某填埋場填埋氣收集率評估及高效收集建議

史 煒

（西安市固體廢棄物管理處，陜西 西安 710000）

目前城市生活垃圾主要的處理方式有堆肥、資源回收、焚燒和衛生填埋［1］。其中衛生填埋是公認的經濟有效的處理方式，也是英美等發達國家城市生活垃圾處理的主要方式。垃圾填埋后在厭氧性細菌的作用下會產生填埋氣，其主要成分為甲烷和二氧化碳，兩者分別占到填埋氣體積的50%～65%和30%～40%，兩者都是溫室氣體［2］。其中甲烷是一種高熱值的經濟氣體，對其進行適當的控制利用，可以變廢為寶，為社會產生效益。我國可用于填埋氣發電的甲烷潛在產量為4.186×109m3，可發電1.28×1010kWh［3］。國內填埋場填埋氣收集率普遍不明確，填埋氣資源化利用程度也相對較低。評估填埋氣收集率，確定可利用的填埋氣量，并在此基礎上提高填埋氣收集效果，最重要的是確定填埋場的填埋氣總產量。目前國內填埋氣總產量是根據國外模型計算的，但由于國內垃圾組分與國外差異較大［4］，參數取值存在一定誤差［5］。通過現場抽氣試驗，可獲得較為準確的計算參數和填埋氣總產量。

筆者對某填埋場填埋氣收集現狀進行了調查，并在該場地進行抽氣實驗，基于試驗結果，對填埋氣總產量進行了估算，評價了現場實際填埋氣收集率，提出了提高填埋氣收集率的技術措施，為填埋場填埋氣收集和配套發電的設施建設提供參考。

1 填埋氣收集現狀調查

該填埋場是西北地區某市的生活垃圾衛生填埋場，占地約7.333×105m2，總容積3.500×107m3，生活垃圾日處理量約6 000 t，屬于國內填埋規模最大的生活垃圾填埋場之一。填埋場上下游長度超過1 000 m，寬度300～500 m；經長期填埋，下游堆體現有坡高80～90 m，整體坡度1∶4左右；后續計劃填埋堆體最終高度超過120 m。

該填埋場是典型溝谷型填埋場，分層填埋作業，每填高10 m垃圾覆蓋1層20～30 cm的黃土中間覆蓋層。填埋氣收集設施隨填埋作業在最上層垃圾表層設置，主要包括水平井和豎井。水平井用于收集最上層填埋垃圾產氣，豎井可以收集到最上面1～2層填埋垃圾中的氣體。水平井直接在上層垃圾頂部挖溝建設，深度1 m，間距15 m左右，長度約50 m；豎井深度20 m，間距30 m，并設置壓縮空氣排水設施。水平井與豎井共用抽氣井頭，井頭結構見圖1。抽氣井中的氣體經集氣支管、集氣主管連接至填埋氣發電廠。

圖1 抽氣井及井頭示意

2014年4月，對現場抽氣設施運行情況進行摸底調查，重點關心現場抽氣區域的水平井和抽氣豎井是否正常工作。本次調查分為3個區域，分別是已填埋區、擬填埋區、T區和M區，如圖2所示。受填埋作業影響，很大一部分區域集氣設施遭到破壞，無法工作，未進行填埋氣收集。進行填埋氣收集的區域占全場面積的1/3。在填埋氣收集區域內水平井和豎井，正常工作水平井約占總水平井數的2/3；正常工作豎井僅占總豎井數的1/5。相當一部分井頭監測口處于打開狀態，當水平井產氣量很大時，大量填埋氣從監測口中外溢；當產氣量小時，有空氣從監測口中進入了抽氣管網系統。

進一步對T區所有井進行了詳細調查，測試了各井氣體組分、排水情況、井內水位情況、產氣量以及是否與抽氣管網連接等情況。發現水平井氣體甲烷濃度普遍超過50%，產氣量大，T區處于產氣高峰；部分水平井被滲瀝液浸沒，無法產氣。可能由于堆體內水位高、豎井排水情況不佳等因素影響，豎井的工作效率不高。

圖2 抽氣調查分區

2 抽氣試驗

為了掌握填埋場產氣現狀和產氣潛力，評估現狀填埋氣收集率；獲得與抽氣工程相關的基礎信息和關鍵技術參數，包括垃圾堆體滲瀝液水位及分布規律、淺層垃圾氣壓、填埋氣成分，以及不降水和降水條件下抽氣豎井單位時間填埋氣收集量、抽氣井影響半徑等，在現場開展抽氣實驗。選取了2個點進行平行試驗，分別打設1號抽氣井和2號抽氣井，現場位置如圖3所示。1號抽氣井靠近填埋作業區，在該區域布置3口氣壓監測井和3口水位監測井；2號抽氣井靠近邊坡區域，在該區域布置16口氣壓監測井和16口水位監測井，如圖4所示。

圖3 抽氣井平面布置示意

圖4 試驗井、水位監測井、氣壓監測井布置

抽氣試驗主要內容：不同降水條件下1號和2號單井抽氣試驗，控制抽排豎井水位降深分別為10、15、20、25 m。每級水位降深分別控制4級抽氣負壓：0（即靜態試驗，抽風機不工作）、-1、-3、-5 kPa；每級抽氣負壓條件下連續抽氣，直至抽氣量和監測井氣壓穩定，抽氣實驗結果見表1～2。

表1 1號井抽氣試驗結果

表2 2號井抽氣試驗結果

受制于試驗區域的覆蓋條件，當抽氣負壓較大時，部分工況的抽氣試驗可能有空氣混入。在進行數據處理計算時，需要扣除混入的空氣量，獲得校正穩定抽氣量。填埋氣校正穩定收集量按公式（1）計算。

式中：P校正為校正后的穩定收集量（m3/h）；P為試驗直接測得的穩定收集量（m3/h）；21%為空氣中的氧含量（體積%）；VO2為填埋氣中測得的氧含量（體積%）。后文填埋氣收集量均按公式（1） 進行校正，計算結果如表3所示。

表3 抽氣井抽氣流量

使用Scholl Canyon模型對本場填埋氣產氣規律進行預測。Scholl Canyon模型計算公式為：

式中：Qt為第t年的小時總產氣量，m3/h，計算結果為甲烷含量約50%的填埋氣；k為氣體產率變化系數，a-1；L0為甲烷理論總產量，m3/t；Mi為年垃圾填埋量，t；ti為垃圾填埋年限，a；ta為最長產氣年限，a。計算得到填埋氣產量，確定L0和k。L0根據垃圾組分，按IPCC模型預測；根據預測得到的L0和抽氣試驗數據，反演得到k。根據抽氣試驗結果，該填埋場L0=163.2 m3/t，k=0.346，利用公式（2），對全場填埋氣產量預測，結果見圖5。據預測，2014年全場填埋氣總產量為42 416 m3/h，現場實際填埋氣收集量約4 000 m3/h，填埋氣收集率約為9.4%。全場有效收集面積約為145 000 m2，約占全場面積的30%，有效收集面積內的總產氣量為14 138 m3/h，填埋氣收集率為28.3%。

圖5 全場填埋氣產量預測

3 填埋氣高效收集建議

3.1 分區填埋作業，提高填埋氣收集覆蓋范圍

現場調查發現，受水平推填作業方式的影響，填埋作業面大，無法布設收集設施；且填埋氣收集設施使用壽命短，需要不斷重復建設，投入較大、效率較低。建議采取分區填埋作業方式，減少作業面積，提高填埋氣收集覆蓋范圍。

3.2 采取立體導排措施，控制堆體水位

馬小飛在上海黎明填埋場抽氣實驗可知，當抽氣井周圍的水位下降后，該區域的填埋氣的收集量迅速提高，約為降水前的2倍。Tony Liang Tong Zhan等在現場開展了不同降水深度的抽氣實驗，降水后收集率明顯增大，抽氣影響半徑增大。陳云敏等［6］為了控制深圳下坪填埋場堆體穩定，在現場布設立體導排設施導排滲瀝液，邊坡部分的滲瀝液水位從原來的地面以下2 m降低至堆體表面以下5～10 m，堆體后部水位降至表面以下10～15 m，降水后填埋氣收集率也從原來的10%升高到70%。可見，構建立體導排體系，降低滲瀝液水位，可以有效提高填埋氣收集率。

3.3 加強覆蓋，提高抽氣負壓

Z.Z.Chen等［7］在現場分別開展了表面未密封和良好密封HDPE膜條件下的抽氣實驗，判定表面密封對填埋氣的收集率的影響。結果表明，HDPE膜未很好密封時，氣體收集時會有空氣從周邊流進收集系統，填埋氣的氧氣含量較高。重新鋪設新的HDPE膜并且密封良好后，填埋氣的收集率增加25%。文章指出黃土作為覆蓋層造價越來越高，而且黃土覆蓋層容易在干濕循環條件下出現龜裂，堆體內部氣壓順著這些裂縫形成優勢流，造成大量的填埋氣泄漏。同時提高抽氣負壓可以明顯增大填埋氣的收集量，對比現場抽氣實驗數據可知，當收集負壓在-5 kPa的收集量約為-1 kPa時的2～3倍，收集率提升效果明顯。建議在現場采用HDPE膜良好密封，同時加大填埋氣抽氣負壓，尤其是產氣高峰區域的填埋氣收集負壓。

3.4 打設深層液氣聯合抽排豎井，有效收集深層填埋氣

根據現場抽氣實驗可知，實驗用液氣聯合抽排深井的抽氣能力約為現場抽氣豎井的3倍，當抽排深井在-5 kPa的抽氣負壓作用下，每小時可以抽氣100 m3，現場抽氣豎井的產氣量約為30 m3/h。而且現場抽氣豎井的深度約為20 m，無法有效收集深層填埋氣。深層填埋氣在堆體內部積聚，甚至可能對填埋場的穩定性產生不利影響。因此，應設置深層液氣聯合抽排豎井，井深達到30～40 m，并采取有效的降水措施，高效收集各層填埋氣。

4 結論

1）現場調查發現，受填埋作業影響，填埋氣收集區域僅占全場面積的1/3，且收集區域內收集設施運行不佳，正常工作水平井約占總水平井數的2/3；正常工作豎井僅占總豎井數的1/5。

2）2014年4月抽氣試驗表明，全場填埋氣產量為42 416 m3/h，現場實際填埋氣收集量約4 000 m3/h，填埋氣收集率約為9.4%。考慮到有效收集面積因素，填埋氣的收集率約為28.3%。

3）建議采取分區填埋作業，立體導排控制堆體水位，加強覆蓋、提高抽氣負壓，打設深層液氣聯合抽排豎井等措施，有效提高填埋氣的收集率。

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［7］Chen Z Z，Gong H，Zhang M.Impact of using high-density polyethylene geomembrane layer as landfill intermediate cover on landfill gasextraction［J］.Waste Manage，2011，31（5）：1059-1064.