填埋气体的收集系统.docx
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填埋气体的收集系统
填埋气体的收集系统
1.1生活垃圾的定义……………………………………………………………………………3
1.2城市生活垃圾处理方法简介………………………………………………………………3
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。
（正文：
宋体，5号字；1号标题小4号字；行间距：
20磅；页眉（固体废弃物与噪声控制课程设计）、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
2014年6月16日~2014年6月20日
环境工程教研室
2014-6-12
1概述
1.1生活垃圾的定义
根据《中华人民共和国固体废物污染物环境防治法》中的规定，生活垃圾是指在日常生活中或者为日常生活提供服务的活动中产生的固体废物以及法律、行政法规规定视为生活垃圾的固体废弃物。
一般而言，工业废弃物之外的固体废弃物都可以统称为生活垃圾。
但是在日常生活中所讲的生活垃圾是指由家庭日常产生并由城市环境卫生机构收集处置的混合固体废弃物，以及与这类废物性质类似的办公、商业、园林废弃物等。
生活垃圾一般可分为四大类：
可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾。
1.2城市生活垃圾处理方法简介
目前，对城市生活垃圾的处理主要有以下三种方法：
① 填埋法
一般分为简易填埋和卫生填埋。
简易填埋就是不采取任何措施对垃圾进行露天堆放，自然填沟和填坑处理，这是最原始的城市垃圾处理方式，对空气、水源等环境造成严重污染。
卫生填埋是将生活垃圾在选定的合适场抢先做好底部防渗、沼气收集、垃圾渗滤液及污水处理等设施后进行填埋，填埋过程中采取除臭、灭蝇等措施。
防止蚊蝇大量滋生和垃圾产生的恶臭污染周围的环境。
垃圾填埋到一定高度后进行逢场处理，加上覆盖材料，让垃圾堆体经过长期的物理、化学和生物作用达到稳定状态的一种处理方法。
可以防止对地下水、大气及周哦为环境污染，垃圾填埋产生的沼气可收集发电，也可产生一定的经济效益。
它是目前我国生活垃圾所采取的主要处理方法。
② 焚烧法
焚烧是一种城市生活垃圾的高温热处理技术，即以一定量的过剩空气与被处理的废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应。
产生惰性气态物和无机不可燃物，以形成稳定的固态残渣的处理方法。
其优点是可使垃圾高度减量化、无害化，同时可利用焚烧产生的热量发电，产生经济效益。
③ 堆肥法
垃圾堆肥是在一定温度下，对垃圾进行发酵、生物分解，将其中的有机物质转化为农作物所需要的腐殖土，使垃圾达到无害化的一种方法。
这种方法比较简单、投资少，可以做到垃圾资源化。
2填埋场气体的收集系统
收集填埋气体的作用时减少填埋气体向大气的排放量、控制填埋气体的无序迁移，并为填埋气体的回收利用做准备。
收集系统可分为主动式和被动式两种，被动式收集系统利用垃圾体内的气体压力来收集填埋气体，主动收集系统则是采用抽真空的方法来控制气体的流动。
主动气体收集系统主要由抽气井、集气管、冷凝水收集井和泵站、真空源、气体处理站（回收或焚烧）以及气体监测设备等组成。
被动收集设施根据设置方向分为竖向收集方式和水平收集方式两种类型。
被动收集系统的优点是费用较低，而且维护保养也比较简单。
若将排气口与带阀门的管子连接，被动收集系统即可转变成主动收集系统。
2.1收集系统的概述
我国城市垃圾中可迅速降解的有机物含量一般大于国外垃圾，填埋垃圾开始产气的时间较国外早，产气速率也较国外的快，但相应的产气持续周期比国外的填埋场短。
目前，我国填埋气体普遍采用被动自然排放，对环境存在着许多隐患，因此对于新建的卫生填埋场的填埋气体应“主动抽气、集中点燃排放”，填埋气体的导排、处理和利用措施应根据填埋场的规模、生活垃圾成分、产气速率、产气量和用途等来确定，填埋气体不利用时，应主动导出，并采取集中燃烧处理。
由于大部分沼气在填埋场填埋过程中就已形成，所以填埋气采集应在填埋过程中就开始实施。
对于分层堆放的填埋场，可采用水平采气系统，但要注意采气管道的铺设不要影响垃圾的填埋。
对已建成封场的填埋场，可采用表面收集或竖井收集技术。
但填埋深度大于20m采用主动导气时，应采用水平收集与竖井收集相结合的方式。
垂直收集管的设置按填埋进程分，主要有三种方式：
⑴在填埋垃圾前从填埋区最低部起一次建设一定高度，以后随垃圾填埋、堆体的升高续接，直到达到设计堆体最终高度并高出一定距离。
这种方式有利于填埋堆体渗滤液的排出，可相对更好的控制垃圾堆体的含水率，以避免由于堆体水分含量过大造成垃圾运输困难，还可控制堆体中渗滤液的侧向压力过大导致的渗滤液从堆体侧向渗出；不利的是收集管直接与场低防渗层接触，接触部位要特别处理，防止局部垂直压力过大损坏防渗层，同时也会对填埋作业带来一定的不便。
⑵在填埋过程中，堆体达到一定高度（如4m）以后开始设置收集管，以后随堆体的升高续接，直至达到设计的最终高度并高出一定距离。
这种方式不用收集管部位特殊处理，但不利于渗滤液的导排。
⑶在填埋堆体达到设计的最终高度或一定的高度（如10m）后采用打井插管方式设置收集管。
这种方式非常有利于填埋作业的顺利进行，建立集中的收集系统可一次完成，比较有利于施工。
垂直收集管的设置按所采用的材料划分也可有三种形式：
⑴完全石笼式，适用于在填埋过程中设置，使用铁丝网或钢板围成直径600～1000mm的圆柱体，在其内填充卵石。
⑵石笼与HDPE管结合的形式，在石笼中间设置HDPE花管，这种形式有利于导气及气体的收集
⑶以HDPE花管为主的形式，主要用于在堆体达到设计高度后打井设置收集管。
2.2气体收集系统的类型和构造
在填埋场使用时和关闭之后,经营者可能需要对气体的流动实行控制。
收集填埋场废气的系统有两种类型,即被动收集系统和主动收集系统[6]。
（1）被动气体收集系统
被动气体收集系统让气体直接排出而不使用机械手段如气泵或水泵等。
这个系统可以在填埋场外部或内部使用。
周边的沟槽和管路作为被动收集系统阻止气体通过土体向侧向流动并直接将其排入大气。
如果地下水位较浅,沟槽可以挖至地下水位那个深度,然后回填透水的石渣或埋设多孔管作为被动系统的隔墙,根据周围土的种类,需要在沟槽外侧设置实体的透水性很小的隔墙,以增进沟槽内被动排气量。
如果周围是砂性土,其透水性和沟槽填土相似,则需在沟槽外侧铺一层柔性薄膜,以阻止气体流动,让气体经排气口排出。
如果周边地下水位较深,作为一个补救办法,也可用泥浆墙阻止气体流动。
图1.2表示一种典型的被动排气方式,它既有中间覆盖又有封顶系统。
被动气体收集系统的优点是费用较低,而且维护保养也较简单。
图2.1一个独立的被动气体排放系统示意图图2.2典型的填埋场排放气体被动收集系统
（2）主动气体收集系统
若被动气体收集系统不能有效地处理填埋场气体,就必须采用主动气体收集系统,利用动力形成真空或产生负压,强迫气体从填埋场中排出。
极大多数主动气体收集系统均利用负压形成真空,使填埋废气通过抽气井、排气槽或排气层排出。
主动气体收集系统构造的主要部分有抽气井、集气管、冷凝水脱离和水泵站、真空源、气体处理站（回收或焚烧）以及监测设备等。
3.填埋气
3.1填埋气体的组成
填埋场的主要气体包括NH3、CO2、CO、H2、H2S、CH4、N2和O2等，其中以CH4和CO2的含量最高。
其典型特征为温度约43-49℃，相对密度约1.02-1.06，水蒸气含量达到饱和，高位热值为15630-19537KJ/m3。
3.2填埋气体的特性
填埋气为CH4、CO2以及其它一些微量成分，如N2、H2S、H2和挥发性有机物等，其中CH4的含量达到40%～60%。
CH4和CO2是主要的温室气体，CH4对O3的破坏是CO2的40倍，产生的温室效应比CO2高20倍以上，CH4和CO2产生的温室效应会使全球气候变暖。
甲烷易燃易爆，当其与空气混合比达到5%～15%时，极易引发爆炸和火灾事故。
CO2的密度较大，是空气的1.5倍，CH4的2.8倍，会向填埋下部迁移，在填埋场地势较低处富集，有可能通过填埋场基础薄弱处渗出，沿地层下移并与地下水接触。
由于CO2易溶于水，不仅会使水的pH值降低，而且会使地水矿物质含量增高，使地下水硬化。
填埋气的恶臭气味会引起人的不适，其中含有多种致癌、致畸的有机挥发物。
这些气体如不采取适当措施加以回收处理，而直接向场外排放，会对周围环境和人员造成伤害。
图3.1城市固体废弃物填埋场气体产出概念模型
3.3 填埋气体产生原理
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。
3.4填埋场气体的产生过程
城市固体废弃物在其分解期间会产生大量气体,填埋废气的生成是一个生化过程,有机废弃物经由微生物分解产生 CO2 、CH4 和其它气体。
这些气体中,主要是 CO2 、CH4 等气体,也有少量的微量气体。
主要气体系废弃物中有机成分经分解生成的,微量气体虽然数量很少,但其中一部分可能有毒,会对公众健康带来危害。
填埋场中各类气体生成的百分分布典型值。
如表3.2所示,
表3.2城市固体废弃物填埋场气体成分典型值
成 分占干燥体积百分比成分占干燥体积百分比
CH4 （沼气）45～60NH311～110
CO240～60H20～12
N22～5CO0～12
O211～110微量成分101～16
S、H2SO4等0～110
其中CH4 和CO2是废弃物中生物降解有机废料在厌氧环境中分解生成的。
图3.3表示埋场气体组成随时间的变化。
最初,填埋场中气体的分布和大气是一样的,约80%为N2,20%为O2,还有少许CO2和其它气体。
后来填埋场中的微生物开始分解有机材料,氧气减少,二氧化碳增加,需氧环境转变为厌氧环境。
一开始填埋场气体中甲烷很少,但随着时间增加其含量愈来愈高,二氧化碳的含量反而略有减少。
这些气体实际上是以甲烷和二氧化碳为主的一种混合气体,经过较长时
间,当填埋场中的有机材料消耗完时,所有气体的生成也就中止了。
图3.3填埋场气体组成随时间的变化
用重型建筑机械和碾压机压紧的垃圾，在填埋场隔绝空气的状态下，由微生物的生化降解作用而产生填埋气体。
其分解过程经过5个阶段：
好氧分解阶段；液化产酸阶段；CH4增长阶段；稳定产CH4阶段；填埋场的稳定阶段[4]。
（1）好氧分解阶段；填埋初期，垃圾中的有机物进行好氧分解，时间可持续数天至几个月；该阶段主要是好氧微生物作用，产生的气体主要有CO2、H2O、NH3。
（2）液化产酸阶段；好氧分解进行中，填埋区内O2逐渐减少，转入厌氧消化、水解产酸阶段；该阶段主要是厌氧菌作用，产生的气体有CO2、H2及少量CH4。
（3）CH4增长阶段；随着CH4菌增长，CH4含量增加，挥发性有机酸积累下降，pH值增加为碱性；该阶段可持续1～2年。
（4）稳定产CH4阶段；此阶段为动态平衡阶段，挥发性有机酸积累很少，主要产生CH4、CO2，气体组成稳定，是填埋场气体利用的主要阶段；大型垃圾填埋场此阶段可持续10年以上。
（5）填埋场的稳定阶段；可降解有机物基本耗尽，产生的气体、渗滤液量减少，填埋场出现不均匀沉降，空气重新进入填埋场，封场后的土地利用在此阶段进行。
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行。
3.5影响填埋场气体生成的因素
填埋场气体产出能力取决于很多因素,包括废弃物的构成、含水量、pH值以及有效营养成分等。
一开始,当可分解的垃圾倒入填埋场时,垃圾带着周围大气中的氧一起进入,经过一段细菌分解的自然过程,耗尽了空气中的氧（需氧分解）,在填埋场中形成厌氧环境,这通常发生在填埋单元封闭后6个月或更长一段时间内。
厌氧环境是产生甲烷的必要条件之一。
如果氧气重新进入填埋场,带有氧气的废弃物将回复到需氧状态,并使产生甲烷的细菌群体被杀死,需要再过一段时间以后,甲烷产出能力才能回复正常。
由于此时填埋场内尚有部分甲烷存在,甲烷逐渐减少完全取决于刚填埋的需氧废弃物有多少,还有其它一些因素。
二氧化碳则在需氧和厌氧状态均可产生。
在静止状态下,填埋场气体的构成大概一半为甲烷,另一半为二氧化碳,另有少量的氮。
表3.4填埋气体的产生过程
阶段
主要特征
结束标志
持续时间
初期调整阶段
过渡阶段
酸化阶段
CH4发酵阶
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N2
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
只要存在一定条件,填埋场气体将不断生成,这些条件包括:
垃圾成柱状堆积,缺少空气的环境,温度在10～57℃之间以及纤维素或其它有机材料（甲烷细菌的作用物）的有效作用。
给填埋场加水可加快气体的产出,在干旱地区干燥的填埋场内,长时间（也许要100年）内也只有少量气体生成,而对那些有机材料可适当加水的填埋场,在8～15年内,填埋场废气将生成得很快,以后就降到较低的水平（见图3.4）。
当气体生成时,填埋场内存在一定的气体压力,已经量测到的压力大约为0125～0175kPa,有些单元可高达1150kPa,这些压力已可使气体从填埋场中排入大气,渗入土内,甚至进入周围的建筑之中。
3.6 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。
4主要计算
4.1填埋场库容及覆土量：
（1）任意年的垃圾填埋量：
可由
计算得到：
其中：
-----任意年总填埋场库容；
-----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15%;
则任意年的垃圾填埋量为：
（2）任意年的覆土容积：
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：
（3）任意年的填埋场库容：
（4）10年的填埋场库容：
（5）10年的覆土量：
4.2填埋气体的产气量：
本次设计中选用Marticorena经验模型
该模型是针对具体的垃圾填埋场提出的，其前提假设垃圾是按年份分层填埋的，该模型认为各处气体的产生具有等同性和可累加性，在以年为单位的时间尺度上，一个地区的垃圾也可认为是分层分块填埋于不同处，所以将该预测模型应用于区域填埋气体产生量的预测是可行的。
（1）该模型推导如下：
式中：
MP一时间为t的垃圾的特定产甲烷潜能，Nm3/t；
MP0一新鲜垃圾的特定产甲烷潜能，Nm3/t；
t一时间，a；
td一垃圾生命持续时间，a；
D一某一层垃圾的特定年产甲烷率，Nm3/（t·a）；
F一整个垃圾场的甲烷产率，Nm3/a；
Ti一第i年中垃圾的质量，t；
（2）公式中各量的确定
①MP0的确定
MP0为新鲜垃圾的产CH4潜能（Nm3/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（Nm3/t），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（Nm3/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％～35％，中小城市的干基有机物比例约有15％～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（Nm3/t），中小城市垃圾填埋场的MP0为65（Nm3/t）．
②td的确定
td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．
表4.1计算结果
年份
/Nm3/t
11.0016.251482812
20.7812.681157050
30.619.91904288
40.477.64697150
50.376.01548412
60.294.71429788
70.223.58326675
80.172.76251850
90.142.28208050
100.111.79163338
③Ti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（Nm3/t），d=4a.
则：
根据以上三个公式经计算，结果见表4.1。
由表4.1可得当从垃圾填埋开始到第十年期间，每一年产甲烷的量。
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。
每一年的产CH4量见表4.2。
表4.2每一年CH4的产量
第i年产CH4量/Nm3/t（以Q（i）表示）
11482812
21157050
3904288
4697150
5548412
6429788
7326675
8251850
9208050
10163338
则，第t年整个垃圾填埋场的产气量为：
，可得，在第t年时垃圾的累计产气量，如表4.3所示。
表4.3第t年时填埋场的累计产气量
第t年在第t年时整个填埋场的累计产气量/m3N/a十五年的总产气量/m3N/a
11482812
22639862
33544150
44241300
54789712
6521950045290024
75546175
85798025
96006075
106022413
若认为，垃圾填埋四年后就不再产生CH4气体，则从第五年到第九年的产气量均相等。
则可知第t年整个填埋场的累计产气量为：
当t
4时，F（t）=
则可得第t年的累计产气量和总产气量，如表4.4所示：
（认为第十年的垃圾产生一年的甲烷气体）
表4.4第t年时填埋场的累计产气量
第t年在第t年时整个填埋场的累计产气量/Nm3/t十年的总产气量/Nm3/t
11482812
22639862
33544150
44241300
5478971237339496
64789712
74789712
84789712
94789712
101482812
所以产生的气体量=总气体量X60%=37339496X60%=22403697.6m3=2.2x107m3
5垃圾填埋的收集方式
5.1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。
5.2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抽气井布置
6.1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。
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：
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。
填埋固废的体积为：
填埋高度为19m,则填埋场的面积为：
设填埋场的长为：
a=400m,则填埋场的宽b为:
设井间距为50m,抽气井到填埋场的距离为：
55m
所以抽气井取7座。
400m
图6.1填埋场抽气井布点图
6.2抽气井及井口装置：
图6.2抽气井结构图
图6.3竖直抽气井
7填埋场的工艺流程
7.1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100m2为单位）划分填埋单元，从最低点分层填埋。
7.2垃圾填埋工序
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/m3，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。
当一个填埋区域的垃圾填埋完成并压实到0.85t/m3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。
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≤10-7cm/s），或覆盖人工合成材
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