(fā)，在實(shí)際工程中應(yīng)盡量采用較薄的土質(zhì)調(diào)節(jié)層，其厚度只須起到保護(hù)集氣管的作用.

圖5 不同工況第100 天時(shí)膜下氣壓與模型水平距離的關(guān)系Fig.5 Variations of gas pressure under geomembrane with horizontal distance of model on day 100 for different analysis conditions

集氣管抽氣壓力的提高會(huì)導(dǎo)致膜下氣壓的顯著提高，但是不會(huì)改變氣壓梯度（見圖5(c)）.當(dāng)集氣管抽氣壓力由-2 kPa 增加至0 kPa（被動(dòng)排氣）時(shí)，膜下最大氣壓由-1.25 kPa 增加至0.75 kPa.相比之下，集氣管管徑和相對(duì)埋設(shè)深度對(duì)膜下氣壓的影響很小.當(dāng)管徑由0.05 m 增加至0.20 m 時(shí)，膜下氣壓逐漸降低，但是不同管徑下膜下最大氣壓的差值小于0.25 kPa（見圖5(d)）.集氣管埋設(shè)位置越深，膜下氣壓越低，集氣效果越好，但是引起的膜下最大氣壓變化量小于0.20 kPa（見圖5(e)）.圖5(f)的結(jié)果表明，填埋垃圾的厚度對(duì)膜下氣壓的影響較大，膜下氣壓隨著垃圾厚度的增大而提高，這是由于較高的垃圾產(chǎn)氣速率導(dǎo)致的.

2.3 增強(qiáng)型集氣覆蓋層集氣管布置間距的估算公式

在實(shí)際工程中，當(dāng)已知增強(qiáng)型集氣覆蓋層結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，應(yīng)確定集氣管的布置間距L以保證膜下最大氣壓不超過(guò)0 kPa，從而實(shí)現(xiàn)良好的閉氣效果.由2.2 節(jié)的結(jié)果可知，影響增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的3 個(gè)主要因素如下：1）土質(zhì)調(diào)節(jié)層的固有滲透率K；2）集氣管的抽氣壓力p；3）填埋垃圾的厚度H.開展一系列數(shù)值計(jì)算分析L的估算（詳細(xì)過(guò)程見附件）.將圖1 中幾何模型的總寬度提高至30 m，以保證模型具有足夠的寬度.對(duì)于對(duì)增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果影響不明顯的參數(shù)，按照參數(shù)常見分布范圍（見表1）任意取值.土質(zhì)調(diào)節(jié)層厚度取為0.1 m，集氣管管徑取為0.1 m，埋設(shè)位置取為層中.考慮到我國(guó)多數(shù)填埋場(chǎng)單層垃圾的填埋厚度為5～10 m，選擇最不利（膜下氣壓最大）的情況，即取H=10 m.基于上述參數(shù)，利用數(shù)值模擬獲得不同K和不同p下第100 天時(shí)膜下氣壓與模型水平距離的關(guān)系，以膜下氣壓0 kPa 作為控制標(biāo)準(zhǔn)，采用作圖法確定集氣管的布置間距.如圖6 所示，以p=-1.5 kPa 為例，K=1×10-10m2對(duì)應(yīng)的集氣管間距的一半（即L3/2）為4.55 m，則集氣管間距L3=9.1 m.

圖6 作圖法確定集氣管布置間距（集氣管抽氣壓力為-1.5 kPa）Fig.6 Drawing method to determine arrangement spacing of gas collection pipes (extraction pressure of gas collection pipes is-1.5 kPa)

圖7（a）匯總了不同集氣管抽氣壓力下，通過(guò)改變K得到的相應(yīng)的集氣管間距一半（即L/2）.根據(jù)結(jié)果可知，在相同的p下，L/2 隨K的提高而提高，且兩者之間滿足線性關(guān)系：L/2=aK.參數(shù)a隨著p的增加而減小，這說(shuō)明對(duì)于相同的土料，集氣管間距隨著集氣管氣壓的提高而減小.根據(jù)圖7（b）的結(jié)果可知，擬合參數(shù)a和p之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，即a=1.47×1010e-p.綜上所述，L和p、K之間的定量關(guān)系可以表達(dá)為

圖7 集氣管間距的估算方法Fig.7 Estimation method of gas collection pipe spacing

式（4）未考慮土質(zhì)調(diào)節(jié)層厚度、集氣管管徑、集氣管相對(duì)埋深對(duì)增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的影響.在實(shí)際工程中，宜在增強(qiáng)型集氣覆蓋層膜上增加負(fù)重（如廢棄輪胎）來(lái)抵消這些因素的影響，為保證增強(qiáng)型集氣覆蓋層的閉氣效果預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備.

3 增強(qiáng)型集氣覆蓋層優(yōu)化布置

考慮到集氣管的材料成本以及實(shí)際運(yùn)行中集氣管會(huì)出現(xiàn)損壞、淤堵問(wèn)題導(dǎo)致集氣效率降低，實(shí)際工程中集氣管不宜布置地過(guò)密或過(guò)疏，間距一般控制為10～30 m.如表2 所示為利用式（4）計(jì)算得到的常見粗粒土在不同抽氣壓力下所需的集氣管間距，其中土體固有滲透率的取值根據(jù)李廣信等[22]總結(jié)的土體滲透系數(shù)換算得到.表中，L為集氣管間距.根據(jù)表2 的結(jié)果可知，當(dāng)抽氣壓力不低于-5 kPa 時(shí)，采用粉砂、細(xì)砂作為土質(zhì)調(diào)節(jié)層時(shí)的集氣管最大間距僅為4.5 m，這會(huì)帶來(lái)較高的建設(shè)成本.優(yōu)先選用當(dāng)?shù)厝菀撰@得的中砂或者更粗的土料作為土質(zhì)調(diào)節(jié)層，通過(guò)調(diào)整集氣管的抽氣負(fù)壓實(shí)現(xiàn)集氣管布置的經(jīng)濟(jì)性和合理性.

表2 不同類型粗粒土對(duì)應(yīng)的集氣管間距Tab.2 Arrangement spacing of gas collection pipes for different types of coarse-grained soil

增強(qiáng)型集氣覆蓋層集氣管的設(shè)計(jì)應(yīng)該與填埋場(chǎng)全場(chǎng)輸氣管網(wǎng)的設(shè)計(jì)布局相匹配.填埋場(chǎng)全場(chǎng)集輸氣管網(wǎng)的布局進(jìn)行層級(jí)優(yōu)化，按照布置位置、功能和管徑大小將全部管網(wǎng)分為3 個(gè)層級(jí)，如圖8 中深圳下坪填埋場(chǎng)的全場(chǎng)管網(wǎng)布置所示.第1 層級(jí)主要是沿填埋庫(kù)區(qū)周邊布設(shè)的大口徑環(huán)場(chǎng)輸氣主管道A，主要負(fù)責(zé)向其下各層級(jí)管道傳遞負(fù)壓；將各集氣單元收集的填埋氣匯總，之后輸送至集氣站和填埋氣末端處理設(shè)施，可以提升全場(chǎng)填埋氣管道的收集和運(yùn)輸能力.為了減少壓力損失，管徑主要為500～700 mm.第2 層級(jí)為與A 直接相連的布設(shè)于各庫(kù)區(qū)集氣單元膜表面的輸氣主管B，管道直徑為300～500 mm.第3 層級(jí)為由B 延伸出來(lái)的覆蓋各主要填埋單元的集氣單元膜上輸氣支管C，直徑為200～300 mm.第4 層級(jí)為由C 延伸出來(lái)的深入到膜下的集氣管D（即增強(qiáng)型集氣覆蓋層膜下集氣管），直徑為100～200 mm.在上述多層級(jí)集輸氣管網(wǎng)運(yùn)行期間，有必要密切監(jiān)測(cè)并分析管道中的負(fù)壓變化情況，在各層級(jí)管網(wǎng)連接處設(shè)置閥門.根據(jù)不同庫(kù)區(qū)集氣單元、填埋單元的填埋氣產(chǎn)量變化情況進(jìn)行流量調(diào)節(jié)控制，優(yōu)化各層級(jí)管內(nèi)的負(fù)壓分布，提高全場(chǎng)集輸氣管網(wǎng)運(yùn)行的效率和整體性.

圖8 深圳下坪填埋場(chǎng)全場(chǎng)集輸氣管網(wǎng)布置Fig.8 Layout of multi-level gas collection and transmission pipeline network of Xiaping Landfill in Shenzhen

深圳下坪填埋場(chǎng)在2014 年通過(guò)將增強(qiáng)型集氣覆蓋層與現(xiàn)場(chǎng)小口徑滲濾液抽排豎井、大口徑液氣聯(lián)合抽排豎井結(jié)合，構(gòu)成強(qiáng)化的液氣立體導(dǎo)排系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了填埋氣的深度收集.如圖9 所示為該填埋場(chǎng)的理論產(chǎn)氣速率和實(shí)際集氣速率的變化情況.可以看出，2014—2019 年產(chǎn)氣速率由28 086 m3/h 增加至47 730 m3/h，集氣速率由6 413 m3/h 提高至 45 500 m3/h，填埋氣收集速率提升7 倍以上，收集率由不到30%提升至超過(guò)90%[3，15，23].

圖9 深圳下坪填埋場(chǎng)填埋氣產(chǎn)生速率和收集速率隨時(shí)間的變化Fig.9 Development of landfill gas generation and collection rates with time at Xiaping landfill in Shenzhen

4 結(jié)論

（1）增強(qiáng)型集氣覆蓋層膜下最大氣壓出現(xiàn)在底部填埋垃圾產(chǎn)氣速率最高的時(shí)刻.隨著與增強(qiáng)型集氣覆蓋層集氣管距離的增加，膜下氣壓逐漸提高，提高速率逐漸降低，膜下最大氣壓出現(xiàn)在2 根集氣管的中間位置處.

（2）增強(qiáng)型集氣覆蓋層的閉氣效果與土質(zhì)調(diào)節(jié)層的固有滲透率、土質(zhì)調(diào)節(jié)層厚度、膜下集氣管的抽氣壓力、管徑和相對(duì)埋深深度以及填埋垃圾的厚度有關(guān).其中，K、p和H是影響增強(qiáng)型集氣覆蓋層閉氣效果的3 個(gè)主要因素.膜下最大氣壓隨著K的降低、p的提高和H的提高而增加.L可以按照下式進(jìn)行估算：L=3×1010Ke-p.

（3）應(yīng)優(yōu)先選用當(dāng)?shù)厝菀撰@得的中砂或者更粗的土料作為土質(zhì)調(diào)節(jié)層，通過(guò)調(diào)整集氣管的抽氣負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)集氣管布置的經(jīng)濟(jì)性和合理性.建議填埋場(chǎng)全場(chǎng)采用多層級(jí)集輸氣管網(wǎng)布局，通過(guò)調(diào)節(jié)各層級(jí)管道內(nèi)的氣體流量和氣壓分布，提高全場(chǎng)集輸氣管網(wǎng)運(yùn)行的效率和整體性.深圳下坪填埋場(chǎng)采用增強(qiáng)型集氣覆蓋層結(jié)合多種集氣井技術(shù)后，填埋氣收集速率由2014 年的6 413 m3/h 提升至2019 年的 45 500 m3/h，收集率由不到30%提升至超過(guò)90%.