CN1830849A - 垃圾填埋场沼气收集井施工用沉锥井桩及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种垃圾填埋场沼气收集井施工用沉锥井桩，包括桩盖、桩筒、桩头，所述桩头包括圆锥体，桩筒为空心管状，圆锥体底面直径略大于桩筒截面直径，与桩筒的一端相接；桩盖外径略大于桩筒外径，用于盖设于桩筒的另一端。本发明同时公开使用该沉锥井桩设备进行沼气收集井施工方法，包括如下步骤：1)架设撞击式桩机；2)桩机塔架将沉锥井桩垂直定位，桩头朝下，桩筒与桩头底面相接，桩盖盖设于桩筒顶端；3)启动桩机，将沉锥井桩打入垃圾层中；4)取下桩盖，将沼气集气管放入桩筒中央；5)将填充料倒入桩筒中，固定沼气集气管，以保证导气孔畅通；6)将桩筒吊离垃圾层，桩头与桩筒分离并沉留井底，完成一个沼气收集井的建造。

Description

垃圾填埋场沼气收集井施工用沉锥井桩及其施工方法

【技术领域】：

本发明涉及一种对垃圾填埋场沼气进行收集时的沼气收集井施工方法及其沉锥井桩施工设备。

【背景技术】：

随着中国经济的快速发展，大量的人口踊入城市，城市的规模和域界不断扩大，城市化的进程一日千里。我们在享受繁荣的同时，也正经受生存环境不断恶化带来的后果，一方面城市人口激增，生活垃圾也剧增，根据国家环保总局的统计，中国城镇居民人均年产垃圾量约500公斤，2002年产垃圾总量1.36亿顿，垃圾产生年增长率为9％。我国城市垃圾的处理方法目前还比较落后，其主要方法是填埋，约占整个垃圾处理方法的95％以上，焚烧仅占很少部分，因而导致用于填埋垃圾的土地资源越来越紧缺，垃圾与人们争取空间的矛盾越来越激化；另一方面，我国所采用的填埋方法基本上是随意堆放的方法，未经无害化处理，随着城市的规模和域界不断扩大，原来处于城市边缘的垃圾填埋场正成为新的城市中心，垃圾填埋场污染问题正成为急待解决的难题。

通常，城市生活垃圾中含有大量的果蔬皮、食物残渣、菜叶、纸张、毛皮等有机物；城市保洁产生的垃圾中也含有一定数量的树叶树枝、草等有机物质；因此在进入填埋场的垃圾中，含有相当丰富的有机物质。垃圾一旦进入填埋场，微生物的分解过程就开始了：第一步是耗氧分解，消耗填埋场中的氧气，产生大量的热；第二步进行厌氧分解，产生沼气。作为垃圾本身的生物厌氧降解过程，其最终产物主要是CO₂和CH₄。垃圾被填埋的初期，有机物分解产生的废气主要是CO₂，经过一段时间以后，气体中的甲烷成分逐渐上升，产气高峰一般要在垃圾填埋3～5年之后才出现，而排放的废气中CH₄含量较高时会引起爆炸(空气中CH₄的爆炸极限范围是5～15V％)。因此，做好填埋场气体的收集处理是一项很重要的工作。气体成分和浓度随填埋年限和垃圾成分的不同而变化。未经处理的垃圾填埋场一般存在以下的直接危害：

1、垃圾场不断散发的恶臭气体(又称沼气)主要由甲烷和其他有毒有害气体组成。甲烷是一种高效的燃料，但如果处理不当，在近居民区释放，一旦遭遇火星易燃易爆，给生命和财产带来威胁；

2、甲烷也是一种温室效应很强的气体(是二氧化碳的二十一倍)，若大量对空中直接排放，容易造成温室效应，导致人类赖以生存的大气环境变坏，因此，联合国正通过《京都协议书》要求各国政府采取措施强制性减少各类温室效应气体的排放。

目前国内对新建的垃圾填埋场要求建立沼气收集系统，回收的沼气可以当作燃料直接使用，也可以用于发电。沼气收集系统包括沼气收集井、集气管道、储气罐、气体收集泵站等。沼气收集井的施工是整个沼气收集系统的关键和难点，目前没有切实有效的方法；一种是采取挖掘的方法，用挖掘机在填埋场进行挖掘，挖出的垃圾需要另外堆放，在施工时，会不断逸出沼气，对施工人员造成危害，也易发生工程事故，填埋场垃圾的厚度一般达到数十米，随着深度加大，挖掘施工难来越来越大，因此这种方法建造收集井，施工难度大、周期长，人力物力投入大。为解决收集井建造施工问题，国外出现了一些专门的垃圾填埋场沼气井挖掘设备，但这种设备不仅价格高昂，而且由于体积庞大，运输不便，进入垃圾填埋场十分不便。现有技术也尝试用振动式打桩工法来建造收集井，但由于垃圾材料组成复杂，垃圾层具有一定的弹性，且沼气收集井井径较大，使这种施工方法很难凑效。

综上所述，由于对填埋场沼气收集系统的投资额很大，地方财政难以承担，国内地方财政难以承受，在国内难以推广应用。因此，我国城市垃圾填埋场的沼气几乎没有进行收集，危害是显而易见的，不仅造成臭气污染，带来易燃易爆威胁，而且白白浪费了大量可利用能源；即使有极少数城市进行了处理，也是采用上述投资十分巨大的施工方式进行处理，投资的经济效益性很差。

【发明内容】：

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种投入成本低、社会效益高的垃圾填埋场沼气收集井施工方法及施工用沉锥井桩。

为实现上述目的，本发明提出一种垃圾填埋场沼气收集井施工用沉锥井桩，包括桩盖、桩筒、桩头，所述桩头包括圆锥体，所述桩筒为空心管状，所述圆锥体底面直径略大于所述桩筒截面直径，与所述桩筒的一端相接；所述桩盖外径略大于所述桩筒外径，用于盖设于所述桩筒的另一端。

上述的沉锥井桩，所述桩盖包括圆形底壁、侧壁，所述侧壁与所述底壁相垂直并沿所述底壁圆周向同一方向沿伸；所述侧壁的内径大于或等于所述桩筒外径。或所述桩盖包括圆形底壁、处于底壁圆周内与所述底壁垂直相接的环状凸壁，所述环状凸壁的外径小于或等于所述桩筒的外径；所述环形凸壁的内径略小于或等于所述桩筒的内径。

或上述的沉锥井桩，所述桩盖包括两段同心相连圆柱，下部圆柱的直径稍小于桩筒内径，上部圆柱的直径梢大于桩筒的外径。上述的沉锥井桩，所述桩头包括圆锥体、与锥体底面相接的圆柱凸台，所述锥体直径略大于所述圆柱凸台直径，所述圆柱凸台的直径略小于或等于所述桩筒的内径。

或所述桩头包括圆锥体，其锥体底面设置有中心与所述锥体轴线重合的环形凹槽，所述环形凹槽的外径略大于或等于所述桩筒的外径，所述环形凹槽的内径略小于或等于所述桩筒的内径；所述环形凹槽用于与所述桩筒一端相配合。所述桩头还包括圆柱凸台，其截面与所述环形凹槽内圆周重合相接。

或所述桩头包括圆锥体、与锥体底面相接的外环状凸壁及内环状凸壁，所述外环状凸壁及内环状凸壁围合形成一环状凹槽，所述环形凹槽外径略大于或等于所述桩筒的外径，所述环形凸壁的内径略小于或等于所述桩筒的内径。

上述的沉锥井桩，所述桩筒是一可承受冲击力的空心圆筒，圆筒长度决定沼气井深度。桩筒的顶部设有提吊环或勾，用于桩机将桩筒从填埋场中提出。

同时本发明公开了应用上述的垃圾填埋场沼气收集井施工用沉锥井桩的垃圾填埋场沼气收集井施工方法，包括如下步骤：

1)架设撞击式桩机；

2)桩机塔架将沉锥井桩垂直定位，桩头朝下，桩筒与桩头底面相接，桩盖盖设于桩筒顶端；

3)启动桩机，用桩机锤将沉锥井桩打入垃圾层中；

4)取下桩盖，将设有导气孔的沼气集气管放入桩筒中央；

5)将单体最大截面比导气孔稍大的填充料倒入桩筒中，固定沼气集气管在桩筒的中央；

6)将桩筒吊离垃圾层，桩头与桩筒分离并沉留井底，完成一个沼气收集井的建造。

上述的施工方法，所述步骤5)中的填充料优选最大截面积比导气孔稍大的碎石。

由于采用了以上的方案，其效果是：1)本发明对垃圾填埋场产生的沼气实现完全再利用，杜绝了直接排放对周边环境造成的污染。2)这一施工方法的施工过程无须挖开填埋场，因此不会造成新的污染，安全可靠，简单高效，投入的建设费用、设备购置费用大大地低于常规的处理方法，施工人员大大减少，因此运营费用上也大大降低。3)本发明的施工方法及施工设备，沼气井挖掘及集气管铺设结合进行，大大加快了沼气收集系统建造的施工速度，显著缩短了施工工期。

本发明的井桩，结构简单，易实现，成本低。

应用本发明的施工方法及施工设备，由于投入成本大幅度降低，是挖掘施工方案成本的六分之一，且施工工期大幅度缩短，使垃圾填埋场的综合治理投入低，见效快，对再生能源的利用也可以尽快见效，对城市、国家、及至全球的环境治理和能源开发有长期的、不可估量的促进作用。

【附图说明】：

图1是垃圾填埋场沼气收集系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的沉锥井桩沿轴心线的剖面示意图；

图3是本发明实施例一的沉锥井桩的桩盖结构示意图。

图4是本发明实施例一的沉锥井桩的桩筒结构示意图。

图5是本发明实施例一的沉锥井桩的桩头结构示意图。

图6是沼气处理的流程图。

图7为本发明实施例二的沉锥井桩的桩头结构示意图。

图8为本发明实施例三的沉锥井桩的桩头结构示意图。

图9为本发明实施例三的沉锥井桩的桩头结构示意图。

图10是本发明实施例五的沉锥井桩桩盖结构示意图。

图11为埋设集气管后沼气收集井结构示意图。

【具体实施方式】：

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例一：本例是一个优选实施例。

在建立垃圾填埋场沼气收集系统时，首先需要在垃圾场上打出一定数量的沼气收集井，用于填埋沼气集气管。请参考图10所示，该收集井需要深入垃圾层中，因此视填埋场的具体情况，收集井深度一般与垃圾层的深度相关；收集井的数量则与填埋场的面积相关，一般是相隔40米间距设置一个收集井。如图1所示，各收集井内埋设竖向的沼气集气管10，各竖向的沼气集气管用横向输送管11相连接，再通过送风机输送至储气罐。

沼气收集井的建造过程：在填埋场上架设撞击式桩机，沉锥井桩采用本发明根据填埋场地质特点设计的垃圾填埋场沼气收集沉锥井桩。请结合图2-图5所示，为该收集沉锥井桩的一种实施例，包括桩盖1、桩筒2、桩头3，如图3所示，桩盖包括两段同心相连圆柱，下部圆柱的直径稍小于桩筒内径，上部圆柱的直径梢大于桩筒的外径。如图4所示，桩筒为一圆柱形空心钢管，管径1米，桩筒的顶部设有连接件4，该连接件可以是挂钩或吊环等，用于桩机将桩筒从填埋场填埋层中吊离。桩盖盖设于桩筒上，桩盖与桩筒可采用连接件4进行紧固，也可以无须紧固；桩筒的高度可以根据填埋场垃圾层的深度灵活确定。如图5所示，桩头整体呈箭头状，前部为锥体31，锥体底面与圆台32相接，圆柱凸台圆心处于锥体轴心线上，锥体底面直径略大于桩筒直径，桩筒直径略大于圆柱凸台直径；桩筒套设于桩头的圆柱凸台外，与锥体底面相接。施工时，桩机的机架上用机械手限制沉锥井桩的位置，桩机重锤在马达驱动下，对沉锥井桩桩盖施加垂直的作用力，机械手对沉锥井桩施加导向作用，以保证收集沉锥井桩的运动方向。沉锥井桩在重锤撞击下，在撞击力、锤体和沉锥井桩自身重力的共同作用下，垃圾通过桩头的锥面被向四周挤压，使整个沉锥井桩所受的阻力大大降低，沉锥井桩可以快速、省力地深入到垃圾层中。由于桩头的结构特征，桩筒通过桩头的圆台的限位，使二者既不会脱离相接，也不会产生错位等。

当桩筒深入垃圾层达到目标深度后，拆除桩盖，请参照附图11所示，此时在填埋场地面上形成一个由桩筒挤压出来的“井”，将密布导气孔的PVC集气管8沿桩筒轴心放入“井”中，再将经清洗和挑选的碎石6填埋入桩筒中，固定集气管。

集气管被固定后，采用吊机连接桩筒的吊环或钩4，将桩筒从垃圾层7中拔出，由于桩头与桩筒并非固定连接，桩头被留在井底。而桩筒和桩盖可以重复利用。集气管的长度依井深而定，其一端三分之二的长度上布满导气孔，集气管此段被最大截面积略大于导气孔的碎石与垃圾隔离，由于碎石之间存在丰富的间隙，沼气通过间隙被收集到集气管。

在倒入碎石固定集气管后，在余下的未被碎石填埋的约三分之一井深的井口覆盖上一层密封层5，该密封层选用高粘性粘土，夯实压紧，此粘土层可以使沼气不会逸出直接对空排放，提高对沼气的有效收集。

按照本发明的施工方法，利用本发明的施工设备，建造好沼气收集井，埋设好竖向的集气管后，再将各集气管用横向的输送管连接，再依次连接储气罐。

实施例二：如图6所示，本例的桩头在圆锥体31的底面开设有环形槽33，该环形槽外径略大于或等于桩筒的外径，环形槽内径略小于或等于桩筒的内径，环形槽的中心位于圆锥体的轴线上。施工时，桩筒一端嵌入环形槽中，在撞击和重力作用下，沉锥井桩深入到垃圾层中；当放置好沼气集气管后吊离桩筒时，由于桩头圆锥体的底面略大于桩筒的外径，在阻力作用下，桩头被留在井底；而桩筒外径略小于桩头，通过桩头对垃圾层的挤压，使桩筒深入垃圾层后几乎不受垃圾的挤压，因此在吊离村桩筒时，桩筒所受阻力小，很容易被吊离垃圾层。

实施例三：如图7所示，本例桩头包括圆锥体31、与锥体底面相接的外环状凸壁35及环状内凸壁34，外环状凸壁及内环状凸壁围合形成一环状凹槽33，环形凹槽外径略大于或等于桩筒的外径，环形凸壁的内径略小于或等于桩筒的内径。施工时，桩筒一端嵌入环形凹槽中。

实施例四：如图8所示，本例的桩头在实施例一的基础上，在圆柱凸台32与圆锥体底面相接的根部，环圆柱凸台开设有一环形凹槽33，桩筒一端嵌入环形凹槽中，可以起到更好的定位作用。

实施例五：如图9、图10所示，本例与实施例一的不同之处是，本例的桩盖1包括圆形底壁、侧壁，侧壁与底壁相垂直并沿底壁圆周向同一方向沿伸；侧壁的内径大于或等于桩筒外径。侧壁限位使桩盖套设于桩筒上。

Claims (10)

1、一种垃圾填埋场沼气收集井施工用沉锥井桩，其特征是：包括桩盖(1)、桩筒(2)、桩头(3)，所述桩头包括圆锥体，所述桩筒为空心管状，所述圆锥体底面直径略大于所述桩筒截面直径，用于与所述桩筒的一端相接；所述桩盖外径略大于所述桩筒外径，用于盖设于所述桩筒的另一端。

2、如权利要求1所述的沉锥井桩，其特征是：所述桩盖包括两段同心相连圆柱，下部圆柱的直径稍小于桩筒内径，上部圆柱的直径略大于桩筒的外径。

3、如权利要求1所述的沉锥井桩，其特征是：所述桩盖包括圆形底壁、处于底壁圆周内与所述底壁垂直相接的环状凸壁，所述环状凸壁的外径小于或等于所述桩筒的外径；所述环形凸壁的内径略小于或等于所述桩筒的内径。

4、如权利要求1所述的沉锥井桩，其特征是：所述桩头包括圆锥体、与锥体底面相接的圆柱凸台，所述锥体直径略大于所述圆柱凸台直径，所述圆柱凸台的直径略小于或等于所述桩筒的内径。

5、如权利要求1所述的沉锥井桩，其特征是：所述桩头的圆锥体的锥体底面设置有中心与所述锥体轴线重合的环形凹槽，所述环形凹槽的外径略大于或等于所述桩筒的外径，所述环形凹槽的内径略小于或等于所述桩筒的内径；所述环形凹槽用于与所述桩筒一端相配合。

6、如权利要求1所述的沉锥井桩，其特征是：所述桩头包括圆锥体、与锥体底面相接的外环状凸壁及内环状凸壁，所述外环状凸壁及内环状凸壁围合形成一环状凹槽，所述环形凹槽外径略大于或等于所述桩筒的外径，所述环形凸壁的内径略小于或等于所述桩筒的内径。

7、如权利要求5所述的沉锥井桩，其特征是：所述桩头还包括圆柱凸台，其截面与所述环形凹槽内圆周重合相接。

8、如权利要求1所述的沉锥井桩，其特征是：所述桩筒是一可承受冲击力的空心圆筒，桩筒的顶部设有提吊环或勾，用于连接提拉设备将桩筒从填埋场中提出。

9、应用如权利要求1-8中任一项所述的垃圾填埋场沼气收集井施工用沉锥井桩的垃圾填埋场沼气收集井施工方法，包括如下步骤：

1)架设撞击式桩机；

2)桩机塔架将沉锥井桩垂直定位，桩头朝下，桩筒与桩头底面相接，桩盖盖设于桩筒顶端；

3)启动桩机，通过机锤将沉锥井桩打入垃圾层中；

4)取下桩盖，将设有导气孔的沼气集气管放入桩筒中央；

5)将单体最大截面比导气孔稍大的填充料倒入桩筒中，将沼气集气管固定在桩筒中央；

6)将桩筒吊离垃圾层，桩头与桩筒分离并沉留井底，完成一个沼气收集井的建造。

10、如权利要求9所述的施工方法，其特征是：所述步骤5)中的填充料优选碎石。

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