CN106180114A - 一种准好氧填埋终场覆盖层 - Google Patents

Abstract

本申请涉及垃圾处理领域，具体讲，涉及一种生活垃圾准好氧填埋终场覆盖层。终场覆盖层覆盖于生活垃圾准好氧填埋场的表层，终场覆盖层由上而下依次为植被层、生物覆盖层、储水层、毛细阻隔层和排水层，生物覆盖层中含有甲烷氧化菌。针对生活垃圾准好氧填埋工艺的实际情况，本申请的覆盖层具有很好的透气性，能够保证外界空气扩散进入填埋堆体，同时填埋堆体产生的甲烷等填埋气从堆体内扩散至堆体外，为通过覆盖层释放到空气中的甲烷提供适宜的氧化去除环境。本申请还通过对各层的优化设计，提高了终场覆盖层的甲烷氧化效率。

Description

一种准好氧填埋终场覆盖层

技术领域

本申请涉及垃圾处理领域，具体讲，涉及一种准好氧填埋终场覆盖层。

背景技术

近几十年来，温室效应所导致的全球性气候变化和生态问题已经成为人类面临的一个严重的威胁。甲烷是一种重要的温室气体，其增温效能是CO₂的21倍；CH₄对全球温室效应的综合贡献达到22％。CH₄还是大气层温室气体中年增长率最快的一种。因此，加强对CH₄排放的控制成为抑制全球变暖的一个重要方面。除湿地、水田等传统的CH₄排放源以外，随着城市化发展与人类生活水平的提高，生活垃圾填埋场也已日益成为重要的CH₄释放源。有报道指出，近年来从垃圾填埋场排放的CH₄量占全球CH₄总排放量的比例已上升至12％～20％。

通过管道系统主动收集和利用填埋气(LFG)是控制生活垃圾填埋场CH₄释放的有效方法；然而LFG收集和利用系统造价昂贵，对于中小型填埋场可能缺乏经济可行性；同时，封场后填埋场的CH₄产生强度降低，主动收集系统效率也会随之降低，甚至不能正常运。在这些情况下，强化利用填埋场终场覆盖层土壤的甲烷氧化能力是控制甲烷释放的一种经济和高效的手段。国外对于填埋场终场覆盖层甲烷氧化行为的研究表明，填埋场终场覆盖层作为大气中O₂，与LFG的动态混合区域，其中的甲烷氧化菌可以在适当的环境条件下将CH₄转化成CO₂、水和生物质，从而减少甚至完全消除填埋场的甲烷释放。

准好氧填埋工艺属于半开放系统，填埋过程厌氧区域产生的甲烷气体通过好氧区域的甲烷抑制得到有效减排，而在甲烷气体通过填埋体好氧区和表面覆盖层的过程中通过甲烷氧化作用进一步降低填埋堆体向环境的甲烷释放量。

填埋场覆土对于CH₄气体具有明显的氧化作用，可以减少甲烷的排放量。甲烷氧化是利用填埋场覆土中的甲烷氧化菌，在好氧环境下将CH₄催化氧化为为CO₂的过程。同时，甲烷氧化速率会受到覆盖材料和环境因素(如温度、含水率、有机质含量、孔隙度、pH值和CH₄/O₂比等)的影响。

为了进一步提高生活垃圾填埋的甲烷氧化水平，特提出本申请。

发明内容

本申请的发明目的在于提出一种准好氧填埋终场覆盖层。

为了完成本申请的目的，采用的技术方案为：

本申请涉及一种准好氧填埋终场覆盖层，所述终场覆盖层覆盖于垃圾准好氧填埋场的表层，所述终场覆盖层由上而下依次为生物覆盖层、储水层、毛细阻隔层和排水层；所述排水层的渗透系数为1×10^-4～1×10^-3m/s，所述储水层的渗透系数为1×10^-4～1×10^-3m/s，所述毛细阻隔层的渗透系数为1×10^-6～5×10^-6m/s，所述生物覆盖层中含有甲烷氧化菌。

优选的，所述生物覆盖层上还设置有植被层，所述植被层的厚度为10～25cm。

优选的，所述储水层的厚度为20～50cm，所述毛细阻隔层的厚度为30～100cm，所述排水层的厚度为20～30cm；优选为：所述储水层的厚度为20～40cm，所述毛细阻隔层的厚度为40～80cm，所述排水层的厚度为20～25cm。

优选的，所述生物覆盖层为矿化垃圾与新覆土重量比为(0.5～1.5):10的混合物，所述生物覆盖层的厚度为20～30cm。

优选的，所述排水层为细砂层；所述储水层为壤质沙土层，所述毛细阻隔层为砂质粘土层。

优选的，所述细砂层的粒径为0.05～0.1mm；所述砂质粘土层的粒径为0.005～0.02mm，所述壤质沙土层的粒径为0.02～0.05mm。

优选的，所述终场覆盖层为向上凸起的弧面，所述弧面的坡度由中间向四周逐渐变小，优选的，所述坡度由30％减小至15％。

优选的，在所述排水层内设置有排水系统，所述排水系统包括主管与支管。

优选的，所述生物覆盖层的含水率为15～25％。

本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：

本申请的终场覆盖层是针对生活垃圾准好氧填埋场这种半开放式的系统，具有良好的透气性，厌氧发酵过程中产生的甲烷可向上逃逸至生物覆盖层，由于生物覆盖层中同时含有甲烷氧化菌、氧气以及甲烷，甲烷可在生物覆盖层中被氧化，从而达到促进甲烷氧化的效果。

其次，本申请的终场覆盖层具有防渗、储水、排水的效果。储水层的渗透系数高于毛细阻隔层的渗透系数，使降雨快速下渗至毛细阻隔层上部，毛细阻隔层的毛细作用可阻止水继续下渗，使雨水沿储水层的底部沿着坡向排走，穿透毛细阻隔层的降水可由排水层收集，并排走。从而可达到防止雨水进入的效果。

最后，本申请的生物覆盖层中含有甲烷氧化菌，利用甲烷氧化菌将垃圾填埋场内产生的甲烷气体在生物覆盖层处进行氧化。本申请通过对生物覆盖层的优化设计，提高了终场覆盖层的甲烷氧化效率。

附图说明

图1为本申请准好氧填埋终场覆盖层的结构示意图；

图2为覆盖层甲烷氧化模拟装置的结构示意图；

图3为覆盖层导气性能测试仪的机构示意图；

图4为覆盖层排水性能试验结果的模拟示意图；

图5为覆盖层排水性能试验结果的模拟示意图；

图6为覆盖层排水性能试验中横向导排距离示意图；

其中：

100-终场覆盖层；

101-植被层、102-生物覆盖层、103-储水层、104-毛细阻隔层、105-排水层、106-土工布、107-生活垃圾层；

1-封闭箱体、11-底面、12-高侧、13-低侧；

2-降水系统；

3-甲烷气体输入系统、31-甲烷储气罐、32-甲烷输气管；

4-甲烷气体检测系统；

5-进水口；

6-出水口；

7-空气进气口；

8-排气口；

9-覆盖层、91-细砂层、92-砂质粘土层、94-壤质砂土层、95-生物覆盖层；

200-导气性能测试仪；

201-进水阀；

202、205-阀；

203、204-铁架台支撑长乳胶管；

206-测压管；

207-排水口；

208-升降台；

209-电子天平。

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

准好氧填埋主要体现在垃圾堆体中布置了渗滤液导排兼布气功能的管道。管道主要由渗滤液收集主干管、干管和支管组成，为达到垃圾堆体中更高的好氧比例，还需设置立管。各管道的铺设满足一定的坡度要求(3‰～5‰)，主干管出水末端为完全敞开状态和各管道间连通即构成了好氧体系。生物覆盖层以上、导排管周围为好氧区域，在导排管之间氧气到达不了的区域为厌氧区域。在好氧区域，垃圾迅速降解；在厌氧区域，部分有机物被分解，还原成硫化氢，垃圾中含有的镉、汞等重金属离子与硫化氢反应，生成不溶于水的硫化物，沉积在填埋体中。

传统生活垃圾厌氧填埋工艺，覆盖层分别由植被层(20cm)、表土层(50cm)和粘土层(30cm，渗透系数<10^-7cm/s)组成，其中低渗透率粘土层的主要目的是防止雨水入渗和填埋气向外界环境的释放，而表土层则具有一定的储水作用。但是，针对于准好氧填埋工艺属于半开放系统，填埋过程厌氧区域产生的甲烷气体通过好氧区域的甲烷抑制得到有效减排，而在甲烷气体通过填埋体好氧区和表面覆盖层的过程中通过甲烷氧化作用进一步降低填埋堆体向环境的甲烷释放量。因此，基于生活垃圾厌氧填埋工艺覆盖层(粘土层)具有防水和阻隔气体的作用，但是对于准好氧填埋工艺则存在明显的不利影响。此外，粘土层在反复的饱和和干燥过程中容易形成开裂，进一步导致了填埋堆体内部的甲烷气体未经任何控制措施、无组织地向环境释放。因此，基于传统生活垃圾填埋场的覆盖层不能满足准好氧填埋工艺的要求。

本申请涉及一种准好氧填埋的终场覆盖层，终场覆盖层覆盖于垃圾准好氧填埋场的表层。终场覆盖层包括生物覆盖层102、储水层103、毛细阻隔层104和排水层105；针对准好氧填埋场，本申请的覆盖层具有很好透气性，能够保证外界空气渗入堆体，同时堆体产生的甲烷等填埋气从堆体内扩散至堆体外。生物覆盖层中含有甲烷氧化菌，其功能是利用甲烷氧化菌将垃圾堆体内产生的甲烷进行氧化。本申请的终场覆盖层的透气性好，不仅可实现对于雨水入渗的阻隔，还可实现气体内外交换的畅通。

为了避免不同粒径的材料层发生沉降，可在不同材料层之间设置土工布106。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，排水层105为细砂层，毛细阻隔层104为砂质粘土层，储水层103为壤质沙土层。

在本申请中，砂质粘土泛指与砂土性状相近的土壤，其粘粒含量25％～45％，砂粒含量55％～75％；壤质砂土泛指含砂粒含量多(85～100％)、粘粒含量少(0～15％)的土壤。

由排水层105和毛细阻隔层104组成毛细格栅防渗层；毛细格栅防渗层的实质就是利用在相同含水率的条件下，表层的砂质粘土层的吸力较大，而下层细砂的吸力较小，即水分因为层间吸力的差异被最大限度的保持在表层细沙中，进而在层间形成毛细阻隔作用，限制了水分在层间的流动。为了达到毛细格栅的防渗透气效果，排水层选用渗透系数相对较大的砂砾(1×10^-4～1×10^-3)，而毛细阻隔层则采用渗透系数在1×10^-6m/s的细砂，以保证其毛细阻隔和透气的性能。其中，排水层的渗透系数为1×10^-3～1×10^-4m/s，储水层的渗透系数为1×10^-4～1×10^-3m/s，毛细阻隔层的渗透系数为1×10^-6～5×10^-6m/s。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，生物覆盖层上还设置有植被层101，植被层的厚度为10～25cm。植被层的作用主要是防止降雨冲刷并破坏生物覆盖层，植被层的植物根系防止植被层水土流失，整体的植被层还能达到绿化美观的效果。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，储水层的厚度为20～50cm，毛细阻隔层的厚度为30～100cm，排水层的厚度为20～30cm；优选为：储水层的厚度为20～40cm，毛细阻隔层的厚度为40～80cm，排水层的厚度为20～25cm。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，甲烷氧化层的厚度为20～30cm。大量研究表明覆盖层表面氧气扩散的范围在20～30cm，即在该深度范围内的甲烷氧化层具有较高的甲烷氧化能力，因此本申请将甲烷氧化覆盖层的厚度设计为20～30cm。

根据覆盖材料甲烷氧化性能的测试结果可知，选取矿化垃圾和新覆土重量比为(0.5～1.5):10的混合材料，优选1：10；可以获得较高的甲烷氧化效率，同时具有较好的经济可行性。

在本申请中，老覆土是指覆盖龄大于1年的覆土，具有较多的甲烷氧化菌，其甲烷氧化性能较好。新覆土是指覆盖龄小于1年的覆土，其中甲烷氧化菌含量相对老覆土较少。矿化垃圾是指在填埋场中填埋多年，基本达到稳定化，已可进行开采利用的垃圾。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，细砂层的粒径为0.05～0.1mm；砂质粘土层的粒径为0.005～0.02mm，壤质沙土层的粒径为0.02～0.05mm。储水层的粒径要大于毛细阻隔层，形成上层孔径大于下层，上层使得雨水快速下渗，下层的毛细作用阻止雨水的快速，而穿透毛细阻隔层的水由排水层收集排走。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，终场覆盖层为向上凸起的弧面，弧面的坡度由中间向两边逐渐变小，优选的，坡度由30％减小至15％。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，在排水层内设置有排水系统，排水系统包括主管与支管。主管沿着排水层的长度方向平行设置，设置于终场覆盖层的不同高度上。在不同高度的主管之间设置有支管互相连接，最终形成沿着排水层的设置的鱼骨状管道网络。排水层内设置排水系统的好处为：由毛细阻隔层和储水层内水分最终会逐渐汇流到排水层中，排水层的细砂颗粒大，不会造成排水管路的阻塞。从而可将自然降雨带来的水分大部分排走。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，生物覆盖层的含水率为18～22％。本申请通过模拟装置对生物覆盖层的含水量进行了研究，研究发现，当生物覆盖层的含水率为该范围时，甲烷氧化率最高。

作为本申请终场覆盖层的一种改进，生物覆盖层的温度为25～30℃。本申请通过模拟装置对生物覆盖层的温度也进行了研究，研究发现，当生物覆盖层的温度为该范围时，甲烷氧化率最高。

实施例1不同覆盖材料及接种比例的CH₄氧化速率

采用覆盖层甲烷氧化模拟装置，其示意图如图2所示，模拟装置包括一封闭箱体、降水系统、甲烷气体输入系统、甲烷气体检测系统、进水口、出水口、空气进气口和排气口的封闭箱体底面包括第一侧和与第一侧相对的第二侧，第一侧向第二侧倾斜，与第一侧相连的侧壁为高侧12，与第二侧相连的侧壁为低侧13，在箱体内铺设有平行于箱体底面的覆盖层9。覆盖层由下向上依次为细砂层91、砂质粘土层92、土工布层、壤质砂土层94和生物覆盖层95。在高侧12铺设有壤质砂土层94的位置上设置有进水口5，在低侧13铺设有细砂层91和砂质粘土层92的位置上分别安装有出水口6。在密封箱体1的顶部设置有空气进气口7和排气口8，进气口设置于低侧13上，排气口8设置于高侧上，甲烷气体检测系统安装于排气口8末端。甲烷气体输入系统3安装于箱体底部，将箱体底部平均分成4个区域，每个区域的中心设置有一个甲烷输气口，用于与甲烷输气管32相连接。箱体顶部设置有降水系统2，沿着箱体顶部均匀的设置有喷淋头。

将生物覆盖层分别采用以下材料，然后进行准好氧的模拟的实验。

具体的实验条件为：细砂层91的厚度为30cm，砂质粘土层92的厚度为50cm，壤质砂土层94的厚度为75cm，生物覆盖层95的厚度为30cm；温度20℃～25℃、生物覆盖层的湿度20％～25％、通过甲烷气体输入系统输入甲烷和二氧化碳的混合气体：CH₄/CO₂的比例为50％/50％，通气量为甲烷100～500g·m^-2·d^-1，采用上述模拟装置测量15天内的甲烷氧化速率，计算甲烷氧化速度。

替换生物覆盖层的材料，计算甲烷氧化速度具体如表1所示：

表1：

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，准好氧陈腐垃圾：新覆盖土为1：10的混合物时，准好氧陈腐垃圾的含量为1/11，但其甲烷氧化效率则为准好氧陈腐垃圾的1/3强，因此，选择准好氧陈腐垃圾：新覆盖土为1：10的混合物为更加经济的选择。

实施例2终场覆盖层的导气性能

采用毕利东等(2014)提出的“一种简易的土壤透气速率测定方法及其应用(《土壤》，2014，46(4):766-768)”的方法。

(1)测定原理

根据达西定律，土壤透气量Q与土壤通气面积S、空气压差ΔP、时间Δt成正比，与土层厚度h、空气黏滞系数μ成反比，即：

$Q=K\frac{S\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}P\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t}{h\&CenterDot;\mathrm{\&mu;}}---\left(1\right)$

式中：K为土壤透气速率；Q为土壤透气量；S为土壤通气面积；ΔP为空气压差；Δt为时间；h为土层厚度；μ为空气黏滞系数。实验测定土壤透气速率的关键和难点在于测定单位时间土壤的透气量Q。

(2)测定方法

仪器设备如图3所示，除传统常压测定方法所需的玻璃瓶、玻璃管、乳胶管、秒表、温度计、止血钳、升降台、游标卡尺、凡士林等必备器材外，改进后的方法需要普通电子天平(精度0.01g)1台。

试验开始后打开装置图中201和202处阀门，保持205处阀门关闭，检查装置气密性。待电子天平读数稳定，打开205处阀门，调节208处升降台使206处水头达到设定值，待206处水头稳定后按下电子天平“Tare”按键并计时，测定结束后关闭202处阀门，同时记录测定时间(Δt)，电子天平读数(Δm)，206处水位差(h1)，实验温度(T)，最后用游标卡尺测定土壤样品高度(h)，直径(R)。

采用上述仪器对表2中覆盖层的透气速率进行检测。

表2：

检测得到的土层透气速率如表3所示：

表3：

编号	土壤透气速率(cm/s)
		1	2.08
2	0.47
		3	3.14
4	2.11

实验数据表明，覆盖土层的透气性主要由毛细阻隔层决定，毛细阻隔层厚度越厚，透气性显著降低；毛细阻隔层厚度越薄，则透气性显著增加，但是需要考虑毛细阻隔层太薄时，雨水透过覆盖层进入堆体的可能性增大。因此，本申请选取毛细阻隔层厚度为40～80cm。此外，排水层厚度对于透气性几乎没有影响。

实施例3覆盖层排水性能试验

采用实施例1中的模拟设备，在选定的覆盖层结构后，研究降雨强度对覆盖层排水性能的影响。改变排降雨强度，在相同的条件下进行含水层、毛细阻隔层排水性能实验：

具体的实验条件为：排水层，渗透系数为1×10^-4～1×10^-3m/s，厚度为30cm；毛细阻隔层，渗透系数1×10^-6～5×10^-6m/s，厚度为50cm；含水层，渗透系数为1×10^-4～1×10^{- 3}m/s，厚度为30cm。

本研究采用GeoStudio软件中的SEEP/W模块进行模拟。

模型模拟坡度为1:3，模拟降雨入渗强度分别为1×10^-8、1×10^-7、1×10^-6、1×10^-5、1×10^-4、1×10^-3、1×10^-2和1×10^-1m/s。

实验结果得到，在降雨强度较小情况下(入渗强度分别为1×10^-8、1×10^-7和1×10^-6m/s)，入渗雨水主要以不饱和流的形式渗透进入细砂层，但其入渗量相对较小；随着降雨强度的增加(入渗强度分别为1×10^-5、1×10^-4、1×10^-3、1×10^-2和1×10^-1m/s)，入渗雨水在毛细格栅防渗层中形成稳定的饱和流，其中绝大部分降雨被毛细格栅防渗层导排至集水区外排，仅有小部分雨水穿透毛细阻隔层进入排水层。在模拟条件下毛细格栅防渗层的横向导排距离在15～20m之间，因此可以在毛细格栅覆盖层的排水层大约15～20m的距离设置排水渠，使进入防渗层的降雨有效导排出防渗层。

(一)以毛细阻隔层厚度为变量，厚度分别为50、75、100和125cm。模拟坡度1:3，降雨入渗强度为1×10^-3m/s时的防渗效果。在上述模拟条件下入渗雨水在毛细防渗层中形成稳定的饱和流，其中绝大部分降雨被毛细防渗层导排至集水区外排，仅有小部分雨水穿透防渗层进入下层的排水层中。同时，随着毛细阻隔层厚度的不断增加(50cm增加至125cm)，毛细格栅防渗层的横向导排能力存在明显的增加，有效横向导排距离分别从15～20m范围逐步增加至20～25m。其模拟示意图如图4所示。

(二)以覆盖层坡度为变量，毛细阻隔层的渗透系数为1×10^-6m/s，厚度为50cm，坡度设置分别有1:3、1:4、1:5、1:6和1:7，降雨入渗强度为1×10^-3m/s。在上述模拟条件下入渗雨水在毛细防渗层中形成稳定的饱和流，其中绝大部分降雨被毛细防渗层导排至集水区外排，仅有小部分雨水穿透防渗层进入下层堆体。同时，随着覆盖层边坡坡度的不断减小(1:3减小至1:7)，毛细格栅防渗层均具有较好的横向导排能力，且有效横向导排距离始终保持在15～20m范围内，即在上述模拟条件下坡度对该毛细格栅防渗层的横向导排性能不存在明显的影响，但在导排速率上随着坡度的减小而使得导排速率降低。其模拟示意图如图5所示。

(三)覆盖层结构为变量，覆盖层结构如表4所示，经GeoStudio软件中的SEEP/W模块模拟，测定覆盖层的横向导排距离，横向导排距离的模拟示意图如图6所示。

经GeoStudio软件中的SEEP/W模块模拟表明，当毛细阻隔层(70cm)与排水层(25cm)组合时，可以获得最好的横向导水距离，即可以很好的防止外界雨水进入垃圾填埋场堆体。

表4：

Claims (10)

1.一种准好氧填埋终场覆盖层，所述终场覆盖层覆盖于垃圾准好氧填埋场的表层，其特征在于，所述终场覆盖层由上而下依次为生物覆盖层、储水层、毛细阻隔层和排水层；所述排水层的渗透系数为1×10^-4～1×10^-3m/s，所述储水层的渗透系数为1×10^-4～1×10^-3m/s，所述毛细阻隔层的渗透系数为1×10^-6～5×10^-6m/s，所述生物覆盖层中含有甲烷氧化菌。

2.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述生物覆盖层上还设置有植被层，所述植被层的厚度为10～25cm。

3.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述储水层的厚度为20～50cm，所述毛细阻隔层的厚度为30～100cm，所述排水层的厚度为20～30cm。

4.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述储水层的厚度为20～40cm，所述毛细阻隔层的厚度为40～80cm，所述排水层的厚度为20～25cm。

5.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述生物覆盖层为矿化垃圾与新覆土重量比为0.5～1.5：10的混合物，所述生物覆盖层层的厚度为20～30cm。

6.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述排水层为细砂层，所述储水层为壤质沙土层，所述毛细阻隔层为砂质粘土层。

7.根据权利要求6所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述细砂层的粒径为0.05～0.1mm；所述砂质粘土层的粒径为0.005～0.02mm，所述壤质沙土层的粒径为0.02～0.05mm。

8.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述终场覆盖层为向上凸起的弧面，所述弧面的坡度由中间向四周逐渐变小，优选的，所述坡度由30％减小至15％。

9.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，在所述排水层内设置有排水系统，所述排水系统包括主管与支管。

10.根据权利要求1所述的准好氧填埋的终场覆盖层，其特征在于，所述生物覆盖层的含水率为18～22％。