垃圾填埋场气体的收集与处理

1 概 述
随着我国经济的不断发展 ,许多城市都在向国 际化大都市迈进 ,在经济高速发展的同时 ,环境也 越来越引起人们的关注和重视 ,创造一个整洁 、优 美的工作环境和生活环境是一个现代化城市的重 要标志之一 。
垃圾是伴随着人类的生产 、生活而产生的 ,随 着工业化和城市化的推进 ,城市人民的物质文化水 平日益提高 ,垃圾的产量和成份也迅速增加和变 化 。在当今世界上 ,处理垃圾的难度越来越大 ,给 城市的发展和管理带来了新的困难 ,直接或间接地 影响着生态环境 ,对居民的健康和生存构成了严重 威协 ,在工业发达国家 (如日本) ,人均垃圾产量每 天已达 2. 5 左右 ,即使是发展中国家 (如中国深 圳) ,人均垃圾产量每天也达 0. 7～1. 2 ,一座百 万人口城市每天要产生上千吨垃圾 ,其处理难度是 可想而知的 。
图 2 地下废气收集井示意图
5 气体收集系统
5. 1 气体的收集 垃圾填埋场内产生的气体 ,借压差流向特定的
气体收集井 ,从收集井通过气体收集管引至集气 柜 ,气体由集气柜输往气体收集站 。根据废气的不 同用途进行净化处理 。
气体的收集通过设置于填埋场竖井中垂直带 孔管道收集竖井 ,每隔 40～50 m 设置一个 ,每 3～ 5 个收集井设置一个集气柜 ,组成一组输送系统 , 每个集气柜设有独立的管道接至收集站 。集气柜 可以互组联通 ,以便处理故障和检修 。
气管 、排洪沟等设施 ,进行 了垃圾的碾压和覆土 , 于 1984 年正式启用 ,成为一个准卫生填埋场 ,目 前 ,容量已接近饱和 ,年底即将封场 。该垃圾场位 于一个山谷地带 ,四周地势较高 ,产生的沼气不易 很快扩散 ,而且易燃 、易爆 、有毒的气体长期自然排 放 ,不仅存在着严重的环境污染 ,而且还存在着爆 炸的危险 。玉龙坑垃圾填埋场由于设计没有安装 排气管 ,垃圾填埋后 ,所产生的气体自然排出 ,为了 减少其危害程度 ,1984 年增设了排气设施 ,但由于 设计不规范 ,而且垃圾覆土过程中 ,推土机将部分 导气管推弯 ,使导气管出现倾斜 ,甚至断裂的现象 , 直接影响了填埋场的排气效果 ,一旦引起火灾 ,就 会引起填埋场沼气爆炸 ,后果不堪设想 ,因此 ,对填 埋场封场后排气制订切实可行的方案 ,对减少隐 患 ,改善环境将有着十分重要的意义 。
3 深圳垃圾填埋场
深圳市玉龙坑垃圾填埋场是市区垃圾处理的 最终消纳场所 ,占地面积 6. 12 公顷 ,该填埋场建于 1980 年 ,投入运行时为裸堆 ,后经扩建并增设了排
图 1 垃圾场沼气产生量曲线
表 3 深圳市市区历年垃圾量 t/ y
年代 1984 1985 1986 1987 1988 1989 垃圾量 t 87 600 131 400 142 350 147 460 168 265 243 734
本文着重对垃圾填埋场气体的收集系统及处 理系统进行论述 ,以解决垃圾填埋场在封场后可能 发生的火灾危险 。
2 填埋场气体的产生
城市生活垃圾包括居民家庭 、道路清扫 (包括 果皮箱收集) 、商业营业垃圾 (包括菜场垃圾) 、企事 业单位 (包括机关 、学校 、医院) 、以及露天公共场所 等产生的垃圾 ,亦有一部分工业垃圾和建筑垃圾混 杂其中 。因此在投入填埋场的垃圾中 ,含有相当丰 富的有机物质 。通常 ,家庭垃圾中 ,含有马铃薯皮 、 水果皮 、食物残渣 、菜叶 、纸张 、毛皮等有机物 。庭 院垃圾中也含有一定数量的有机物质 。
垃圾一旦进入填埋场 ,微生物的分解过程就开 始了 。第一步是好氧分解 ,消耗填埋场中的氧气 , 产生大量的热 。第二步进行厌氧分解 ,产生沼气 , 其组成见表 1 。
作为垃圾本身的生物厌氧降解过程 ,其最终产
Ξ 收稿日期 :1997 - 05 - 20
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煤气与热力 1998 年 3 月
化见表 2 。
表 1 填埋场内气体成分与浓度
气体名称
分子式
浓 度
甲烷 二氧化碳 一氧化碳
氨 氢 氧 氮 硫化氢 ACETA ACETO 苯 氩 H EP TA 甲苯
CH4 CO2 CO N H3 H2 O2 N2 H2S CH3CHO C2 H6CO C6 H6 Ar C7 H16 C6 H5CH3
除玉龙坑垃圾填埋场以外 ,深圳市垃圾综合处 理厂自 1988 年投产以来 ,日焚烧垃圾量约 200 t , 到 1995 年底 ,共焚烧垃圾 5 ×104t ,因此 ,除去烧掉 的垃圾 ,其余约 4 ×106t ,5 ×106 的垃圾均进入了 玉龙坑填埋场 。
据《美国城市固体垃圾管理及填埋技术》报道 : 在 12～15 年的填埋期间里 ,每公斤固体垃圾可以 回收 0. 0989～0. 1483 m3 的甲烷 。与美国相比 ,玉 龙坑垃圾填埋场中有机垃圾含量极少 ,而沼气是通 过有机物的发酵产生的 ,因此产气量也较以上指标 低 ,考虑到填埋场已使用十年 ,填埋场的沼气产气 率约为每公斤固体垃圾可以回收 0. 05 m3 ,回收期 15 年 ,产气量计算公式如下 :
为有效地抽出井中气 ,井里应保持约 20 kPa
图 3 废气收集系统示意图 1 —收集井 (竖井) ;2 —集气柜 ;3 —沼气收集管 ;
4 —集气管 ;5 —控制站 ;6 —收集站
来自竖井中的气体含有水蒸汽 ,所以水平管道 应逐渐向竖井方向倾斜 ,以便使冷凝液返回竖井 , 在一些管道的最低点 ,设置了冷凝水收集装置 。
年代 1990 1991 1992 1993 1994 1995 垃圾量 t 282 420 320 000 429 000 430 405 454 425 518 665
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以玉龙坑垃圾场为例 ,该填埋场于 1984 年开 始启用 ,据资料统计 ,市区垃圾量见表 3 。
Q = 1000 ×g ×w (365 ×24 ×y) (m3/ h) 式中 :
g —每公斤固体垃圾回收气量 (m3/ kg) ; w —垃圾填埋总量 (t) ; y —回收期限 (年) 。 则玉龙坑填埋场沼气的小时产量为 : Q = 1000 ×0. 05 ×400 ×104 (365 ×24 ×25) = 913 (m3/ h) 考虑将这些气体由预埋的排气设施集中导出 , 送至沼气处理设施集中处理后 ,送入环卫综合处理 厂 ,对其综合利用 。
的负压 ,并以此考虑管道设计和设备的选择 。地下 沼气收集井如图 2 所示 。
竖井中的吸引管用高密度聚乙烯制造 , 直径 100～150 mm ,吸引管上有透气的小孔 ,垂直安装 在直径为 0. 5 m 的竖井中 ,为防止其客观存在气体 渗透进入填埋场表层 ,吸引管上部 3 m 没有小孔 , 为增加吸收面积 ,吸引管周围装有过滤砾石 。废气 收集系统如图 3 所示 。
表 2 垃圾处理场废气主要成分变化
完工时间 0～ 3～ 6～ 12～ 18～ 24～ 30～ 36～ 42～
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(月)
3 6 12 18 24 30 36 42 48
CH4 V % CO2 V % N2 V %
5 21 29 40 46 47 51 47 48 88 74 65 52 52 51 46 50 50 5. 2 3. 0 0. 4 1. 0 0. 4 0. 2 1. 3 0. 9 0. 4
填埋场气体的量及其成分 ,主要取决于填埋垃 圾的种类与数量 ,所采用的地面处理方法 、填埋深 度 、填埋场温度和填埋场实际使用年限等因素 。填 埋初期 ,第一和第二阶段 (历时 1 年左右) ,主要成 分是二氧化碳 、氮 、少量氢 、一氧化碳和氧 ;第三阶 段 (历时 2 年) 是甲烷发酵的不稳定期 ,主要成分是 二氧化碳和甲烷 ,产生量也较少 ;第四阶段为稳定 的废气产生期 ,主要成分是甲烷和二氧化碳 , (历时 20～30 年) ,一般第 15～16 年为产气高峰 ,本阶段 属气体回收利用期 。垃圾场沼气产生量曲线如图 1 ( K 为产气率) 。
我国城市垃圾的处理方法目前还比较落后 ,其 主要方法是填埋 ,约占整个垃圾处理方法的 95 % 以上 ,焚烧仅占很少部分 ,且仅在少数几个城市实 行 (如深圳市) 。因此 ,垃圾填埋场可能产生的污染 问题 、爆炸问题应引起我们足够的重视 ,目前 ,我国
所采用的填埋方法基本上是随意堆放的方法 ,未经 无害化处理 。在填埋过程中 ,由于厌氧分解产生大 量的甲烷气体 ,如果不加以收集处理就会发出臭味 并可能产生火灾危险 。
物主要是 CO2 和 CH4 。垃圾被填埋的初期 ,有机物 分解产生的废气主要是 CO2 ,经过一段时间以后 , 气体中的甲烷成分逐渐上升 ,产气高峰一般要在垃 圾填埋 3～5 年之后才出现 ,而废气中 CH4 含量较 高时会引起爆炸 (空气中 CH4 的爆炸极限范围是 5 ～15 V %。因此 ,做好填埋场气体的收集处理是一 项很重要的工作 。气体成分和浓度随填埋年限和 垃圾成分的不同而变化 。其主要成分随时间的变
6 气体处理
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(2) 确定真空引水罐容积 一般来说 ,真空引水罐均制成圆柱形 ,吸水管的 直径应该大于泵的进口直径 ,真空罐的直径一般可 取为吸水管管径的 5～6 倍 。计算时 ,根据确定的最 大吸程高度 ,按照图 1 所示结构 ,先假定引水罐的内 径和吸水管的吸水高度 。根据理想气体状态方程 P1 V 1 = P2 V 2 ,其中 P1 即为当地的大气压力 , V 1 即为泵起动前引水罐内所封闭的空气体积 。当泵起 动后 ,引水罐内水位下降 ,空气体积增大为 V 2 ,则 由公式 : V 2 = P1 V 1/ P2 可以确定完成正常引水过 程时引水罐的最小体积 。考虑到输送的烟道水温度 高 ,汽化压力大 ,确定引水罐容积时 ,保证了足够的 蓄水量 。另外 ,由于吸水真空度影响 ,引水罐还应有 一定的强度 。 (3) 管路布置 一台水泵宜设单独的引水罐 ,吸水管路上不设 调节阀门 ,尽量减少吸水管路上的弯头和法兰 ,真空 罐与离心泵 、吸水管等法兰连接处必须密封良好 ,以 确保真空度 。进水管和溢流管上的阀门最好采用密 封性能好的球阀 ,以免漏气 。 4 实际改造情况及运行效果 根据烟道积水温度高 ,酸性大 ,我们选用了 IH
化工耐腐蚀泵 ,型号为 IH50 - 32 - 125 ,其相关性能 参数为 :流量 12. 5 m3/ h ,扬程 20 m ,允许汽蚀余量 2 m 。真 空 引 水 罐 为 厚 6 mm 钢 板 制 作 , 内 径 为 DN 300 mm ,高度为 650 mm 。水泵安装在烟道积水 井旁的泵坑内 ,如图 2 所示 。
图 2 烟道水泵安装图
参 考 文 献
1 朱吕通等. 现代灭火设施. 北京. 水力电力出版社. 1984
(上接第 9 页) 填埋场内的气体通过收集设施导出地面 ,其处理 方法有如下两种 。
(1) 直接燃烧 将填埋场内的沼气导出地面后进行直接燃烧 ,是 一种常用的传统处理方法 。这种方法在较小的填埋 场中适用 ,即所收集到的气体不足以利用 ,而采用就 地焚烧的方法 。
0～85 V % 0～85 V % 2. 8 V % 0～0. 35 ×10 - 6 0～3. 6 V % 0～31. 6 V % 0～82. 5 V % 0～75 V % 150 ×10 - 6 100 ×10 - 6 0. 08 V % 0. 01 V % 0. 45 V % 0. 09 V %
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垃圾填埋场气体的收集与处理Ξ
李 霞 顾建良 杨安辉 (深圳市市政工程设计院 ,深圳 518028) (深圳市燃气集团)
摘要 就垃圾填埋场可燃气体的产生 、气体的成分及浓度 、气体收集的重要性 、产气量的 估算方法以及气体的收集系统 、气体的处理方法进行了详细论述 。为今后垃圾填埋场的 设计 、施工提供依据 ,为垃圾填埋场运行及封场后气体的处理提供参考 。 关键词 垃圾填埋场 可燃气收集 垃圾处理 中图分类号 TU996