填埋場好氧穩定化通風系統設計研究及實踐

楊 旭，曹占強，葛亞軍，戴小東

(北京首創環境科技有限公司，北京 101308)

1 引言

從石景山黑石頭填埋場項目啟動伊始，填埋場好氧穩定化治理技術已在我國填埋場治理領域應用十數年之久。在此期間，業內積累了大量經驗，例如堆體運行參數，微生物調理方法，反向輪換通風方案，以及建立了堆體內氣體成分和有機質含量變化時間序列等。這些經驗多由項目實踐而來，對設計工作具有很大的參考價值。然而，直接按照經驗數據選則設備后，往往與現場條件不匹配，尤其是風機的選型，過大與過小都為現場運行帶來一些困難。本文總結了前人在通風系統設計領域的計算方法，探索風壓與影響半徑間的關系，通過項目檢驗修正設計思路，希望能夠為設計同行提供參考和助益。

2 計算方法概述

2.1 通風量計算方法

通風量計算是好氧穩定化項目的重中之重，關系到是否能在規定時間內為堆體提供充足的氧氣。目前有兩種計算方法：一種為孔隙率計算法，已知應用于北京石景山黑石頭填埋場、武漢金口填埋場和北京懷柔岐莊填埋場穩定化項目；另一種為BDM計算法，由有機碳計算法[1]優化而來，目前北京首創、上海康恒等公司運營的項目多用此計算方法。

2.1.1 孔隙率計算法

孔隙率計算方法的原理是：在3 d內抽出垃圾堆體中的全部填埋氣體，即3 d完成堆體氣體的全部置換。孔隙率計算法的公式為：

(1)

式(1)中：Vp為堆體中孔隙的體積，單位為m3；Q為總通風量，單位為m3/min。使用該方法需檢測獲得堆體的平均孔隙率。

2.1.2 BDM計算法

BDM計算法的原理為：在單位時間內，使堆體內可降解有機質(BDM)的含量減少至目標值所需要的空氣量，即推算出BDM中有機碳全部轉化為CO2所需要的氧氣量，再反推出空氣的體積。BDM基本計算公式有兩個假設：(1)BDM中的有機碳全部形成CO2，不生成CO；(2)氧氣僅與碳生成CO2，不生成硫氧化物、氮氧化物等其它氧化物。在此前提之下BDM計算法基本公式為：

式(2)中：Q為總鼓風量，單位為m3/min；MG為總垃圾量，單位為kg；C0為BDM檢測值；Ct為BDM目標值；T為全負荷運行修復期，單位為年；KO2為氧氣利用率，其計算公式為：

(3)

式(3)中Cchou為抽氣井口氣體中氧氣濃度。

BDM計算法沒有統一的公式，各機構根據是否考慮生成氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳等因素，各自推導了計算方法并總結了經驗參數。

2.2 注氣井間距確定方法

2.2.1 注氣井間距經驗數值

注氣井間距目前沒有統一的確定方法，最準確的方法即在現場做影響半徑測試。在缺乏測試條件的情況下，也可以借鑒經驗數據。已知項目的經驗數據差距較大，井間距從10 m至25 m不等，井位排布方式也各有不同。了解到的井間距統計如表1所示。

2.2.2 雙井壓差-影響半徑模型

從節約投資的角度出發，為了探索單井間距是否能進一步擴大，可參考甄廣印等人[5]的建模思路，建立好氧穩定化雙井氣體遷移模型，模型中參數意義詳見圖1。

表1 項目井間距統計

圖1 雙井氣體遷移模型原理示意圖

模型假設條件包括：①井間堆體僅橫向存在壓力梯度，不考慮豎向壓力梯度；②堆體內部產氣量為零；③經過一定時間之后，抽氣井與補氣井間氣體遷移系統為穩定系統；④抽氣井周圍的填埋氣等流分布，在進入抽氣井時徑向流速達到最大值[5]；⑤井間氣體遷移速度符合一級動力學衰減規律和達西定律。

參考甄廣印等[5]人的建模思路，可得到氣體在井間的壓力分布簡易模型：

(4)

與參考模型不同，好氧穩定化的邊界條件為：

(5)

(6)

(7)

Qs=πDHVmax

(8)

在此條件下對(4)求解可得：

(9)

假設影響半徑R的定義為，在徑向距離R處，遷移氣量與單井抽氣量之比為μ[6]，即：

(10)

代入式(6)可得：

(11)

模型中關鍵參數為Kh，陳家軍等[7]和彭緒亞等[8,9]均通過實驗裝置實測過不同含水率和壓實度的垃圾的Kh。在缺乏現場實驗的情況下，可根據現場垃圾密度和含水率綜合參考前人經驗數據，選擇適合的Kh(表2、表3)。

表2 Kh隨壓實度的變化情況[8]

表3 壓實度為0.9 t/m3時Kh隨含水率的變化情況[9]

如果現場測定了垃圾滲透系數Ks(m/s)，也可以通過陳家軍等人[7]擬合參數計算Kh，方法如下：

Kh=1.02×10-4Ks

(12)

3 項目實踐

3.1 項目概況及試算結果

實踐項目位于山西省，總穩定化規模為62.75萬m3。實驗區域覆蓋面積約1.1萬m2，平均深度25 m，平均密度0.8 t/m3，平均孔隙率為0.7，平均初始BDM值為20%，目標BDM為15%，滿負荷運行期為300 d。

按照BDM計算法計算注氣風量，則理論抽氣量約130 m3/min，按照抽氣井口氧氣含量為8%估算KO2為62%，則實際鼓風量約210 m3/min。

按照孔隙率法計算注氣風量，按照48 h堆體內部空氣換一輪計算，鼓風量約68 m3/min。

將兩種計算風量代入公式(8)，試分析單井壓強和影響半徑的最佳取值。按照現場新鮮垃圾位于頂部且密度較小，陳腐垃圾位于底部且密度較大的原則，從表2中取四種垃圾的Kh：密度0.6 t/m3的新鮮垃圾，密度0.8 t/m3的混合垃圾，密度1.0 t/m3的腐熟垃圾和密度1.2 t/m3的腐熟垃圾。分析結果如圖2所示。

圖2 BDM法(a)和孔隙率法(b)風量下雙井壓差與影響半徑關系

由圖2可知，使用BDM法計算風量條件下，在堆體深處腐熟垃圾密度為1.2時，影響半徑為15 m時，最遠端抽氣井與相鄰補氣井的壓差需達到約13 kPa，即在鼓氣、抽氣用同規格風機時，最遠端抽氣井單井壓力為-6.5 kPa，最遠端補氣井單井壓力為6.5 kPa；使用孔隙度法計算風量條件下，垃圾條件、風機規格與BDM法相同時，影響半徑在22.5 m，即井間距為35 m，即可保證氣體在井間遷移。

3.2 設計方案

為保證充足的氧氣量，從保守的角度出發，項目選擇BDM法計算風量為基礎風量，并根據以往項目經驗優化風量設計。依照金口項目經驗，按照25 m為間距排布井位。通過井位布置矯正計算結果，并計算管道系統壓損后，最終選擇一組風量為150 m3/min，風壓為50kPa的抽氣-注氣風機。

為了驗證影響半徑計算結果，理想實驗情況應為：在現場劃分若干區域，每個區域布井間距不同，通過檢測各區抽氣井井口流量和氧氣濃度，找到通風不利區域。然而，業主期望與項目條件不允許按照理想情況實驗。因此，在不影響進度的前提下，采用反向驗證法：將實驗區域分為兩個區域，如圖3所示。A區按照井間距25 m按四邊形布置法布置；B區將井間距縮減為12.5 m。通過對比A、B兩區穩定化效果，可知是否有必要縮小井間距。

圖3 實驗區井位布置

A、B兩區各在中心位置布置1實驗監測井，監測井內包含溫濕度探頭、含氧量檢測儀和甲烷檢測儀。啟動運行不久后，由于堆體內溫度高、水氣大，監測井內探頭失靈，在滿負荷運行期，實驗數據由運行人員以手持儀器在抽氣井井口檢測獲得。手動檢測持續73 d，檢測頻率為一天兩次。

4 結果與討論

兩區部分監測結果如表4所示。在運行期間，兩區堆體溫度基本維持在50 ℃左右；30 d BDM降解率在21%左右；O2濃度逐步提升，在第30 d能達到18%左右，說明堆體內處于穩定的好氧狀態，CH4的濃度變化也能佐證這一點。

表4 兩區指標對比

4.1 風量計算方法討論

參考Townsend等人[1]的運行經驗，計劃在堆體內溫度達到71 ℃時，或升溫速度達到6.7 ℃/24h時停止通氣，并回灌滲濾液降溫。然而，實際運行期間堆體溫度并未高于60 ℃。溫度較低的原因有可能是好氧反應不充分，內源溫度不足；也有可能是因為鼓風量過大，帶走了部分熱量。考慮到堆體內氧氣濃度可達18%，堆體內好氧氛圍良好，分析認為更有可能是鼓風量過大導致的。

面向同一堆體，BDM計算法計算結果遠遠大于孔隙率計算法。原因之一是前者計算結果受治理期限的影響，治理期限越長，計算風量越低，在堆體條件確定的情況下，治理期限和計算風量呈線性負相關。這種相關性在極端條件下并不適用，比如運行期壓縮為20 d，或者延長至10年，用BDM法計算出的風量要么過大，導致好氧微生物生存困難和能源浪費，要么過小，難以維持堆體內好氧狀態。

另外，KO2的引入使得計算結果進一步偏大。公式中引入KO2的出發點是認為好氧微生物無法將所有氧氣全部轉化為二氧化碳，因此需要進一步增加通風量。這是一種序批式的思路，按照這種思路計算，抽氣井端氣體氧氣濃度為0%時，KO2為100%，所需通風量最小。然而這表明此時堆體中氧氣濃度為0%，是無法維持好氧反應環境的。同理當抽氣井端氣體氧氣濃度為18%時，KO2僅為14%，帶入本項目式(2)的結果為910 m3/min，遠遠大于經驗數據。

4.2 井間距計算方法討論

從圖2模型計算法的計算結果可知，在BDM風量條件下，對于密度為0.8 t/m3的混合垃圾來說，抽氣井口與注汽井口壓力差達到14 kPa時，影響半徑可達40 m，則井間距可達約56.6 m。

表4中的兩組數據表明，A區和B區在運行效果上并無明顯區別，也就是說，井間距為25 m與井間距為12.5 m的通風效果是相等的。這反向證明了25 m是一個偏小的間距，但不能直接驗證該模型的準確性。

5 結論

從項目計算結果和運行效果來看，BDM法不適用運行期小于1年的項目，是否有必要引入KO2有待進一步探討。對于BDM含量在20%左右的好氧穩定化項目來說，采用孔隙率計算法也許更加適宜。

對于壓實度較低，密度在0.8 t/m3的堆體來說，25 m可能是相對較小的布井間距。在今后的實踐中，可以參考雙井壓差-影響半徑模型，通過選擇最遠端抽氣井與注氣井間風壓差確定更加適合的影響半徑，減少布井數量，節約投資。

綜上，對于BDM在20%左右，平均密度為0.8 t/m3的非正規填埋場修復項目，其通風系統的設計方案建議為：(1)按照孔隙率計算法計算通風量并適度擴大；(2)井間距可以25 m為基礎適當擴大，擴大值可酌情參考雙井壓差-影響半徑模型。對于BDM在40%左右，治理周期相對較短的項目，仍建議采取BDM法計算通風量，并按照經驗數值布置井位，以防曝氣效果不足，延長工期。

致謝

項目部的郭延維先生、技術部楊檳赫先生和陸宇辰女士提供了寶貴的項目現場監測記錄和實驗數據。在此一并致以衷心的感謝！