高 武,詹良通*,兰吉武,陈云敏,张海华,郑学娟



高渗滤液水位填埋场的填埋气高效收集探究

高 武1,詹良通1*,兰吉武1,陈云敏1,张海华2,郑学娟2

(1.浙江大学岩土工程研究所,软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江杭州 310058；2.杭州市环境集团有限公司,浙江杭州 310022)

在我国南方湿润气候区某高渗滤液水位填埋场开展现场抽气试验,测试了不同的水位埋深、试验井数量和井头负压条件抽气量,评估了该填埋场的填埋气资源化利用情况.固废堆体中的初始渗沥液水位平均埋深约3m,该水位下的填埋气收集率不足30%;不同井头负压和水位条件下竖井的抽气影响范围为8.85~30.53m;该填埋场固废的平均产气潜力为143.69L/kg,平均产气速率为0.173a-1.此外通过调查现场竖井的渗滤液导排情况,揭示了用于降水的空气压缩机和竖井周边固废的渗透系数是影响竖井渗滤液导排效果的主要因素.结合抽气试验和现场调查,提出了提高填埋气收集量的工程措施,通过增设66口抽水竖井降低堆体中渗滤液水位,该填埋场的填埋气收集量由2240m3/h提高至5900m3/h.

固体废弃物；填埋场；渗滤液水位；抽气试验；产气潜力；降水

随着城市人口的增长和居民消费水平的提高,我国已成为世界上最大的城市固体废弃物(MSW)产生国[1],年产量已超过2.40×108t,并以7~10%的年增长率增长[2-3].我国的固废处置以填埋(包括卫生填埋和简易填埋)为主,比例超过80%,因填埋的成本低且不用分选,未来较长时间仍将占据主导地位.固废中的有机组分在填埋过程中经过好氧和厌氧发酵产生填埋气(LFG),其主要成分为甲烷和二氧化碳(含量超过90%),无序排放的填埋气对全球变暖具有不可低估的影响.此外填埋气中含有多种微量气体如苯、甲苯

我国填埋场的填埋气产量巨大,若以固废年产量为2.40×108t,每吨产生140m3填埋气[5],且填埋比例为80%计算,填埋气总量高达2.69×1010m3.相比美国超过600余座填埋场进行填埋气资源化利用的现状[6],至2008年我国仅有33个填埋气回收项目,且收集率仅为25%~40%,远低于欧美发达国家60%~80%的填埋气收集率[7-8].

现场抽气试验常用于评估填埋场产气能力和填埋气收集效果[9-16],然而相比西方国家“干墓式”填埋场,我国填埋场常存在较高的渗滤液水位,对实际的集气效果产生影响.在马鞍山市向山垃圾填埋场现场试验过程中,侯贵光等[9]发现填埋场内部积水对填埋气产量存在负面影响,不利于固废的降解和产气.黄晓文等[10]在广州大田山垃圾填埋场抽气试验中亦发现固废堆体内部的高水位会影响填埋气的流动,阻塞抽气井,形成填埋气收集管网的湍动现象,影响填埋气的回收量,也造成气液难分离的问题.

固废的气体渗透系数是设计填埋气收集系统和好氧填埋场中注气系统的重要参数[17].钻取苏州七子山填埋场的固废试样,魏海云[18]利用自制的气体渗透仪测得不同孔隙率的固废试样气体渗透系数随饱和度变化曲线,试验数据表明固废的气体渗透系数会随饱和度的增大显著减小.Jain等[19]和Wu等[20]分别在美国加州New River Regional填埋场和北京某填埋场进行了类似的短时注气试验,并测得堆体不同深度的气体渗透系数.因北京的填埋场固废的饱和度更大,其气体渗透系数比美国New River Regional填埋场相近深度固废的气体渗透系数低一个量级[20].

影响填埋气收集率的因素包括固废的气体渗透和压实情况,覆盖层类型和覆盖情况,堆体中水位存在形式,以及填埋气收集系统服役性能等.Chen等[21]提出了围绕被动排气井的二维轴对称气体迁移模型,利用该模型分析了美国Fresh Kills填埋场被动集气井的集气效果,结果表明被动集气井的集气能力随径向距离的增大大幅减弱,被动集气井的影响半径不足20m.马小飞[13]和Zhan等[22]利用类似的数值模型分析了覆盖层厚度,堆体厚度及相对渗滤液水位(渗滤液主水位厚度与堆体厚度比值)对集气竖井收集量的影响,表明填埋场堆体中存在的高渗滤液水位会限制集气竖井的影响半径,大幅降低填埋气收集率[13,23].

本文在我国南方湿润气候区某高渗滤液水位填埋场开展现场抽气试验,规范了抽气试验工法,评估了该填埋场的填埋气资源化利用情况,测得包括渗沥液水位、浅层气压、填埋气成分和填埋气收集量等指标,分析了竖井的抽气影响范围,反演了该填埋场固废的填埋气收集和产量的关键参数及填埋气收集率;通过调查现场竖井的渗滤液导排情况,分析了影响竖井渗滤液导排效果的主要因素;最后提出了提高填埋气收集率和收集量的工程措施,可为高渗滤液水位填埋场的填埋气资源化利用提供参考.

1 材料与方法

1.1 场地条件

该填埋场是当地的主要固废处理设施,现已进入第二填埋期(以下简称二埋场,见图1),总库容为2202万m3.二埋场分期建设,其一期工程于2007年5月22日投入正式运行,截止2014年4月底,二埋场累计填埋量约843.93万t.堆体采用HDPE膜临时覆盖,堆体平均厚度约35m,初探渗滤液水位平均埋深约3m.2013年7月31日~8月31日在库区堆体上打设11口兼具收集填埋气和导排渗滤液功能的竖井(W1~W11),成井直径800mm,平均井长约19m,平均井间距约27m, 200mm直径的HDPE管内置压缩空气管和渗滤液导排管.压缩空气由位于垃圾坝附近的空气压缩机(以下简称空压机)提供,经过压缩空气管进入渗滤液导排管中形成液气射流排出,以实现渗滤液的导排.

1.2 试验方案

1.2.1 井位布置 根据库区现状,周边环境和竖井的集气情况,选择平整堆体上的W5、W6和W7作为抽气试验的试验井.W5、W6和W7的井长分别为17,20,13m,其中W5和W6位于试验平台北侧,W7距试验平台边缘40m可避免从边坡吸入空气,且试验区远离进场道路可避免填埋作业影响.在3口试验井形成的三角区域内布置了4口水位监测井(S1~S4)和4口气压监测井(Y1~Y4),如图2所示.水位监测井和气压监测井的井长分别为15和6m,且在堆体表面2.5m以下沿管身钻孔并包裹无纺土工布,保证水位和气压监测的准确性.2013年11月~12月进行了初始水位条件下的抽气试验,2014年3月~4月进行了群井降水后稳定水位条件下的抽气试验.

1.2.2 抽气试验 如表1所示,根据水位情况,试验井数量和井头负压大小共进行了10种工况下的正式抽气试验.正式试验前以可调频的抽风机最大功率预抽气,排尽堆体中积累的填埋气,待抽气泵出口处CH4体积浓度长时间(不低于4h)保持稳定,产气和抽气达到动态平衡后进行正式试验.

表1 正式抽气试验工况

注 :*-库区11口竖井同时降水达到稳定水位,降水过程持续2个月.

监测项目和测量仪器如表2所示,各项目的监测频率为1次/h.当连续3h内监测井气压变化值小于0.2kPa,CH4体积浓度变化值小于1%,抽气流量变化值小于2m3/h时,认为达到稳定状态可停止试验.

表2 监测项目和测量仪器

1.2.3 竖井渗滤液导排情况调查 在为期2个月的群井降水过程中,渗滤液出流总量不大(2.527m3/h),为此进行了竖井渗滤液导排情况的调查.如图1所示,11口竖井导排的渗滤液通过堆体表面的渗滤液管道流入1#渗滤液采集井.通过闭合压缩管端头进气阀门控制压缩空气的流入,测量了W1~W11各井的渗滤液出流量和空压机施加在竖井上的压缩空气压力.根据渗滤液出流量,拆解W7观察井内情况,并通过48h的水位恢复试验测得了W7井周的渗透系数.

2 结果与讨论

2.1 抽气试验

2.1.1 渗滤液水位埋深 初始水位埋深和群井降水后稳定水位埋深如图3所示.堆体的初始渗滤液水位较高,其中W5井内水位和S1~S3水位埋深2.60~2.85m,S4水位埋深3.40m,W6和W7井内水位埋深4.80~5.20m.经过长达2个月的群井降水,试验区水位达到稳定但整体并未显著下降,W5井内水位下降2.4m,S1和S2水位下降2.40m,S3水位仅下降0.43m,且W6和W7井内水位分别下降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 气体组分及抽气量 伴随抽气的进行,空气混入,扣除混入的空气量获得校正后的填埋气收集量,下同.初始水位条件下的填埋气组分和收集量如表3所示.单井抽气和群井抽气时,CH4体积浓度均超过58%;填埋气收集量随着井头负压的增大而增大;群井在-1kPa下的平均收集量为55.87m3/h,与W5在-10.5kPa下的收集量接近.

群井降水后稳定水位条件下的填埋气组分和收集量如表4所示.相比初始水位的情况(见表3),单井抽气时W5能够达到的最大井头负压绝对值(1.7kPa)减小,CH4体积浓度降低,但填埋气收集量明显提高,表明降低水位有助于填埋气的收集.因W6和W7井周范围的渗滤液水位并没有下降,反而有所上升(见图3中S4水位),群井抽气时W6和W7的收集量相比初始水位时下降,但仍超过50.00m3/h;降水后群井在-1kPa下的平均收集量为55.27m3/h,与初始水位时群井收集量相近.

表3 初始水位条件下填埋气组分和收集量

注 : *-静态指不施加井头负压.

表4 群井降水后稳定水位条件下填埋气组分和收集量

注 : *-W5实际的井头负压为-0.7kPa.

2.1.3 抽气影响半径 气压监测井的稳定气压和初始气压的差值∆(kPa)与气压监测井和试验井的距离(m)存在以下关系[9,11,22]:

∆=ln+(1)

式中:和为拟合参数.一般将∆=-0.25kPa对应的作为抽气井影响半径R,拟合W5的试验数据获得不同工况下W5的R如表5所示.满足O2体积浓度不超标时,相同水位下井头负压绝对值越大,R越大.初始水位且井头负压为-2kPa时,R=13.39m;群井降水后稳定水位且井头负压为-1.7kPa时,R=30.53m,表明降低渗滤液水位可有效增大竖井的抽气影响半径.

表5 不同工况下W5的抽气影响半径

2.2 竖井渗滤液导排情况调查

2.2.1 渗滤液出流量 当空压机对11口竖井同时提供压缩空气时,渗滤液总出流量为2.527m3/h.当空压机对各竖井单独提供压缩空气时,如表6所示,各竖井的渗滤液出流量存在显著差异,位于试验区平台西北侧的竖井(包括W1~W4及W10)渗滤液导排效果较佳.在群井降水时,渗滤液倾向试验区西北方向流动,将形成试验区西北侧水位低东侧水位高的降水漏斗(图3).位于试验区东侧W6和W7之间的S4处的渗滤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稳定水位埋深低于初始水位埋深.

表6 各竖井的渗滤液出流量

当空压机仅对W5、W6和W7提供压缩空气,3口竖井的总出流量为2.911m3/h;关闭渗滤液导排效果不佳的W8和W9的压缩空气进气阀门,剩余9口竖井的总出流量为2.232m3/h.

2.2.2 压缩空气管端头压力 在11口竖井压缩空气进气阀门全开的情况下,测量W6~W9上的压缩空气压力.如表7所示,各竖井的压力相近,范围为60~65kPa,竖井距空压机的距离对压力分布的影响可以忽略.

表7 竖井上压缩空气管端头压力

2.2.3 竖井井周渗透系数 将W7中压缩空气管和渗滤液导排管拔出以排除对水位测量的影响,对W7进行了48h的水位恢复试验.利用Theis-Jacob直线图解法,求得W7井周渗透系数即竖井和固废的综合渗透系数3.89×10-7m/s.

2.3 填埋气产量关键参数

2.3.1 固废组分、填埋历史和龄期 表8为2009~2011年该填埋场新鲜固废中可降解组分含量,以厨余为主(含量超过50%),各组分含量与文献[23]统计的我国典型固废的组分相近,该填埋场固废可代表我国固废.

表8 新鲜固废中可降解组分(湿基,%)

表9 固废填埋历史和龄期

根据填埋场运营管理部门提供的信息, 15.5m抽气深度(平均井长扣除掉堆体以上1.5m部分)范围内的固废填埋历史和龄期如表9所示.

2.3.2 固废产气潜力和产气速率常数 单位重量固废的理论最大产气量即产气潜力0(L/kg)和产气速率常数(a-1)是填埋气收集和产量的关键参数.填埋气来自于固废中可降解组分的降解,0按式(2)计算[13]:

式中:1867为单位质量有机碳与标准状态下的填埋气体积间的换算系数,L/kg;W为第种可降解组分的湿基含量,%,见表8;DOC为第种可降解组分中可降解有机碳的干基含量,%,取值参考文献[24];d为第种可降解组分的湿基含水率,%,取值参考文献[25].计算获得该填埋场固废的0平均值为143.69L/kg,处于我国固废产气潜力范围(90~280L/kg)的平均水平[13].

抽气达到稳定状态时,影响半径范围R内固废的填埋气产量(∑q,m3/h)等于收集量(c,m3/h),按式(3)计算:

式中:为固废的初始密度,根据该填埋场的实际情况取0.8t/m3.

表10 固废的产气速率常数

代表了全场固废的产气速率,根据群井抽气的收集量及对应的影响半径反算获得该填埋场固废的值,群井抽气时的影响半径通过单井抽气时的影响半径确定.如表10所示,该填埋场固废的平均值为0.173a-1,处于我国固废产气速率常数范围(0.02~1.33a-1)之内[5].

表11汇总了文献中不同填埋场抽气试验结果.由表11可见,该填埋场固废产气潜力和产气速率常数基本可以代表我国固废的平均水平.

表11 我国不同填埋场固废的产气潜力和产气速率常数汇总

注 : a-由PCC模型计算,b-由有机碳模型计算,c-由COD模型计算,d-由抽气试验确定,e-由本文式(2)计算,f-由Scholl-Canyon模型推荐值估计;g-0和均采用美国环境保护局(EPA)推荐值.

2.4 竖井渗滤液导排效果和填埋气收集情况

2.4.1 竖井渗滤液导排效果 该填埋场单井平均出流量仅为0.23m3/h,相比国内其他填埋场采用相同降水方法单井3m3/h的出流量明显过低.影响竖井渗滤液导排效果的因素主要包括如下2个方面:

(1)空压机工作状况:提供压缩空气的空压机最大功率仅为7.5kW.当11口竖井同时降水时,单井上压缩空气的平均压力为62.75kPa.由国内多个填埋场的降水经验可知,形成连续液气射流的压缩空气压力需达到200kPa.当前空压机功率不足,提供的压缩空气压力偏小.

(2)竖井工作状态:将已服役半年的W7拆解,渗滤液导排管管身附着大量固废碎片,管身钻孔被淤堵,不利于井内渗滤液向管内的汇集.

此外W7井周渗透系数为3.89´10-7m/s,而10m深度范围内固废渗透系数的量级一般在10-5~10-6m/s[5],井周渗透系数随时间降低,不利于外界渗透液流动以补充井内排出的渗滤液.当前竖井的产流能力偏低.

2.4.2 填埋气收集情况对比《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ176-2012)[26]推荐填埋气收集量根据填埋场运行情况与渗滤液水位高度按式(4)和(5)计算:

(5)

式中:为填埋气收集设施单位时间填埋气收集量,m3/h;Q代表填埋场单位时间历年产气量, m3/h;代表填埋气收集率,%;代表填埋气设施影响范围面积占已填埋面积的比例,%;χ代表对应于填埋场运行情况的填埋气收集率折减系数,%;代表对应于填埋场渗滤液水位高度的填埋气收集率折减系数,%.

若以堆体主水位埋深3m计算,则保守估计该填埋场的平均渗滤液水位高度与堆体平均厚度的比例高达90%,且竖井并未全场满布,结合填埋场管理部门提供的逐年固废填埋量及填埋气收集量数据,计算获得了全场降水前历年的填埋气收集率,如表12所示.该填埋场历年的填埋气收集率不足30%.

表12 全场降水前填埋气收集率

通过增配空压机并定期打设竖井(截止2015年底新增66口竖井)进行长时间全场降水,此外保证覆盖层的完整性,如图5所示,填埋气收集量由降水前的2240m3/h显著增长至降水后的5900m3/h.

3 结论

3.1 通过现场抽气试验及竖井的渗滤液导排情况调查,对我国南方某填埋场的填埋气资源化利用情况进行了评估和分析.该填埋场固废堆体中渗滤液水位高,平均埋深约3m,填埋气收集率不足30%.该填埋场固废产气潜力平均值为143.69L/kg,固废产气速率常数平均值为0.173a-1.

3.2 由不同井头负压抽气试验结果可知,抽气影响半径和填埋气收集量随井头负压的增大而增大.由初始水位和降水后抽气试验结果可知,降低堆体中渗滤液水位是提高填埋气收集量和扩大抽气影响半径的有效方法.

3.3 为实现填埋场填埋气的高效收集,竖井的井间距不宜大于25m,可采用定期打设和维护竖井,保证覆盖层的完整性,利用足功率的空压机进行长期降水的工程措施.

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[26] CJJ176-2012 生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范 [S].

致谢：本抽气试验得到了杭州市环境集团有限公司张帆挺工程师,卢耀耀工程师和白龙工程师的热情协助,在此表示感谢.

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

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2012CB719806)

高 武(1990-),男,湖北天门人,浙江大学博士研究生,主要从事环境岩土工程,固体废弃物填埋场的沉降和容量等研究.

* 责任作者, 教授, zhanlt@zju.edu.cn

, 2017,37(4)：1434~1441