CN102350212A - 一种用于生活垃圾填埋场温室气体减排的自充氧型覆盖层装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生活垃圾填埋场温室气体减排的覆盖层自充氧系统。本发明提供的覆盖层自充氧系统，其特征在于：它包括进气管，导气管和布气系统；所述布气系统由若干布气管组成，每个布气管上设有若干个出气孔；所述进气管与布气系统分别位于导气管的两端，并密封连通。进气管设于所述生活垃圾填埋场的底部至覆盖层之间，进气管的开口与大气相通；所述布气系统设于所述生活垃圾填埋场的覆盖层。本发明为减少填埋场温室气体排放提供了强大的技术支持，也为我国将来履行温室气体减排公约储备了技术力量。该技术既可用于新建的填埋场，也适合老填埋场的或老垃圾堆体的温室气体减排和气体污染物控制，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于生活垃圾填埋场温室气体减排的自充氧型覆盖层装置

本申请是申请号为200910090356.8、申请日为2009年08月06日、发明创造名称为“用于生活垃圾填埋场温室气体减排的覆盖层自充氧系统”的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于生活垃圾填埋场温室气体减排的覆盖层自充氧系统。

背景技术

CH₄是仅次于二氧化碳(CO₂)的重要温室气体，其温室气体效应是CO₂的21倍，对全球气候变暖的贡献达15％，预计2030年成为造成温室效应的主要原因。CH₄在大气中的寿命约为12年，与控制其他温室气体相比，CH₄的减排控制将起到立竿见影的效果。生活垃圾填埋场是CH₄最大的人类活动释放源之一。我国城市生活垃圾最主要处理方式是填埋，约占全部处置量的70％，但我国大部分填埋场，尤其是中小型填埋场所产生的填埋气体普遍采取被动的自然排放方式，一方面，随着居民生活水平的提高，垃圾中有机成分比例愈来愈高，另一方面，由于建造和运行昂贵的填埋气体(LFG)收集和利用系统缺乏经济上的可行性，填埋场填埋气无控排放的局面不会在短时间内得到控制。此外，传统的厌氧型卫生填埋场存在稳定化进程缓慢，渗滤液产生量大和填埋气产气不集中，产气周期长等问题，由此对周边环境构成极大的隐患，污染事件时有发生。

在现有的垃圾填埋技术中，准好氧填埋技术和生物覆盖层技术是有效的填埋场甲烷减排手段。有关填埋场覆盖层甲烷氧化能力的研究始于上世纪90年代。实验室模拟研究和填埋场现场实验均表明生物覆盖层确实具有氧化CH₄的功效，但氧化效果受土壤类型、气候、环境条件、覆盖材料等诸多因素的综合影响，目前尚未形成科学、标准的设计方法和评价体系。覆盖层氧气的空间分布对甲烷氧化活动的影响最为显著，研究表明，甲烷氧化活动在10-20cm深度最为强烈；而气体(空气)在覆盖层的扩散能力，是甲烷氧化能力的限制因素。目前的生物覆盖层技术充氧仅限于盖层表面空气的自由扩散，因此影响剖面非常有限。

结合国内外研究成果，可以认识到无论是环境条件还是覆盖层材料，对垃圾填埋场生物覆盖层氧化甲烷能力的影响都是氧气的扩散能力，即甲烷氧化菌能否获得充足的氧气而保持活性，是其甲烷生物氧化效果优劣的瓶颈因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于生活垃圾填埋场温室气体减排的覆盖层自充氧系统(装置)。

本发明提供的用于生活垃圾填埋场温室气体减排的覆盖层自充氧系统，其特征在于：它包括进气管1，导气管2和布气系统；所述布气系统由若干布气管组成，每个布气管上设有若干个出气孔；所述进气管与布气系统分别位于导气管的两端，并密封连通。

所述布气系统可由一层或多层放射状排列的直型布气管I(3)组成；每层直型布气管I位于同一平面上，且该平面与所述导气管垂直；直型布气管I的一端与所述导气管的管壁密封连通，另一端封闭。将上述布气系统称为辐射式布气系统，单层辐射式布气系统的结构示意图见图1，多层辐射式布气系统的结构示意图见图2。

每层布气管中，相邻两个直型布气管I之间的角度具体可为45度-60度。

所述布气系统可由一层或多层放射状排列的直型布气管II(4)和一个以上环形布气管(5)组成；每层直型布气管II和一个环形布气管位于同一平面上，且该平面与所述导气管垂直；每层直型布气管II的一端与所述导气管的管壁密封连通，另一端与所述环形布气管的管壁密封连通。将上述布气系统称为轮型布气系统，单层轮型布气系统的结构示意图见图3，多层轮型布气系统的结构示意图见图4。

每层布气管中，相邻两个直型布气管II之间的角度具体可为45度-60度。

所述环形布气管的管径大于等于所述直型布气管II的管径。

所述进气管与所述导气管的连接方式可为如下a)或b)或c)：

a)直接连接：所述导气管开口端与所述进气管的管壁垂直密封连通；

b)通过两端开口的弧形管连接：所述弧形管的一端与所述进气管的管壁密封连通，另一端与所述导气管的开口端密封连通；

c)通过一端开口的直通管连接：两个以上的进气管的一端均与所述直通管的管壁密封连通，所述直通管的开口端与所述导气管的开口端密封连通。

连接方式a)最为经济方便，缺点是空气在管路内部的传输过程中能量损失较大；连接方式b)可保证空气在管路内部的传输过程中能量损失最小。连接方式c)中，每两个进气管之间的角度为可为45度-180度。

所述布气管上，每个出气孔与相邻出气孔的垂直距离可为1-50mm；每个出气孔的孔径可为1-20mm。

所述导气管的管径范围可为50-500mm。

变径管可以增加空气流速，覆盖层自充氧效果更好，因此优选使用变径管作为导气管。

所述导气管靠近所述布气系统的一端最好封闭。

所述导气管的管壁上可以设有通孔，也可不设有通孔，优选不设通孔，但若在原有管道的基础上进行改造时，可采用原有有通孔的管道系统。所述进气管具体可为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述导气管具体可为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述直型布气管I具体可为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述直型布气管II具体可为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述环形管布气管具体可为PVC管、UPVC管或HDPE管。以上进气管、导气管、直型布气管I、直型布气管II或环形管布气管也可采用能够从商业途径获得的其它管材。

也可将垃圾填埋场渗滤液导排管、竖向排气管等进行改造为本发明的覆盖层自充氧系统。

本发明还保护所述覆盖层自充氧系统在生活垃圾填埋场温室气体减排中的应用。

应用所述覆盖层自充氧系统时，所述进气管设于所述生活垃圾填埋场的底部至覆盖层之间，进气管的开口与大气相通；所述布气系统设于所述生活垃圾填埋场的覆盖层。当填埋场外部空气传至布气系统时，通过布气系统中的出气孔透过砾石层进入覆盖层，为覆盖层中的甲烷氧化菌提供充足的氧气，提高其甲烷氧化酶活性，达到高效氧化填埋场甲烷的目的。

本发明结合准好氧填埋技术的原理，在不消耗外动力的条件下，基于空气热动力学(垃圾降解自身产生的热量)，将空气从场外引入填埋场的覆盖层内，扩大现有覆盖层的甲烷和氧气混合动力区，突破缺氧的瓶颈制约，增强了甲烷氧化菌(尤其是I型甲烷氧化菌)的活性，提高了甲烷氧化菌的甲烷氧化效率，从而强化了甲烷的生物氧化降解，实现了填埋场温室气体减排。本发明为减少填埋场温室气体排放提供了强大的技术支持，也为我国将来履行温室气体减排公约储备了技术力量。该技术既可用于新建的填埋场，也适合老填埋场的或老垃圾堆体的温室气体减排和气体污染物控制，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为单层辐射式布气系统示意图。

图2为双层辐射式布气系统示意图。

图3为单层轮型布气系统示意图。

图4为双层轮型布气系统示意图。

图5为覆盖层自充氧系统结构示意图。

图6为填埋场覆盖层模拟装置；A：自充氧覆盖层模拟反应器；B：常规覆盖层模拟反应器。

图7为实施例1中填埋场覆盖层模拟反应器中氧气含量变化；A：A柱各层氧气含量的时间变化曲线；B：B柱各层氧气含量的时间变化曲线。

图8为实施例2中填埋场覆盖层模拟反应器中甲烷含量变化(通气量10mL/min)；A：A柱各层甲烷含量的时间变化曲线；B：B柱各层甲烷含量的时间变化曲线。

图9为实施例2中填埋场覆盖层模拟反应器中氧气含量变化(通气量10mL/min)；A：A柱各层氧气含量的时间变化曲线；B：B柱各层氧气含量的时间变化曲线。

图10为实施例2中填埋场覆盖层模拟反应器中甲烷含量变化(通气量20mL/min)；A：A柱；B：B柱。

图11为实施例2中填埋场覆盖层模拟反应器中氧气含量变化(通气量20mL/min)；A：A柱；B：B柱。

图12为实施例2中填埋场覆盖层模拟反应器中甲烷含量变化(通气量40mL/min)；A：A柱；B：B柱。

图13为实施例2中填埋场覆盖层模拟反应器中氧气含量变化(通气量40mL/min)；A：A柱；B：B柱。

图14为自充氧覆盖层系统中试装置示意图。

图15为自充氧覆盖层中试系统垃圾体与集气室的温度变化曲线。

图16为自充氧覆盖层中试系统堆体CH₄浓度变化曲线(通径管)。

图17为自充氧覆盖层中试系统堆体CH₄浓度变化曲线(变径管)。

图18为自充氧覆盖层中试系统堆体O₂浓度变化曲线(通径管)。

图19为自充氧覆盖层中试系统堆体O₂浓度变化曲线(变径管)。

图20为自充氧覆盖层中试系统堆体O₂浓度变化曲线(对照)。

图21为自充氧覆盖层中试系统堆体CH₄浓度变化曲线(对照)。

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的％，如无特殊说明，均为体积百分含量。

实施例1、装置的充氧效果测试

覆盖层自充氧系统如图5所示。

覆盖层自充氧系统包括四根进气管1、一根导气管2、六根直型布气管II(4)、一根环形布气管(5)和直通管。直型布气管II(4)和环形布气管5组成布气系统。进气管1为管径32mm的PVC管。直型布气管II(4)为长度30cm、管径32mm的PVC管。环形布气管5为管径32mm的PVC管，环形的直径为60cm。所述布气管上，每个出气孔与相邻出气孔的垂直距离为5mm，每个出气孔的孔径为1mm。导气管为管径50mm，长1m的直通PVC管。

进气管1与布气系统分别位于导气管2的两端，并密封连通。导气管2靠近所述布气系统的一端封闭。六根直型布气管II(4)呈放射状排列，一端与导气管2的管壁密封连通，另一端与环形布气管5的管壁密封连通，相邻两个直型布气管II(4)之间的角度为60度。四根进气管1的一端均与直通管的管壁密封连通，直通管的开口端与导气管的底部开口端密封连通，每两个进气管1之间的角度为90度。为支持上部重量并保持平衡，四根支管下部各配一个简易底座。

填埋场覆盖层模拟装置见图6。其中A、B两柱均为有机玻璃柱，外径为40cm，内径38cm，高40cm，容积约45L。柱内填充物料为填埋场覆土与堆肥的混合物，质量比7∶3，物料含水率为25-27％，容重1.5-1.7g/cm³。覆盖层有效高度35cm，体积约40L。将图5所示覆盖层自充氧系统的布气系统置于A柱中，导气管2连有控温元件，包括加热带(石棉网加热带铁丝网)、温度传感器(PT100)(温度探头)、温度控制器(XMT122)(温控器)，从而可实现加温和控温，将导气管段的温度恒定在40℃，以模拟填埋场内微生物降解垃圾所产生的自热，形成进气的热动力。B柱为对照柱，罐体内不设置自充氧系统，以模拟常规的厌氧填埋场覆盖层。A、B柱上端均设置相同的集气室和出气管。其中集气室外径30cm，高20cm，总容积12L，通过出气口连接直径1cm的乳胶出气管。A、B两柱的侧面由下至上每隔5cm均设置了8个气体采样孔(A1-A8；B1-B8)，其中7个采样孔(A1-A7；B1-B7)位于填埋柱柱体，另一个采样孔(A8、B8)则位于集气室；在实施例1中，试验期间集气室的顶盖打开，使得反应器顶部与大气联通，因此，仅对填埋柱柱体上的七个采样孔的气体进行采样分析(A1-A7；B1-B7)。

采样时间间隔为24小时，用SP2100气相色谱分析O₂、CH₄和CO₂含量。检测并比较两柱出气口的气体组分和含量，验证自充氧覆盖层的充氧效果。O₂含量检测结果见图7。在持续20天的试验周期中：B柱(对照柱)中各层O₂的平均含量均在20％以下，O₂含量随着模拟覆盖层厚度的增加由20％降低至10％，且各层O₂含量随着实验时间的延长总体呈降低的趋势；A柱各层O₂含量在20天的实验时间内依然保持着较高的水平，除A6以外，其余各层O₂的平均含量均在20％以上。结果表明：相对于B柱覆盖层中的自由扩散作用，A柱的自充氧系统通过热动力增加了覆盖层空气的流量，明显提高覆盖层中的O₂含量，达到了全断面充氧的效果，明显改善了覆盖层中的氧化还原状况。

实施例2、装置的甲烷氧化性能测试

覆盖层自充氧系统和填埋场覆盖层模拟装置同实施例1。在试验期间，反应器集气室的顶盖密闭，并在A、B柱底部人工通入CH₄和CO₂的混合气体(体积比50∶50)，并逐步增加通气量(分别为10mL/min、20mL/min、40mL/min)，以模拟填埋场中填埋气(LFG)的释放，通过检测并比较两柱出气口(A1-A8；B1-B8)的气体组分和含量，计算不同反应器中甲烷的转化率，从而验证自充氧覆盖层的氧化效果。

CH₄/CO₂进气流量为10mL/min时，A、B两个实验柱中，填埋场覆盖层模拟反应器中各层CH₄含量随时间的变化曲线见图8，填埋场覆盖层模拟反应器中各层O₂含量随时间的变化曲线见图9。由图可见：随覆盖层厚度增加A、B两柱各层CH₄含量均呈增大的趋势；A柱各层O₂含量在12天的实验时间内依然保持着较高的水平，O₂平均含量维持在20％左右，其CH₄含量在整个实验期间最大平均含量仅为4％左右，10cm以上各层CH₄的平均含量几乎为0，可见自充氧覆盖系统可实现对CH₄的完全氧化，氧化效率达到100％；B柱中O₂因为只靠顶层空气的自由扩散，加上受底部填埋气的驱赶，其含量随覆盖层厚度增加而逐渐衰减，各层的O₂平均含量低于5％，顶部集气室O₂平均含量值最大，但仍小于10％，各层CH₄含量随时间变化增大，由实验初始的5％左右增大到实验结束时的30％左右。

CH₄/CO₂进气流量为20ml/min时，填埋场覆盖层模拟反应器中各层CH₄含量随时间的变化曲线见图10，填埋场覆盖层模拟反应器中各层O₂含量随时间的变化曲线见图11。CH₄/CO₂进气流量为40ml/min时，填埋场覆盖层模拟反应器中各层CH₄含量随时间的变化曲线见图12，填埋场覆盖层模拟反应器中各层O₂含量随时间的变化曲线见图13。由图可见：当LFG通气量由20ml/min变为40ml/min时A柱中O₂含量并无太大变化，在实验期间各层均保持了较高的O₂含量。其中，流量为20ml/min时A柱各层O₂平均含量随时间呈降低趋势，由实验初始的19％降低为实验结束时的15％；流量为40ml/min时A柱各层O₂平均含量随时间降低的趋势较缓，由实验初始的19％降低为实验结束时的18％；A柱各层O₂含量与覆盖层厚度之间的关系不明显；对照柱B柱在流量为20ml/min时，除上层(B8)的O₂平均含量较高外，可达到8％，而其余各层O₂平均含量均在5％以下，且各层O₂含量随覆盖层厚度增加而显著降低；流量为40ml/min时，B柱各层O₂平均含量均在5％以下，且均随时间延长而缓慢降低；当两种气体流量由20ml/min变为40ml/min时，A柱除实验柱底端几层(如A1、A2)能检测出CH₄以外，其余各层CH₄平均含量几乎都为0，即可认为CH₄氧化率为100％，可见，该覆盖层CH₄氧化能力极限远高于本试验所设定的LFG流量；B柱各层CH₄平均含量值在流量为20ml/min时在20％到40％之间波动；在流量为40ml/min时各层CH₄平均含量均在35％左右，且随时间延长而缓慢增加。

实施例3、自充氧覆盖系统甲烷氧化效果中试研究

本实施例中涉及两个覆盖层自充氧系统，其中一个同实施例1(如图5所示)，另一个用通径管代替变径管。

自充氧覆盖层系统中试装置示意图见图14。该装置为一长方形箱体，外型尺寸为长2.6m，宽1.0m，高3.6m，内部有效尺寸为长2.4m，宽0.85m，高3.6m。主体结构由石膏板和轻体砖组成，经过专门的防渗、防腐和密封处理，进料和取样处设置双层隔板，顶部设有出气风道和应急抽气扇(实验中为关闭状态)。装置内所填垃圾为自配垃圾，装填的垃圾体积约为4.0m³(2.4m*0.85m*2m)，覆盖层的体积约为0.8m³(2.4m*0.85m*0.4m)，上方集气室体积约为2.0m³(2.4m*0.85m*1m)。垃圾和覆土的成分及元素见表1。该装置中设置了本发明的自充氧覆盖系统，具体为：在距离装置横向内壁0.4米处分别接入两根竖向导气管，图中标为EF和GH，其中EF管为长2.2m、直径110mm、周圈开孔(孔径为5mm)的硬脂聚氯乙烯(UPVC)管；GH管为变径管，从下至上分别由直径为110mm(周圈小孔的直径为5mm)、75mm(周圈小孔的直径为4mm)和50mm(周圈小孔的直径为3mm)的三根UPVC管连接组成。竖向导气管周圈包裹石笼，直径均为300mm。两根竖向导气管的上端均连接轮状布气系统。两根竖向导气管的下端均通过弧形管与进气管上的通孔连接。布气系统为单层轮状，由6根直型布气管II(4)和环形布气管5组成。直型布气管II(4)管径32mm、长度30cm的开孔UPVC支管。环形布气管5为管径32mm的PVC管，环形的直径为60cm。进气管1为管径11cm的PVC管。为所述布气管上，每个出气孔与相邻出气孔的垂直距离为5cm，每个出气孔的孔径为5mm。进气管的一端伸出箱体。布气系统置于覆盖层中间位置，周围均有石笼包围，气体从底部进气管经竖向导气管进入布气头，最终通过石笼进入覆盖层。

在试验过程中，分别用温度探头和填埋气体分析仪(Biogas Check)对采样点(如图14所标，1-12)的温度、O₂、CH₄和CO₂的变化进行了连续监测，分析自充氧覆盖层系统在准好氧填埋场中的甲烷氧化效果。取样点1、2、3、4作为通径管组，取样点9、10、11、12作为变径管组，取样点5、6、7、8作为对照组(周围没有竖直导气管，因此可以作为无充氧覆盖层的对照)。

表1  覆盖土层和自配垃圾的元素质量分数及主要成分表

自充氧覆盖层中试系统集气室温度变化曲线见图15。由图可见：在试验周期内，覆盖层和集气室内温度随时间有缓慢上升的趋势，从监测初期的11℃上升到16℃，基本反映了2-3月季节空气的温度变化；而在装置的中下部由于位于填埋堆体，因此温度保持比较高的状态，在整个试验周期处于30℃-40℃之间，这种堆体内外20多度的温差已经形成足够的热动力，可以通过本发明的覆盖层系统实现自充氧的效果。

三组的检测结果见图16-图21。通径管组和变径管组在垃圾堆体内部、埋深70cm处，CH₄的浓度在6-12％之间，O₂浓度维持在2-8％，处于微厌氧状态。在进入自充氧覆盖层后，整个覆盖层剖面的平均含氧量保持在16％以上，LFG组分发生了显著的变化：CH₄浓度保持在3％以下，并随着覆盖层剖面向上呈减少的趋势，最终达到100％氧化。这是因为自充氧装置向覆盖层进行无动力供氧，促进了覆盖层中甲烷氧化菌对CH₄的吸收和转化，氧化后产生CO₂。此外，比较通径管和变径管的充氧效果可以看出，相同水平位置变径管周围监测点的O₂浓度更高，LFG浓度更低；而填埋体中亦是相同的结果，变径管周围的填埋体氧浓度(10％)高于通径管的氧浓度(4％)。进一步验证了变径管导气系统中空气流速更大，覆盖层自充氧效果更好。对照组监测点厌氧情况相对较明显。在填埋堆体内部，CH₄的浓度在12％左右，而O₂浓度不足4％。覆盖层中气体组分的监测结果表明，除了剖面最上层的检测点其甲烷浓度稍低外，其余监测点的浓度在6-9％之间，氧气浓度在10-14％之间，其含氧量明显低于同一高度的位于竖直导气管附近的采样点。

以上结果进一步验证，自充氧覆盖层系统对突破覆盖层氧气含量瓶颈，提高甲烷和氧气的混合动力区，强化甲烷氧化菌活性具有显著的功效，是常规填埋场温室气体减排和老垃圾堆场LFG污染治理的重要手段，具有广阔的应用前景。

Claims (11)

1.用于生活垃圾填埋场温室气体减排的覆盖层自充氧系统，其特征在于：它包括进气管(1)，导气管(2)和布气系统；所述布气系统由若干布气管组成，每个布气管上设有若干个出气孔；所述进气管与布气系统分别位于导气管的两端，并密封连通。

2.如权利要求1所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：所述布气系统由一层或多层放射状排列的直型布气管I(3)组成；每层直型布气管I位于同一平面上，且该平面与所述导气管垂直；直型布气管I的一端与所述导气管的管壁密封连通，另一端封闭。

3.如权利要求2所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：每层布气管中，相邻两个直型布气管I之间的角度为45度-60度。

4.如权利要求1至3中任一所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：所述进气管与所述导气管的连接方式为如下a)或b)或c)：

a)直接连接：所述导气管开口端与所述进气管的管壁密封连通；

b)通过两端开口的弧形管连接：所述弧形管的一端与所述进气管的管壁密封连通，另一端与所述导气管的开口端密封连通；

c)通过一端开口的直通管连接：两个以上的进气管的一端均与所述直通管的管壁密封连通，所述直通管的开口端与所述导气管的开口端密封连通。

5.如权利要求1至4中任一所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：所述布气管上，每个出气孔与相邻出气孔的垂直距离为1-50mm；每个出气孔的孔径为1-20mm。

6.如权利要求1至5中任一所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：所述导气管的管径为50-500mm。

7.如权利要求1至6中任一所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：所述导气管为变径管。

8.如权利要求1至7中任一所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：所述导气管靠近所述布气系统的一端封闭。

9.如权利要求1至8中任一所述的覆盖层自充氧系统，其特征在于：所述进气管为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述导气管为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述直型布气管I为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述直型布气管II为PVC管、UPVC管或HDPE管；所述环形管布气管为PVC管、UPVC管或HDPE管。

10.权利要求1至9中任一所述覆盖层自充氧系统在生活垃圾填埋场温室气体减排中的应用。

11.如权利要求10所述的应用，其特征在于：所述进气管设于所述生活垃圾填埋场的底部至覆盖层之间，进气管的开口与大气相通；所述布气系统设于所述生活垃圾填埋场的覆盖层。

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