垃圾填埋场气体的收集与处理

垃圾填埋场气体的收集与处理*李霞顾建良杨安辉(深圳市市政工程设计院，深圳518028)(深圳市燃气集团)摘要就垃圾填埋场可燃气体的产生、气体的成分及浓度、气体收集的重要性、产气量的估算方法以及气体的收集系统、气体的处理方法进行了详细论述。为今后垃圾填埋场的设计、施工提供依据，为垃圾填埋场运行及封场后气体的处理提供参考。关键词垃圾填埋场可燃气收集垃圾处理中图分类号TU9961概述随着我国经济的不断发展，许多城市都在向国际化大都市迈进，在经济高速发展的同时，环境也越来越引起人们的关注和重视，创造一个整洁、优美的工作环境和生活环境是一个现代化城市的重要标志之一。垃圾是伴随着人类的生产、生活而产生的，随着工业化和城市化的推进，城市人民的物质文化水平日益提高，垃圾的产量和成份也迅速增加和变化。在当今世界上，处理垃圾的难度越来越大，给城市的发展和管理带来了新的困难，直接或间接地影响着生态环境，对居民的健康和生存构成了严重威协，在工业发达国家(如日本)，人均垃圾产量每天已达2.5左右，即使是发展中国家(如中国深圳)，人均垃圾产量每天也达0.7～1.2，一座百万人口城市每天要产生上千吨垃圾，其处理难度是可想而知的。我国城市垃圾的处理方法目前还比较落后，其主要方法是填埋，约占整个垃圾处理方法的95%以上，焚烧仅占很少部分，且仅在少数几个城市实行(如深圳市)。因此，垃圾填埋场可能产生的污染问题、爆炸问题应引起我们足够的重视，目前，我国所采用的填埋方法基本上是随意堆放的方法，未经无害化处理。在填埋过程中，由于厌氧分解产生大量的甲烷气体，如果不加以收集处理就会发出臭味并可能产生火灾危险。本文着重对垃圾填埋场气体的收集系统及处理系统进行论述，以解决垃圾填埋场在封场后可能发生的火灾危险。2填埋场气体的产生城市生活垃圾包括居民家庭、道路清扫(包括果皮箱收集)、商业营业垃圾(包括菜场垃圾)、企事业单位(包括机关、学校、医院)、以及露天公共场所等产生的垃圾，亦有一部分工业垃圾和建筑垃圾混杂其中。因此在投入填埋场的垃圾中，含有相当丰富的有机物质。通常，家庭垃圾中，含有马铃薯皮、水果皮、食物残渣、菜叶、纸张、毛皮等有机物。庭院垃圾中也含有一定数量的有机物质。垃圾一旦进入填埋场，微生物的分解过程就开始了。第一步是好氧分解，消耗填埋场中的氧气，产生大量的热。第二步进行厌氧分解，产生沼气，其组成见表1。作为垃圾本身的生物厌氧降解过程，其最终产物主要是CO2和CH4。垃圾被填埋的初期，有机物分解产生的废气主要是CO2，经过一段时间以后，气体中的甲烷成分逐渐上升，产气高峰一般要在垃圾填埋3～5年之后才出现，而废气中CH4含量较高时会引起爆炸(空气中CH4的爆炸极限范围是5～15V%。因此，做好填埋场气体的收集处理是一项很重要的工作。气体成分和浓度随填埋年限和垃圾成分的不同而变化。其主要成分随时间的变化见表2。表1填埋场内气体成分与浓度气体名称分子式浓度甲烷CH40～85V%二氧化碳CO20～85V%一氧化碳CO2.8V%氨NH30～0.35×10-6氢H20～3.6V%氧O20～31.6V%氮N20～82.5V%硫化氢H2S0～75V%ACETACH3CHO150×10-6ACETOC2H6CO100×10-6苯C6H60.08V%氩Ar0.01V%HEPTAC7H160.45V%甲苯C6H5CH30.09V%表2垃圾处理场废气主要成分变化完工时间(月)0～33～66～1212～1818～2424～3030～3636～4242～48CH4V%52129404647514748CO2V%887465525251465050N2V%5.23.00.41.00.40.21.30.90.43深圳垃圾填埋场深圳市玉龙坑垃圾填埋场是市区垃圾处理的最终消纳场所，占地面积6.12公顷，该填埋场建于1980年，投入运行时为裸堆，后经扩建并增设了排气管、排洪沟等设施，进行了垃圾的碾压和覆土，于1984年正式启用，成为一个准卫生填埋场，目前，容量已接近饱和，年底即将封场。该垃圾场位于一个山谷地带，四周地势较高，产生的沼气不易很快扩散，而且易燃、易爆、有毒的气体长期自然排放，不仅存在着严重的环境污染，而且还存在着爆炸的危险。玉龙坑垃圾填埋场由于设计没有安装排气管，垃圾填埋后，所产生的气体自然排出，为了减少其危害程度，1984年增设了排气设施，但由于设计不规范，而且垃圾覆土过程中，推土机将部分导气管推弯，使导气管出现倾斜，甚至断裂的现象，直接影响了填埋场的排气效果，一旦引起火灾，就会引起填埋场沼气爆炸，后果不堪设想，因此，对填埋场封场后排气制订切实可行的方案，对减少隐患，改善环境将有着十分重要的意义。填埋场气体的量及其成分，主要取决于填埋垃圾的种类与数量，所采用的地面处理方法、填埋深度、填埋场温度和填埋场实际使用年限等因素。填埋初期，第一和第二阶段(历时1年左右)，主要成分是二氧化碳、氮、少量氢、一氧化碳和氧；第三阶段(历时2年)是甲烷发酵的不稳定期,主要成分是二氧化碳和甲烷，产生量也较少;第四阶段为稳定的废气产生期，主要成分是甲烷和二氧化碳，(历时20～30年)，一般第15～16年为产气高峰，本阶段属气体回收利用期。垃圾场沼气产生量曲线如图1(K为产气率)。图1垃圾场沼气产生量曲线表3深圳市市区历年垃圾量t/y年代198419851986198719881989垃圾量t87600131400142350147460168265243734年代199019911992199319941995垃圾量t282420320000429000430405454425518665以玉龙坑垃圾场为例，该填埋场于1984年开始启用，据资料统计，市区垃圾量见表3。除玉龙坑垃圾填埋场以外，深圳市垃圾综合处理厂自1988年投产以来，日焚烧垃圾量约200t，到1995年底，共焚烧垃圾5×104t，因此，除去烧掉的垃圾，其余约4×106t，5×106的垃圾均进入了玉龙坑填埋场。据《美国城市固体垃圾管理及填埋技术》报道：在12～15年的填埋期间里，每公斤固体垃圾可以回收0.0989～0.1483m3的甲烷。与美国相比，玉龙坑垃圾填埋场中有机垃圾含量极少，而沼气是通过有机物的发酵产生的，因此产气量也较以上指标低，考虑到填埋场已使用十年，填埋场的沼气产气率约为每公斤固体垃圾可以回收0.05m3，回收期15年，产气量计算公式如下：Q=1000×g×w/(365×24×y)(m3/h)式中：g—每公斤固体垃圾回收气量(m3/kg)；w—垃圾填埋总量(t)；y—回收期限(年)。则玉龙坑填埋场沼气的小时产量为：Q=1000×0.05×400×104/(365×24×25)=913(m3/h)考虑将这些气体由预埋的排气设施集中导出，送至沼气处理设施集中处理后，送入环卫综合处理厂，对其综合利用。5气体收集系统5.1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。地下沼气收集井如图2所示。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没有小孔，为增加吸收面积，吸引管周围装有过滤砾石。废气收集系统如图3所示。图2地下废气收集井示意图图3废气收集系统示意图1—收集井(竖井)；2—集气柜；3—沼气收集管；4—集气管；5—控制站；6—收集站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。6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。废气收集处理应用流程见图4。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。图4填埋场气体收集处理应用流程图