CN205850582U

CN205850582U - 一种覆盖层甲烷氧化模拟装置

Info

Publication number: CN205850582U
Application number: CN201620727934.XU
Authority: CN
Inventors: 岳波; 黄泽春; 黄启飞; 晏卓逸; 吴小卉
Original assignee: Chinese Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences; Chinese Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2026-07-11

Abstract

本申请涉及垃圾处理领域，具体讲，涉及一种覆盖层甲烷氧化模拟装置。本申请的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，在箱体内铺设有平行于箱体底面的覆盖层。本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置可对填埋场覆盖层的甲烷氧化行为进行模拟研究，通过物料衡算，可用于研究甲烷氧化的转化情况，考察渗滤液的排放情况；可用于评价不同覆盖材料、环境因素对覆盖层的影响。

Description

一种覆盖层甲烷氧化模拟装置

技术领域

本申请涉及垃圾处理领域，具体讲，涉及一种覆盖层甲烷氧化模拟装置。

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CH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CH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。为了能够深入研究甲烷氧化的影响因素，特提出本申请。

发明内容

本申请的发明目的在于提出一种覆盖层甲烷氧化模拟装置。

为了完成本申请的目的，采用的技术方案为：

本申请涉及一种覆盖层甲烷氧化模拟装置，所述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；所述封闭箱体包括一倾斜的底面，所述底面包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧向所述第二侧倾斜，与所述第一侧相连的侧壁为高侧，与所述第二侧相连的侧壁为低侧，在所述箱体内铺设有平行于箱体底面的覆盖层。

优选的，所述覆盖层由下向上依次为粗砂层、砂质粘土层、壤质砂土层和生物覆盖层。

优选的，所述粗砂层的厚度为20～30cm，所述砂质粘土层的厚度为30～50cm，所述壤质砂土层的厚度为50～75cm，所述生物覆盖层的厚度为20～30cm；所述粗砂层的渗透系数为1×10^-3～1×10^-4m/s，所述砂质粘土层的渗透系数小于1×10^-6m/s，所述壤质砂土层的渗透系数1×10^-5～1×10^-6m/s。

优选的，在所述高侧铺设有所述壤质砂土层的位置上设置有进水口，在所述低侧铺设有粗砂层和砂质粘土层的位置上分别安装有出水口。

优选的，所述甲烷气体输入系统包括甲烷储气罐和甲烷输气管；所述甲烷气体输入系统安装于所述箱体底部，在所述封闭箱体的底面上设置有至少一个甲烷输气口与所述甲烷输气管相连接。

优选的，所述封闭箱体的顶部设置有空气进气口和排气口，所述甲烷气体检测系统安装于所述排气口的末端。

优选的，所述进气口设置于所述低侧上，所述排气口设置于所述高侧上。

优选的，所述降水系统安装于所述箱体顶部。

优选的，所述封闭箱体底面的坡度为1％～3％。

优选的，所述生物覆盖层中含有甲烷氧化菌。

本申请的技术方案至少具有以下有益的效果：

本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置可对填埋场覆盖层的甲烷氧化行为进行模拟研究，其主要功能有：

首先，模拟准好氧填埋场甲烷从表层的产生与释放；

其次，模拟准好氧填埋场的终场覆盖层，该层具有填埋气透气、雨水毛细阻隔、雨水导排、甲烷氧化等功能，该功能与准好氧填埋场这种半开放式填埋场(区别于厌氧性填埋场，厌氧型填埋场通常要求进行完全封闭，以保证厌氧过程并产生更多的甲烷)相匹配。即保证雨水不进入填埋垃圾堆体，外界降雨过程中被毛细作用阻隔，然后通过埋设于砂质粘土层中的导排管进行横向导排，排除堆体表面。甲烷从里至外的扩散过程中，通过甲烷氧化层进行氧化去除。通过物料衡算，探讨了甲烷氧化的转化情况，考察了渗滤液的排放情况；

最后，可用于评价不同覆盖材料、环境因素对覆盖层的影响。

附图说明

图1为覆盖层甲烷氧化模拟装置的结构示意图。

其中：

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-粗砂层、92-砂质粘土层、94-壤质砂土层、95-生物覆盖层。

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

本申请涉及一种覆盖层甲烷氧化模拟装置，其结构示意图如图1所示。用于模拟准好氧甲烷氧化体系，是针对准好氧填埋场特点的覆盖层模拟装置。该模拟装置包括一封闭箱体1、降水系统2、甲烷气体输入系统3、甲烷气体检测系统4、进水口5、出水口6、空气进气口7和排气口8；封闭箱体包括一倾斜的底面11，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。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，覆盖层由下向上依次为粗砂层91、砂质粘土层92、壤质砂土层94和生物覆盖层95。

箱体结构从上到下分别实现模拟降雨装置、甲烷氧化层(生物覆盖层95)、储水层(壤质砂土层94)、毛细阻隔层(细沙层92)、排水布气层(粗砂层91)、垃圾堆体甲烷释放模拟结构。其中的储水层与毛细阻隔层要求在粒径上壤质砂土层＞细沙层，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水下渗而使得雨水沿坡向导排走。

其中，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。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，粗砂层91的厚度为20～30cm，砂质粘土层92的厚度为30～50cm，壤质砂土层94的厚度为50～75cm，生物覆盖层95的厚度为20～30cm。

优选的，粗砂层的粒径为0.05～0.1mm；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。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，粗砂层的渗透系数为1×10^-3～1×10^-4m/s，砂质粘土层的渗透系数小于1×10^-6m/s，壤质砂土层的渗透系数1×10^-5～1×10^-6m/s。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，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铺设有粗砂层91和砂质粘土层92的位置上分别安装有出水口6。通过进水口5进水用来模拟垃圾堆体自生发酵产生的渗滤液或者是填埋场内的浅水层，设置于砂质粘土层92与粗砂层91位置的出水口6用于检测从细沙层(出水口61)和粗砂层(出水口62)的流量。从而整体评价甲烷氧化模拟装置的防渗效果。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，甲烷气体输入系统3包括甲烷储气罐31和甲烷输气管32；甲烷气体输入系统3安装于箱体底部，在封闭箱体的底面11上设置有至少一个甲烷输气口与甲烷输气管相连接。可将箱体底部平均分成几个区域，每一个区域内设置一个甲烷输气口，从而可将甲烷气体更加均匀的输入到模拟装置中，更加真实的再现甲烷产生的情况。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，封闭箱体的顶部设置有空气进气口7和排气口8，甲烷气体检测系统安装于所述排气口8末端。空气进气口7用于模拟自然状态下的空气流通状态，甲烷气体检测系统进行采气取样分析逃逸部分的甲烷量。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，进气口设置于低侧13上，排气口8设置于高侧上。通过甲烷输入装置输入的甲烷的量与从排气口检测得到的甲烷气体的量，可准确计算得到被氧化的甲烷气体量。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，降水系统2安装于所述箱体顶部。降水系统用于模拟自然降雨的过程对准好氧体系中甲烷氧化的影响。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，封闭箱体底面的坡度为1～3％。箱体的坡度模拟了垃圾填埋场底部的倾斜的状态。

作为本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置的一种改进，生物覆盖层94中含有甲烷氧化菌。甲烷氧化是利用甲烷氧化菌，在好氧环境下将CH₄催化氧化为为CO₂的过程，从而减少甲烷的排放量。生物覆盖层优选矿化垃圾与新覆土的混合物。矿化垃圾中含有稳定的甲烷氧化菌群，其与新覆土混合后，对新覆土起到菌种接种的作用。本申请通过对覆盖层的模拟，研究生物覆盖层中对甲烷氧化菌的接种条件与准好氧甲烷氧化之间的关系本申请的模拟装置可以更加准确的评价覆盖层材料的甲烷氧化性能。若空气出口收集气体测得CH₄的含量少，说明此种覆盖层材料甲烷氧化性能好，内部的甲烷菌可能很丰富。

在本申请中，矿化垃圾又称陈腐垃圾，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。覆盖在垃圾堆上的时间不足1年，即土的覆盖龄不足一年；覆盖龄大于一年的为老覆土。

本申请覆盖层甲烷氧化模拟装置可对填埋场覆盖层的甲烷氧化行为进行模拟研究，通过物料衡算，探讨了甲烷氧化的转化情况，考察了渗滤液的排放情况；可用于评价不同覆盖层对覆盖材料、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。

在本申请一具体实施方式中，覆盖层甲烷氧化模拟装置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粗砂层91、砂质粘土层92、土工布层、壤质砂土层94和生物覆盖层95。粗砂层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。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铺设有粗砂层91和砂质粘土层92的位置上分别安装有出水口6。在封闭箱体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。

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

1.一种覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述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；所述封闭箱体包括一倾斜的底面，所述底面包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧向所述第二侧倾斜，与所述第一侧相连的侧壁为高侧，与所述第二侧相连的侧壁为低侧，在所述箱体内铺设有平行于箱体底面的覆盖层。

2.根据权利要求1所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述覆盖层由下向上依次为粗砂层、砂质粘土层、壤质砂土层和生物覆盖层。

3.根据权利要求2所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述粗砂层的厚度为20～30cm，所述砂质粘土层的厚度为30～50cm，所述壤质砂土层的厚度为50～75cm，所述生物覆盖层的厚度为20～30cm；所述粗砂层的渗透系数为1×10^-3～1×10^-4m/s，所述砂质粘土层的渗透系数小于1×10^-6m/s，所述壤质砂土层的渗透系数1×10^-5～1×10^-6m/s。

4.根据权利要求2所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，在所述高侧铺设有所述壤质砂土层的位置上设置有进水口，在所述低侧铺设有粗砂层和砂质粘土层的位置上分别安装有出水口。

5.根据权利要求1所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述甲烷气体输入系统包括甲烷储气罐和甲烷输气管；所述甲烷气体输入系统安装于所述箱体底部，在所述封闭箱体的底面上设置有至少一个甲烷输气口与所述甲烷输气管相连接。

6.根据权利要求1所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述封闭箱体的顶部设置有空气进气口和排气口，所述甲烷气体检测系统安装于所述排气口的末端。

7.根据权利要求6所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述进气口设置于所述低侧上，所述排气口设置于所述高侧上。

8.根据权利要求1所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述降水系统安装于所述箱体顶部。

9.根据权利要求1所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述封闭箱体底面的坡度为1％～3％。

10.根据权利要求2所述的覆盖层甲烷氧化模拟装置，其特征在于，所述生物覆盖层中含有甲烷氧化菌。