污泥衛生填埋場設計優化

蒲 敏

(上海市環境工程設計科學研究院有限公司，上海 200232)

污泥衛生填埋場設計優化

蒲 敏

(上海市環境工程設計科學研究院有限公司，上海 200232)

污泥衛生填埋是其大批量快速無害化消納的主流技術。本論文以Darcy定律為理論基礎，建立集氣井抽氣條件下的污泥填埋氣一維壓力分布簡易模型，并進一步確定豎井抽氣系統的最佳影響半徑，優化污泥填埋氣豎井收集系統。集氣井的服務半徑Roi可達到10～11.5m。填埋氣導氣豎井采用穿孔導氣管居中的石籠，導氣管管底與滲濾液收集干管相連通，管頂露出改性污泥覆蓋層表面1.0m。導氣豎井由里到外依次為：Φ160mm的HDPE穿孔花管、0.64m厚的級配碎石填埋氣導排層、鋼絲格網、200gm-2機織土工布、0.3m厚的礦化垃圾(或建筑垃圾)保護層和200gm-2機織土工布。每個污泥填埋庫區設置3個導氣豎井，導氣井間距為20～25m；各導氣豎井出氣口由水平軟管相互連通后，集中輸送至總氣體收集井，再通過HDPE集氣干管送至填埋氣發電區；填埋氣導氣井出口和集氣干管應安裝閥門和甲烷檢測端口。

脫水污泥；衛生填埋；設計優化

衛生填埋具有建設周期短、投資省、管理方便、運行簡單等特點，目前仍是我國污泥處理的最有效方法之一，如上海老港衛生填埋場目前承擔了上海市70～80%污泥的安全處置任務。盡管衛生填埋并非最有效的污泥處置手段，但無論就應急或末端處置角度而言，衛生填埋均不可或缺。污泥衛生填埋是確保城市污水處理廠正常運行、城市市容環境和居民生活健康發展的重要保障之一。然而，迄今為止我國還沒有專用的污泥衛生填埋場，填埋規范和標準亦是空白。污泥衛生填埋仍然處于工程實驗階段，許多工程問題還未得到解決，如污泥含水率高、滲透性低、流動性大、力學性能極差，施工難度較大，滲濾液和填埋氣收集管道堵塞嚴重，收集效率低下。此外，由于填埋作業的不規范，填埋堆體滑坡等次生災害和二次污染時有發生，污泥的衛生填埋對施工和操作工藝提出了更高要求和更嚴標準。因此，研發和優化衛生填埋施工工藝，構建污泥衛生填埋與施工過程規范集成技術體系是實現污泥衛生填埋安全處置的關鍵核心。

如把污泥單獨填埋時，一般要求污泥的抗剪強度≥ 80～100kN·m-2。根據德國的資料，當脫水后的污泥和垃圾混合填埋時，要求污泥的含固率≥ 35%、抗剪強度≥ 25kN·m-2，滲透系數在10-6～10-5cm·s-1[1-4]。為了達到這一指標，必須投加石灰等添加劑進行后續處理。根據我國在CJ/T 249-2007《城市污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質》中的規定，城鎮污水處理廠污泥進入生活垃圾衛生填埋場與生活垃圾進行共同處置時，其基本指標應滿足污泥含水率≤60wt.%、pH在5～10之間、混合比例≤8wt.%、橫向剪切強度≥25kN·m-2等。

脫水污泥含水率(80wt.%)較高，抗壓強度通常<10kPa和抗剪強度<5kPa，難以滿足填埋對土工性質的要求[2]，因此，尋找合適的改性劑以增強污泥的土力學性質成為了目前的研究焦點。對以礦化垃圾為改性劑與生化污泥的混合填埋和化學污泥固化填埋的研究中發現，生化污泥與礦化垃圾按10∶7的比例進行混合填埋可以達到污泥填埋的土力學要求[3]，并可加速污泥厭氧產氣反應和有機質的降解，縮短污泥穩定化的時間；污泥固化填埋采用一種新型的鎂系(M1)膠凝固化劑，在加入量為5wt.%時，可以達到污泥的填埋要求，同時對污泥中重金屬也起到固化作用，減少了重金屬的浸出帶來的二次污染。用粉煤灰、礦化垃圾、建筑垃圾和泥土四種材料作為改性劑，以不同配比與污泥混合試驗。在改性污泥滿足填埋要求的最低混合配比下，綜合比較改性劑對污泥的抗壓和抗剪強度、滲透性能、壓縮性和臭度等工程性質的改善情況發現，以粉煤灰對污泥改性效果最好，其次建筑垃圾和礦化垃圾，泥土效果最差[1-4]。

污泥衛生填埋后會有大量的滲濾液和填埋氣產生。CJ/T 249-2007《城鎮污水處理廠污泥處置 混合填埋泥質》中規定，污泥衛生填埋場應有沼氣利用系統，滲濾液能達標排放。目前，隨著人類環保意識的增強，大多數污泥填埋場均設有滲濾液導排、收集和處理裝置；但很少設有填埋氣的收集處理裝置。填埋氣中CH4的密度較空氣小，很容易在填埋場內部某些封閉區聚集，有引起火災甚至爆炸的危險。另外，CH4氣體作為填埋氣的主要成分有很高的熱值，集中收集凈化后可作為再生能源加以利用，如作為工業燃料或民用；將φ(CH4)提高到80%以上還可以作清潔燃料。因此，設置集氣井對填埋氣有規則的導排，不僅可以降低填埋作業的危險度，避免安全事故的發生，同時還有效地對能源進行回收利用，達到了環境保護與經濟效益的和諧統一。

然而，由于污泥滲透系數較小，導致填埋氣體的有效收集半徑十分有限[3]。不合理的設置集氣井不僅不利于污泥填埋氣的經濟、合理、高效收集，還會影響填埋作業的正常進行。目前，有關垃圾填埋場集氣井的優化布局研究已經較為成熟，而對污泥填埋場填埋氣集氣井布局設計的研究相對較少。可見，對污泥填埋氣收集系統進行優化設計是很有必要的。

污泥衛生填埋場常有大量填埋氣產生，有關生活垃圾填埋場集氣井的優化布局研究已經較為成熟，而對污泥填埋場填埋氣集氣井布局設計的研究相對較少。因此，對污泥填埋氣收集系統進行優化設計是污泥衛生填埋的一個重要課題。盡管有關生活垃圾填埋場填埋氣收集系統的優化研究頗多[5-7]，但因污泥與垃圾本身較大的特性差異(如白龍港化學污泥在50～100kPa下的滲透系數為1.21×10-7～2.07×10-8cm·s-1[4]，而垃圾在10-8～10-5 2Pa-1·s-1之間[5])而不宜簡單引用，而目前有關污泥填埋氣集氣井優化方面的研究還鮮為報道。因此，本文通過對污泥填埋場集氣井收集系統進行優化研究，確定污泥滿足填埋的最小滲透系數、集氣井有效服務半徑和抽氣負壓隨時間的變化規律以及填埋氣經濟的收集年限，為污泥衛生填埋場和集氣井的優化研究提供科學依據和理論指導。

1 豎井抽氣條件下填埋氣壓力分布簡易模型分析

污泥填埋堆體可看成一種各向同性的多孔介質，故填埋氣在堆體中的遷移運動可近似認為符合多空介質的流體力學理論。另外，豎井抽氣系統因其結構簡單、收集效率高而被廣泛應用于生活垃圾填埋場的填埋氣收集。因此，本文擬以一級動力學模型和Darcy定律[8]為理論依據建立集氣井抽氣條件下的污泥填埋氣一維壓力分布簡易模型，并進一步確定豎井抽氣系統的最佳影響半徑。

模型構建的假定條件：(1)填埋場面積足夠大，其邊界不會對抽氣效果產生影響[8]，井中氣壓都等于抽氣壓力，無窮遠處填埋場內的相對壓強為8P(填埋場內部的相對壓強)，填埋場內部豎直方向不存在壓力梯度；(2)填埋垃圾體內部產氣速率達到穩定；(3)集氣井定流量抽氣，經過一段時間后抽氣系統達到穩定狀態[9]，即抽氣量與影響半徑內的污泥產氣量達到動態平衡；(4)抽氣井周邊的填埋氣等流速分布，且在進入集氣井時的徑向流速達到最大值；(5)填埋氣在堆體內的遷移速度隨距抽氣井中心距離的增加符合一級動力學衰減規律和Darcy定律；(6)填埋氣以抽氣井中心為坐標原點建立直角坐標系。填埋氣豎井抽氣系統如圖1所示。

圖1 污泥衛生填埋場豎井抽氣系統示意圖

由上述假設條件可知，在負壓抽氣條件下填埋氣在向集氣井遷移的過程中，井周等流速分布，且隨半徑的增加流動通量近似符合一級動力學衰減規律：

式中：V為填埋氣進入抽氣井時的遷移速度，m·s-1；V0為填埋氣進入集氣井時的徑向最大流速，m·s-1；r為填埋氣距集氣井中心的距離，m；k為填埋氣的衰減系數；D集氣井直徑，m。

由多孔介質流體力學理論可知，流速通量隨r的增加亦符合Darcy定律：

式中：Kh為城市污泥水平方向的滲透系數(以下簡稱滲透系數)，m2(Pa·s)-1；dp/dr為集氣井周邊沿水平方向填埋氣的壓力梯度，Pa·m-1。

聯立上述兩式可建立豎井抽氣條件下填埋氣壓力分布的簡易模型如下：

邊界條件：

式中：ΔP為填埋場內部無窮遠處的相對壓強，Pa；P0為大氣壓強，Pa；Pchou為集氣豎井內的抽氣負壓，Pa；Q為集氣豎井的抽氣流量，m3·s-1；D為豎井直徑，m；H為井深，m。

在邊界條件下對方程式(9.3)求解，且令ΔP+P0=Pa，ΔP+Pchou=Pb，則方程組的解可表達為：

2 豎井填埋氣收集負荷核算

抽氣井影響半徑(radius of influence，Roi是填埋氣收集系統的重要設計參數，它是指抽氣井收集填埋氣的最大作用范圍，在該范圍以內，填埋氣都向抽氣井運動而被收集[9]。當抽氣流量穩定后，在抽氣井的作用范圍內污泥產氣和抽氣達到平衡，并認為影響半徑不隨填埋深度而變化。則抽氣量可以近似表示為：

式中：Roi為影響半徑，m；h為豎井埋深，m；ν為填埋氣產率，kg(m3·a)-1。

利用已建立的抽氣條件下填埋氣壓力分布模型，對污泥填埋氣豎井收集系統進行系統優化設計研究。

表1 污泥組成及衛生填埋的相關參數

注：a：抽氣井井長H取填埋深度h的80%[9]，即H=h× 80%=9×80%=7.2m。

3 滲透系數對豎井影響半徑的影響

滲透系數的不同會對集氣井的服務半徑產生很大的影響，首先通過對不同滲透系數在一定的抽氣壓范圍對服務半徑的影響分析，確定污泥填埋時合適的滲透系數。取滲透系數Kh1∶Kh2∶Kh3：Kh4為10∶2.5∶1.25：1進行研究，見表2。

表2 污泥的滲透系數(m2(pa·s) -1)

結合式(4)及表1的相關參數可確定影響半徑Roi時的抽氣量：

將式(5代入式(3并對對其關于r求導得：

根據有關研究結果，在影響半徑處(r=Roi)的壓力梯度為dP/dr=0.5～1.20Pa·m-1。取dP/dr=0.8Pa·m-1時，Pb=ΔP+Pchou、影響半徑Roi與滲透系數的分析結果如下圖2所示，其中ΔP較Pchou小的多，可認為Pb≈Pchou。由于有關污泥豎井抽氣系統優化設計的研究鮮為報道，因此，本研究以垃圾填埋場填埋氣主動收集系統所需的負壓(2.5～25kPa)[12]為參考依據，而污泥滲透系數一般較垃圾的小，故所需抽氣負壓會較大；但過大的負壓不僅不利于提高收集效率，還可能將空氣引入填埋場內部，抑制厭氧型甲烷菌的活性，同時也會將污泥吸入導氣石籠，致使其堵塞。故在此基礎上適當增加抽氣負壓取值，取Pb值取25～30kPa之間。

根據式(5)及表2進行數值模擬，計算不同滲透系數和影響半徑下的抽氣負壓，計算結果如圖2。經分析可知，Pb對污泥滲透系數Kh的變化十分敏感，Kh的減少在相同抽氣負壓下集氣井的服務半徑急劇減少。Pb在25～30kPa之間時，滲透系數為Kh1時，集氣井的服務半徑Roi在10～11.5 m之間；而在Kh2時的服務半徑只有6～8m，減少了將近1倍；在Kh4時的服務半徑更小，只有5～6m，可見過小的Kh會嚴重影響集氣井的集氣效率。同樣，在一定范圍的服務半徑Roi時對于不同的滲透系數抽氣負壓的范圍也相去甚遠，其中以Kh4時最大，Kh3次之，而Kh1最小。

圖2 抽氣負壓、影響半徑與滲透系數關系

可見，抽氣負壓和污泥滲透性是影響集氣井影響半徑的兩大重要因素。提高抽氣負壓可以有效地提高影響半徑，但過高的負壓會產生很多問題；而提高污泥滲透性，如降低含水率、添加改性劑[4]等，不僅可以有效地提高收集系統的服務半徑，還可降低能耗，增強污泥的強度，提高填埋作業的安全性。

因此，污泥填埋時其滲透系數不應小于10-8m2(Pa·s)-1；這樣在填埋初期，抽氣負壓Pb取25～30kPa時，集氣井的服務半徑Roi可達到10～11.5m。

4 抽氣負壓隨填埋時間的變化預測

隨著填埋時間的增加，污泥中有機質的不斷消耗填埋氣產量的不斷減少，在污泥穩定化過程的不同時期所需抽氣負壓也將會發生很大變化，如不及時對抽氣系統做合理的調整，不僅會影響抽氣效率、提高能耗、增加操作成本，還有可能造成收集井的塞，導致整個填埋氣收集系統無法正常運行。

以污泥填埋氣產率隨時間變化規律的研究為基礎，結合式(9.6)對抽氣負壓隨產氣量的變化進行模擬計算(圖3)，結果發現：在滲透系數為Kh1(1.04×10-7m2(Pa·s)-1)、服務半徑Roi為10m時，抽氣負壓隨填埋時間的增加整體成指數減少，在起初的8年內，抽氣負壓隨時間的減小幅度較大，在第8年即從起初的25kPa降低到5kPa以下，這主要是由于污泥中有機質的大量消耗，填埋氣產氣速率的快速減少所致；從第8年起，所需抽氣負壓變得較小且隨時間的變化幅度較為緩和，到第20年時接近0，這是因為在此階段污泥礦化度已經很高，填埋氣產率較起初小的多，最后時接近完全礦化，幾乎沒有填埋氣產生。而實際上，隨填埋時間的增加，污泥不斷地礦化，其滲透性能也較填埋時變大，實際所需的抽氣負壓也會較理論值要小。

另外，從圖3亦可看出，在起初的8年內填埋氣產氣速率隨時間快速減少，但總體產氣率較高，平均甲烷產氣速率在5kg(m3·a)-1以上；而從第8年起，甲烷產氣速率隨時間變化較為緩和，但總體產氣速率較小，如第8年時就降為約2kg(m3·a)-1，到第20年時幾乎為0。因此，從經濟、效益和諧統一的角度來看，從第8年起對填埋氣繼續進行收集意義不大。

圖3 甲烷產氣速率、抽氣負壓隨時間的變化關系圖

5 填埋氣導排與收集系統設計

在上海老港衛生填埋場46#～47#和55#單元構建的規模20000m3的污泥生物反應器示范工程，以規范污泥固化和改性填埋過程的控制條件和設備配置，形成衛生填埋安全處置操作規范，為污泥衛生填埋與資源化再利用提供重要的工程技術參數。

(1)填埋氣導氣豎井采用穿孔導氣管居中的石籠，導氣管管底與滲濾液收集干管相連通，管頂露出改性污泥覆蓋層表面1.0m。導氣豎井由里到外依次為：Φ160mm的HDPE穿孔花管、0.64m厚的級配碎石填埋氣導排層(Φ40～50mm的碎石層、Φ25～30mm的碎石層、Φ10～20mm的碎石層)、鋼絲格網、200g·m-2機織土工布、0.3m厚的礦化垃圾(或建筑垃圾)保護層和200g·m-2機織土工布(圖4)。

圖4 污泥衛生填埋場豎井抽氣系統剖面圖

(2)導氣石籠頂部按照封場覆蓋設計結構依次鋪設粘土層、光面HDPE防滲膜和覆蓋土層；HDPE土工膜與穿孔管通過擠壓焊接方式搭接(圖5)。

圖5 HDPE土工膜與穿孔管搭接詳圖

(3)每個污泥填埋庫區設置3個導氣豎井，導氣井間距為20～25m；各導氣豎井出氣口由Φ63mm的水平軟管相互連通后，集中輸送至總氣體收集井，再通過Φ160mm的HDPE集氣干管送至填埋氣發電區；填埋氣導氣井出口和集氣干管應安裝閥門和甲烷檢測端口。有關污泥衛生填埋場現場實物圖見圖6。

圖6 污泥衛生填埋場現場實物圖

6 結 論

本文以一級動力學模型和Darcy定律為理論依據，建立集氣井抽氣條件下的污泥填埋氣一維壓力分布簡易模型，并進一步確定豎井抽氣系統的最佳影響半徑。抽氣負壓和污泥滲透性是影響集氣井影響半徑的兩大重要因素。提高污泥滲透性，如降低含水率、添加改性劑等，不僅可以有效地提高收集系統的服務半徑，還可降低能耗，增強污泥的強度，提高填埋作業的安全性。污泥填埋時其滲透系數不應小于10-8m2(Pa·s)-1；這樣在填埋初期，抽氣負壓Pb取25～30kPa時，集氣井的服務半徑Roi可達到10～11.5m。在滲透系數為Kh1(1.04×10-7m2(Pa·s)-1)、服務半徑Roi為10m時，抽氣負壓隨填埋時間的增加整體成指數減少，在起初的8年內，抽氣負壓隨時間的減小幅度較大，在第8年即從起初的25kPa降低到5kPa以下。隨填埋時間的增加，污泥不斷地礦化，其滲透性能也較填埋時變大，實際所需的抽氣負壓也會較理論值要小。填埋氣導氣豎井采用穿孔導氣管居中的石籠，導氣管管底與滲濾液收集干管相連通，管頂露出改性污泥覆蓋層表面1.0m。導氣豎井由里到外依次為：Φ160mm的HDPE穿孔花管、0.64m厚的級配碎石填埋氣導排層(Φ40～50mm的碎石層、Φ25～30mm的碎石層、Φ10～20mm的碎石層)、鋼絲格網、200g·m-2機織土工布、0.3m厚的礦化垃圾(或建筑垃圾)保護層和200g·m-2機織土工布。每個污泥填埋庫區設置3個導氣豎井，導氣井間距為20～25m；各導氣豎井出氣口由Φ63mm的水平軟管相互連通后，集中輸送至總氣體收集井，再通過Φ160mm的HDPE集氣干管送至填埋氣發電區；填埋氣導氣井出口和集氣干管應安裝閥門和甲烷檢測端口。

[1]Zhen Guangyin and Zhao Youcai，，Elsevier Publisher Inc.2017 (Oxford OX5 1GB，United Kingdom and Cambridge，MA 02139，United States).

[2]李兵，張承龍，趙由才主編.《污泥處理與資源化叢書——污泥表征與預處理技術》，北京：冶金工業出版社，2010年6月.

[3]朱英，張華，趙由才主編.《污泥處理與資源化叢書——污泥循環衛生填埋技術》，北京：冶金工業出版社，2010年6月.

[4]李鴻江，顧瑩瑩，趙由才主編.《污泥處理與資源化利用叢書——污泥資源化利用技術》，北京：冶金工業出版社，2010年6月.

[5]趙由才，龍燕，張華主編.《固體廢物處理與資源化叢書——生活垃圾衛生填埋技術》，北京：化學工業出版社，2004年2月.

[6]宋立杰、陳善平、趙由才主編.《可持續生活垃圾處理與資源化技術》，北京：化學工業出版社，2014年2月.

[7]陸文龍，崔廣明，陳浩泉編著，趙由才主審.《生活垃圾衛生填埋建設與作業運營技術》，北京：冶金工業出版社，2013年7月.

[8]魏海云，詹良通，陳云敏.城市生活垃圾的氣體滲透性試驗研究.巖石力學與工程學報，2007，26(7)：1408-1415.

[9]彭緒亞，劉國濤，余毅.垃圾填埋場填埋氣豎井收集系統設計優化.環境污染治理技術與設備，2003，4(3)：6-8.

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

[11]朱英.衛生填埋場中污泥降解與穩定化過程研究[博士學位論文].上海：同濟大學環境科學與工程學院，2008.

[12]李傳統，J.D.Herbell.現代固體廢物綜合處理技術，南京：東南大學出版社，2008.

Design Optimization for Dewatered Sewage Sludge Sanitary Landfill

PU Min

(Shanghai Institute for Design & Research on Environmental Engineering Co.Ltd，Shanghai 200232)

Based on the theory of Darcy，a first order mathematical model was deduced to optimize landfill gas (LFG) collection system.The radiuses of influence (Roi) of vertical extraction well was found to be 10～11.5m.The major components of landfill gas are methane and carbon dioxide with a member of minor constitutes.In order to control greenhouse gas emissions and minimize the risk of migration of landfill gas，effective extraction systems must be developed.The collection system (e.g.vertical extraction well) comprises vertical gas well (Φ160mm HDPE)，wellheads，and collection pipe.The vertical well has perforations over the lower part of pipe length，and is surrounded by a suitably sized aggregate fill (0.64 m thickness) and a composite protective layer (including steel wire gauze，200 g/m2woven geotextile，0.3m-thickness aged refuse or construction waste，and 200g/m2woven geotextile).The welding between HDPE geomembrane and perforated pipe should be performed to prevent air admission.Vertical gas wells are normally spaced between 20m and 25m part，with 3 wells in a landfill unit；the collected landfill gas is then conveyed via the collection pipe network to the point of thermal destruction (e.g.flare unit) or energy production.The recovery of landfill gas as an energy resource can compensate the part of the costs of sludge disposal，but the potential depends upon the methane content of the gas.Normally，the purification of gas should be taken into account prior to entering generator set.

Dewatered sewage sludge；sanitary landfill；design optimization

項目資助：污泥項目編號14DZ1208400；飛灰項目編號16DZ1202900

蒲敏，高級工程師，研究方向為環境保護

文獻格式：蒲 敏.污泥衛生填埋場設計優化[J].環境與可持續發展，2017，42(4)：80-84.

X21

A

1673-288X(2017)04-0080-05