(填埋气体的控制工程)

《固体废物处理与处置》课程设计-1-/20《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10%，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《固体废物处理与处置》课程设计-2-/20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《固体废物处理与处置》课程设计-3-/20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PalosVerdes动力模型、Sheldon-Arleta动力模型和SchollCanyon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。《固体废物处理与处置》课程设计-4-/20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《固体废物处理与处置》课程设计-5-/20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主要特征结束标志持续时间Ⅰ.初期调整阶段Ⅱ.过渡阶段Ⅲ.酸化阶段Ⅳ.甲烷发酵阶Ⅴ.成熟阶段气体中主要为CO2,温度急剧升高ORP降低,有H2产生气体主要成分是CO2,pH值达到最低CH4含量为50%左右,pH值升高CH4和CO2浓度急剧下降,重新出现N2填埋气体中不含O2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几小时～1周1～6个月3个月～3年8～40年1～40年或更长表1填埋气体的产生过程1.3填埋场气体的组成及特性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：《固体废物处理与处置》课程设计-6-/20组分甲烷二氧化碳硫化氢氧气氨气氢气一氧化碳氮气相对比重0.5551.5201.1901.1030.5950.0690.9670.967可燃性可燃/可燃//可燃可燃/爆炸范围体积%5-15/4.3-45.6//4-7412.5-74/臭味无无有无有无无无毒性无无有无有无有无表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