（环境工程专业论文）简易垃圾填埋场气体迁移控制和回收系统研究.pdf

华中秆技大掌孑嚣士 摘要 专：伍 宅? j 、 ( 随着我国城市垃圾产量的快速增长，简易垃圾填埋场填埋气体( l f g ) 对环境 、 的危害日益突出，已成为一个亟待解决的环境问题。因此，从无害化、资源化角度 出发，根据我国垃圾填埋场的实际情况，研究、开发适用的l f g 控制和回收利用技 术，减少填埋场气体对环境的影响，并充分回收利用这部分能源，不但对于现有简 易垃圾填埋场的场地恢复治理，而且对于新建填埋场的设计、施工和运行均有十分 、 重要的参考意义。j 本文结合深圳玉龙坑垃圾填埋场封场工程，对填埋场l f g 横向迁移控制和回收 系统进行了研究。通过理论计算和现场测试，对填埋场产气状况和l f g 横向迁移状 况进行了分析研究；阐述了垃圾填埋场l f g 的分布、聚集、迁移机理，就地质构造 和雨季降雨对l f g 横向迁移的影响进行了现场测试研究；根据填埋场产气状况和 l f g 横向迁移测试，提出了l f g 的场内安全和横向迁移控制技术，并对l f g 回收 系统进行了方案设计。 f ( 研究结果表明，填埋气体对填埋场周围环境的污染状况受多种因素的影响，尤 其是简易垃圾填埋场所在地的地形地貌、水文地质、气象气候，往往具有决定性的 作用。在确定简易垃圾填埋场l f g 污染控制系统时，必须根据各个填埋场的具体情 况，通过现场测试的方法，了解l f g 产生和迁移状况，提出合适的控制系统方案。 研究指出，采用填埋场边界内侧设置渗滤液回灌沟、场内抽气系统以及场外地下气 体防渗墙或气体疏导沟相结合的复合控制系统， 可以有效地防止l f g 的横向迁移步 简易垃圾填埋场l f g 横向迁移控制系统的研究可以有效防止l f g 对环境和周边 的危害、提高l f g 的回收利用效率，使城市垃圾填埋处置做到真正意义上的无害化、 资源化，不仅具有良好的社会效益和环境效益，还有着明显的经济效益。 关键词：简易垃圾填埋场， 填埋气体j横向迁移? 控制和回收系统义 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s i n go f m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) p r o d u c t i o ni no u rc o u n t r y , l a n d f i l lg a s ( l f g ) ，g e n e r a t e df r o mt h es i m p l ew a s t el a n d f i l ls i t e ，w i l lb em o r eh a r m f u lt o o u re n v i r o n m e n t i ts h o u l db e p r e v e n t e d a ss o o na s p o s s i b l e a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i co fd o m e s t i cl a n d f i l l s i t e ，a p p r o p r i a t e l f gc o n t r o la n dr e u t i l i z a t i o n t e c h n o l o g y s h o u l db es t u d i e da n d d e v e l o p e d w i t ht h i st e c h n o l o g y , t h eh a r mt o e n v i r o n m e n tc o m i n gf r o ml f gc a nb er e d u c e da n dt h ew a s t ec a nb e c h a n g e d t oe n e r g y e s t a b l i s h i n gl f gm i g r a t i o na n dr e u t i l i z a t i o ns y s t e mc a nr e u s et h eo p e n i n gl a n d f i l ls i t e f u r t h m o r e ，i ti sh e l p f u lt od e s i g n ，c o n s t r u c ta n do p e r a t et h en e wl a n d f i l ls i t e t h i sp a p e rs t u d i e sl f g m i g r a t i o nc o n t r o la n dr e c o v e r ys y s t e mi nt h ey u l o n gl a n d f i l l s i t eo fs h e n z h e nc i t y t h r o u g ht h e o r yc a l c u l a t i o na n df i e l dt e s t i n g ，t h es t a t u eo fl f g g e n e r a t i o na n dm i g r a t i o ni sa n a l y z e da n ds t u d i e d t h em e c h a n i s mo fl f gd i s t r i b u t i o n ， a c c u m u l a t i o na n dm i g r a t i o ni si n t r o d u c e d t h ef i e l dt e s t i n gh a sb e e nd o n et om a k et h ， g e o l o g i cs t r u c t u r ea n dt h er a i nr e a s o no nt h ei n f l u e n c eo fl f gm i g r a t i o n t h el f g m i g r a t i o n c o n t r o lt e c h n o l o g ys c h e m ei sp r e s e n t e da n dt h el f g r e c o v e r ys y s t e ms c h e m ei s d e s i g n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt e r r a i n ，g e o l o g i cs t r u c t u r ea n dc l i m a t eh a v ea g r e a ti n f l u e n c eo n t h el f g m i g r a t i o n f o re s t a b l i s h i n gr e a s o n a b l el f gp o l l u t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs i m p l e w a s t el a n d f i l ls i t e ，i ti s n e c e s s a r yt ok n o wt h es t a t u eo fl f g g e n e r a t i o na n dm i g r a t i o n t h r o u g ht h em e t h o do ff i e l dt e s t i n g t h e nt h ep r o p e rp r o j e c ts c h e m eo fl f gc o n 臼o l s y s t e mw i l lb ep r o v i d e d t h er e s e a r c hr e v e a l st h a tt h el f gm i g r a t i o nc a nb ec o n t r o l l e d e f f e c t i v e l yb yc o m b i n e dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi se s t a b l i s h e dw i t hl e a c h a t er e c i r c u l a t i o n t r e n c h ，l f ge x t r a c t i o ns y s t e mi n s i d eo fl a n d f i l ls i t e ，a n dg a su n p e n e t r a b l ew a l lo rg a s t r e n c hv e n to u t s i d eo f l a n d f i l ls i t e t h es t u d yo ns i m p l ew a s t el a n d f l hl f g m i g r a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sn e c e s s a r ya n d i m p o r t a n t i ti s e f f e c t i v et oa v o i ds u r r o u n d i n g sh a r m f u l l y , i n c r e a s el f gr e u t i l i z a t i o n e f f i c i e n c y , a n dm a k ew a s t eh a r m l e s sa n du s e f u l s oi tc a nb ec o n c l u d e dt h a ti ft h e r e s o n a b l el f gc o n t r o la n dr e c o v e r ys y s t e mi sa d o p t e d ，t h es i m p l el a n d f i l ls i t et r e a t m e n t i i 华中科技大学硕士学位论文 p r o j e c t i sf e a s i b l en o to n l yi nt h es o c i a l a n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ，b u ta l s oi nt h e e c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ： s i m p l ew a s t e l a n d f i l l l a n d f i l lg a s m i g r a t i o n c o n t r o la n dr e c o v e r ys y s t e m i i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景 目前，我国正处在城市化的进程之中，城市经济的迅速发展和城市人口的迅速 增加，带来了一系列的城市问题，城市生活垃圾的处理与处置就是其中之一。城市 生活垃圾问题日趋严重，主要表现在：垃圾产量迅速增加，统计结果表明，截至2 0 0 0 年，我国垃圾产量达到1 2 1 4 亿吨【l 】；由于资金缺乏、管理体制不够健全，城市生 活垃圾有效处理率较低，而城市垃圾无害化处理率更低；大量城市生活垃圾未经处 理，任意堆置城郊，侵占大量土地，污染土壤、空气、水体，孳生蚊蝇，污染事故 屡有发生。 目前世界上垃圾的处理方法主要有填埋、堆肥和焚烧三种，相对于焚烧和堆肥， 填埋处置方式有着投资少、处理费用低、处理量大、操作简便、能处理处置多种类 型的废物，且能回收沼气、恢复利用土地。我国是发展中国家，经济实力较弱，垃 圾中可燃成分少，填埋是现阶段我国城市生活垃圾处理的最主要方式，约占垃圾全 部处理量的7 0 以p 1 2 1 。在今后相当长的一段时间内，填埋仍将是我国城市垃圾的主 要处理技术。 城市生活垃圾填埋处置方式的环境影响包括多个方面，通常考虑的是其释放物 对环境的影响。填埋场的释放物包括渗滤液和填埋气体，都是填埋场内部一系列物 理、化学、生物反应的产物。近年来，随着我国城市垃圾状况和管理方式的变化， 填埋场气体问题日益突出，开始成为垃圾填埋处置过程中引起广泛关注的最重要的 环境影响因素： ( 1 ) 随着城市化的快速发展、人1 2 1 的增加和消费水平的稳步提高，我国城市垃 圾产量每年以8 - - , 1 0 的比例增加，城市垃圾填埋量的增加使释放气体量呈上升趋 势； ( 2 ) 近2 0 年来，城市垃圾的最终处置已由无控分散堆放向有控集中堆放和简 单填埋处置发展，垃圾的集中处置使释放气体对环境的影响更为突出； 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 居民生活水平的提高，使垃圾中食物、纸类等有机物含量增高；同时，城 市能源结构的变化，使垃圾中煤灰等无机物含量大大降低。某些城市的垃圾有机物 含量己提高到7 0 左右，这种变化也使得单位重量的填埋垃圾释放气体量提高； ( 4 ) 填埋场气体中含有大量甲烷、二氧化碳，及其它微量成分，若不采取适当 的收排系统进行收排处理，就会在填埋场累积，并通过填埋覆盖层或侧壁向场外释 放，对周围环境和人类健康造成很大危害。 综上所述，对填埋场气体进行控制、利用已成为填埋处置方式的组成部分和发 展趋势。近年来，我国城市垃圾填埋场气体量显著增加，而相对来说，大多数填埋 场技术水平较低，气体大量无组织释放，造成了比较严重的环境危害，如上海、北 京、重庆、岳阳等城市都发生过因填埋场气体导致爆炸的事故【3 】。因此，对现有和新 建垃圾堆放场填埋场气体加以控制己迫在眉睫。 1 1 1 我国简易垃圾填埋场污染现状 简易垃圾填埋场对环境的污染可以概括为污染地下及地表水系、威胁填埋场邻 近建筑物安全、污染大气、侵占土地、污染农田土壤和传染疾病等方面。其最主要 的污染源是垃圾填埋场渗滤液和填埋气体，可以简略地用图1 - 1 来说明简易垃圾填埋 场对环境的污染机理。 我国简易垃圾填埋场对环境的污染主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 占用大量土地 在我国快速城市化的进程中，垃圾堆放占用的土地面积也在逐渐增加。目前， 全国由于垃圾堆存侵占的土地面积多达5 亿m 2 。 ( 2 ) 对农田土壤的污染 垃圾堆放场对农田土壤的污染主要有两个途径，一个途径是垃圾渗滤液对周围 土壤的污染，另一个途径是垃圾堆放场内的陈垃圾，只经筛分就施放于农田，造成 对农田土壤的污染。 2 华中科技大学硕士学位论文 图1 - l垃圾填埋场液、气系统平衡图 有关研究结果表明【4 】，城市固体废物渗滤液除了对土壤的有机物污染外，还由于 渗滤液中的重金属有可能在土壤中富集，可能造成土壤的重金属污染。通过对深圳 盐田垃圾场区附近土壤的分析结果表明，受到渗滤液浸泡的土壤重金属含量大幅度 增加【5 1 。 ( 3 ) 对水体的污染 垃圾堆放场产生的渗滤液溶解和携带了大量含汞、镉、铅、砷、铬等元素的化 合物，以及苯、酚等有害有机物。据测定，其细菌总数和各种传染病菌超过一般水 源几十倍到几千倍，b o d 和c o d 数值高达1 0 4 数量级【6 】。垃圾渗滤液从小沟到大沟， 从溪流到江河，从地面到地下，严重污染着地表和地下水源，特别是垃圾堆放场附 近的水源。 我国是严重缺水的国家之一。据统计，我国淡水人均占有量2 2 0 0 m 3 ，为世界平 均水平的四分之一。水资源分布的不均匀，再加上农田、工业用水占大部分，我国 许多地方出现严重缺水现象。缺水不仅严重影响经济发展，一些地方生活用水也成 了严峻的问题。水源一旦被严重污染，水质恢复需要几十年或更长的时间。因此， 华中科技大学硕士学位论文 保护水资源，使其不受垃圾堆放场的污染，是十分重要的。 ( 4 ) 对大气污染 垃圾堆放场产生的填埋气体( l f g ) 会造成大气污染。l f g 的主要成分为c h 4 和c 0 2 ，c h 4 的含量一般在5 0 4 5 5 的范围内，c 0 2 的含量一般在4 0 左右，两者均 为温室气体。垃圾堆放场和垃圾填埋场产生的c i - h 约占人类c n 4 排放总量的6 - 2 0 ， c h 4 的密度为o 7 2 ，在正常情况下会很快升空并造成臭氧层的耗损，其对臭氧层的 破坏是c 0 2 的2 0 倍1 7 1 。 l f g 中含有的h 2 s 、n h 3 和某些含有有毒金属的微量气体，也会造成严重的大 气污染。对深圳玉龙坑垃圾场和盐田垃圾场的研究结果表明，垃圾堆放场特有的恶 臭，来源于微量气体中的某些组分。尤其是夏秋两季，雨后蒸发出的恶臭，严重影 响周围居民的身心健康。垃圾堆放场的另一种大气污染形式是垃圾中的微粒尘土和 病原体，吹风时，微粒尘土和病原体就进入大气中，飘扬到较远的地方。 ( 5 ) 传播疾病 垃圾堆放场是大量蚊蝇、老鼠、病原体的孳生传播源，潜伏着未知的暴发性时 疫的危险。露天堆放的生活垃圾是蚊蝇、老鼠和病原体的理想孳生地，也是暴发时 疫的祸根。我国城市生活垃圾传播疾病的情况也时有发生，1 9 8 3 年贵阳市夏季哈马 井和望城坡2 个生活垃圾堆放场的临近地区同时发生痢疾流行，经过附近工厂和居 民饮用水取样化验，大肠杆菌超过用水标准7 7 0 倍以上，含菌量超标2 6 0 0 倍。如此 惊人的污染，反映了露天自然堆置、不作处理的生活垃圾会造成严重的污染后果。 此外，在我国城市常将固体废物筛分后直接施放于农田。由于寄生虫卵等未经 杀灭，通过作物、蔬菜返回人体造成疾病传播。对南京市直接施用了未经处理的生 活垃圾的农田土壤进行了分析研究，结果表明，每克土壤含2 3 8 万个大肠杆菌，1 9 8 个蛔虫卵，其中活卵占8 0 ；而未施用生活垃圾的土壤，蛔虫卵只有1 1 个。 ( 6 ) 引发安全事故 垃圾填埋气体( l f g ) 是由c h 4 和c 0 2 为主要组分的混合气体。c h 4 除破坏臭 氧层外，也是一种无色、无昧的易燃气体。当c h 4 在空气中的浓度达到5 1 5 时， 遇到火种容易发生爆炸。垃圾填埋气体引起的火灾事故在垃圾堆放场频频发生，这 4 华中科技大学硕士学位论文 种现象在我国南方地区尤为突出，几乎所有的大型垃圾堆放场均多次发生火灾事故。 近1 0 年来，我国发生了数起造成人生伤亡的l f g 爆炸事故。例如1 9 9 4 年8 月 岳阳市一座容积约2 0 0 0 0m 3 的垃圾突然发生沼气爆炸，产生的冲击波摧毁了距垃圾 场2 0 , - 4 0 m 处的一座泵站和两道河水大堤。1 9 9 4 年1 2 月4 日，重庆某垃圾堆放场发 生严重爆炸事故，造成多人伤亡。1 9 9 5 年北京昌平县阳坊镇垃圾临时堆放场所产生 的沼气通过地下沙石层迁移至附近厂区宿舍，一厂住户早晨点火时，突然发生爆炸。 1 1 2 国内外简易垃圾填埋场气体横向迁移控制研究现状 简易垃圾填埋场气体横向迁移控制系统研究是随着垃圾填埋技术的不断发展而 出现的。发达国家在7 0 年代已经全面废止城市垃圾简易填埋场，但原有简易填埋场 对环境的污染现象仍然十分严重，许多国家都对简易垃圾填埋场气体横向迁移控制 系统进行了研究【8 母】。目前国外研究人员对简易垃圾填埋场气体横向迁移已经提出了 两种控制系统：被动气体控制系统和主动控制系统。此外，国外研究人员还对填埋 气体横向迁移的机理进行了研究，并建立了数学模型【i o 】，提出了气体迁移控制措施。 由于国内对填埋技术的研究起步较晚，对垃圾填埋场气体横向迁移控制的研究 几乎是空白。自9 0 年代中期发生多次城市垃圾简易填埋场渗滤液污染地下水源事件 和填埋气体燃烧爆炸事故以来，简易垃圾填埋场污染和安全控制问题引起了国家有 关部门和科学工作者的重视。一些高等院校和科研单位开始对简易垃圾填埋场污染 和安全控制问题进行研究，目前仍处于前期工作阶段。直到国内几个大城市相继出 现填埋气体爆炸事件后，填埋气体横向迁移所潜在的危害才逐渐引起研究人员的重 视，目前，仅有华中科技大学对填埋气体横向迁移规律及其影响因素进行了现场测 试和理论研究 i m 3 】。 1 1 3 国外简易垃圾填埋场气体回收利用现状 垃圾填埋气体的主要成分之一c 地是一种温室气体，其对温室效应的贡献相当 于相同质量的c 0 2 的2 0 倍，在控制全球性气候变暖的过程中是一个不容忽视的方面。 如果垃圾填埋气体实行自然排放，由于c h 4 易燃易爆，极易出现爆炸事故。同时， 垃圾填埋气体又是一种可回收利用的能源，具有很高的热值，约1 9 m j m 3 【h 1 ，与城 华中科技大学硕士学位论文 市煤气的热值接近，是纯天然气热值( 3 7 1 9 m j m 3 ) 的一半，每m 3 填埋沼气中含的 能量大约相当于o 4 5 l 柴油或o 6 l 汽油的能量。美国专家的分析计算表吲”4 ，利 用城市垃圾容量为1 0 0 万m 3 以上的填埋场制取生物气体是能获利的。垃圾填埋量在 2 0 0 万m 3 以上的填埋场，l f g 回收利用则可以获得较大的经济效益。因此，世界上 许多国家及地区，如美国、英国、德国，以及拉丁美洲等早已对其利用。 据统计，目前世界上共有2 0 多个国家的5 0 0 多个垃圾填埋场进行填埋气体的回 收利用，利用的主要途径为：直接燃烧产生蒸汽，用于生活或工业供热；通过内燃 机发电；作为运输工具的动力燃料；经脱水净化处理后用作管道煤气；用于c 0 2 制 造工业；用于制造甲醇原料。 美国的填埋气体利用发展较快，1 9 8 2 - 1 9 9 0 年，利用填埋气体的填埋场由1 6 个 发展到2 4 4 个【l 引。美国对填埋气体的利用主要集中在发电，也有部分将填埋气体转 化为管道天然气的工作。据估算【1 9 1 ，美国全国天然气消费量的1 可以被填埋气体中 的c i - h 所代替，全国约有1 0 0 0 个填埋场适合开展填埋气体的利用，每年可产生5 7 0 亿m 3 的沼气，如果全部加以利用，相当于4 5 亿美元的价值。 欧洲对填埋气体的利用以将其转换为热能和发电为主。欧洲第一个完全使用填 埋气体连续发电的工厂建于1 9 8 7 年。1 9 9 5 年底，英国共3 3 个商业性填埋气体利用 项目，另有2 0 个项目正在规划和建设中，其发电总装机容量约为1 9 0 m w 。据估计， 英国可利用的填埋气体总能源价值相当于5 0 0 - - 6 0 0 m w 。德国填埋气体的主要利用方 式是通过内燃机发电和直接燃烧供热，到1 9 9 1 年，2 9 5 个正在运行的城市垃圾填埋 场中有3 2 的填埋场拥有气体利用设备。 拉丁美洲自1 9 7 7 年以来，已完成5 个填埋气体利用项目，使拉丁美洲在发展中 国家居于领先地位。填埋气体主要用于厨房、照明、机动车燃料和管道煤气，年利 用量约为2 1 7 亿m 3 。 1 1 4 国内简易垃圾填埋场气体回收利用现状 我国大多数垃圾的处置仍是简单堆放，除少数堆放场及新建卫生填埋场采取了 一些气体导排措施以外，大多数简易垃圾填埋场填埋气体仍是无组织释放，由此而 6 华冲科技大学硕士学位论文 带来的环境污染和社会危害以及资源的浪费，使得人们认识到必须对简易垃圾填埋 场气体进行安全控制和回收利用。随着我国经济的发展和人民生活水平的提高越 来越多的大型卫生垃圾填埋场的建立，人们已经认识到有效控制和回收利用垃圾填 埋气体具有比较可观的环境效益、社会效益和经济效益。1 9 9 8 年，我国第一个填埋 气体回收发电项目在杭卅i 天予岭垃圾填埋场开工建设【2 们，目前正在正常运行，且已 取得较好的经济效益。此外，在北京、深圳、鞍山、马鞍山、南京等城市也建设成 了填埋气体回收利用项目。 1 2 课题来源 深圳市玉龙坑垃圾填埋场是经济特区较早的垃圾填埋场之一。该垃圾填埋场自 1 9 8 3 年初启用，初期容量较小，后经多次扩建，目前已停用。垃圾总容量达3 6 0 万 余立方米，约3 0 0 余万吨。由于玉龙坑垃圾填埋场是在简易填埋、多次扩容的基础 上形成的，终场后填埋体表面形状极不规整，存在两个高差较大的平台，且每个平 台上均有多处大小不同的凹坑。在填埋场西南侧边界外，沿填埋场边界，有一条宽 约5 米的马路。在马路的另一侧，已建成玉龙新村，已建或在建楼房约3 0 0 幢，居 民数千。填埋气体在填埋场中以及周围土壤中的迁移和积聚已对周围的环境造成污 染危害，并对周围居民的安全形成严重的威胁。 根据国外有关研究资料，在填埋场周围2 5 0 m 范围内的任何开发，都应进行l f g 横向迁移规律现场测试，并对其潜在危险性进行全面评价，当建筑物距离垃圾填埋 场较近时，应采取l f g 安全控制工程措施，以保障建筑物的安全【2 1 1 。鉴于目前填埋 场周围建筑比较密集，为有效控制填埋场内气体的横向迁移，防止填埋气体在场内 和附近建筑物内的积聚而引起火灾爆炸事故，必须对填埋场内气体产生和迁移状况 进行测试，确定合适的填埋气体横向迁移控制和回收系统方案。 1 3 内容和意义 本文结合深圳市玉龙坑垃圾填埋场封场与气体回收利用工程，采取理论计算和 现场测试相结合的方法，运用数学模型计算出垃圾填埋场填埋气体的产气量和产气 速率；根据现场测试结果，分析垃圾填埋场填埋气体的分布、聚集、迁移机理，以 7 华中科技大学硕士学位论文 及地质构造和雨季降雨对l f g 横向迁移的影响，研究垃圾填埋场填埋气体的场内安 全和横向迁移控制技术；根据填埋气体的产生量和产生速率，提出填埋气体的收集 系统和输送系统方案。 填埋气体对填埋场周围环境的污染状况受多种因素的影响，尤其是简易垃圾填 埋场所在地的地形地貌、水文地质、气象气候，往往具有决定性的作用。研究指出， 在确定垃圾填埋场污染控制系统时，必须根据各个填埋场的具体情况，对多种不同 方案进行比较，提出符合当地情况的工程设计方案。 因此，从无害化、资源化角度出发，根据我国垃圾填埋场的实际情况，研究、 开发适用的l f g 控制和回收利用技术，减少填埋场气体对环境的影响，并充分回收 利用这部分能源，不但对于现有简易垃圾填埋场的场地恢复治理，而且对于新建填 埋场的设计、施工和运行均有十分重要的参考意义。 华中科技大学碜主学位论文 2l f g 产生及特性分析 2 1 填埋气体( l a n d f i l lg a s ) 填埋气体( l a n d f i l lg a s ，l f g ) 是指城市生活垃圾进入垃圾填埋场后，城市生 活垃圾中的大量有机物( 厨房垃圾、木材、纸张等) 由于微生物的生物化学降解作 用，生成的c i h 、c 0 2 、h 2 s 以及其它微量挥发性气体等混合气体。城市生活垃圾填 埋场本身可以被认为是一个生态系统，其主要输入项是垃圾和水，主要输出项是填 埋气体和渗滤液。 2 1 1 填埋气体的产生过程 城市生活垃圾含有有机物和无机物，其物理成分主要为厨余垃圾、纸类、塑料、 织物、竹木、玻璃陶瓷、金属、渣土等。城市生活垃圾中的有机物通过生物降解、 化学和物理作用，生成填埋气体是个非常复杂的过程。综合国内外研究【2 2 。2 5 】，可将 填埋气体的产生过程划分为如下的5 个阶段。如图2 1 所示。 o4 - n ， 、 、 l | 一一 。 ，7 、( 。 f h 7 f 02 i 7 、 i 岛j 、h ?、产、 f 飞、 ， 、义t v ，。 一7 图2 - 1l f g 成分的变化曲线 第一阶段好氧阶段。城市生活垃圾一进入填埋场，由于在垃圾收运和填埋 作业的过程中使垃圾内携带了大量的空气，从而使好氧阶段得以开始进行。垃圾中 9 华中科技大学硕士拿位论文 的复杂的有机物通过微生物胞外酶分解为简单的有机物，简单的有机物在有氧的条 件下通过好氧分解转化为小分子物质或二氧化碳。好氧阶段持续的时间往往较短， 并且使填埋场内的氧气几乎被耗尽。好氧阶段微生物进行好氧呼吸，释放出能量较 大。该阶段主要特征为： ( 1 ) 开始产生c 0 2 ，垃圾中气体的主要成分为n 2 、0 2 、c 0 2 ，并且氧气量明显 降低； ( 2 ) 产生大量的热量，可使温度升高1 0 1 5 c ； ( 3 ) 持续时间为数天至数月。 第二阶段水解酸化阶段。当垃圾中的0 2 被完全耗尽时，厌氧环境开始建立。 复杂有机物如多糖、蛋白质等在微生物作用或化学作用下水解、发酵，由不溶性物 质变为可溶性物质，并迅速在微生物作用下生成c 0 2 、h 2 和乙酸。该阶段主要特征 为： ( 1 ) 由于水解、发酵作用生成挥发性有机物、c 0 2 、h 2 和其它一些气体，使填 埋气体组成较好氧阶段复杂，但填埋气体成分仍以c 0 2 为主，另外会存在h 2 、少量 n 2 和高分子有机气体，基本上不含c i - h ； ( 2 ) 由于有机酸的形成和积累，使垃圾渗滤液的p h 值降低；由于蛋白质物质 的水解发酵，产生大量的有机物和营养物质，使垃圾渗滤液的c o d 和b o d 急剧升 高； ( 3 ) 持续时间为数天至数月。 第三阶段甲烷产生初始阶段。随着垃圾厌氧分解的进行，垃圾中的有机酸、 1 1 2 和c 0 2 开始在产甲烷细菌的作用下，分解生成c h 4 气体。该阶段的主要特征为： ( 1 ) 开始生成c h 4 气体，产生量不断增加；c 0 2 的产生量上升至最高值后开始 下降；h e 的产生量逐渐降低； ( 2 ) 垃圾中的p n 值逐渐升高： ( 3 ) 持续时间为数月。 第四阶段甲烷稳定产气阶段。前几个阶段的产物如乙酸、h 2 、c 0 2 等在产 甲烷细菌的作用下，稳定转化为大量的c i - h 和c 0 2 。该阶段的主要特征为： 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 填埋气体的主要成分为c h 4 和c 0 2 ，产气速率稳定，c h 4 浓度保持在 5 0 6 5 ： ( 2 ) 随着垃圾中的有机物被分解，脂肪酸浓度降低，渗滤液的c o d 和b o d 逐 渐降低，垃圾中的p h 值逐渐升高，保持在6 8 - 8 之间； ( 3 ) 持续时间为7 1 5 年左右，可利用期大约在l o 年左右。 第五阶段填埋场稳定阶段。当第四阶段中大部分可降解有机物转化为c h 4 和c 0 2 后，填埋气体的产生速率显著降低，填埋场处于相对稳定阶段。该阶段的主 要特征为： ( 1 ) 几乎没有填埋气体产生； ( 2 ) 垃圾和渗滤液的性质稳定； ( 3 ) 填埋场中微生物量极贫乏。 上述五个阶段并不是绝对孤立的，它们相互作用相互依托，有时会发生交叉。 各个阶段的持续时间，则根据不同的垃圾、填埋场条件而有所不同。同时填埋场中 的垃圾填埋是在使用年限内的不同时期进行的，所以在填埋场的不同部位，各个阶 段的反应都在同时进行着。 2 1 2 填埋气体的组成成分 城市垃圾填埋气体的主要成分为c 地和c 0 2 ，但由于垃圾成分的复杂性以及垃 圾内部变化过程的多样性造成填埋气体成分也较为复杂。根据填埋气体中各成分的 含量及存在的普遍性可分为以下三类： ( 1 ) 主要成分：包括c h 4 和c 0 2 ，体积占填埋气体总量的9 5 - - 0 9 。其中c h 4 的含量占4 5 , - 6 0 ，c 0 2 占4 0 - 6 0 。 ( 2 ) 常见成分：主要是指垃圾在生物降解过程中产生的除c h 4 和c 0 2 外的其它 常见的气体，包括h 2 s 、n h 3 和h 2 等气体，这些气体的含量较小，占填埋气体总体 积的不到5 。其中h 2 s 和n h 3 分别是含硫和含氮有机物降解产生的，h 2 则是有机 物在厌氧降解的产酸阶段产生而未被甲烷菌消耗的那一部分。 ( 3 ) 微量成分：填埋气体中还含有总量低于l 的一些气体。这些微量气体虽 华中科技大学硕士学位论文 然数量很少，但其中一部分可能有毒，且种类多成分复杂。主要是包括烷烃，环烷 烃，芳烃，卤代化合物等在内的挥发性有机物( v o c s ) 。它们主要来源于垃圾中油 漆、洗涤剂、干洗剂、空气清新剂等化学物质及其残留物的挥发和生物降解。有人 对英国的7 个垃圾填埋场的填埋气体中的微量成分进行了分析，结果发现微量成分 中可确定化学组成的化合物有1 4 0 种，其中9 0 种较为普遍。这些气体含量虽少，但 年排放总量很可观，英国这7 个填埋场中的4 个微量气体的年排放总量达1 0 t 26 1 。城 市垃圾填埋场填埋气体的典型组成和性质如表2 1 和表2 2 所示1 2 7 1 。 表2 - 1城市垃圾填埋场填埋气体的典型组成 塑坌里堡三壑丝堡塾鱼塾皇堕些塾复皇堑墨= 堑垡堡丝量墨签 堡堡耍坌竖( 王董21 1 兰! 咝! 釜i ! ：! = ! ：q 坠! ：! ! ：! = ! ：! ! 婴：! ! 塑：! ：! ! 生：! ! 表2 - 2城市垃圾填埋场填埋气体的性质 这种混合气体的主要组分及特性如表2 - 3 所示。 表2 - 3 填埋气体主要组成成分的物理化学特性 气体氮气氧气氢气氨气甲烷二氧化碳一氧化碳硫化氢 化学式 n 20 2h 2n h 3c h 4c c hc o h 2 s 分子量2 8 0 23 2 o o2 0 21 7 0 31 6 0 34 4 o o2 8 0 03 4 0 8 密度k g m 3 1 2 51 , 4 30 0 90 7 70 7 21 9 81 2 51 5 4 2 1 3 填埋气体的特性 ( 1 ) 甲烷的基本特性 c i - h 在常温下为无色无味的气体，1 升重约0 7 2 克( 约为空气的一半) ，极难溶 于水。c i - h 的化学性质比较稳定，在常规条件下，难与其它物质发生反应。c i - h 是一 种易燃气体，燃烧时产生蓝色火焰。当c i - h 在空气中的浓度达到5 - 1 5 时，遇火就 会发生爆炸。 c h 4 是一种温室气体，在全球气候变暖过程中所起的作用仅次于c 0 2 而据第二 位，但其对臭氧层的破坏作用是c 0 2 的2 0 倍。c h 4 最大的人为产生源之一是人类活 华中科技大学硕士学位论支 动产生的各种有机垃圾。 ( 2 ) 二氧化碳的基本特性 c 0 2 是一种无色、无味的气体。由于其密度较大，约为空气的1 5 倍，为c 1 4 4 的2 8 倍，因此会逐步向填埋场下部迁移，使填埋场地势较低的区域c 0 2 的浓度增 高，进而通过填埋场基础薄弱环节释出，且沿地层下移而与地下水接触。由于c 0 2 较易溶于水，不仅会使水的p h 值降低，而且会使地下水的硬度及矿物含量增加。 ( 3 ) 其它气体的基本特性 在填埋气体其它成分中，具有易燃易爆特性的气体还有h 2 。如上所述，h 2 仅在 厌氧发酵的初期阶段产生。垃圾卫生填埋场产生h 2 的时间短，含量较低，且密度很 小，散发性强，不易在填埋场内驻留。因此，在垃圾填埋的施工作业运行过程中， 一般不具有危险性。 此外，填埋气体中还有低于1 o 的微量气体，这些微量气体主要来源于生活垃 圾的厌氧降解以及它们所含的挥发性有机化合物( v o c s ) 的挥发【2 8 1 。这些微量气体 组成较为复杂，一般可归为6 类：分子量高于甲烷，且不溶于水的饱和及不饱和碳 氢化台物：大多溶于水的酸性碳氢化合物和有机醇；芳香族碳氢化合物；主要由氯 代碳氢化合物组成的卤代碳氢化合物；h 2 s 、c s 2 、r s h ( 硫醇) 等组成的硫化物； 无机化合物、惰性气体和一些其它物质，如某些有毒金属等。 2 2 填埋气体的危害 填埋气体在垃圾中产生后，在自身浓度和外界压力的共同作用下，会在垃圾及 周围地层中迁移。如不加以控制，任其排放，会对环境造成严重的危害。填埋气体 对周围环境的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 温室效应 c h 4 和c 0 2 都是一种温室气体，而c h 4 的危害性比c 0 2 更大，c h 4 的温室效应 是等质量c 0 2 的2 0 倍。根据1 9 9 2 年i p c c 的统计分析数据估计 2 9 1 ，全球垃圾填埋 场和垃圾堆放场产生的c h 4 是2 0 7 0 1 0 6 t a ，大约为人类甲烷排放总量的6 - - 2 0 。 ( 2 ) 爆炸危险 华中科技大学硕士雩位论叉 c h 4 是一种易燃易爆的气体，其爆炸极限为5 1 5 。垃圾中产生的c h 4 如不 能及时的排出，就会越积累越多，最后会在自身压力和垃圾堆体压力的双重压力下 发生爆炸，使垃圾堆体坍塌，甚至危及填埋场周围居民的生命财产安全。有时c h 4 从垃圾中泄露出来，与空气接触，当遇到明火时也会发生爆炸1 3 0 。 ( 3 ) 污染地下水 填埋气体在压力的作用下迁移，可能透过垃圾层、土壤层进入地下水中，其中 的c 0 2 极易溶解于地下水，结果会造成地下水p h 值下降，导致周围岩层的更多的盐 类溶入地下水，使地下水含盐量过商，影响其用途。 ( 4 ) 妨害地表植被 填埋气体进入土壤后，会充满土壤缝隙，使植物根系处于缺氧状态，导致植物 生长不良甚至死亡。 ( 5 ) 影响人体健康和环境质量 填埋气体中含有的其它气体有的有臭味( 如硫化氢、硫醇等) ，有的对人体有害( 如 苯、甲苯等) ，这些气体的任意排放必会对环境和人体健康造成危害。有的气体燃烧 后会生成腐蚀性物质，会对填埋气体的回用设备有损害。 2 3 产气量的计算 填埋气体的产气量是指城市生活垃圾进入垃圾填埋场后，由于在厌氧条件下进 行的各种生物、化学和物理过程而释放的以c h 4 和c 0 2 为主的混合气体的体积。 要对填埋气体的迁移状况进行有效的控制，常需要对垃圾填埋气体的产生总量 进行估算。在实际应用中，一般是计算单位质量垃圾的产气量，然后根据填埋场垃 圾量计算总产气量。单位质量垃圾产气量的计算方法很多，按照填埋气体产生方式 的不同，常用的产气量计算方法有化学平衡法、生物降解法、总有机碳法和纤维素 含量估算法等。按照计算公式的基本来源，可分为理论计算法和经验法。但由于城 市垃圾成分复杂，无论采用那种类型的计算方法，均无法精确的计算填埋气体的产 生量，常用的计算方法只能对填埋气体产生量进行估算。 ( 1 ) 总有机碳法 1 4 华冲科技大学硕士学位论文 总有机碳法是根据垃圾中有机碳的含量和有机碳可转化为填埋气体的比例来计 算垃圾产气量g 0 。 设口为垃圾填埋产生的混合气体中甲烷和二氧化碳占总量的百分比，综合各种 填埋气体成分测试分析，取= 0 8 0 0 9 5 ； 耽为单位质量垃圾中可气化碳量，k g k g ； 由于有机碳在降解过程中，一个碳原子发生化学反应可以产生一个甲烷分子或 二氧化碳分子，即： c 寸c h 或c 专c 0 2 那么在标准状态下，一摩尔碳可以产生2 2 4 升的气体， 则有一千克碳完全气化则可以产生号笋2 2 4 l o o o = 1 8 6 8 m 3 的气体。 那么，单位质量垃圾的产气量为 g 。：1 8 6 8 w e ( 1 ) 碳的气化程度与温度有关。在一般温度条件下，并不是所有的碳都气化产生c i - h 和c 0 2 ，只有其中一部分基质碳气化，可气化碳量与温度有如下关系： w e = w o ( o 0 1 4 t + 0 2 8 ) ( 2 ) 其中： 为单位质量垃圾中的总有机碳含量- 姆k g ； r 为温度，； 将( 2 ) 式代入( 1 ) 式，得： g。：1868wo(0014t+028)( 3 ) 设垃圾中含有一种物理组份， 形为单位质量垃圾某种物理组份中总有机碳含量，k g k g ， 那么：w o = w i ( 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 又因为w i = k ( 1 一m ) p i c j ( 5 ) 其中： k 一有机物含量修正系数，指垃圾运送到垃圾填埋场后，进行了废品回收，使 得有效进入垃圾填埋场的有机物含量减低： m 一垃圾含水率； 只一单位质量某种物理组份中的总有机物含量，k g k g ； c ；一该物理组份中单位质量有机物中的碳含量，k g k g ； 将( 5 ) 式代入( 4 ) 式，得： w o = k 0 - m ) i e p i c i ( 6 ) 将( 6 ) 式代入( 3 ) 式，得： g 。一1 8 6 8 k ( 1 - m x 。0 0 1 4 t + 0 2 8 ) 宝；p i c i ( 7 ) 考虑到填埋场产气量受环境、填埋作业方式、是否回灌渗滤液等因素的影响， 要对实际产气量进行修正，设r 为垃圾产气量修正系数，则修正后的产气量为： g 。：坐业止鼍幽型芝p i c i 伐百 ( 2 ) 反应方程式估算法 有机城市垃圾厌氧分解的一般化学反应可写为： 有机物质( 固体) + h 2 0 一可生物降解有机物质+ c h 4 + c 0 2 + 其它气体 有机废弃物的厌氧分解产气量可以利用化学反应方程式进行估算。如将废弃物 中除塑料、橡胶和皮革制品以外的有机成分以通式c h b o = n d 表示，厌氧分解的产气 量可以用下列经验公式表示： c a h b o c n d + ( 4 a - b 2 c + 3 d ) 4 h 2 一 ( 4 a + b 2 c + 3 d ) 8 c h 4 + 【( 4 a b + 2 c + 3 d ) 8 c 0 2 + d n h 3 ( 3 ) 纤维素含量估算法 由于住宅区居民生活垃圾中含有大量的纤维素物质，可以以纤维素物质含量为 依据对填埋气体进行简便计算法。产气量可以用下式近似计算： 华中科技大学硕士学位论叉 c 6 h l 0 0 5 + h 2 0 专3 c 0 2 + 3 c h 4 在实际应用中，依据上式计算产气量时，需要根据垃圾成分确定纤维素物质的 百分比含量。 2 4 产气速率的计算 填埋气体的产气速率是指在单位时间内单位重量垃圾的产气量。在垃圾填埋气 体的迁移控制和回收利用过程中，垃圾填埋场的总产气量是确定其回收利用价值的 重要因素。但相比较而言，人们更为关心的是产气速率，因为它决定填埋气体迁移 的控制方式以及填埋气体回收利用设施的建设规模和使用年限等。 2 4 1l f g 产生速率的确定 在通常条件下，l f g 产生速率在前2 年达到高峰，然后开始缓慢下降，在多数 情况下可以延续2 5 年或更长的时间口1 1 。确定l f g 产气速率的方法通常有以下三种： ( 1 ) 试验井 用试验井进行抽气