CN112742837B - 一种应用于垃圾填埋场的分层注气监测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于垃圾填埋场的分层注气监测系统，包括分层注气井、填埋气成分监测与调控设备、分层注气控制装置；所述分层注气井，用于进行分层注气，并收集堆体内生成的填埋气；所述填埋气成分监测与调控设备，用于监测气井内需要监测的物理量、记录当前分层注气井运行工况，并将相关运行信息和定位信息发送给所述分层注气控制装置，接收所述分层注气控制装置的更新指令并调整所述分层注气井位置，改变分层注气井的注气部位；所述分层注气控制装置，用于接收所述填埋气成分监测与调控设备传来的各项气体组分浓度、当前分层注气井运行工况，对分层注气井运行状态进行判断，并将更新指令反馈给所述填埋气成分监测与调控设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于垃圾填埋好氧稳定化的新型分层注气、监测及调节系统，属于环境修复领域。
背景技术
随着经济和科技发展，目前，众多垃圾填埋场及类似污染场地已经成为制约地区社会经济发展的重要障碍，为解决城市用地紧张，实施该类型场地的治理修复，恢复土地开发高效利用，原用作垃圾填埋的区域需要尽量缩短其填埋期限，将土地重新释放以建成绿地公园或工业园区。
这其中涉及的重要技术是垃圾的好氧稳定化。与普通垃圾填埋场相比，好氧稳定化填埋需要利用注气井向垃圾堆体内注入大量高压空气，提升堆体内的氧气浓度，利用微生物好氧呼吸速率大于厌氧呼吸速率这一科学规律，缩短垃圾稳定化所需的时间。这一技术既可以用于旧垃圾填埋场的改造，也可用于新建垃圾填埋场，其中最关键的环节是向垃圾堆体内注入空气，注气量充足、注气分布均匀决定了堆体内好氧微生物活性高低，并直接影响好氧稳定化进程。在南方降水丰沛的地区，雨季垃圾堆体内液位长期处于高水位。当堆体内渗滤液液位没过穿孔花管最高处时，易造成曝气阻力增大、氧气影响半径减少、无法满足堆体内好氧微生物活性的状况。堆体内液位监测较为困难，通常需要打开综合监测井盖进行人工测量水位，从收集数据到得出调整方案往往需要数周时间，调整存在滞后性。
发明内容
本发明的目的是为了解决解决高/低水位交替或周期出现情况下无法实时监测堆体内液位信息并灵活调整堆体内分层注气井注气位置的问题，本发明针对这一情况专门设计一种应用于垃圾填埋好氧稳定化的新型分层注气、监测及调节系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于垃圾填埋场的分层注气监测系统，包括分层注气井、填埋气成分监测与调控设备、分层注气控制装置；
所述分层注气井，用于进行分层注气，并收集堆体内生成的填埋气，包括分层注气井内管、分层注气井外管、旋转定位指示环。
所述分层注气井内管其上部(距离井口约2-3m，具体长度与分层注气井总长度有关)为实壁管段，下部为具有水平方向均匀开孔、垂直方向错向排列开孔的穿孔花管；所述分层注气井外管从所述分层注气井的井口伸入分层注气井内，位于分层注气井与分层注气井内管之间，上部为实壁管段，长度与分层注气井内管实壁管段长度相同，下部为具有水平及垂直方向均匀开孔的穿孔花管。
所述分层注气井外管与分层注气井内管间紧密贴合但可转动，由于外管与内管开孔部位存在错位，可通过将外管旋转不同角度的方式实现穿孔管管口启闭，从而实现分层注气；
所述分层注气井外管与内管旋转角度设置取决于分层注气井需要达到的分层注气层数。对于10m以上的分层注气井，可将分层数取为三～四层，取三层注气时则所述分层注气井内管穿孔花管可间隔30°错向开孔，外管与内管旋转角度以0°、30°、60°调节即可实现下层、中层、上层注气；类似的，10m以下的分层注气井，可将分层数取为两～三层，则所述分层注气井内管穿孔花管可间隔45°错向开孔，外管与内管旋转角度以0°、45°调节即可实现下层、上层注气切换。
所述旋转定位指示环指示了当前分层注气井的运行信息。
所述填埋气成分监测与调控设备，用于监测气井内各项物理量、记录当前分层注气井运行工况，并将相关运行信息和定位信息发送给所述分层注气控制装置，接收所述分层注气控制装置的更新指令并调整所述分层注气井位置，改变分层注气井的注气部位；
所述需要监测的物理量为下述物理量之一或它们的组合：甲烷浓度(CCH4)、氧气浓度(CO2)、二氧化碳浓度(CCO2)、硫化氢浓度(CH2S)、一氧化碳浓度(CCO)、温度(T)、湿度(M)、液位。
所述分层注气控制装置，用于接收所述填埋气成分监测与调控设备传来的各项气体组分浓度、当前分层注气井运行工况，对分层注气井运行状态进行判断，并将更新指令反馈给所述填埋气成分监测与调控设备。
所述填埋气成分监测与调控设备包括监测电源模块、监测处理模块、传感器模块、NB-IoT模块、电动旋转模块、监测短距离通信模块和监测无线通信模块。所述监测电源模块用于填埋气成分监测与调控设备其他模块供电；所述传感器模块用于对需要检测的物理量进行测量；所述NB-IoT模块用于将分层注气井运行信息和定位信息发送给给所述后台服务器，同时接收后台服务器反馈的更新信息，指导所述电动旋转模块将所述分层注气井外管旋转至所需位置；所述监测短距离通信模块采用以下通信方式的一种：蓝牙、ZigBee或Z-Ware；所述监测无线通信模块采用以下通信方式的一种：WIFI、4G、5G或GPRS。
进一步的，依据分层注气井目前氧气利用效率以及是否存在故障来确定是否需要改变当前注气高度，当出现下列情况时发出报警信号提醒工艺管理人员：
a)氧气浓度和/或一氧化碳浓度超过预设阈值；和/或
b)温度超过70℃；和/或
c)湿度低于30％；
当出现下列情况时则调用所述分层注气井的电动旋转模块，调整对应分层注气井的运行状态：
a)氧气浓度低于2％和/或甲烷浓度超过预设阈值；和/或
b)监测井内液位淹没下层穿孔花管最高点高程。
本发明还提供了一种应用于垃圾填埋场的分层注气监测系统的检测方法，包括以下步骤：
S1：后台服务器获取NB-IoT模块上传的传感器监测的物理量数据和分层注气井的运行信息；
S2：PC电脑用于提供人机界面接口，读取后台服务器数据产生数据报表、历史趋势记录、提供打印；
S3：获取传感器监测的物理量数据、分层注气井的运行信息和液位高度
S4：依据氧气随时间的消耗速率(dCO2/dt)曲线计算分层注气井目前氧气利用效率，对比历史dCO2/dt数据判断当前分层注气井是否存在故障；
S5：若一定时间段(连续1周)分层注气井内持续出现液位上升、氧气利用效率下降现象，后台服务器形成更新分层注气井运行方案并反馈给对应分层注气井的电动旋转模块，调整对应分层注气井的运行状态。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明的有益效果是，可以读取分层注气井运行状态和当前液位、填埋气组成浓度，同时实现一定区域内精确控制每个分层注气井的分层注气运行状态，节约人力物力的同时大幅度提升注气效率，加快堆体稳定化进程。
附图说明
图1为本发明分层注气井示意图。
图2为分层注气监测调节系统示意图。
图3为填埋气成分监测与调控设备示意图。
图4为针对填埋场分层注气定位与调整方法流程示意图。
附图中，各标号所代表得部件列表如下：
1、分层注气井，2、碎石填料，3、分层注气井外管，4、分层注气井内管，5、下层填料，6、上层填料，7、填埋气成分监测与调控设备，8、压力表，9、外管开口，10、柔性接管，11、流量调节阀。
具体实施方式
本发明将结合图1对发明中的技术方案进行完整、清晰的描述。显然，本技术方案的实施应用只是发明的一部分，而不是全部的案例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对当前分层注气井设备在渗滤液水位较高时注气效率下降的问题，本发明实施例提供一种分层注气井自动调整技术，可以在一定区域范围内实现分层注气，高效利用氧气。
如图1所示，应用于垃圾填埋场分层注气的分层注气井装置包括分层注气井1、碎石填料2、分层注气井外管3、分层注气井内管4和填埋气成分监测与调控设备7和外管开口9。所述分层注气井外管3固定，所述分层注气井内管4与分层注气井外管3贴合，但所述分层注气井内管4可由所述填埋气成分监测与调控设备7中的转动模块推动，在所述分层注气井外管3内部左右旋转；所述分层注气井外管3与分层注气井内管4下端均设穿孔开口，所占但排列方式不同，当所述分层注气井内管4由所述填埋气成分监测与调控设备7推动角度b时，其与所述分层注气井外管3重合的穿孔管由最上层转变为中层，完成注气位置的改变。
如图2所示，给出本发明实施例的一种分层注气监测调节系统，包括后台服务器、填埋气成分监测与调控设备和个人PC端，其中，填埋气成分监测与调控设备用于监测分层注气井内气体组成成分、温度、湿度等信息，与位置信息一起发送至后台服务器；后台服务器用于接收所述信息，对分层注气井运行状态进行判断并依据水位是否淹没穿孔花管调整分层注气井分层注气位置，将分层注气井故障信息、水位信息进行记录，以便排查历史信息；个人PC端可以或许所述后台服务器信息，并人工调整分层注气区域。进一步的，该分层注气监测调节系统可拓展增加手持终端，更加灵活方便地掌握堆体运行信息。
如图3所示，所述填埋气成分监测与调控设备由监测电源模块、监测处理模块、传感器模块、NB-IOT模块、电动旋转模块、监测短距离通信模块和监测无线通信模块。
基于上述分层注气监测调节系统，如图4所示可以实现好氧填埋堆体中分层注气地监测和自动化调节，包括如下工作流程：
各个分层注气井气体监测设备会定时上传设备地运行数据和气体成分信息，当后台服务器通过上传的运行数据判断某分层注气井运行异常时，自动将该疑似液位淹没穿孔花管的分层注气井井位信息记录，并依据程序设定，并将更新指令反馈给所述填埋气成分监测与调控设备。
分层注气井转动模块依据后台服务器指令进行状态调整后，自动上传调整过程是否正常，如果正常，则继续按照原状态对分层注气井运行状态与气体组分进行检测；如果转动模块调整过程出现异常，则将异常信息发送故障信息至后台处理器，提醒工作人员重点关注状况点分层注气井进行人工维护。
排除故障，同时记录故障原因和采取措施。
本发明实施例可以利用后台服务器自动判断运行出现异常的分层注气井并对注气高度进行调整。提升了好氧堆体处理效率的同时节省大量的人力物力，也同时提升设备排查效率。
实施例1
在某垃圾填埋场，雨季来临时垃圾堆体内水位可上升达10m以上，堆体内井深超过15m的分层注气井下端穿孔花管完全淹没于液位以下，即使大量曝气也无法增加氧气影响半径。于实验区域增设分层曝气井，对于14m以上的分层注气井，分层数取四层，以注气花管底端计，每层长度为2m。分层注气井内管穿孔花管间隔18°错向开孔，外管与内管旋转角度以0°、18°、36°、54°调节。
丰水期来临时，后台服务器能够自动旋转调节曝气区域，将氧气集中供应于空气流动性较好的6-8m的上层或8-10m的上层，有效地避免了注气浪费；当丰水期渗滤液液位进一步上升，即使调节曝气管曝气位置也无法满足上层注气，此时通过人工干预，及时放弃被液位淹没的填埋场东侧区域，将注气区域集中为西侧区域，保障局部区域垃圾降解效率。
本发明的应用于垃圾填埋场的分层注气监测系统及其检测方法，其分层注气井主要部件为分层注气井，包括分层注气井内管、分层注气井外管，和分层注气控制装置。所述分层注气井内管从所述分层注气井的井口伸入分层注气井内，上部为实壁管段，下部为具有水平方向均匀开孔、垂直方向错向排列开孔的穿孔花管；所述分层注气井外管从所述分层注气井的井口伸入分层注气井内，上部为实壁管段，下部为具有水平及垂直方向均匀开孔的穿孔花管。所述分层注气井外管与所述分层注气井内管以螺纹方式连接，分层注气井外管与内管开孔部位存在错位，可通过将外管旋转不同角度的方式实现穿孔管管口启闭。当堆体内液位较高，堆体下层注氧效率下降时，注气效率下降的分层注气井将监测气体浓度发送给所述分层注气控制装置，所述后台服务器接收所述分层注气井运行状态与位置信息后，对分层注气井运行状态进行判断，并将更新指令反馈给所述分层注气井，通过自动控制转动所述分层注气井外管，即可改变开启的分层注气井部位，从而实现气体高效利用。本发明填埋场的分层注气监测调节系统的有益效果是，在堆体内液位改变的情况下，将该分层注气井的运行状态立即发送到分层注气控制装置，可以使调节部门能实时掌握分层注气井状态，同时利用后台程序自动调整分层注气井分层注气位置，实现堆体内垃圾降解效率最大化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (2)
1.一种应用于垃圾填埋场的分层注气监测系统，其特征在于，包括分层注气井(1)、填埋气成分监测与调控设备(2)、分层注气控制装置；
所述分层注气井(1)，用于进行分层注气，并收集堆体内生成的填埋气；
所述填埋气成分监测与调控设备(2)，用于监测分层注气井内需要监测的物理量、记录当前分层注气井运行工况，并将相关运行信息和定位信息发送给所述分层注气控制装置，接收所述分层注气控制装置的更新指令并调整所述分层注气井位置，改变分层注气井的注气部位；
所述分层注气控制装置，用于接收所述填埋气成分监测与调控设备传来的各项气体组分浓度、当前分层注气井运行工况，对分层注气井运行状态进行判断，并将更新指令反馈给所述填埋气成分监测与调控设备；
所述垃圾填埋场的分层注气井(1)包括分层注气井内管、分层注气井外管、旋转定位指示环；
所述分层注气井内管的上部为实壁管段，下部为具有水平方向均匀开孔、垂直方向错向排列开孔的穿孔花管；
所述分层注气井外管从所述分层注气井的井口伸入分层注气井内，上部为实壁管段，下部为具有水平及垂直方向均匀开孔的穿孔花管；所述分层注气井外管可旋转，由于分层注气井外管与分层注气井内管开孔部位存在错位，通过将外管旋转不同角度的方式实现穿孔花管管口启闭，从而实现分层注气；
所述旋转定位指示环指示了当前分层注气井的运行信息；
所述填埋气成分监测与调控设备(2)包括监测电源模块、监测处理模块、传感器模块、NB-IoT模块、电动旋转模块、监测短距离通信模块和监测无线通信模块；所述监测电源模块用于填埋气成分监测与调控设备其他模块供电；所述传感器模块用于对需要检测的物理量进行测量；所述NB-IoT模块用于将分层注气井运行信息和定位信息发送给后台服务器，同时接收后台服务器反馈的更新信息，指导所述电动旋转模块将所述分层注气井外管旋转至所需位置；所述监测短距离通信模块采用以下通信方式的一种：蓝牙、ZigBee或Z-Ware；所述监测无线通信模块采用以下通信方式的一种：WIFI、4G、5G或GPRS；
所述填埋气成分监测与调控设备(2)需要监测的物理量为下述物理量之一或它们的组合：甲烷浓度CCH4、氧气浓度CO2、二氧化碳浓度CCO2、硫化氢浓度CH2S、一氧化碳浓度CCO、温度T、湿度M、液位；
所述分层注气控制装置被设置为依据分层注气井目前氧气利用效率以及是否存在故障来确定是否需要改变当前注气高度，当出现下列情况时发出报警信号提醒工艺管理人员：
a)填埋场堆体内氧气浓度和/或一氧化碳浓度超过预设阈值；和/或
b)填埋场堆体内温度超过70℃；和/或
c)填埋场堆体内湿度低于30％；
当出现下列情况时则调用所述分层注气井的电动旋转模块，调整对应分层注气井的运行状态：
a)氧气浓度低于2％和/或甲烷浓度超过预设阈值；和/或
b)监测井内液位淹没下层穿孔花管最高点高程。
2.根据权利要求1所述的一种应用于垃圾填埋场的分层注气监测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：后台服务器获取NB-IoT模块上传的传感器监测的物理量数据和分层注气井的运行信息；
S2：PC电脑用于提供人机界面接口，读取后台服务器数据产生数据报表、历史趋势记录、提供打印；
S3：获取传感器监测的物理量数据、分层注气井的运行信息和液位高度；
S4：依据氧气随时间的消耗速率曲线计算分层注气井目前氧气利用效率，对比历史氧气随时间的消耗速率数据判断当前分层注气井是否存在故障；
S5：若一定时间段分层注气井内持续出现液位上升、氧气利用效率下降现象，后台服务器形成更新分层注气井运行方案并反馈给对应分层注气井的电动旋转模块，调整对应分层注气井的运行状态。
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