氣動泵和壓縮空氣直排法排放滲瀝液的特性比較

朱 燕

（上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

氣動泵和壓縮空氣直排法排放滲瀝液的特性比較

朱 燕

（上海老港生活垃圾處置有限公司，上海 201302）

研究了填埋氣體垂直井內滲瀝液排放的不同方式，分析各排水方式的運行數據，比較其排水速度和排水深度、出水狀況及費用成本，總結其各自不同的運行特點。

垂直井；滲瀝液；氣動泵；壓縮空氣直排法

垃圾降解產生的填埋氣體常采用水平井和垂直井收集［1］，但2種收集方式均受到高滲瀝液水位的影響，尤其對于垂直井系統。若垂直井內滲瀝液一直處于高位，氣井周邊垃圾堆體飽和，填埋氣體無法有效運移、抽排。只有當滲瀝液水位下降后，一定體積的垃圾堆體處于非飽和狀態，填埋氣體有足夠通道運移進入井內，才能被主動抽吸進入氣體收集系統，供后續處理使用。筆者結合多年工作實踐研究填埋氣體的收集，利用多種方式對垂直井內滲瀝液進行導排，分析不同排水方式的運行數據并進行比較，總結其運行特點，旨在為國內填埋場選擇垂直井排水方式提供參考。

1 國內外垂直井排水方式

1.1 氣動泵

氣動泵以壓縮空氣為動力，安全性好，排水效率高，廣泛用于充滿易爆氣體和腐蝕性、結垢性強的液體中［2］。目前僅美國就有超過500家填埋場使用此泵，全世界超過75個國家使用此泵［3］。其工作原理是泵體中間為密閉的泵腔，泵腔上部設進氣口、卸氣口，并由自動控制裝置控制，泵腔下部設止回閥控制進水出水。工作時壓縮空氣進氣口打開，在空氣作用下泵腔下降，底部止回閥關閉進水口，滲瀝液從排水管壓出。水排盡后自動控制裝置關閉進氣口，打開卸氣口，在靜水壓力作用下，泵體上升，底部止回閥關閉排水口，滲瀝液吸入泵體內，自動控制裝置關閉卸氣口，打開進氣口進行下輪排水，以此循環往復，見圖1。當垂直井內滲瀝液水位排至泵腔位置，無法再排出空氣，壓縮空機停止工作，排水自動停止。

1.2 電動泵

目前，國內仍有很多填埋場使用電動泵抽排垂直井內滲瀝液。電動泵雖然可有效排出滲瀝液，但由于其使用電源，有可能產生火花，引爆井中填埋氣體，對填埋場安全運行產生重大隱患。CJJ 133—2009生活垃圾填埋場填埋氣體收集處理及利用工程技術規范中明確規定，在氣體收集過程中禁止使用電動設備對氣井內的滲瀝液進行導排，但因成本等原因，電動泵的使用仍然普遍存在。

1.3 壓縮空氣直排法

隨著對垂直井滲瀝液抽排安全的不斷重視，國內逐漸開始使用一種制作簡便、運行安全的排水方式——壓縮空氣直排法。如圖2所示，外圍大口徑井為垂直井，井中下部充滿滲瀝液，上部為填埋氣體。出水管置于垂直井內，下部浸入滲瀝液。出水管底部區域開孔，增大滲瀝液的進水面積，開孔區域與滲瀝液液面之間保證一定的距離，即為浸沒高度。壓縮空氣管自出水管底部開孔伸入。運行時，高壓空氣充入出水管，與管內滲瀝液混合，形成氣水混合物，并在后續高壓空氣的作用下，沿井管向上運移排出。當浸沒高度充分時，壓縮空氣所形成的氣水混合物均可沿井管排出，不會有空氣溢入填埋氣體區，可有效實現滲瀝液導排，并確保填埋氣體、壓縮空氣分離。

2 各排水方式的數據分析和比較

因電動泵在填埋氣體收集系統中禁止使用，本文不對此法進行比較。筆者所在的現場分別采用氣動泵和壓縮空氣直排法排放垂直井內滲瀝液，垂直井取樣分布示意見表1和圖3。經0．5 a的記錄和分析，比較了2種排水方式的排水速度和排水深度、出水狀態和運行費用。

表1 垂直井滲瀝液取樣位置

圖3 不同垂直井滲瀝液取樣位置示意

2.1 排水速度和排水深度

選取位于1B1區的垂直井J3，分別在7、5、3 kg/cm2的壓力下采用氣動泵對垂直井內滲瀝液進行導排，觀察滲瀝液液位在15、10、6 m處的排水速度，結果見圖4。

同樣采用J3垂直井，觀察不同空氣壓力下壓縮空氣直排法的排水速度，結果見圖5。

圖5 壓縮空氣直排法對滲瀝液的排放速度

觀察發現，2種排水方式的排水速度與壓縮空氣的壓力有關。對于氣動泵，空氣壓力越大，排出水量越多，隨著滲瀝液水位的下降，氣動泵導排滲瀝液的流量有增大的趨勢。對于壓縮空氣直排法，排水速度與排水壓力并非成正比，有其最佳的排水壓力。由圖5發現，本次試驗的最佳排水壓力是0．8 kg/cm2。當空氣壓力過大時，壓縮空氣容易從排水管道底部反沖，不僅排不出滲瀝液，同時易污染垂直井內填埋氣體；當空氣壓力過小時，沒有足夠的動力把滲瀝液排出井外。隨著垂直井內液位的不斷下降，壓縮空氣直排法排放流量越來越小；對于壓縮空氣直排法，當滲瀝液出水呈連續狀態時，壓縮空氣的耗氣量和排水量達到最佳的比值。

對垂直井C3、J3、O1、P1用壓縮空氣直排法進行排水，分別觀察不同時間的水位，以判斷滲瀝液的回滲速度，結果見圖6。觀察發現，不同的垂直井內回滲速度不同，即使同一口垂直井，不同的高度滲瀝液的回滲速度也不同。越是水位排得深，回滲速度越快；水位上升后，回滲速度越來越慢。當井內滲瀝液的回滲速度小于排水速度時，滲瀝液液位可不斷降低；當滲瀝液的回滲速度大于排水速度時，井內水位下降到一定位置后甚至有上升的現象，最終達到平衡。當井內滲瀝液的回滲速度一直小于排水速度時，氣動泵可將水位降至其安裝處，而壓縮空氣直排法需要保證有足夠的浸沒深度。

圖6 壓縮空氣直排法滲瀝液水位恢復

2.2 出水狀態

觀察不同區域垂直井滲瀝液的出水狀態，對滲瀝液水質進行持續0．5 a的監測，結果如表2所示。

表2 不同垂直井內水質和出水情況

部分垂直井在使用壓縮空氣直排法后的較短時間內就產生了嚴重的泡沫問題，如圖7所示。而使用氣動泵的垂直井沒有顯著的泡沫問題。當壓縮空氣直接作用到滲瀝液上時，液體表面張力大，泡沫中的氣體難以穿過氣/液界面而釋放出來，造成泡沫在系統中的“高勢”富集。此類泡沫呈黃褐色、穩固、連續，無論用高壓水沖洗或是用消泡劑都很難清理，不僅破壞了現場環境的美觀，而且對于垃圾表面覆蓋膜的填埋場，雨水沖刷泡沫，膜表面的水排入雨水溝，造成地表水污染。而氣動泵內壓縮空氣不與滲瀝液直接接觸，故采用此法導排垂直井內滲瀝液時，泡沫問題可以控制，滿足環境要求。

數據分析發現，滲瀝液內COD的含量是影響泡沫產生的主要原因。筆者所在的填埋場內滲瀝液降解速度較快，垃圾填埋2～3 a后滲瀝液的COD濃度可以從100 g/L降至10 g/L。當COD的濃度較低時，采用壓縮空氣直排法排水沒有泡沫問題。因此壓縮空氣直排法在新鮮堆體上的垂直井內使用時容易產生泡沫，而在填埋了一段時間后的堆體上的垂直井內使用時，泡沫問題是可以避免的。

2.3 投資運行費用

無論對于氣動泵還是對于壓縮空氣直排法，滲瀝液的水位深度、壓縮空氣壓力均會對滲瀝液排出的流量有所影響。當滲瀝液水位為15 m，選用1 kW可產生10 m3壓縮空氣的壓縮機時，氣動泵和壓縮空氣直排法的耗氣量以及耗電量如表3所示。

表3 2種排水方式的耗氣量與耗電量對比

從表3數據可知，氣動泵的耗氣量、耗電量均要優于壓縮空氣直排法，其用量節省2倍以上。但在選擇排放方式時，除了考慮運行成本外，還需要考慮設備成本、維護成本，應根據綜合成本來指導填埋場選擇適合的排水方式。氣動泵和壓縮空氣直排法的成本如表4所示。

表4 2種排水方式的費用對比

由于國內沒有成品的氣動泵，設備通常采用進口，價格昂貴。以QED氣動泵為例，設備成本40 000元/臺，設備的保修期為5 a，假設設備的重復率為3。壓縮空氣直排法采用HDPE管道現場制作，價格便宜，但排水管常因結垢而需要更新，雖結垢現象隨著滲瀝液的排放而逐漸減少［4］，但其重復率較高，假定為5。分析數據可知，當氣動泵在此購買價格下，氣體收集系統需要使用17 a才能使氣動泵的綜合費用等同于壓縮空氣直排法的綜合費用。當年限小于17 a時，壓縮空氣直排法在綜合費用上更加節省。反之，氣動泵在綜合費用上占有優勢。

計算不同的氣動泵價格對應的2種排水運行方式費用相同的年限，發現兩者呈線性關系。若氣動泵的價格下降，2種運行方式費用相同的年限也下降，如圖8所示。若氣動泵價格在20 000元以內時，填埋場氣體收集系統的使用時間大于8 a，使用氣動泵的綜合費用要少于壓縮空氣直排法。故氣動泵價格的降低勢必使氣動泵在排水上比壓縮空氣直排法更有優勢。此外，降低氣動泵的重復率也是減少氣動泵綜合成本的一個因素。運行中為避免設備停止后滲瀝液結垢而導致設備無法正常運行，氣動泵最好處于運行狀態。

圖8 氣動泵價格與2種排水方式費用相同的年限關系

對于壓縮空氣直排法，減少運行費用是降低其綜合費用的關鍵。觀察發現，使用壓縮空氣直排法排水可以使滲瀝液水位降至一定程度，之后即便壓縮空氣一直工作，水位也不能有效地下降（見圖6），這對于壓縮空氣而言是浪費。垂直井內滲瀝液的回滲速度比較緩慢，恢復時間較長，故采用階段式的方法排水，在節省壓縮空氣使用量的同時完成滲瀝液的排放，且不影響氣體的收集。筆者所在的現場根據垂直井內水位的監測情況，采取3+2+2的運行方式，即排水3 h，關閉2 h，再排水2 h的方式，完全滿足垂直井的排水需求和氣體需求。這個階段式的排水需要根據井內的實際降水水位和恢復情況來確定。

3 排水方式的特點

通過上述對2種排水方式的運行觀察和數據分析，各自的運行特點如表5所示。

表5 2種排水方式的運行特點

4 結論與建議

1）選擇垂直井滲瀝液排水方式時應從排水速度和排水深度、出水狀況及費用成本等多方面綜合考慮。

2）選用氣動泵排水時，降低氣動泵的設備價格是減少其費用成本的關鍵。氣動泵的國產化是未來氣體收集系統的要求。

3）選擇壓縮空氣直排法，可根據垂直井內滲瀝液情況，采用階段式排水的方法，在節省壓縮空氣使用量的同時完成滲瀝液的排放，且不影響氣體的收集。

4）若垂直井位于新鮮垃圾堆體上，井內滲瀝液水位較高，氣體利用系統對氣體的收集量有明確要求；同時氣體收集系統使用年限較長，氣動泵要優于壓縮空氣直排法。

5）若垂直井位于已經填埋了一段時間的堆體上，井內滲瀝液水位較低，氣體利用系統對氣體收集量沒有嚴格的要求；同時氣體收集使用年限較短，采用壓縮空氣直排法較氣動泵更能滿足抽氣排水的要求。

［1］趙由才，朱青山．城市生活垃圾衛生填埋場技術與管理手冊［M］．北京：化學工業出版社，1999．

［2］ Christopher E．Combined Landfill Gas and Leachate Extraction Systems［R］．UKPS Ltd，The Barclay Centre Ltd，University of Warwick Science Park，1994．

［3］ QED Manufacturer of AutoPump Landfill Pumps．Landfill Gas Well Pump Evaluation Guild［R/OL］．http://www．qedenv．com．

［4］薛丹丹，劉丹，李軍，等．垃圾滲濾液輸送管道結垢原因分析［J］．四川環境，2008（6）：9-12．

Characteristic Comparison of Pneumatic Pump and Compressed Air Direct Drainage Method for Leachate Extraction

Zhu Yan
（Shanghai Laogang MSW Treatment Co．,Ltd,Shanghai201302）

Several different ways to discharge waste leachate from the vertical wells of landfill gas were researched,and the operation data of the different drainage methods was analyzed．Discharge speed,drainage depth,flow condition and the cost were compared．The different operation characteristics were summarized．

vertical well；leachate；pneumatic pump；compressed air direct drainage method

X703．1

A

1005-8206（2012）02-0057-04

2012-02-10

朱燕（1980—），碩士，工程師，研究方向為固體廢物的處理及填埋氣體收集處理。

E-mail：echojuly@hotmail．com。

（責任編輯：劉冬梅）