CN106111655A - 一种生活垃圾准好氧填埋的甲烷控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及垃圾处理技术领域，具体讲，涉及一种在垃圾处理工艺中的甲烷控制方法。在生活垃圾准好氧填埋场内设置竖直穿孔导气管，竖直穿孔导气管之间的距离为20～25m；在垃圾填埋场内，在每层垃圾填埋层的表面覆盖中间覆盖层，中间覆盖层为新覆土与矿化垃圾重量比10：1～2的混合物；在每两层垃圾填埋层之间设置有水平穿孔导气管。本申请的甲烷控制方法最大程度减少了温室气体甲烷的产量，为垃圾降解提供了有利条件，垃圾分解较快，填埋垃圾的稳定速度快，同时本方法充分利用准好氧填埋堆体及甲烷氧化覆盖层对于甲烷气体的氧化能力，无需强制通风，节省能源；建设和维护管理简便易行，运行成本较低。

Description

一种生活垃圾准好氧填埋的甲烷控制方法

技术领域

本申请涉及垃圾处理技术领域，具体讲，涉及一种生活垃圾准好氧填埋的甲烷控制方法。

背景技术

卫生填埋作为一种成本低、技术简单、处理量大的方式，已经成为大多数国家垃圾处理的主要方法。按垃圾层中氧气含量的存在状况，卫生填埋可分为厌氧、好氧和准好氧三种填埋方式。其中厌氧填埋是我国目前广泛采用的城市生活垃圾处置方法，此方法是将垃圾填埋体独立于周围环境，经过漫长的厌氧发酵使垃圾实现最终稳定化、无害化。厌氧填埋法具有投资省、处理成本低、工艺简单、管理方便、对垃圾成分无严格要求等优点。但厌氧卫生填埋也存在着占用土地多、稳定化时间长、渗滤液处理难、二次污染严重等缺点。随着厌氧型城市生活垃圾填埋场的大量建设，填埋场不同程度的受到上述问题的影响。好氧填埋技术核心思想就是在垃圾层底部布设通风管网，用鼓风机向垃圾层内部输送空气，保持垃圾堆体的好氧状态，以促进垃圾的分解，使场内垃圾迅速实现稳定化。好氧填埋可加速垃圾降解速度，降低渗滤液浓度和填埋气产量，从而减轻了填埋场对周围水体和大气的污染。但好氧填埋的缺点也是显而易见的。由于填埋场运行期间每日要向宽厚的垃圾填埋堆体通入空气，因而其工艺和设备复杂、动力消耗大、运行管理费用高。

准好氧填埋技术是在厌氧填埋的基础上，把渗滤液收集管末端直接敞开，在填埋场内外温度差的作用下，外界空气可以进入垃圾层，使垃圾降解速度加快，达到垃圾快速降解的作用。与垃圾的好氧填埋相比，准好氧填埋技术的填埋场容易建设，维护费用低，且能够使垃圾渗滤液水中污染物质快速降解，从而使渗滤液水质稳定化期间明显缩短；与厌氧填埋场相比，除了垃圾分解较快，堆体稳定速度快，大大降低渗滤液的水质水量外，场内危险气体如CH₄、H₂S的产量也大大减少，填埋场的安全性及卫生条件更好。由此可见，准好氧填埋技术综合了厌氧填埋和好氧填埋的优点，是一种很有潜力的垃圾处理技术。

在土地资源紧张和可持续发展的今天，尤其填埋场控制标准中进一步明确规定了CH₄气体需要达到的排放要求，准好氧填埋技术是适合我国国情的生活垃圾处置技术，对于我国大量中小型的垃圾填埋场，具有巨大的推广和应用潜力。

目前，我国城市垃圾年产生量约为1.5亿吨，且每年以约10％的速度迅速增长，其中绝大部分垃圾都采用了填埋的方式进行处置。CH₄、CO₂和N₂O等是重点关注的温室气体，其中CH₄对温室效应的贡献仅次于CO₂，但其单位浓度CH₄的温室效应是CO₂的20倍左右。生活垃圾填埋产生的CH₄是全球变暖和气候变化的重要排放源之一。在生活垃圾填埋场运行过程中作业台阶表面通常会持续1～2年，在此过程中不断会有CH₄气体释放出来，期间若不对CH₄气体的释放加以控制，将会有大量的CH₄气体以无组织的形式释放。在降低生活垃圾填埋场CH₄气体产生与释放方面，准好氧生活垃圾填埋工艺具有明显的优势。

为了进一步降低准好氧填埋过程中甲烷气体的释放，特提出本申请。

发明内容

本申请的发明目的在于提出一种生活垃圾准好氧填埋的甲烷控制方法。

为了完成本申请的目的，采用的技术方案为：

本申请涉及一种生活垃圾准好氧填埋的甲烷控制方法，在生活垃圾准好氧填埋场内设置竖直穿孔导气管，所述竖直穿孔导气管之间的距离为20～25m；在垃圾填埋场内，将垃圾填埋单元沿水平方向依次填埋形成垃圾填埋层，在每层所述垃圾填埋层的表面覆盖中间覆盖层，所述中间覆盖层为新覆土与矿化垃圾重量比10：1～2的混合物；优选为10：1。

优选的，所述竖直穿孔导气管之间的距离约为22～23m。

优选的，所述竖直穿孔导气管的直径为31～35cm。

优选的，在所述竖直穿孔导气管的周围设置有垂直导气石笼，所述垂直导气石笼的直径为1.2～2.0m，所述垂直导气石笼中的碎石粒径为30～50cm。

优选的，所述中间覆盖层中新覆土的粒径为0.02～0.2mm，矿化垃圾的粒径为3～10mm，中间覆盖层的孔隙率为55％～65％。

优选的，所述中间覆盖层的容重为0.8×10³～1.5×10³kg/m³。

优选的，所述中间覆盖层的厚度为30～50cm。

优选的，所述中间覆盖层的含水量为15～25％，优选20％。

优选的，在距离所述竖直穿孔导气管0～5米范围内的中间覆盖层的容重为1.6×10³～1.8×10³kg/m³。

优选的，在距离所述竖直穿孔导气管0～5米范围内的中间覆盖层的厚度为50～100cm。

本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：

本申请对生活垃圾准好氧填埋场的甲烷减排进行了深入的研究，通过设置合适的竖直导气管控制填埋堆体的甲烷释放；通过中间覆盖层的设计控制堆体表面逸散的甲烷。一般填埋场作业面一般会保持2年左右，再在中间覆盖层上填埋第二层垃圾，采用本申请的甲烷控制方法，可在这2年期间内有效的控制温室气体甲烷释放，可以满足《生活垃圾填埋场污染控制标准(GB16889-2008)》中作业面和导排管道中甲烷气体排放的要求。

经研究实践证实本申请的准好氧填埋处理方法具有以下优点：首先，通过对准好氧过程中各项指标的深入研究和调整，本申请的甲烷控制方法大大减少了危险气体如CH₄、H₂S的产量，加之准好氧填埋场的导气系统比厌氧填埋所用排气管管径大、间距小，垃圾分解产生的气体易于排出，因此填埋场的安全性及卫生条件好。其次，通过对甲烷氧化速度的控制，为垃圾降解提供了有利条件，因此垃圾分解较快，堆体稳定速度快，便于填埋场的稳定与修复，减少了由于填埋场稳定时间过长带来的填埋场管理和环境检测费用。最后，本申请的甲烷控制方法能有效利用自然界所具有的净化能力，加速垃圾稳定化，加快填埋场的再利用周期；对机械和设备的技术水平要求低，无需强制通风，节省能源；建设和维护管理简便易行，运行成本较低。

附图说明

图1：填埋气静态通量箱的结构示意图；

图2：填埋气通量的采样点分布示意图；

图3：准好氧填埋场结构示意图。

下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。

具体实施方式

准好氧填埋技术原理是通过填埋场渗滤液收集管网末端和大气连通，在垃圾填埋体发酵产生温差的推动下，使外界大气通过渗滤液收集系统和竖直井进入垃圾层，进而使填埋场表层、集水管附近、竖直井或者排气设施周围的区域处于好氧状态，而远离上述区域的填埋层中心部分则处于厌氧状态，在好氧与厌氧区域之间则形成相应的兼性好氧区域。因此，准好氧填埋场垃圾填埋体内的微生物可以通过好氧分解、厌氧分解和兼性好氧分解等方式降解垃圾中的有机组分。

本申请涉及一种生活垃圾准好氧填埋的甲烷控制方法，在生活垃圾准好氧填埋场内设置竖直穿孔导气管，竖直穿孔导气管之间的距离为20～25m；在垃圾填埋场内，将垃圾填埋单元沿水平方向依次填埋形成垃圾填埋层，在每层垃圾填埋层的表面覆盖中间覆盖层，中间覆盖层为新覆土与矿化垃圾重量比为10：1～2的混合物；并优选10：1。

根据不同准好氧填埋区填埋作业台阶表面CH₄气体释放与氧化平衡分析，采用矿化垃圾、老覆土、矿化垃圾：新覆土(1:10，m/m)等材料的覆盖层可以有效控制通过作业台阶表层向环境释放的甲烷，达到新修订的《生活垃圾填埋场污染控制标准(GB16889-2008)》中甲烷排放要求：填埋工作面上2m以下高度范围内甲烷的体积百分比应不大于0.1％。此外，产气高峰期且距离导气管5m范围内则可通过采用压实和增加覆盖层厚度等措施以控制其甲烷释放。

作为本申请甲烷控制方法的一种改进，竖直穿孔导气管之间的距离约为22～23m，最优选为23m。由于竖直穿孔导气管的布置成本较高，因此，在保证甲烷氧化通气量的前提下，如何能够最小密度布管，是最为经济的方式，可为垃圾填埋成节约大量的成本。本身申请在针对准好氧填埋过程中的深入研究发现，竖直穿孔导气管之间的距离约为22～23m，最优选为23m为满足准好氧填埋的竖直穿孔导气管的最大间距。

根据中试试验研究结果，准好氧填埋结构中O₂浓度以竖直通风管为中心，形成圆锥体型在垃圾层内扩散，其影响范围为二次曲面围成的区域。本申请研究发现，1克矿化垃圾的甲烷氧化速率约为0.157mg·d^-1。根据准好氧填埋堆体CH₄气体产生/氧化平衡分析，为了保证导气管内部甲烷气体达到排放要求，其好氧区域和厌氧区域的比值应为0.67。为了保证导气管内排放的甲烷气体满足要求，导气管之间的距离约为23m，此时准好氧填埋工艺导气管内部的甲烷气体排放满足体积百分比<5％的要求。如继续增大距离，则竖直导气管释放氧气后造成的好氧区域过小，好氧区域与厌氧区的比例过小，甲烷氧化不充分。

作为本申请甲烷控制方法的一种改进，竖直穿孔导气管的直径为31～40cm。本申请适当增大了竖直穿孔导气管的直径，从而增加了竖直穿孔导气管内氧气的通量，竖直管内气体的流通速度加快，可起到一定的促进甲烷氧化的效果。

作为本申请甲烷控制方法的一种改进，在竖直穿孔导气管的周围设置有垂直导气石笼，垂直导气石笼的直径为1.2～2.0m，垂直导气石笼中的碎石粒径为30～50cm。由于竖直穿孔导气管还具有收集渗滤液的作用，本申请释放增大了石笼的直径，可增加对渗滤液的导排，加速渗滤液的排出垃圾填埋体，避免水分含量过大对甲烷氧化作用的影响。

作为本申请甲烷控制方法的一种改进，中间覆盖层的0.02～0.2mm，矿化垃圾的粒径为3～10mm，中间覆盖层的孔隙率为55％～65％。本申请通过对孔隙率的调整，使中间覆盖层形成适宜于甲烷氧化的好氧环境，以加速甲烷氧化。

作为本申请甲烷控制方法的一种改进，中间覆盖层的厚度为30～50cm。氧气在本申请的中间覆盖层中的扩散深度为30cm～50cm，再增加中间覆盖层的厚度，氧气无法深入。

作为本申请甲烷控制方法的一种改进，中间覆盖层的含水量为15～25％，优选20％。

作为本申请甲烷控制方法的一种改进，在距离竖直穿孔导气管0～5米范围内的中间覆盖层的容重为1.6×10³～1.8×10³kg/m³，在距离所述竖直穿孔导气管0～5米范围内的中间覆盖层的厚度为50～100cm。由于竖直穿孔导气管周围的区域为好氧区，甲烷释放量较大，为了避免这部分区域的甲烷释放，可通过采用压实和增加覆盖层厚度等措施以控制其甲烷释放。经研究发现，在上述参数范围内可明显降低该区域内的甲烷释放。

实施例1

实验采样地点为河北省涿州准好氧填埋场。

该准好氧填埋场的基本构建方式为：在平整压实的地基土上铺设厚度为20～30cm的压实粘土衬垫，其上铺设高密度聚乙烯(HDPE)膜。HDPE膜上分别铺设土工布，并且在土工布上铺设厚度为50～60cm的渗滤液导排层，其中埋设渗滤液导排管。渗滤液导排管的末端与大气连通，使产生渗滤液可以及时外排，而外界空气可以自由进入垃圾填埋体。渗滤液导排管采用石笼保护。渗滤液导排管与开孔的竖直穿孔导气管相连接，垂直穿孔导气管的开孔孔径分别为12～16mm，孔距分别为6～10cm，垂直穿孔导气管及用于保护穿孔导气管的石笼分别伸出垃圾填埋体外40～60cm，与大气连通。竖直穿孔导气管之间的距离为23m，垂直导气石笼的直径为1.5m，垂直导气石笼中的碎石粒径为50cm，竖直穿孔导气管的直径为35cm；垃圾填埋单元的基底相对于水平面保持1％～3％的坡度，同时渗滤液导排管、水平导气管和石笼铺设时均相对于水平面控制1％～3％的坡度，由此保证填埋场渗滤液的及时导排和垃圾填埋体对于外界空气的拔风效果。该填埋场位于涿州市南部约10公里，建于2007年6月，并于2009年正式投入使用，占地面积142亩。填埋场采用准好氧填埋工艺处理城市生活垃圾，设计服务年限15年，设计规模日处理垃圾量250吨，垃圾处理总量130万吨。目前，该填埋场的填埋高度为7m。

(1)采样方法

准好氧填埋场填埋气释放通量试验采用静态箱对填埋场表面释放的填埋气进行采样，填埋气静态通量箱的结构示意图如图1所示。其中，为了保证足够的采样面积和样品的代表性，通量箱的设计尺寸为50cm×50cm×10cm(长×宽×高)。填埋气通量的采样点分布如图2所示。其中，1^#、2^#、3^#和4^#准好氧填埋体的填埋时间分别为4、8、12和16个月。填埋气通量采样点以导气管为中心，分别在0、5、10和15m处设置采样点。

采样前先按照图1所示安装好静态通量箱采样系统，分别在0min、10min、20min、40min、60min用100ml注射器采样，注入气袋中，并进行编号，采样同时记录温度。作为一组样品，阴凉处储存。每个采样点设置3个采样时段，以反映该处全天的填埋气通量，采样时段分别为：上午(10：00～11：00)；中午(13：00～14：00)；下午(16：00～17：00)。其中，各个采样点每次采样量分别为100ml。

(2)填埋气样品的测定

CH₄气体的测定：7890型气相色谱仪，TCD检测器，进样口温度200℃，检测器温度250℃，柱温30℃，保留时间4.5min，进样量250ul。

(3)填埋气释放通量的计算

填埋气释放通量的公式计算如下：

$F=\frac{\mathrm{\&Delta;}m}{A\&times;\mathrm{\&Delta;}t}=\frac{\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;V\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}C}{A\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t}---\&lsqb;1\&rsqb;$

式中[1]，F为气体通量，ρ为CH₄气体在相应温度下的密度，Δm和ΔC分别是Δt时间内的通量箱中变化的气体质量和混合比浓度，A和V分别为通量箱的底面积和体积。F为正值时表示填埋场表面向大气释放气体，为负值时表示填埋场表面向大气中吸收气体。

(4)实验填埋区表面CH₄气体通量

实验区填埋区表面CH₄气体通量计算如表1所示。通过比较发现，准好氧填埋场表面上午、中午和下午的CH₄气体通量存在一定程度的差异，且在中午和下午的CH₄气体通量呈现大于上午的趋势；随着距离导气距离的增加，准好氧填埋场表面CH₄气体通量逐渐减小，且CH₄气体通量的主要释放源集中在导气管附近。

在每个实验填埋区作业面分别铺设中间覆盖层：矿化垃圾、老覆土、粪便堆肥、垃圾堆肥、新覆土、矿化垃圾：新覆土(1:10，m/m)，每种中间覆盖层铺设25m×25m，每种中间覆盖层厚度为0.3米，湿度为20％，其中，矿化垃圾的粒径为3～10mm，新覆土的粒径为0.02～0.2mm；矿化垃圾：新覆土(1:10，m/m)中容重为1.2×10³kg/m³、孔隙率为60％。

并采用上述方法测定其表面CH₄气体释放通量，检测结果如表1所示；

表1填埋区表面CH₄气体通量检测结果对比

验证研究表明，未覆盖中间覆盖层的作业台阶表面甲烷气体的释放量均保持较高水平；覆盖矿化垃圾和老覆土的作业台阶表面甲烷气体释放量得到了最好的的控制，但是完全采用上述材料的成本较贵，且不容易获得；采用粪便堆肥、垃圾堆肥、新覆土的作业台阶表面甲烷气体释放量基本没有得到控制；采用矿化垃圾:新覆土(1:10，m/m)的作业台阶表面甲烷气体释放量控制较好，且混合材料有效降低了成本。

其中，堆肥是利用多种微生物的作用，将植物有机残体，进行矿质化、腐殖化和无害化，使各种复杂的有机态的养分，转化为可溶性养分和腐殖质，同时利用堆积时所产生的高温(60～70℃)来杀死原材料中所带来的病菌、虫卵和杂草种子，达到无害化的目的。

由表1可知，矿化垃圾及老覆盖土是较好的填埋场CH₄氧化覆盖材料。但从经济角度来看，矿化垃圾：新覆盖土为1：10的混合物时，准好氧矿化垃圾的含量为1/11，但其甲烷氧化效率接近。因此，选择准好氧矿化垃圾：新覆盖土为1：10的混合物为更加经济的选择。

实施例2

采用实施例1中的实验方法，在每个实验填埋区作业面分别铺设中间覆盖层，中间覆盖层采用矿化垃圾：新覆土重量比为1:10的混合物，改变其参数，每种中间覆盖层铺设25m×25m。研究其中间覆盖层的具体参数与填埋区表面CH₄气体通量之间关系。

其中，中间覆盖层的具体参数如表2所示；检测结果如表3所示。

表2：中间覆盖层参数

表3：填埋区表面CH₄气体通量检测结果对比

上述研究表明，中间覆盖层厚度直接影响填埋区表面甲烷气体释放通量，中间覆盖层厚度在30cm为最佳。中间覆盖层厚度小于30cm，填埋区表面甲烷气体释放通量呈现明显增加；而中间覆盖层厚度大于30cm，填埋区表面甲烷气体释放通量并未呈现明显的降低趋势。

同时，中间覆盖层的容重也显著影响填埋区表面甲烷气体释放通量的大小，以1.2×10³kg/m³为最佳。当中间覆盖层的容重为0.5×10³kg/m³时，填埋区表面甲烷气体释放通量呈现明显增加；而中间覆盖层容重为1.8×10³kg/m³时，填埋区表面甲烷气体释放通量并未呈现明显的降低趋势。

因此综合考虑成本和甲烷氧化效率等因素，建议中间覆盖层厚度为30～50cm，中间覆盖层容重为0.8×10³～1.5×10³kg/m³。

实施例3

采用实施例1中的生活垃圾准好氧填埋场，垃圾填埋单元沿水平方向依次填埋形成垃圾填埋层，在每层垃圾填埋层的表面覆盖中间覆盖层，中间覆盖层为新覆土与矿化垃圾重量比10：1的混合物，矿化垃圾的粒径为3～10mm，新覆土的粒径为0.02～0.2mm。其结构示意图如图3所示。

其中，在垃圾填埋场内设置10个实验区，每一个实验区内的垂直导气管、石笼的参数如表4所示：

表4：垂直导气管、石笼的参数

通过在竖直穿孔导气管内设置气体采集装置，检测导气管内的甲烷气体。导气管内的浓度检测采用四组分红外分析仪对填埋气中CH₄、CO₂和O₂的浓度进行原位监测，测定精度均为0.1％(体积百分含量)。其中，每个采样点的浓度含量每1周测定1次，表5数据为产甲烷高峰期(填埋12个月)整月数据的平均值。

表5：导气管检测数据

总体上，竖直穿孔导气管距离和直径、石笼的直径对于导气管内的甲烷排放浓度存在较大影。虽然组2中的甲烷气体含量有所降低，但由于竖直穿孔导气管间距18米在垃圾填埋场构建时，成本大大提高。而采用本申请的竖直穿孔导气管间距兼顾较好的甲烷氧化性能和成本。而当竖直穿孔导气管间距进一步增大时，甲烷气体含量迅速上升。当竖直穿孔导气管的直径为35cm时，可以满足导气管中甲烷排放浓度＜5％的要求，而竖直穿孔导气管的直径为25cm或者15cm时，均不能满足上述要求。同时，随着导气管之间的增大，对于导体管强度的要求增加，相应的成本也会增加。此外，石笼直径在1m和1.5m时，均可以满足甲烷排放浓度的要求，以1.5m最佳。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本申请构思的前提下，都可以做出若干可能的变动和修改，因此本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种生活垃圾准好氧填埋的甲烷控制方法，其特征在于，在生活垃圾准好氧填埋场内设置竖直穿孔导气管，所述竖直穿孔导气管之间的距离为20～25m；在垃圾填埋场内，将垃圾填埋单元沿水平方向依次填埋形成垃圾填埋层，在每层所述垃圾填埋层的表面覆盖中间覆盖层，所述中间覆盖层为新覆土与矿化垃圾重量比10：1～2的混合物；优选为10：1。

2.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，所述竖直穿孔导气管之间的距离约为22～23m。

3.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，所述竖直穿孔导气管的直径为31～35cm。

4.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，在所述竖直穿孔导气管的周围设置有垂直导气石笼，所述垂直导气石笼的直径为1.2～2.0m，所述垂直导气石笼中的碎石粒径为30～50cm。

5.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，所述中间覆盖层中新覆土的粒径为0.02～0.2mm，矿化垃圾的粒径为3～10mm，中间覆盖层的孔隙率为55％～65％。

6.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，所述中间覆盖层的容重为0.8×10³～1.5×10³kg/m³。

7.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，所述中间覆盖层的厚度为30～50cm。

8.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，所述中间覆盖层的含水量为15～25％，优选20％。

9.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，在距离所述竖直穿孔导气管0～5米范围内的中间覆盖层的容重为1.6×10³～1.8×10³kg/m³。

10.根据权利要求1所述的甲烷控制方法，其特征在于，在距离所述竖直穿孔导气管0～5米范围内的中间覆盖层的厚度为50～100cm。