CN101890422B - 准好氧垃圾填埋系统中垂直导气管直径的确定方法 - Google Patents
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Abstract
准好氧垃圾填埋系统中垂直导气管直径的确定方法，解决根据准好氧垃圾填埋系统中的垃圾渗滤液导排主管的直径确定垂直导气管直径的技术问题，其确定方法是，垂直导气管直径小于垃圾渗滤液导排主管的直径。最佳实施例为垂直导气管直径为垃圾渗滤液导排主管的直径的50％--75％，垂直导气管直径为100mm，垃圾渗滤液导排主管的直径200mm。本发明的有益效果是，根据渗滤液导排主管的直径对应设计垂直导气管直径，经模拟工业模型试验证明，可提高降解垃圾的效率30％以上，降低垂直导气管的材料消耗50％，对于准好氧垃圾填埋系统设计具有重要的指导意义。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种准好氧垃圾填埋系统中垂直导气管直径的确定方法。
背景技术
随着经济和城市化进程的快速发展，城市生活垃圾的产量急剧增加。据统计，中国城市生活垃圾的历年存量已达60多亿顿，占了5亿多平方米土地，造成全国200多座城市陷入垃圾包围之中常采用焚烧、堆肥、填埋和综合利用等方法对垃圾进行处置。由于垃圾填埋具有技术成熟、处理费用低等优点，因此我国90％左右的城市生活垃圾都是填埋处置，并且我国的国情以及城市生活垃圾的特性，决定了在今后相当长一段时间内，填埋仍将是我国城市生活垃圾的主要处置方式。
准好氧填埋技术是上世纪70年代最先兴起，由于其建设成本与运行成本低于好氧填埋，且效果好，所以得到广泛的推广。它结合了好氧、厌氧两种填埋的优点.主要设计思想是利用无动力供氧，而是利用渗滤液收集管道的不满流设计，使空气自然通入，在垃圾堆体发酵产生温差的推动下，使填埋层处于需氧状态，可以保证在填埋场内部存在一定的好氧区域，特别是在渗滤液排水管和集水管周围存在好氧区域，抑制了沼气和硫化氢等气体的产生，垃圾也能尽早达到稳定化，同时也降低了渗滤液的污染强度。
由于准好氧填埋技术在中国起步比较晚，国内还未制定该类型填埋场建设的标准，本行业普遍采用的实际设计经验是，垂直导气管越粗通气越好，但经试验和理论推导得知，渗滤液导排主管直径大于或等于垂直导气管直径，并不有利于 准好氧填埋系统的氧气吸入和利用，并且大直径垂直导气管造价高，使得建设成本加大。目前国内准好氧填埋场填埋结构中广泛采用垂直导气管与渗滤液导排主管的直径比例为1∶1，即垂直导气管直径与渗滤液导排主管直径相等。准好氧填埋结构中现有垂直导气管的确定方法(即默认垂直导气管直径等同于渗滤液倒排主管的办法)不能非常有效的达到向垃圾堆体内自动充氧的效果。
发明目的
为克服现有垂直导气管直径渗滤液导排主管直径大于或等于垂直导气管直径设计的传统理念，本发明提供一种根据渗滤液导排主管直径对应设计垂直导气管直径的方法，达到从而使保持填埋系统内部抽压不变的情况下，减少排出新鲜空气的量，从而使留在垃圾填埋堆体内部的空气量增大，使准好氧填埋场降解垃圾的效率提高和降低垂直导气管材料消耗的发明目的。
申请人在本发明中涉及的技术内容，列为国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA06Z350)，国家科技支撑计划(2006BAC06B05)，国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA06Z350)，国家科技支撑计划(2006BAC06B05)，申请人投入大量人力和资金(包括国家投入的资金)对本发明的内容进行研究，并以完成项目的研究阶段，开始进入实施阶段。
本发明实现发明目的采用的方法是，垂直导气管一端与准好氧垃圾填埋系统中的垃圾渗滤液导排主管连通，另一端与大气连通，准好氧垃圾填埋系统利用垃圾渗滤液导排主管不满流量设计，渗滤液导排主管向系统中供氧，多余空气经垂直导气管排除，所述的垂直导气管直径小于垃圾渗滤液导排主管的直径。
本发明最佳实施例中，所述的垂直导气管直径为垃圾渗滤液导排主管的直 径的50％--75％。
本发明最佳实施例中，所述的垂直导气管直径为100mm，垃圾渗滤液导排主管的直径200mm。
本发明的有益效果是，根据渗滤液导排主管的直径对应设计垂直导气管直径，经模拟工业模型试验证明，可提高降解垃圾的效率30％以上，降低垂直导气管的材料消耗50％，对于准好氧垃圾填埋系统设计具有重要的指导意义。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
附图说明
附图1为本发明模型试验中，渗滤液导排主管与垂直导气管连接处气体流动示意图。
附图2为本发明模型试验装置结构示意图。
附图3为附图2的俯视图。
附图4为第一试验单元7高度1300mm采气点气体变化示图。
附图5为第二试验单元8高度1300mm采气点气体变化示图。
附图6为第三试验单元9高度1300mm采气点气体变化示图。
附图7第一试验单元7高度为2600mm采气点气体变化示图。
附图8为第二试验单元8高度2600mm采气点气体变化示图。
附图9为第三试验单元9高度2600mm采气点气体变化示图。
附图10为第一试验单元7高度3900mm上层采气点气体变化示图。
附图11为第二试验单元8高度3900mm上层采气点气体变化示图。
附图12为第三试验单元9高度3900mm上层采气点气体变化示图。
附图中，1、箱体，2、隔板，3、渗滤液导排主管，4-1、第一试验单元垂直导气管，4-2、第二试验单元垂直导气管，4-3第三试验单元垂直导气管，5、采气点，5-1测温点，6、覆盖层，7、第一试验单元，8、第二试验单元，9、第三试验单元。
具体实施方式
为便于本发明的描述，参看附图，下面结合本发明模型试验装置结构，对本发明进行说明。
本发明模型试验装置为模拟准好氧垃圾填埋场.特订制大型箱体，箱体长9米，宽2.3米，高4.4米，为等体积的三部分，分别为第一试验单元7，第二试验 单元8和第三试验单元9。试验单元底部模拟实际，做HDPE防水，然后分别铺上粘土，碎石土工布，并且各箱体两侧向中间横导管倾斜，倾斜角度为2°，底部渗滤液主排管管径统一采用现场实际使用的直径为200mm的渗滤液主排管，垂直导气管在第一试验单元7中直径为200mm，第二试验单元8中直径为100mm，第三试验单元9中直径为150mm。模型试验装置，置于河北涿州市准好氧垃圾为生填埋场内，模拟准好氧填埋场的真实环境中进行。
下面结合模型试验装置说明三个实验单元中各垂直导气管的排气量。
考虑到填埋气的上升动力来与热力几何压头P＝H(r1-r2)，其中r1为空气重度，r2为填埋气重度.H为高度或深度.而重度与填埋气的成分以及温度有关.常温下填埋气的重度一般在1.161～1.386之间.温度对重度的影响由盖-吕萨克公式可知r’＝r(1+t/273)，(该式为重度随温度变化的公式，其中t为摄氏温度，单位℃；1/273为气体膨胀系数近似值。)所以在比较三个实验单元内抽压时，由于垂直导气管内气体温度差额远小于273度，所以深度就成为影响垂直导气管内部压力的重要因素。
所以在图1中所示，第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3与渗滤液主排管3相交的地方，由于填埋层高度相同，所以该处的抽压应该相同.虽然垂直导气管越细则越有压力损失，由公式 
但是由于阻力系数非常小，所以可以忽略不计。
设定，三个试验单元中，第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3的直径分别为200，100和150，空气吸入相同热量(在填埋体中同位置的填埋堆体的温度相同，考虑到导热系数非常 低的空气进入堆体后吸收的热量可认为相同)，在第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3取高度元dh，在空气进入第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3后，同一高度元，管中气体量的比为4∶1∶2.25(该比例为直径分别为200，100和150垂直导气管的体积比，即22∶12∶1.52＝4∶1∶2.25)，在同一高度元，假设吸收热量相同的情况下，则高度元为dh的三个小气住温度上升比为ΔT1∶ΔT2∶ΔT3＝9∶36∶16(4∶1∶2.25的倒数比，即1/4∶1∶1/2.25化简后＝9∶36∶16)。
根据公式Q＝cmΔT----------------(1)
式中Q为吸收热量单位焦，c为气体比热容，m为气体的量，单位摩尔，ΔT为气体吸收热量后温度升高度数单位K。
从而根据垂直导气管内部的填埋气受热获得浮力，正进行向上加速的气块
该式即为由于温差而造成气块获得浮力加速度的方程。T’为受热气体温度，T为外界大气温度。由此式可以看见，受热气块会不断上升，T’与T差值越大，加速度越大，上升气流速度越快(环境化学戴树桂主编2版 北京 高教出版社2006.10.)，根据此式可判断出在每个高度元上的第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3的微元气柱上升的加速度之比为a1∶a2∶a3＝9∶36∶16，再根据每个高度元上满足由物体定加速度运动方程可知2as＝v2-ω2--(3)，式中v为末速度，ω为初速度。
由于取第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3上的微元，所以可以看作在每个高度元中小气柱都在做以热力上升几何压力提供加速度的定加速度加速运动.且满足公式(3)。
将第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3中各所有高度元上满足的公式(3)相加.得2Ha＝v2。
所以(举例子列方程方程)
第一个高度元上2(9a)dh＝v1 2-v0 2(第一试验单元垂直导气管4-1)
2(36a)dh＝v1 2-v0 2(第二试验单元垂直导气管4-2)。
2(16a)dh＝v1 2-v0 2(第三试验单元垂直导气管4-3)。
第二个高度元上2(9b)dh＝v2 2-v1 2(第一试验单元垂直导气管4-1)。
2(36b)dh＝v2 2-v1 2(第二试验单元垂直导气管4-2)。
2(16b)dh＝v2 2-v1 2(第三试验单元垂直导气管4-3)。
第三个高度元上2(9c)dh＝v3 2-v2 2(第一试验单元垂直导气管4-1)。
2(36c)dh＝v3 2-v2 2(第二试验单元垂直导气管4-2)。
2(16c)dh＝v3 2-v2 2(第三试验单元垂直导气管4-3)。
……………………………
每个管内的方程相加为：
2×9(a+b+c+d+…….)dh＝v2(第一试验单元垂直导气管4-1)。
2×36(a+b+c+d+….)dh＝v2(第二试验单元垂直导气管4-2)。
2×16(a+b+c+d+….)dh＝v2(第三试验单元垂直导气管4-3)。
三个式子相比，所以第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气 管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3中的排出空气的速度的平方比为9∶36∶16，所以速度比为3∶6∶4，所以排出量之比为4∶2∶3，所以第二试验单元8的第二试验单元垂直导气管4-2排除的从底部抽入的空气最少，加之第一试验单元7，第二试验单元8，第三试验单元9从底部抽入的空气一样多，所以第二试验单元8中，第二试验单元垂直导气管4-2直径最小的，更有利于固定空气。
本发明为证明上述理论推导的结论，在模型试验装置中进行实际监测。
监测项目与监测点的布置
(1)、气体监测：分别在第一试验单元7，第二试验单元8，第三试验单元9内，高度为1300mm，2600mm，3900mm处布置气体监测的采气点5，在每一个高度的气体监测的采气点5处，设置3个PVC管，PVC管一端连接向下开口的弯头，弯头用碎石包围四周以使其不被堵.气体检测点分别分布在第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3的周围，距离分别为450mm，900mm，1350mm.布置位置参看附图，气体监测仪器为：GXH-3010D红外气体分析仪，0.1％分辨率0-100％量程，北京市华云分析仪器研究所生产。CPR-B4氧气气体检测报警仪，0.1％分辨率0-25％量程，北京康尔兴科技有限公司生产。
(2)、温度监测：采用北京维融科技发展有限公司的DS18B20数字温度传感器在线监测仪器，第一试验单元7，第二试验单元8，第三试验单元9中，每层有两个测温点5-1，测温探头通过转换器直接与电脑相连，24小时实监测垃圾层内温度变化。
(3)、试验方法：选用涿州市区生活垃圾为试验对象，其生活垃圾成分见下列 表，氧气监测用氧气气体检测报警仪(CPR-B4氧气气体检测报警仪 北京康尔兴科技有限公司0.1％分辨率0-25％量程)，二氧化碳与甲烷的监测仪器选用红外气体分析仪(GXH-3010D红外气体分析仪，北京市华云分析仪器研究所0.1％分辨率0-100％量程)在试验装置填埋完成后即开始监测，频率为每周一次。
生活垃圾成分列表(单位重量％)
纸类 草木灰 厨余 布类 塑料 金属 砖瓦 灰土 玻璃 容重/(tm-3)
2.81 30.3 0.5 3.93 1.8 2.55 8.52 2.85 3.21 11.41
(4)实验结果
1、垃圾层底层填埋气变化情况
参看附图4-6，附图4-6分别是高度为1300mm第一试验单元7，第二试验单元8，第三试验单元9中采气点气体变化示图，第一、第二、第三试验单元高度为1300mm的底层CH4迅速下降的时间点几乎相同，大致在2周左右，由于垃圾层的通氧量主要取决于底层渗滤液导排主管3的直径，所以空气最先进入高度为 1300mm的垃圾底层。而模型试验装置中，各试验单元选择的渗滤液主排导3管直径统一为200mm，所以各试验单元垃圾底层的填埋气体变化几乎同步，由附图4-6所示，可以比较明显的看出，试验单元底部垃圾先是处于厌氧为主的状态，垃圾进入垃圾层后，氧气浓度先升高，此时垃圾层内的反应主要是厌氧反应，达到一定浓度后，垃圾层内开始以好氧反应为主，随着检测到氧气的浓度是升高，此时CO2浓度与CH4同时降低，并且CH4的浓度急剧下降，本试验主要以监测点检测到的CH4的浓度急剧下降的时间段作为判断该垃圾填埋层进入反应时期的阶段的重要依据。
由附图4-6，可见在填埋层底层试验单元反应情况大致相同，因为渗滤液导排主管3管径是相同的，前期进入填埋层底层的空气量相同。
附图4为第一试验单元7高度1300mm采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
附图5为第二试验单元8高度1300mm采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
附图6为第三试验单元9高度1300mm采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
2、垃圾层中层填埋气变化情
参看附图7-9，附图7-9分别是第一试验单元7，第二试验单元8，第三试验单元9中，高度为2600mm中层采气点气体变化示图，其中附图8的O2先于其他两附图附图7或9图，而发生较明显的上升，随之CO2浓度与CH4浓度同时降低，其中CH4尤为率先迅速下降，作为本试验判断垃圾层开始剧烈反应期的标准，说明第二试验单元8中层进氧要提前于第一试验单元7和第三试验单元9，空气从 底层渗滤液主排导管3进入垃圾填埋层后，先以渗滤液主排导管为中心，在底层向各个方向扩散(大部分直接经第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3向上排出)，经由第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3向上流动的部分空气，同时也以第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3为中心向四周扩散，经比较，第二试验单元8中层垃圾填埋气中CH4在2～3周就迅速下降，先于第一试验单元7和第三试验单元9。
附图7第一试验单元7高度为2600mm采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
附图8为第二试验单元8高度2600mm采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
附图9为第三试验单元9高度2600mm采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
3、垃圾高度为3900mm上层填埋气变化情况
参看附图10-12，附图10-12分别是第一试验单元7，第二试验单元8，第三试验单元9中，高度为2600mm中层采气点气体变化示图，在垃圾填埋高度为3900mm的上层CH4突然下降的变化比较明显，可以清晰看到，同样是附图11中的CH4先于附图10和附图12中的CH4迅速下降，说明第二试验单元8比第一试验单元7和第三试验单元9先进入反应期，而第一试验单元7最后进入反应期。
整个实验说明，垂直导气管直径为100mm的第二试验单元垂直导气管4-2， 准好氧填埋结构的垃圾处理要快于直径为200mm的第一试验单元垂直导气管4-1，准好氧填埋结构及渗滤液导排主管3与第二试验单元垂直导气管4-2的直径比为2∶1的填埋结构效果要优于其比例为1∶1的准好氧填埋结构，本准好氧填埋结构的改良方法具有非常大的发展前景.可用于准好氧填埋场的建造中，缩小垂直导气管的直径不但降低建造成本，还有利于准好氧填埋结构分解垃圾的效率。
通过以上理论分析和试验单元证明，垂直导气管分别200mm，100mm，150mm的第一试验单元垂直导气管4-1，第二试验单元垂直导气管4-2，第三试验单元垂直导气管4-3，三个试验单元由于渗滤液导排主管3直径皆为200mm，所以进气量是一样的，第二试验单元垂直导气管4-2空气排出量最小，可以判断第二试验单元2内垃圾层吸入的空气最多，而填埋气体成分含量随时间变化的数据也证明了这点，其次虽然第二试验单元垂直导气管4-2的截面积最小，但是由于排气速度大，从而也增大了排气量，使得能排出更多填埋气，所以相比之下三个试验单元填中，垂直导气管直径为渗滤液导排主管3的50％，垃圾分解的效果更好，效率更高。
附图10为第一试验单元7高度3900mm上层采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
附图11为第二试验单元8高度3900mm上层采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
附图12为第三试验单元9高度3900mm上层采气点气体变化示图。
X轴为时间，单位为周。Y轴气体百分比含量。
通过以上理论分析和试验单元证明，准好氧垃圾填埋系统中垂直导气管直径的确定方法，采用垂直导气管直径小于垃圾渗滤液导排主管的直径的确定方法，垃圾分解的效果更好，效率更高。
本发明试验单元进一步证明垂直导气管直径为垃圾渗滤液导排主管的直径的50％--75％的优化设计。
本发明最佳实施例为，垂直导气管直径为垃圾渗滤液导排主管的直径的50％。垂直导气管直径为100mm，垃圾渗滤液导排主管的直径200mm。
Claims (3)
1.准好氧垃圾填埋系统中垂直导气管直径的确定方法，所述的垂直导气管一端与准好氧垃圾填埋系统中的垃圾渗滤液导排主管连通，另一端与大气连通，准好氧垃圾填埋系统利用垃圾渗滤液导排主管不满流量设计，渗滤液导排主管向系统中供氧，多余空气经垂直导气管排除，其特征在于：所述的垂直导气管直径为垃圾渗滤液导排主管的直径的50％--75％。
2.根据权利要求1所述的准好氧垃圾填埋系统中垂直导气管直径的确定方法，其特征在于：所述的垂直导气管直径为垃圾渗滤液导排主管的直径的50％。
3.根据权利要求1所述的准好氧垃圾填埋系统中垂直导气管直径的确定方法，其特征在于：所述的垂直导气管直径为100mm或150mm，垃圾渗滤液导排主管的直径200mm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120530 Termination date: 20200416 |