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(填埋气体的控制工程)


《固体废物处理与处置》课程设计

《固体废弃物与噪声控制工程课程设计》课程设计任务书
一.课程设计题目 填埋气体的控制工程 二.设计参数
1.垃圾以 400t/d(360t/d、380t/d、320t/d、340t/d、300t/d)进行填埋;考虑垃圾填埋压实 后的密度为 750kg/m3,垃圾资源化和填埋期间的自然降解对垃圾的减容率为 1

0%,覆盖土 容积按填埋垃圾量的 10%计, 2.填埋气体产气量计算 选用 Marticorena 等人提出的产 CH4 经验模型。

三.课程设计报告的内容
确定填埋场的结构;计算服务年限为 15 年的填埋场库容及覆土量;对填埋气体的产气量进 行估算并确定收集系统; 若气体需要收集, 进行抽气井布点 (回收气体占总产气量的 60%) , 并画出填埋场的工艺流程图、竖直抽气井及井口装置图、竖直抽气井的布置图;绘制设计 任务书中的图纸;写出设计说明书及计算说明书。

四.格式
课程设计说明书内容完整、计算准确、论文简洁、文理通顺、装订整齐、A4 打印;图表要 整齐,每个图、表都要有名称和编号,并与说明书内容一致,最后成果及图表要字体工整; 装订时,说明书在前,计算书在后,图在最后。 (正文:宋体, 5 号字;1 号标题小 4 号字;行间距: 20 磅;页眉(固体废物的处理处 置课程设计)、页码:如 -1-;所有公式必须用公式编辑器进行编辑。表格必须三线表。)

五.设计时间 2009 年 7 月 26 日 ~2007 年 7 月 30 日

环境工程教研室

2009-7-23

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《固体废物处理与处置》课程设计

固体废物处理与处置课程设计
绪论
目前,我国正处在城市化的进程之中,城市经济的迅速发展和城市人口的迅速增加,带 来了一系列的城市问题。城市生活垃圾问题日趋严重,主要表现在:1.产量迅速增加,统计 结果表明,从 1979 年以来,我国的城市生活垃圾平均以每年 8%~10%的速度增长,到 2000 年,我国垃圾产量预测将达到 1.2~1.4 亿 t;2.由于资金缺乏、管理体制不够健全,城市生 活垃圾有效处置率仅为 13%,而城市垃圾无害化处理率仅有 5%左右;3.大量城市生活垃圾 未经处理,任意堆置城郊,侵占大量土地,污染土壤、空气、水体,孳生蚊蝇,许多城市形 成了“垃圾围城”的污染局面,污染事故屡有发生。 目前世界上垃圾的处理方法主要有填埋、堆肥和焚烧三种。相对于焚烧、堆肥,填埋处 置方式有着投资少、处理费用低、处理量大、操作简便、能处理处置多种类型的废物,且能 回收沼气、恢复利用土地等优点。因此,填埋处置目前在大多数国家已成为固体废物处置的 主要方法。我国是发展中国家,经济实力较弱,垃圾中可燃成分少,填埋是现阶段我国城市 生活垃圾处理的最主要方式,约占全部处置量的 70%以上,且在今后较长的一段时间内,仍 将是我国城市垃圾的主要处置技术。 填埋处置方式的环境影响包括多个方面,通常考虑的是其释放物对周围环境的影响。 填埋场的释放物包括渗滤液和气体,都是填埋场内部一系列物理、化学、生物反应的产物。 近年来,随着我国城市垃圾状况和管理方式的变化,填埋场气体问题日益突出,开始成为垃 圾填埋处置过程中引起广泛关注的最重要的环境影响因素: (1)随着城市化的快速发展、人口的增加和消费水平的稳步提高,我国城市垃圾产量每年 以 8%~10%的比例递增。目前城市垃圾人均年产量在 300~550kg 左右,全国年产总量在 1 亿吨左右。垃圾填埋量的增加使释放气体量呈上升趋势;(2)近 20 年来,城市垃圾的最终处 置已由无控分散堆放向有控集中堆放和简单填埋处置发展, 垃圾的集中处置使释放气体的环 境影响更为突出; (3)居民生活水平的提高,使垃圾中食品、纸类等易产气的有机物含量增 高;同时,城市能源结构的变化,使垃圾中煤灰等无机物含量大大降低,某些城市的垃圾有 机物含量已提高到 70%左右,这种变化也使得单位重量的垃圾填埋释放气体量提高; (4)填埋场气体中含有大量甲烷、二氧化碳,及其他微量成分。一方面,若不采取适当的收 排系统进行收排处理,则会在填埋场累积,并通过填埋覆盖层或侧壁向场外释放,对周围环 境和人类健康造成很大危害。另一方面,填埋场气体又是一种可回收利用的能源,具有很高 的热值,约 19MJ/m3,与城市煤气的热值接近,是天然气热值(37.19MJ/m3)的一半,每立方 米填埋场气体中所含的能量大约相当于 0.45L 柴油、0.6L 汽油的能量。因此,世界上许多国 家如美国、英国、德国、澳大利亚等早已对其进行利用。 综上所述,对填埋场气体进行控制、利用已成为填埋处置方式的组成部分和发展趋势。近年
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来,我国城市垃圾填埋场气体量显著增加,而相对来说,大多数填埋场技术水平较低,气体 大量无组织释放,造成了比较严重的环境危害,如上海、北京、重庆、岳阳等城市都发生过 因填埋场气体导致爆炸的事故。因此,对现有和新建垃圾堆放场、填埋场气体加以控制已迫 在眉睫。 二、国外填埋场气体的研究、利用现状 1.国外对填埋场气体的研究现状 国外对填埋场气体的研究始于 70 年代末 80 年代初,当时,由于西方普遍的能源危机, 各国开始重视对替代能源的研究;同时,公民环境意识的提高,政府对污染物排放加以限制 的法规日趋严格, 使得各填埋场开始重视对释放气体的控制和利用, 对填埋场气体控制和处 理目前已成为发达国家卫生填埋场的必要部分。在过去的 20 年中,填埋场气体的研究一直 是固体废物管理领域的焦点之一。目前,国外对填埋场气体的研究主要集中在: (1)加快填 埋场气体产生速率的技术方法研究;(2)气体产生和迁移模型的研究;(3)气体利用经济性、 可行性分析;(4)填埋场气体回收、运输和能量转化方法及设备的研究;(5)气体监测方法的 研究;(6)气体对人类健康影响的研究。 在填埋场气体产气量和产气速率方面,国外研究主要采取三种方式:模型估算、实验模 拟和现场测试(包括小范围中试和实际填埋场测试)。 气体产生模型研究中, 由于填埋场填埋废物种类、 填埋方式的复杂性以及影响填埋场释放气 体产生因素的多样性, 国外一般都采用经验模型粗略地预测填埋场释放气体产生量: 采用固 体废物的化学需氧量(COD)或总有机碳(TOC)预测填埋场气体的理论产生量,再利用经验系数 将其转换成实际产气量。而气体产生速率的模型则五花八门,比较简单的如 Palos Verdes 动 力模型、Sheldon-Arleta 动力模型和 Scholl Canyon 动力模型,比较复杂的有大西洋电气公司 模型和 GTLEACH-I 模型等。尽管有关气体产生的模型很多,但目前还没有足够的实际运行填 埋场的监测数据来检验各种模型的准确性。

1、填埋气的产生及其对环境的危害:
1、填埋气产生原理和过程 1.1、原理 填埋气是填埋场内的有机物质通过微生物降解、 挥发和化学反应而产生的一种混合气体, 由CH4 , CO2 , O2 , N2 , H2 和多种痕量气体组成, 主要成分是CH4 和CO2 。填埋气产生持续时间 很长, 大致可以分为5 个阶段。每一阶段的主要特征见表1。 1.2、填埋场气体的产生过程 填埋场气体的产生是个非常复杂的过程, 其生物化学原理至今未完全阐明。 综合国外研 究,可将填埋场释放气体的产生过程划分为如下所述的 5 个阶-段,产气过程如图 1 所示。

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图 1 填埋场气体产生阶段图 第一阶段——好氧阶段。废物一进入填埋场,好氧阶段就开始进行。复杂的有机物通过 微生物胞外酶分解成简单有机物,简单有机物通过好氧分解转化成小分子物质或 CO2。好氧 阶段往往在较短的时间内就能完成, 这时填埋场中氧气已几乎被耗尽。 好氧阶段微生物进行 好氧呼吸,释放出能量较大,因此该阶段的主要特征是: (1)开始产生 CO2,O2 量明显降低; (2)该阶段产生大量的热,可使温度升高 10℃~15℃。 第二阶段——过渡阶段。氧气被完全耗尽,厌氧环境开始建立。复杂有机物如多糖、蛋 白质等在微生物作用或化学作用下水解、发酵,由不溶性物质变为可溶性物质,并迅速生成 挥发性脂肪酸(VFA) 、CO2 和少量 H2。 (由于水解作用在整个阶段中占主导地位,也将此阶段 称为液化阶段。 )此阶段有以下几个特征: (1)由于水解、发酵作用生成挥发性有机物 CO2 及其它一些气体,使填埋场气体组成较好氧阶段复杂,但气体成分仍以 CO2 为主,另外会存 在少量 H2、N2 和高分子有机气体,但基本上不含 CH4; (2)浸出液 pH 值呈下降趋势;COD 浓度则呈升高趋势。主要原因是生成简单有机物溶于水, 使 COD 升高;其中有机酸的产生使浸出液 pH 值降低; (3)由于蛋白质物质的水解和发酵,渗滤液含较高浓度的脂肪酸、钙、铁、重金属和氨。 第三阶段——产酸阶段(也有研究将此阶段称为发酵阶段) 。微生物将第二阶段积累的 溶于水的产物转化成含 1~5 个碳原子的酸(大部分为乙酸)和醇及 CO2、H2,可作为甲烷 细菌的底物而转化成 CH4 和 CO2。该阶段的主要特征是: (1)CO2 是这一阶段产生的主要气体, 前半段呈上升趋势, 后半段上升趋势变慢或逐渐减少, 也会产生少量 H2; (2)由于大量有机酸的积累,渗滤液 pH 很低,可能到 5 以下,同时,COD,BOD 急剧升高; (3)渗滤液的酸性使无机物质,特别使重金属溶解,以离子形式存在于渗滤液中; (4)渗滤液中含大量可产气的有机物和营养物质,如果此时的渗滤液不回灌,大量有机物会
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损失。 第四阶段——产甲烷阶段。前几个阶段的产物如乙酸、氢气在产甲烷菌的作用下,转化 为 CH4 和 CO2。该阶段是能源回用的黄金时期,其主要特征是: (1)甲烷产生率稳定,甲烷浓度保持在 50~65%; (2)随着有机物被发醇分解,脂肪酸浓度降低,渗滤液的 COD、BOD 逐渐降低,pH 值逐渐升 高,保持在 6.8~8 之间; (3)由于渗滤液不再呈酸性,重金属离子浓度降低。 第五阶段——填埋场稳定阶段。当第四阶段中大部分可降解有机物转化成 CH4 和 CO2 后, 填埋场释放气体的产生速率显著减小, 填埋场处于相对稳定阶段。 该阶段的主要特征是: (1)几乎没有气体产生; (2)渗滤液及废物的性质稳定; (3)填埋场中微生物量极贫乏。 上述五个阶段并不是绝对孤立的,它们相互作用互为依托,有时会发生一些交叉。各个阶段 的持续时间,则根据不同的废物、填埋场条件而有所不同。因为填埋场中垃圾是在不同时期 进行填埋的,所以在填埋场的不同部位,各个阶段的反应都在同时进

阶段 Ⅰ. 初期调整阶段

主要特征 气体中主要为CO2 , 温度急剧升高

结束标志 填埋气体中不含O2

持续时间 几小时~1 周

Ⅱ. 过渡阶段

ORP 降低, 有H2产 生

气体中不含有N2 , H2 浓度开始降低 游离脂肪酸的形成达 到峰值, 开始产生
CH4

1~6 个月

Ⅲ. 酸化阶段

气体主要成分是CO2 , pH 值达到最低

3个月~3 年

Ⅳ. 甲烷发酵阶

CH4含量为50 %左右,

气体中CH4 , CO2开始 减少且产生N 气体中以N2为主且厌 氧分反应结束

8~40 年

pH 值升高 Ⅴ. 成熟阶段
CH4和CO2浓度急剧

1~40 年或更长

下降, 重新出现N2 表1 1.3 填埋场气体的组成及特性

填埋气体的产生过程

填埋气体是指填埋场垃圾在大量微生物的厌氧分解下而产生的一种混合气体。 其中主要 有 CH4(甲烷) 、CO2(二氧化碳) 、还有少量的 N2(氮气) 、H2S(硫化氢) 、O2(氧气) 、 NH3(氨气) 、H2(氢气) 、CO(一氧化碳)等几种气体。其特性如下表 2; 其特性如下表:
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组 分 甲 0.555 可燃 5-15 烷 二氧化碳 1.520 / / 硫 化氢 1.190 可燃 4.3-45.6 氧 1.103 / / 气 氨气 0.595 / / 氢气 0.069 可燃 4-74 一氧化碳 0.967 可燃 12.5-74 氮气 0.967 / /

相对比重 可燃性 爆炸范围 体积% 臭味 毒性

无 无

无 无

有 有

无 无

有 有

无 无

无 有

无 无

表 2 城市垃圾填埋场释放气体的典型成分 填埋场释放气体中的微量气体量很小, 但成分却很多。 国外通过对大量填埋场释放气体 取样分析,在其中发现了多达 116 种有机成分,其中许多可以归为挥发性有机组分(VOCS), 这些气体可能有毒并对公众健康构成威胁,所以必须得进行控制 。 2、垃圾填埋气体对环境的危害 由填埋气体的组分决定了其具有易燃、 易爆的危险性和有毒性。 填埋气体极易引起火灾 及爆炸,其毒性污染大气环境,威胁工作人员及附近居民的身体健康。由于填埋气体还具有 迁移作用,因此不仅对填埋场内构成危害,而且对场外的服务设施,财产造成危害。这些易 燃、有害气体将破坏附近的农作物、蔬菜、树木或灌木,并且对相邻的将要开辟的场地是一 种潜在的危害, 如北京的一处垃圾填埋场附近居民厨房发生的爆炸事件。 根据国外有关资料, 在垃圾填埋场附近 250 米范围内搞任何开发项目都应对 LFG 的横向迁移规律进行现场测试, 并对其潜在危险性进行全面评价。 3、影响填埋场气体产气量及产气率的因素 3.1 垃圾的成份及其数量 3.2 该种垃圾的龄期 3.3 垃圾的含水量 3.4 垃圾场内的温度条件 3.5 营养物质的量和质 3.6 填埋场内液体的 PH 值 4.3 铺设水平导排系统 在控制 PH 值的基础上,在填埋场铺设石笼导排系统,将产生的少量甲烷气体水平导出填埋 场外,然后收集燃烧排空。这种做法将会更进一步避免火灾,爆炸事故的发生,而且不影响 填埋场的正常运行。当垃圾填埋到一定程度,又是有甲烷产生时,再调节 PH 值,并且在垂 直方向打井至水平导排系统, 井的上部封死, 这样新的垃圾产生的填埋气体下行至水平导排 系统排出。当填埋场能够达到回收利用的要求时,再将 PH 值调节到甲烷产生的最佳 PH 值。

2、垃圾填埋场的基本结构
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垃圾填埋场主要由底部衬垫系统、顶部封盖系统和排液排气设施组成。图 1,典型的垃 圾填埋场结构。 1、衬垫系统 衬垫是设在垃圾场底部和周边的隔渗层。 根据垃圾成份的危害程度, 一般有单层衬垫系统与 双层衬垫系统之分,后者常用于危害性大的垃圾场。双层系统由两个部分组成,主防渗层以 上为渗滤液收集层,作用是收集和隔离来自垃圾的渗滤液,不让它们往下渗漏。以下至基土 构成渗漏检测层。设置此层的目的,是万一防渗层发生渗漏,渗滤液将进入此层,则可通过 预设的管道从此层中汲取液样,检验是否出现了渗漏,是否要采取对策,以保证全系统的安 全运作。 若为单层衬垫系统,其结构实际即为双层系统上部的渗滤液防渗和收集系统,而 省去其下的渗漏检测系统。 2、封盖系统 无论是危险性垃圾或城市固体垃圾, 封盖系统的结构基本相同。 从地面向下各分层的材料与 功能如下:①为耕植土层,厚 60cm,生长植被,表面坡度最终应达 3~5%,以利排水;②为 滤层,一般为无纺土工织物,用于防止其上的土粒侵入下卧的排水层而使之实效; ③为排 水层, 要求其渗透系数不小于 0.01cm/s, 也可以是渗透性等效的其它排水材料, 如土工网, 通过它排除从上面的来水量;④为防渗层,一般可用土工膜,尽量防止水分入渗; ⑤与④ 构成复合防渗层,可以是厚 60cm 的渗透系数不大于 1×10 的负 7 次方的压实性粘土,或其 它低渗透性材料;⑥为填埋的垃圾。 3、 排液和排气的设施 (1)排液、检测系统 汇集于收集层的渗滤也需定时排出,检漏层的渗液需定时检查,为此要设置必要的设施。 一般要求为: 1)检测系统必须设在垃圾堆积区的最低高程处,要装置测渗计和竖管; 2)为防止收集层中收集管被铁质、碳酸盐或结垢物质所堵塞,最好设置清洗管,采用高 压水冲,有时加入一些弱盐酸; 3)收集管等的尺寸应根据水量平衡计算确定; 4)防渗衬垫上的渗滤液最高水头不得大于 30cm; 5)收集管材料要耐化学和生物破坏,管外包以反滤材料,如土工织物。 从收集层排出渗滤液一般要设置竖管, 从集液层向上延伸穿过封盖达于地面。 在设置竖管或 竖井时要注意一个问题,由于垃圾压缩沉降量大,对管或井表面产生向下的负摩擦力。为大 幅度消除该附加荷载,可在井、管外包以低摩擦材料,也可以铺设斜管来解决这一问题。 从双层衬垫间的检漏层排出和检测渗滤液也是需要的。 通常用的是直径为 100~150mm 的斜 管,位于两层土工膜之间并延伸到小渗滤液收集坑中。靠置于管内的小泵提取渗滤液。图 4 为典型的渗滤液收集管结构图。
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测量渗滤液积液深度有很多种方法,例如直接测渗滤液收集坑内液体深度,或竖管、斜管内 的液体高程。所取渗滤液样需要进行必要的化学分析,既可判别主土工膜有无渗漏,又可了 解渗滤液的成分。 (2)排气设施 由垃圾产生的甲烷如不正确处置,会引起爆炸和其他事故。一般而言,当空气中的甲烷含 量(按体积计)在 5~15%时会引起爆炸, 前者为爆炸下限 (LEL) ,后者为爆炸上限(UEL)。 当其含量超过 15%,虽然不会起爆,但会引起火灾和令人窒息。故排气设施应能测定甲烷 含量是否超过了起爆下限, 此外, 排出的 CH4 可作为能源加以利用, 用于发电、 照明、 燃烧, 锅炉等。 排气系统可分为被动排气和主动排气。参见图 5。 被动排气装置是利用垃圾坑中产生气体的浓度和梯度驱动气体流动。 它利用沟槽、 排气井或 带孔管,周围填以粗粒料,将产生的气体引到封盖之上。 排气孔的典型间距为 30~45m。 如果地质条件不妨碍气体的横向移动, 则可以采用周边排气。 其典型间距可为 15 m。被动装置易遇到的问题,是通气管中易于积垢,堵塞通道,也会有 生物破坏。 主动排气装置用于被动装置不很奏效的场合。 它依靠机械设备产出正压或负压, 迫使气体运 动,可以是竖向的或是横向的。机械设备的真空泵或鼓风机连接于排气管的出口端。

3、计算(说明)
1、15 年的填埋场库容及覆土量: i. 任意年的垃圾填埋量:
55m



80m

50m

得:其中:

vt --------任意年总填埋场库容; v s --------任意年的覆土量;
由于垃圾资源化和填埋期间的自然降解对垃圾的减容率为 10%; 则任意年的垃圾填埋量为:

v y ? 365
ii. 任意年的覆土容积:

400? 0.9 ? 103 ? 175200 m3 750

由于覆盖土容积按填埋垃圾的填埋量的 10%计; 则任意年的覆土容积为:

vs ? 0.1? v y ? 0.1?175200? 17520 m3
iii. 任意年的填埋场库容:

vt ? v y ? vs ? 175200? 17520? 192720 m3
iv. 15 年的填埋场库容:

v15t ? 15vt ? 15?192720? 2890800 m3
v. 15 年的覆土量:
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v15s ? 15vs ? 15?17520? 262800 m3
2、15 年填埋气体的产气量: Marticorena 动力学模型 该模型是填埋场产 CH4 的一阶动态方程式,其应用的前提是认为填埋场中的垃圾是按年份 分层填埋的。该模型中增加了描述垃圾产气周期的参数 d,并且假设垃圾产气量随时间按照 指数规律递减。 因为 d 值可以利用现场取样测定较为精确地计算, 所以其估算结果比较具有 针对性和相对接近真值。 该模型为:

1)公式:

MP ? MP0 exp( ?
D (t ) ? ?
t

t ) d

dMP MP0 t ? exp(? ) dt d d

F (t ) ? ? Ti ? D(t ? i ) ? ? Ti [
i ?1

MP0 t ?i exp(? )] d d

式中: MP 为时间为 t 的垃圾的特定产甲烷潜能,m3N/t; MP0 为新鲜垃圾的特定产甲烷潜能,m3N/t; t 为时间,a ; td 为垃圾生命持续时间,a ; D 为某一层垃圾的特定年产甲烷率,m3N/(t·a) ; F 为整个垃圾场的甲烷产率,m3N/a; 为第 i 年中垃圾的质量,t; 2) 公式中各量的确定 ? MP0的确定 MP0 为新鲜垃圾的产 CH4 潜能(mN3/t),各国研究者关于 MP0 进行过大量研究,确定 该值的方法有现场实验法、实验室实验法、理论计算法等,所得 MP0 的数值从 2O 到 200(mN3/t),根据垃圾性质和实验方法的不同变化范围较大.根据对现场垃圾填埋场进行 的产 CH4 的潜能实验,测定的 MP0 为 85(mN3/t),将测定值与各种理论计算值比较,发现与 COD 法的计算结果比较接近.同时,根据对各城市的垃圾成分调查结果发现,北京、上海、 深圳等大城市的干基有机物比例约有 25%一 35%, 中小城市的干基有机物比例约有 15%一 25%. 又通过垃圾概化分子式的方法计算, 我国城市垃圾中干基有机物的 COD 转化系数约为 1.2( kg 一 COD/kg 一 DVS).每千克 COD 分解产生 0.35mol 的 CH4,按照垃圾中的有机物 在填埋场中厌氧分解的转化率为 85%,大城市垃圾中的干基有机物比例平均为 30%,中小 城市垃圾中的干基有机物比例平均为 20%,确定出大城市垃圾填埋场的 MP0 为 85(mN3/t),
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Ti

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中小城市垃圾填埋场的 MP0 为 65(mN3/t). ?d的确定 d的数值有很多争议,Bogner等人提出为20年,而Findikakis等人则提出是l2年.实际上, 因为特定的填埋场各种条件相差很大, 只能通过在填埋场不同深度取样进行产气潜能分析得 出.为了考察我国城市垃圾在填埋场中的垃圾持续产CH4时间,通过对垃圾填埋场进行了现 场调查,填埋垃圾大约在4—5年后其产CH4过程即趋于结束.因此,我们选取大城市d=5年, 中小城市d=4年,这基本符合我国城市垃圾中可堆腐有机物以厨余废物为主,分解周期较短 的特点. ?Ti 的确定 Ti 是填埋场第 i 层中废弃物的吨数,可以按照填埋场每年填入废弃物量进行确定. 3)计算 设该垃圾填埋场位于中小型城市,则由上述资料可知,MP0=65( m N / t ),d=4a. 则: Ti
3

? 365? 400 ? 146000 t/a
年份 1 2 3 4 5

根据以上三个公式经计算下表

exp( ?
D (t ? i ) ?

t ?i ) d

1.00

0.78

0.61

0.47

0.37

MP0 t ?i exp( ? ) d d
3 N

16.25

12.68

9.91

7.64

6.01

Ti ? D(t ? i ) /m

/a

2372500

1851280

1446860

1115440

877460

年份

6

7

8

9

10

exp( ?
D (t ? i ) ?

t ?i ) d

0.29

0.22

0.17

0.14

0.11

MP0 t ?i exp( ? ) d d
3 N

4.71

3.58

2.76

2.28

1.79

Ti ? D(t ? i ) /m

/a

692040

522680

402960

332880

261340

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年份 11 12 13 14 15

exp( ?

t ?i ) d
MP0 t ?i exp( ? ) d d
3 N

0.082

0.064

0.050

0.039

0.0094

D (t ? i ) ?

1.33

1.04

0.81

0.63

0.12

Ti ? D(t ? i ) /m

/a

194180

151840

118260

91980

17520

由以上三个表,可得当从垃圾填埋开始到第十五年期间,每一年产甲烷量。由上述模型 知,对中小型城市,填埋垃圾大约在4—5年后其产CH4过程即趋于结束,在五年以后产CH4 量会很少,但在此不忽略。 第i年 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
t

产CH4量/m N/a (以Q(i)表示) 2372500 1851280 1446860 1115440 877460 692040 522680 402960 332880 261340 194180 151840 118260 91980 17520

3

则,第t年整个垃圾填埋场的产气量为: F ( t ) 的累计产气量,如下表所示: 第t年 1 2

? ? Q i ,可得,在第t年时垃圾
i ?1

在第t年时整个填埋场的累计产气量 3 /m N/a 2372500 4223780

十五年的总产气量/m N/a

3

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3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 5670640 6786080 7663540 8355580 8878260 9281220 9614100 9875440 10069620 10221460 10339720 10431700 10449220 124232860

若认为, 垃圾填埋四年后就不再产生CH4气体, 则从第五年到第十四年的产气量均相等。 则可知第t年整个填埋场的累计产气量为: 当t ? 4时,F(t)=

? Q ,则可得第t年的累计产气量和总产气量,如下图所示:(认为第十
i ?1 i

t

五年的垃圾产生一年的甲烷气体) 第t年 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 在第 t 年时整个填埋场的累 3 计产气量/m N/a 2372500 4223780 5670640 6786080 7663540 7663540 7663540 7663540 7663540 7663540 7663540 7663540 7663540 7663540 2372500 98060900 十五年的总产气量/m N/a
3

总结如下表:附图 3

产生的气体量=总气体量 X60%=124232860X60%=74539716 m

3

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3、填埋场气体的控制
为了减少填埋场气体进入环境对人类和环境产生危害, 必须对填埋场气体进行控制。 目 前对填埋场释放气体的控制手段主要有两种:被动型和主动型。 2.1 被动型控制 被动型气体控制通过填埋场内部产生气体的压力和浓度梯度, 而非泵等耗能设备将气体导排 入大气或控制系统。 通过由透气性较好的砾石等材料构筑的气体导排通道, 填埋场内产生的 气体被直接导入大气、燃烧装置或气体利用设备。当填埋场顶部、周边、底部防透气性能较 好时,被动型气体收集系统也有较高的收集效率。但总的说来,被动型气体控制效率较低, 只解决了部分环境问题,如减少爆炸的危险,防止气体无组织释放而损坏防渗层等,尚不能 满足对气体进行充分回收和利用的要求。 2.2 主动型控制 主动型气体控制通过泵等耗能设备创造压力梯度来收集气体,收集的气体可进行利用, 也可直接燃烧。 其收集系统又可分为垂直井和水平沟系统。 垂直井系统一般在填埋场大部分 或全部填埋完成以后,再进行钻孔和安装;而水平沟系统在填埋过程中即进行分层安装。主 动型气体控制系统的关键是根据收集井、 收集沟的影响范围确定系统的布设, 保证填埋场内 各部分气体尽可能完全地被回收。 对于有合适条件 (填埋垃圾中可降解有机物的含量在 50%以上、 产气量大、 产气速率稳定) 的填埋场, 应该鼓励采取主动收集利用填埋场气体的方法, 世界各国也正逐步采用主动型来 代替被动型气体控制系统。

4、气体收集系统
4.1 气体的收集 垃圾填埋场内产生的气体, 借压差流向特定的气体收集井, 从收集井通过气体收集管引 至集气柜,气体由集气柜输往气体收集站。根据废气的不同用途进行净化处理。 气体的收集通过设置于填埋场竖井中垂直带孔管道收集竖井,每隔 40~50m 设置一个,每 3~5 个收集井设置一个集气柜,组成一组输送系统,每个集气柜设有独立的管道接至收集 站。集气柜可以互组联通,以便处理故障和检修。 为有效地抽出井中气, 井里应保持约 20kPa 的负压, 并以此考虑管道设计和设备的选择。 竖井中的吸引管用高密度聚乙烯制造,直径 100~150mm,吸引管上有透气的小孔,垂直安 装在直径为 0.5m 的竖井中,为防止其客观存在气体渗透进入填埋场表层,吸引管上部 3m
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没有小孔,为增加吸收面积,吸引管周围装有过滤砾石。 来自竖井中的气体含有水蒸汽, 所以水平管道应逐渐向竖井方向倾斜, 以便使冷凝液返回竖 井,在一些管道的最低点,设置了冷凝水收集装置。 4、2 气体处理 填埋场内的气体通过收集设施导出地面,其处理方法有如下两种。 (1)直接燃烧 将填埋场内的沼气导出地面后进行直接燃烧, 是一种常用的传统处理方法。 这种方法在较小 的填埋场中适用,即所收集到的气体不足以利用,而采用就地焚烧的方法。 (2)综合利用 将收集到的气体,经过抽送机送往净化处理设施,进行净化、储存,再经过加压、冷凝后送 往用户。 这种处理方法适用于产气量较大的填埋场, 它可以有效地利用沼气的能量, 又可以减少填埋 场气体污染环境及爆炸的危险性。

5、填埋气体的收集方式:
为避免填埋气体在填埋垃圾内积累, 消除由此而来的潜在火灾及爆炸危险, 应在垃圾层 中设有导排气系统。 6.1 导气系统 导气系统由垂直导气管组成,垂直导气管安装在渗沥液收集管的支座上,管间距 40m。导 气管管材采用特制穿孔工程塑料管, 管径为 DN200。 导气管四周设石笼透气层即铅丝网包拢 级配碎石滤料(300mm 厚,粒径 50~150mm。 ) ,导气系统的铺设随着填埋作业逐层上升而 逐根加高。 6.2 排气系统 排气系统采用分散排放方式, 即每根导气管均设一根排气管, 将收集的填埋气在排气管口点 燃。排气管口高出最终覆盖层 1m(即距离地面高约 6.5m) ,有利于填埋气体的扩散。 6.3 填埋气体导埋系统 填埋气体导排系统示意图见附图 5

5、抽气井布点
抽气井按三角形布置, 影响半径应通过现场试验确定。 但由于抽气井的布置会影响集气 /输气管路径,应根据现场条件和实际限制因素,对抽气井进行适当调整。同时,在建设 LFG 抽气井的过程中,井的确切位置还需要根据遇到的情况适当进行调整。 为了优化竖井的布置和确定有效的产气范围, 抽气井按等边三角形的形式来布置, 井间 距离要使其影响区域相互交叠。即:

D ? 2R cos30? ? 3R
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式中,D 为三角形布局的井间距离,m;R 为抽气井的影响半径,m。

1.

抽气井布点:

抽气井按三角形布置, 影响半径应通过现场试验确定。 但由于抽气井的布置会影响集气 /输气管路径,应根据现场条件和实际限制因素,对抽气井进行适当调整。同时,在建设 LFG 抽气井的过程中,井的确切位置还需要根据遇到的情况适当进行调整。 具体布置图见图 4,图 5

引风机站

填埋场气 体收集井

引风机站

气体主管 填埋场边界

气体监测探头

图 1 抽气井局部布点图 1) 15年的填埋废物的体积为:

v15 ? v15t ? v15s ? 2890800 ? 262800? 3.15?106 m3
2)设填埋高度为35m,则填埋场的面积为:

A15 ? 3.15?106 35 ? 9.01?104 m2
3)假设填埋场的场a为:400m,则填埋场的宽b为:

b? A m 15 / a ? 225
4) 设井间距为50m,抽气井到填埋场的距离为:55m

(

400 ? 110 225 ? 110 ? 1) ? ( ? 1) ? 9座 50 50

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抽气井取9座。 抽气井布置图

55

80

50

400m

图 2 填埋场抽气井布点图 2、抽气井及井口装置图: 抽气井及井口装置图见附图 3

3、填埋场的工艺流程图: 3.1 填埋区划分 根据地形特点,将填埋作业区划分为一、二两个填埋区域,每个区域内按 10×10m(或 根据地形条件以 100m 为单位)划分填埋单元,从最低点分层填埋。 3.2 垃圾填埋工序 (1) 垃圾进场后按划分好的单元卸下, 用推土机摊平摊铺均匀至厚度为 0.6~0.8m 后, 再用垃圾压实机反复压实使其密度不小于 0.85t/m ,然后继续填埋第二、第三层??,至垃 圾压实厚度达到 2m,然后覆盖 0.2m 的土层,继续向下一部分推进。当天的垃圾按填埋单元 填埋完成后,表面需再覆盖一层 0.2m 的土层,做到当日垃圾当日覆盖。 (2)当一个填埋区域的垃圾填埋完成并压实到 0.85t/m 后,表面要覆盖一层 0.5m 厚 的土层,以保证填埋场整体的环境。 (3)当填埋场最终完成填埋后,整个填埋区的表面要覆盖一层 0.5m 厚的粘土(渗透系 数≤10 cm/s) ,或覆盖人工合成材料,上部再填 0.5m 厚的盐土,并均匀压实。 (4)垃圾最终填埋完成后,至少在三年内封闭监测,不准使用,要特别注意防火、防 爆。 三年后经鉴定达到安全期后可作为人造景观及一些无机类物资堆放场地等。 未经长期观 测,填埋场地区绝对不能作为工厂、商店、学校等建筑用地。
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此外,为便于降水的自然排放,垃圾堆体顶面应由最高点坡向四周,保证坡向平整,坡度不 小于 5%。 3.3 垃圾填埋工艺流程图(填埋气体工艺流程图见附图 4)

6、总结:
在设计之初,通过查阅了学术期刊网和优秀硕士论文数据库中的大量资料,了解城市生 活垃圾的处理工艺以及相关实验数据, 对设计要求进行了分析和讨论。 最后通过我们小组商 讨后确定工艺流程,工艺流程图绘制等。 通过本次课程设计,对于填埋气体的处理有了进一步的了解,对于相关的各种处理设备 也有了更深层次的认识。通过赵老师的指导和同学的帮助,促进了设计的顺利进展。讨论的 过程中,对工艺有更深一步的认识和理解。尤其是固体废物的填埋处置。这次课程设计的重 点是垃圾填埋场中抽气井的布设与产气量的估算。 在抽气井的布设中, 首先进行的工作是垃 圾填埋场的在服务年限产气量的估算预测, 其次是对垃圾填埋气体的产生过程及其对环境的 影响进行分析,再次是确定填埋气体的收集方式, ,最后对填埋气体综合利用净化技术进行 分析, 在此基础上完成对抽气井布设的设计和规划。 本次课程设计也是我们为毕业设计打下 一个好的基础。 最后,感谢教研室的老师为我们提供本次设计的题目和要求,感谢赵玉杰老师在百忙之 中抽出时间为我们指导,同时感谢设计过程中向我提供帮助和参与讨论的同学。 7、参考文献: [1] 生活垃圾填埋污染控制标准 GB 16889 1997 [2] 宁平固体废物处理与处置 高等教育出版社 2006 北京:化学出版社,2000

[3] 聂永丰 三废处理工程技术手册:固体废物卷

[4] 芈振明,高忠爱固体废物的处理与处置(修订版)[M] 北京:高等教育出版社,1993 [5] 高艳玲.固体废物处理与处置工程实例. 北京:中国建筑工业出版社,2004

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附图 5 填埋气体导排系统示意图

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土源

挖掘机

运输

覆土

生活垃圾

性质检查与计量

垃圾卸车

推铺

压实

灭蝇

渗滤液收集

日覆土

沼气导排

调节池

中间覆盖

气体引出

焚烧或利用

污水回灌 及处理 返回 达标后排 放或利用 终场覆盖 生态工程 种植绿化 噢

附图 4 垃圾填埋工艺流程图

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预装配 井口装置

15cm植被 45cm保护层 土质排水层 柔性土工膜封盖 压实粘土封盖 井 深 可 变 HDPE集气管 直径15cm80 号PVC管
隔离层厚 (可变)

回填压实粘土 土工织物 粒径25-75mm洁净砾石 直径15cm80号多孔PVC管 PVC阀头 固体废弃物底面

PVC接头

60cm洁净砾石

附 图 6

抽 气 井 结 构 图

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