CN100535662C - 城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法及装置，采用从下至上分层充填由压实粘土层+排水砂砾层构成的衬垫层、生活垃圾层、储气层或分隔储气层、粘土封盖层的物料，形成垃圾模拟填埋体的方法，配合设置由法兰连接组合的柱体，并设有不同直径和完成不同用途的插孔装置，选择不同位置的插孔装置可进行不同的取样或插装仪表，可系统监测研究垃圾生物气的生成、储集、运移过程及其条件控制与优化，衬垫层在渗滤液和生物气影响下的渗透性能等土工性状变化特征及渗滤液渗透运移规律，从而实现垃圾有机质生物降解、垃圾生物气的生成、储集和运移、排水层渗透性能变化规律、渗流特征、压实粘土在渗滤液长期作用下的土工性状变化特点等方面的实验。

Description

城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法及装置

技术领域

本发明涉及城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法及装置，尤其适用于模拟城市生活垃圾在实际填埋时垃圾生物气的生成、储集和运移，衬垫层(砂砾排水层和压实粘土层)渗透性能变化特征、渗流规律的综合研究。

背景技术

在城市生活垃圾地质填埋过程中，由于垃圾有机质降解、生气、填埋气体的储集运移及渗滤液对衬垫系统的作用过程较为复杂性，需要进行系统和单独的垃圾填埋实验。目前，很多垃圾地质填埋模拟实验装置针对于某一具体研究内容设计并实施，如针对于垃圾有机质降解、渗滤液的运移规律、(复合)衬垫的渗透性能和吸附性能研究及生气规律等方面的独立模拟实验，实验装置规模小，常见的模拟容器结构比较简单，体积小，可测数据少，偏差大；其二没有专门的取样设置，实验过程中取样困难；其三没有涉及到垃圾有机质降解，填埋气体的生气、储集、运移和产出，以及垃圾体生物化学过程及渗滤液渗流对土体土工性能的影响与相互作用综合模拟实验研究。因此对垃圾地质填埋的系统实验研究有待进一步深入。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种方法简便、易操作、取样数据多、偏差小、结构紧凑的城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法及装置。

技术方案：本发明城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法，其步骤如下：

步骤一：首先设定垃圾模拟填埋体结构，按填埋体结构从下至上分层往垃圾填埋柱体内充填由压实粘土层与排水砂砾层构成的衬垫层、生活垃圾层、储气层或分隔储气层、粘土封盖层的物料，形成垃圾模拟填埋体；

步骤二：在垃圾填埋柱体上的插孔装置中分别安装孔隙水压力测压管装置、气体压力测定装置、孔隙水压力传感器、氧化还原电位仪温度计、衬垫土层含水量测定仪和气体流量测定装置等测试仪表，其中孔隙水压力测压管装置、气体压力测定装置和孔隙水压力传感器的安装位置对应于衬垫排水砂砾层，氧化还原电位仪和温度计的安装位置对应于生活垃圾层，气体压力测定装置和气体流量测定装置安装位置对应于储气层或分隔储气层，衬垫土层含水量测定仪安装位置对应于压实粘土层；

步骤三：测试采集模拟填埋体中孔隙水压力、气体压力与流量、氧化还原电位、酸碱度、温度、压实衬垫土层含水量的数据，确定衬垫层、垃圾层、垃圾生物气、渗滤液的取样时间，对采集到的样品进行测试与分析。

本发明城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，它包括由法兰连接的、带有底座和顶盖的垃圾填埋柱体，垃圾填埋柱体的壳体上设有观察透视窗，并设有多个可插入不同探头的插孔装置，通过垃圾填埋柱体上的插孔装置，设有多个孔隙水压力测压管装置和气体压力测定装置，并插接有渗滤液循环系统、气体流量测定装置、多个衬垫土层含水量测定仪、孔隙水压力传感器、氧化还原电位仪、温度计，渗滤液循环系统分别与垃圾填埋柱体上和顶盖上的插孔装置相连。

本发明城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，所述的插孔装置由外丝管接头、设在外丝管接头端面的胶垫与外丝管接头相配合并开有通孔的内丝帽组成；所述的渗滤液循环系统由泵、插入插孔装置内的连接管接头和球阀、用软管和三通所连接的渗滤液容器组成；所述的孔隙水压力测压管装置由设在插孔装置内的打孔胶塞、插入其内的空心铜管、测压玻璃管、将空心铜管和测压玻璃管连为一体的软管组成，软管内设有透水不透气的陶土板；所述的气体压力测定装置由固定在垃圾填埋柱体上的插孔、由活接接头连接的管接头、由三通连接的不同方向的两个球阀，球阀上通过打孔胶塞设有气体压力表，管接头的端部设有透气不透水的微孔薄膜；所述设在垃圾填埋柱体下部的多个衬垫土层含水量测定仪顺序排列，每个衬垫土层含水量测定仪的插杆插入设有打孔胶塞并倾斜设置的插孔装置内；所述的由法兰连接的、带有底座和顶盖的垃圾填埋柱体可以是单个柱体，也可以由多个柱体联接而成。

有益效果：本发明城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法及装置，采用法兰连接的组合柱体、具有观察透视窗、并设有不同直径和完成不同用途的插孔装置，根据实验所需的具体测试内容，选择不同位置的插孔装置可进行不同的取样或插装仪表，一个插孔装置可实现多种功能，能够实现垃圾有机质生物降解、垃圾生物气的生成、储集和运移、排水层渗透性能变化规律、渗滤液在衬垫层中的渗流特性、压实粘土在渗滤液长期作用下土工性状的变化特点等方面的实验研究。可以针对某一研究项目进行，也可以将研究项目之间进行协调，形成系统，各研究阶段的实验数据相互依存、相互利用，系统地对垃圾填埋进行模拟研究。能够研究垃圾有机质生物降解、填埋气体的生气、储集和运移、渗滤液在衬垫层的运移、渗滤液生物化学过程对衬垫土层土工性状的影响，是针对研究厌氧条件下垃圾有机质降解的地球化学特征及其对衬垫系统渗流作用与渗流机制的模拟实验，可系统监测研究垃圾生物气的生成、储集、运移过程及其条件控制与优化，衬垫层在渗滤液和生物气影响下的渗透性能等土工性状变化特征及渗透运移规律。其结构紧凑、方便拆装，密封效果好，操作方便，制作简单，直观，检测方便，在本领域内具有实用性。

附图说明

图1是本发明城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置结构图。

图2是图1中I局部放大图。

图3是图1中II局部放大图。

图4是图1中III局部放大图。

图5是图1中IV局部放大图。

图6是图1中V局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

本发明城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法，按设定垃圾模拟填埋体的结构，往垃圾填埋柱体1内从下至上，分别放置衬垫压实粘土层、衬垫排水砂砾层、垃圾层、储气层或分隔储气层、封盖层、构成垃圾模拟填埋体结构，每层厚度及结构根据研究问题的重点来进行确定。通过设在垃圾填埋柱体1上的插孔装置4，分别安装孔隙水压力测压管装置6、气体压力测定装置7、孔隙水压力传感器10、氧化还原电位仪11和温度计12、衬垫土层含水量测定仪9和气体流量测定装置8等测试仪表，其中孔隙水压力测压管装置6、气体压力测定装置7和孔隙水压力传感器10的安装位置对应于衬垫排水砂砾层，氧化还原电位仪11和温度计12的安装位置对应于生活垃圾层，气体压力测定装置7和气体流量测定装置8的安装位置对应于储气层或分隔储气层，衬垫土层含水量测定仪9的安装位置对应于压实粘土层；测试采集垃圾模拟填埋体中孔隙水压力、气体压力与流量、氧化还原电位、酸碱度、温度、衬垫土层含水量的数据，确定衬垫层、垃圾层、垃圾生物气、渗滤液的取样时间，最后对采集到的样品进行测试与分析。其目的之一是通过测试采集垃圾填埋柱体1中垃圾层氧化还原电位、酸碱度、温度，储气层或分隔储气层的气体压力与流量，及气体样品成分分析，对垃圾有机质发酵的介质条件、产气过程和气体的地球化学运移特征进行动态监测；通过采集的垃圾样品的有机质组成分析和进一步的微生物培养，得到模拟实验条件下微生物种群数量变化及有机质成分变化规律，建立微生物种群变化、垃圾有机质成分变化与有机质产气量、产气速率、有机质转化效率之间的关系。目的之二是利用孔隙水压力测压管装置和孔隙水压力传感器测定的值，探讨排水层的渗透性能变化特征；通过取样测试，确定排水层的孔隙特征和孔隙充填特征；通过分别设置于压实土层中不同位置衬垫土层的测定仪测定土层不同深度的含水量变化，掌握渗滤液在填埋衬垫土层中的渗流特征。在实验过程控制条件下，垃圾发生生物化学反应，促使垃圾填埋产气过程中自身特征、渗滤液水质发生变化，不断产生填埋气体。通过渗滤液循环系统5、孔隙水压力测压管装置6、气体压力测定装置7、气体流量测定装置8、衬垫土层含水量测定仪9、孔隙水压力传感器10、氧化还原电位仪11、温度计12等，系统测定和研究垃圾有机质产气过程和气体的地球化学运移特征，了解不同模拟实验条件下，渗滤液在排水层和压实粘土层中的渗流特征，及其对排水层和压实粘土层渗透性能及其它土工性状的影响规律。垃圾填埋柱体1内的水位高度可以通过观察透视窗3、插孔装置4和渗滤液循环系统5进行观察和控制。为防止侧漏，在充填填埋材料之前，需要在垃圾填埋柱体1内壁涂抹一层黄油。在测定孔隙气压力时，为了将渗滤液中的气体和液体分离，将透气不透水的微孔薄膜23放置气体压力测定装置中。为了真实反映排水层在填埋气体等因素作用下的渗透性能，测定测压管水柱时，需要在测压软管中放置透水不透气的陶土板32。

本发明城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，如图1所示，用法兰2将两个柱体、下底和上盖连接构成垃圾填埋柱体1，垃圾填埋柱体1与法兰2通过加强筋14连接，垃圾填埋柱体1上设有观察透视窗3及插孔装置4，垃圾填埋柱体1设有渗滤液循环系统5、孔隙水压力测压管装置6、气体压力测定装置7、气体流量测定装置8、衬垫土层含水量测定仪9、孔隙水压力传感器10、氧化还原电位仪11、温度计12和渗滤液容器13。气体流量测定装置8、孔隙水压力传感器10、温度计12均通过插入设有打孔胶塞19的插孔装置4与垃圾填埋柱体1连接。观察透视窗3由焊接在垃圾填埋柱体1上的弯曲成一定弧度的有机玻璃实现，根据实验的需要可以将测试仪表设置并调整到垃圾填埋柱体1上不同位置的插孔装置4内，插孔装置4可以作为取样孔或仪表插孔使用，插孔装置4通过焊接在填埋柱体上的、直径不等的外丝管接头15、胶垫17、18和内丝帽16构成，图2所示。衬垫土层含水量测定仪9的插杆20插入斜置的插孔装置4中，通过打孔胶塞19插入垃圾填埋柱体1内，打孔胶塞19放置于外丝接头15内，将配有胶垫17的内丝帽16与外丝接头15进行螺纹连接，并将胶塞旋紧，胶塞与衬垫土层含水量测定仪连接处用密封胶密封，图3所示。气体压力测定装置7通过活接接头22直接连接于插孔21上，活接接头22中配有胶垫，并与外丝管接头24连接，且连接处放置透气不透水的微孔薄膜23。外丝管接头24与三通25通过PVC胶粘结，三通的第二通通过与与之胶结的直通管与球阀27连接，气体压力表29插入打孔胶塞28中，并一同插入球阀27中，三通的第三通通过直通管与球阀26连接，图4所示。孔隙水压力测压管装置6由插孔装置4、及设在其中的打孔胶塞19和胶塞内的空心铜管30、软管31和测压玻璃管33构成，软管31采用乳胶管，通过软管31将空心铜管30和测压玻璃管33连接在一起，软管31中放置有透水不透气的陶土板32，如图5所示。氧化还原电位仪11上设有复合电极34，电极34插入设有打孔胶塞19的插孔装置4内，利用内丝帽16及胶垫17将打孔胶塞19旋紧在外丝接头15内，如图6所示。渗滤液循环系统5由与垃圾填埋柱体1插孔装置4连接的球阀、连接管、循环泵、连接管接头、三通构成。气体流量测定装置8、氧化还原电位仪11和温度计12通过打孔胶塞19和插孔装置4直接插入垃圾填埋柱体1内，打孔胶塞19置于焊接在垃圾填埋柱体1上的外丝管接头15内。打孔胶塞19与气体流量测定装置8、氧化还原电位仪11和温度计12连接处用密封胶密封。以上各种测试仪表均可选择不同位置的插孔装置4进行插接，完成不同需要的数据测量。

具体实施过程：垃圾填埋柱体1中从下至上，分别往垃圾填埋柱体1内充填由压实粘土层和排水砂砾层构成的衬垫层、生活垃圾层、储气层或分隔储气层、粘土封盖层的物料，形成垃圾模拟填埋体，在垃圾填埋柱体1上设置的插孔装置4中对应填埋层位置分别设置相应的测定系统，如孔隙水压力测压管装置6、气体压力测定装置7和孔隙水压力传感器10的安装位置对应于衬垫排水砂砾层，氧化还原电位仪11和温度计12的安装位置对应于生活垃圾层，气体压力测定装置7和气体流量测定装置8安装位置对应于储气层，衬垫土层含水量测定仪9安装位置对应于压实粘土层。孔隙水压力测压管装置6、气体压力测定装置7、孔隙水压力传感器10、氧化还原电位仪11和温度计12设在垃圾填埋柱体1的上部，衬垫土层含水量测定仪9设有4个，设在柱体1的下部。通过测试仪表读取的数据来确定取样时间，如衬垫土层含水量测定仪9的读数逐渐降低，说明含水量测定仪所在位置土层的含水量逐渐增加，当读数降至零时，说明衬垫土层含水量测定仪9所对应土层已达到饱和。此时，可以打开对应位置插孔装置4的内丝帽16进行取样，送至相关实验室对样品进行测试。

采用氧化还原电位仪11、气体流量测定装置8、气体压力测定装置7、气体样品采集和成分分析，对垃圾有机质发酵介质条件、产气过程和气体的地球化学运移特征进行监测研究。通过取样和进一步的微生物培养，掌握不同模拟实验条件下微生物种群数量变化规律、微生物种群变化与填埋场稳定化过程中产气量与产气速率之间的关系，研究不同性质有机物降解过程与甲烷产气量、产气速率的关系。通过孔隙水压力测压管装置6和孔隙水压传感器10的测定，探讨不同结构和不同粒度特征排水层的渗透性能变化特征。通过取样，确定排水层的孔隙特征和孔隙充填特征。通过分别设置于压实土层中不同位置的衬垫土层含水量测定仪9测定土层不同深度的含水量变化，掌握渗滤液在填埋衬垫土层中的渗流特征。通过设置压实粘土层中的插孔，完成取样、进行样品的分析与测试，掌握压实粘土在渗滤液长期作用下的土工性状变化特点。

Claims (7)

1.城市生活垃圾地质填埋模拟实验方法，其特征在于：

步骤一：首先设定垃圾模拟填埋体结构，按填埋体结构从下至上分层往垃圾填埋柱体(1)内充填由压实粘土层与排水砂砾层构成的衬垫层、生活垃圾层、储气层或分隔储气层、粘土封盖层的物料，形成垃圾模拟填埋体；

步骤二：在垃圾填埋柱体(1)上的插孔装置(4)中分别安装孔隙水压力测压管装置(6)、气体压力测定装置(7)、孔隙水压力传感器(10)、氧化还原电位仪(11)、温度计(12)、衬垫土层含水量测定仪(9)和气体流量测定装置(8)测试仪表，其中孔隙水压力测压管装置(6)、气体压力测定装置(7)和孔隙水压力传感器(10)的安装位置对应于衬垫排水砂砾层，氧化还原电位仪(11)和温度计(12)的安装位置对应于生活垃圾层，气体流量测定装置(8)安装位置对应于储气层或分隔储气层，衬垫土层含水量测定仪(9)安装位置对应于压实粘土层；

步骤三：测试采集垃圾模拟填埋体中孔隙水压力、气体压力与流量、氧化还原电位、酸碱度、温度、压实衬垫土层含水量的数据，确定衬垫层、垃圾层、垃圾生物气、渗滤液的取样时间，对采集到的样品进行测试与分析。

2.城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，其特征在于：它包括由法兰(2)连接的、带有底座和顶盖的垃圾填埋柱体(1)，柱体(1)的壳体上设有观察透视窗(3)，并设有多个可插入不同探头的插孔装置(4)，通过垃圾填埋柱体(1)上的插孔装置(4)，设有多个孔隙水压力测压管装置(6)和气体压力测定装置(7)，并插接有渗滤液循环系统(5)、气体流量测定装置(8)、多个衬垫土层含水量测定仪(9)、孔隙水压力传感器(10)、氧化还原电位仪(11)、温度计(12)，渗滤液循环系统(5)分别与垃圾填埋柱体(1)上和顶盖上的插孔装置(4)相连。

3.根据权利要求2所述的城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，其特征在于：所述的插孔装置(4)由外丝管接头(15)、设在外丝管接头(15)端面的胶垫(17、18)、与外丝管接头(15)相配合并开有通孔的内丝帽(16)组成。

4.根据权利要求2或3所述的城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，其特征在于：所述的渗滤液循环系统(5)由泵、插入插孔装置(4)内的连接管接头、球阀和用软管和三通所连接的渗滤液容器(13)组成。

5.根据权利要求2或3所述的城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，其特征在于：所述的孔隙水压力测压管装置(6)由设在插孔装置(4)内的打孔胶塞(19)、插入其内的空心铜管(30)、测压玻璃管(33)、将空心铜管(30)和测压玻璃管(33)连为一体的软管(31)组成，软管(31)内设有透水不透气的陶土板(32)。

6.根据权利要求2所述的城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，其特征在于：所述的气体压力测定装置(7)由插孔、管接头、三通和两个球阀构成，其中插孔固定在垃圾填埋柱体上，插孔与管接头由活接接头连接为一体，三通水平方向的两个通口分别连接管接头和第一球阀，垂直方向的通口连接第二球阀，第二球阀上设有气体压力表，管接头的端部设有透气不透水的微孔薄膜。

7.根据权利要求2或3所述的城市生活垃圾地质填埋模拟实验装置，其特征在于：所述设在垃圾填埋柱体(1)下部的多个衬垫土层含水量测定仪(9)顺序排列，每个衬垫土层含水量测定仪(9)的插杆(20)插入设有打孔胶塞(19)并倾斜设置的插孔装置(4)内。

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