封場生活垃圾填埋場好氧治理通風(fēng)系統(tǒng)計算與應(yīng)用

王颋軍，李 玲，高建華，薛曉磊

（中節(jié)能大地環(huán)境修復(fù)有限公司，北京 100082）

1 引言

垃圾填埋是我國生活垃圾處理的最主要方式，在過去的幾十年中，由于受經(jīng)濟發(fā)展水平的約束，眾多城市的非正規(guī)垃圾填埋場未采取有效的防護措施，生活垃圾在降解過程中，產(chǎn)生的廢氣、廢水和廢渣污染了周圍的空氣、地下水和土壤［1，2］。然而隨著城市化進程的加快，人民生活水平的提高，城區(qū)面積的擴大，特別在經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)，這些垃圾場已從城市邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘械闹行幕蚓幼^(qū)，當?shù)氐木用翊嬖诒焕廴疚：Φ目赡苄裕诔蔀槲覈鴮崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和城市化進程的突出制約因素。

原地加速降解治理是將填埋場變?yōu)樯锓磻?yīng)器，改變填埋場中的物理和化學(xué)條件，建立符合微生物生長的環(huán)境，利用微生物的作用，加速垃圾中可生物降解有機物的分解，縮短填埋場的填埋時間，可以分為厭氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器2種方法。好氧反應(yīng)器在非正規(guī)垃圾填埋場的治理方面具有其他方案不可比擬的優(yōu)勢，好氧反應(yīng)處理提高分解速率，減少有害和有氣味氣體的釋放，并且提高滲濾液的品質(zhì)，對改造填埋場、減少污染具有重大意義。目前，利用該技術(shù)治理的填埋場已有很多，例如美國Florida 州的New River 填埋場［3，4］、德國的Kuhstedt 填埋場［5，6］、中國北京石景山區(qū)的黑石頭填埋場［7］和大連某垃圾填埋場［8］。

2 好氧生物反應(yīng)器的原理

好氧生物反應(yīng)器法治理垃圾填埋場是通過在填埋堆體中埋設(shè)注氣井、注液井和排氣井，向垃圾堆體內(nèi)注入空氣，并將收集的滲濾液和其他液體回注至垃圾堆體，使堆體中的有機物在適宜的含氧量、溫度、濕度條件下，經(jīng)好氧微生物的作用快速降解，縮短垃圾分解的時間。垃圾在好氧條件下的降解速率是厭氧下的30 倍以上［9］，因此極大縮短了填埋場穩(wěn)定化的時間。同時通過排氣井排除垃圾堆體中的二氧化碳等氣體，并帶出好氧反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。

好氧生物反應(yīng)器技術(shù)通風(fēng)系統(tǒng)的空氣經(jīng)注氣風(fēng)機壓縮后，通過鋪設(shè)在填埋場表面的注氣管線，輸送至注氣井中，進而擴散到整個填埋場內(nèi)部，創(chuàng)造填埋場內(nèi)的好氧環(huán)境，使垃圾進行好氧降解，生成的好氧填埋氣在負壓作用下，匯集到抽氣井，通過連接負壓風(fēng)機的抽氣管線，經(jīng)汽水分離器、吸收塔等過濾、吸收有害有味氣體后，安全地排放到大氣中。工藝流程如圖1 所示，固體好氧生物反應(yīng)器系統(tǒng)組成包括3 個部分：①填埋場區(qū)域內(nèi)抽氣、注氣、滲濾液收集和注液系統(tǒng)；②生物好氧反應(yīng)器的控制系統(tǒng)；③生物好氧反應(yīng)器綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 填埋場好氧生物反應(yīng)器工藝流程示意

3 風(fēng)量計算模型

好氧生物反應(yīng)器技術(shù)治理封場填埋場工藝中的通風(fēng)量主要是指填埋場內(nèi)垃圾進行好氧降解所需的O2量和生成的好氧填埋氣量。本研究以預(yù)測垃圾填埋場填埋氣產(chǎn)生量的Buswell 化學(xué)計量模型［10］為基礎(chǔ)，建立好氧技術(shù)通風(fēng)量計算的化學(xué)計量模型。

首先，通過分析填埋場內(nèi)垃圾組成，得出代表該填埋場中有機垃圾組成的概化分子式；然后，利用有機垃圾生物可降解度求出填埋場內(nèi)可生物降解的垃圾質(zhì)量；最后，基于以上2 點，利用Buswell 提出的垃圾好氧降解反應(yīng)方程式，計算垃圾好氧降解所需要的O2量和降解后生成的好氧填埋氣量。

3.1 計算概化分子式

按照填埋場內(nèi)的垃圾組成，結(jié)合各類垃圾的元素分析，求出填埋場中垃圾各元素質(zhì)量百分比，進而計算物質(zhì)的量之比，并歸一化，最后得到代表該填埋場有機垃圾的概化分子式CaHbOcNd。以求分子式中C 元素個數(shù)a 為例，計算如下：

式中：a 為C 元素個數(shù)；ωi為第i 類垃圾質(zhì)量分數(shù)，%；θi為第i 類垃圾含水率，%；Ec，i為第i類垃圾C 元素的質(zhì)量分數(shù)，%；Mc為C 元素的相對分子質(zhì)量，12 g/mol。

3.2 計算生物可降解度

不同類型垃圾的生物可降解度不同，相關(guān)研究顯示，生物可降解度與垃圾中難以生物降解的木質(zhì)素含量直接相關(guān)，木質(zhì)素含量高的有機垃圾生物可降解度較低。Tchobanoglous 等通過研究得出兩者之間的關(guān)系如下：

式中：BFi為有機垃圾i 中可降解有機物的質(zhì)量分數(shù)，%；LCi為有機垃圾i 中木質(zhì)素質(zhì)量分數(shù)，%。

根據(jù)式（2） 可確定填埋場內(nèi)有機垃圾中可生物降解部分的質(zhì)量分數(shù)。其中廚余垃圾LC1值為0.4%、紙類垃圾LC2值為5.8%，因此可得到廚余垃圾BF1=0.819、紙類垃圾BF2=0.668。而塑料、紡織品、橡膠、皮革等垃圾BF3=0，屬于極難降解類垃圾。

有機垃圾中可降解垃圾的平均質(zhì)量分數(shù)可按如下方法計算：

式中：BF 為有機垃圾中可降解垃圾的平均質(zhì)量分數(shù)，%。

3.3 注氣量的計算

注氣量主要指注入填埋場內(nèi)的空氣量，可根據(jù)垃圾好氧降解所需的O2量求得。

有機垃圾與注入空氣中O2反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

根據(jù)好氧降解反應(yīng)方程式（4） 和質(zhì)量守恒定律可求出標準狀況下垃圾降解所需要的O2量，依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，可求出該填埋場治理過程所需的理論注氣量。

式中：Vin為注氣量，m3；m 為垃圾量，kg；θw為含水率，%；θo為有機垃圾質(zhì)量分數(shù)，%；θbf為有機垃圾中可降解垃圾的質(zhì)量分數(shù)，%； kz為單位轉(zhuǎn)化關(guān)系，1 000 g/kg；q 為進行好氧降解垃圾的質(zhì)量分數(shù)，%；M 為概化分子式的相對分子質(zhì)量，g/mol；R 為理想氣體常數(shù)，8.314 kPa·L/（K·mol）；tin為進氣溫度，℃；Pin為進氣狀態(tài)壓強，kPa；G為單位轉(zhuǎn)化關(guān)系，0.001 m3/L；J 為空氣中氧氣體積分數(shù)，一般取值0.21。

3.4 抽氣量的計算

抽氣量主要包括好氧降解生成的CO2，部分垃圾厭氧降解生成的CO2、CH4和NH3（量少，本研究未考慮），注氣過程帶入的N2等，計算過程如下：

計算好氧降解生成的CO2，以反應(yīng)方程式（4）為基礎(chǔ)求得：

垃圾進行厭氧降解的化學(xué)反應(yīng)方程式：

計算厭氧降解生成CO2和CH4，以反應(yīng)方程式（8） 為基礎(chǔ)求得：

式（6） 中的VCO2應(yīng)包括好氧降解生成的CO2和厭氧降解生成的CO2，即：

N2量主要與注氣量有關(guān)，其計算式為：

式中：Vout為抽氣量，m3；VCO2-1為好氧降解生成的CO2，m3；VCO2-2為厭氧降解生成的CO2，m3；VN2為注氣過程帶入的N2，m3；tout為抽氣狀態(tài)溫度，℃；Pout為抽氣狀態(tài)壓強，kPa。

假定填埋場治理項目運行年限為N 年，則注氣風(fēng)機所提供的注氣速率為：

抽氣風(fēng)機所提供的抽氣速率為：

式中：uin為注氣速率，m3/min；uout為抽氣速率，m3/min。

4 風(fēng)壓計算模型

好氧生物反應(yīng)器技術(shù)的通風(fēng)壓力是風(fēng)機選型所必需的參數(shù)，同時對氣體的擴散有重要影響。風(fēng)機提供的壓力主要克服管道壓力損失和堆體壓力損失。

4.1 堆體壓力損失

以一級動力學(xué)模型和達西定律為理論依據(jù)，建立好氧生物反應(yīng)器技術(shù)通風(fēng)系統(tǒng)注氣和抽氣壓力的計算模型。

以注氣井注氣壓力為例進行建模，抽氣井的抽氣壓力模型可以類推得到。建模過程的基本假設(shè)：①填埋場足夠大，邊界效應(yīng)可忽略，豎直方向上的壓力梯度不考慮；②注氣速率達到了穩(wěn)定狀態(tài)，即風(fēng)機以恒流量注氣；③注入的氣體在填埋場內(nèi)的橫向遷移速率，隨距注氣井距離的變化規(guī)律服從一級動力學(xué)衰減規(guī)律和達西定律。

由假設(shè)可知，氣體通過注氣井向四周擴散，擴散速率符合一級動力學(xué)衰減規(guī)律：

式中：V 為堆體中氣體的擴散速率，m/s；V0為堆體中氣體最大擴散速率，即注氣井處氣體擴散速率，m/s；r 為距離注氣井的距離，m；k 為衰減系數(shù)；Qw為單井注氣速率，m3/s；Dw為注氣井的直徑，m；Hw為井的深度，m。

由多孔介質(zhì)流體力學(xué)理論可知，注入的氣體在填埋場中的擴散過程符合達西定律，即：

式中：Kh為填埋場內(nèi)垃圾的滲透系數(shù)，m2/（Pa·s）；dp/dr 為注氣井周邊水平方向的壓力梯度，Pa/m。

結(jié)合式（15） ～式（17），建立注氣井周圍填埋場內(nèi)氣體壓力分布模型：

該模型的邊界條件是：

式中：Pin為注氣井的注氣壓力，Pa；P（r）為距注氣井r 處的氣體壓力，Pa。

在此邊界條件下，對上式進行求解可得：

式中：Qw為單井注氣速率，m3/s；h 為填埋場深度，m；ψ 為單位體積垃圾的氧氣消耗速率，由注氣速率除以總體積求得。

將式（22）帶入式（21），并對其進行求導(dǎo)，得：

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，在井影響半徑處，通風(fēng)壓力在沿水平方向的梯度為0.5～1.2 Pa/m。本研究取壓力梯度為0.8 Pa/m，根據(jù)式（23） 可求得注氣壓力。

4.2 管道壓力損失

管道的壓力損失計算公式為：

式中：λ 為摩阻系數(shù)；l 為管道的長度，m；d為管道的內(nèi)徑，mm；ε 為管件的阻力系數(shù)；ρ 為氣體的密度，kg/m3；u 為管道內(nèi)流體的速度，m/s。

通過以上推導(dǎo)過程，風(fēng)機的全壓計算公式如下：

式中：ΔP 為風(fēng)機的全壓，kPa；Pin、Pp分別為堆體壓力損失、管道壓力損失，kPa。

5 應(yīng)用案例

以我國東北地區(qū)某市的垃圾填埋場好氧治理工程為研究對象進行模型應(yīng)用研究。該填埋場主要包含建筑垃圾、廚余垃圾、紙張、塑料等，目前仍處于產(chǎn)氣高峰期。模型中涉及有關(guān)填埋場參數(shù)如表1 所示。

表1 填埋場相關(guān)參數(shù)

好氧治理工程通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計主要包括井網(wǎng)系統(tǒng)、管網(wǎng)系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)3 個方面。其中管網(wǎng)系統(tǒng)由3 種不同管徑的管線組成，各管線之間通過各種管件相連。有關(guān)通風(fēng)系統(tǒng)的工藝設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

表2 工藝設(shè)計相關(guān)參數(shù)

根據(jù)表1 的相關(guān)參數(shù)可求出代表該填埋場有機垃圾的概化分子式為C32H51O20N，由通風(fēng)量和通風(fēng)壓力的計算模型可求出該填埋場的治理項目所需要的通風(fēng)速率和通風(fēng)壓力，結(jié)果如表3 所示。

表3 計算結(jié)果

根據(jù)表3 的計算結(jié)果可對風(fēng)機進行選型，一般認為注氣風(fēng)機提供堆體的壓力損失，這主要是由于負壓風(fēng)機在真空度較大的情況下會引起地下水位上升，導(dǎo)致抽氣井的堵塞。

6 結(jié)論

本研究從質(zhì)量守恒定律出發(fā)，以Buswell 提出的垃圾好氧降解反應(yīng)方程式為基礎(chǔ)，建立了計算通風(fēng)量的化學(xué)計量模型；以達西定律為基礎(chǔ)，建立了計算通風(fēng)壓力的數(shù)學(xué)模型；并將其應(yīng)用于我國東北某市的封場垃圾填埋場原位好氧治理工程的計算，驗證了2 個模型的合理性和準確性。