某填埋场填埋气收集率评估及高效收集建议

史 炜

（西安市固体废弃物管理处，陕西 西安 710000）

目前城市生活垃圾主要的处理方式有堆肥、资源回收、焚烧和卫生填埋［1］。其中卫生填埋是公认的经济有效的处理方式，也是英美等发达国家城市生活垃圾处理的主要方式。垃圾填埋后在厌氧性细菌的作用下会产生填埋气，其主要成分为甲烷和二氧化碳，两者分别占到填埋气体积的50%～65%和30%～40%，两者都是温室气体［2］。其中甲烷是一种高热值的经济气体，对其进行适当的控制利用，可以变废为宝，为社会产生效益。我国可用于填埋气发电的甲烷潜在产量为4.186×109m3，可发电1.28×1010kWh［3］。国内填埋场填埋气收集率普遍不明确，填埋气资源化利用程度也相对较低。评估填埋气收集率，确定可利用的填埋气量，并在此基础上提高填埋气收集效果，最重要的是确定填埋场的填埋气总产量。目前国内填埋气总产量是根据国外模型计算的，但由于国内垃圾组分与国外差异较大［4］，参数取值存在一定误差［5］。通过现场抽气试验，可获得较为准确的计算参数和填埋气总产量。

笔者对某填埋场填埋气收集现状进行了调查，并在该场地进行抽气实验，基于试验结果，对填埋气总产量进行了估算，评价了现场实际填埋气收集率，提出了提高填埋气收集率的技术措施，为填埋场填埋气收集和配套发电的设施建设提供参考。

1 填埋气收集现状调查

该填埋场是西北地区某市的生活垃圾卫生填埋场，占地约7.333×105m2，总容积3.500×107m3，生活垃圾日处理量约6 000 t，属于国内填埋规模最大的生活垃圾填埋场之一。填埋场上下游长度超过1 000 m，宽度300～500 m；经长期填埋，下游堆体现有坡高80～90 m，整体坡度1∶4左右；后续计划填埋堆体最终高度超过120 m。

该填埋场是典型沟谷型填埋场，分层填埋作业，每填高10 m垃圾覆盖1层20～30 cm的黄土中间覆盖层。填埋气收集设施随填埋作业在最上层垃圾表层设置，主要包括水平井和竖井。水平井用于收集最上层填埋垃圾产气，竖井可以收集到最上面1～2层填埋垃圾中的气体。水平井直接在上层垃圾顶部挖沟建设，深度1 m，间距15 m左右，长度约50 m；竖井深度20 m，间距30 m，并设置压缩空气排水设施。水平井与竖井共用抽气井头，井头结构见图1。抽气井中的气体经集气支管、集气主管连接至填埋气发电厂。

图1 抽气井及井头示意

2014年4月，对现场抽气设施运行情况进行摸底调查，重点关心现场抽气区域的水平井和抽气竖井是否正常工作。本次调查分为3个区域，分别是已填埋区、拟填埋区、T区和M区，如图2所示。受填埋作业影响，很大一部分区域集气设施遭到破坏，无法工作，未进行填埋气收集。进行填埋气收集的区域占全场面积的1/3。在填埋气收集区域内水平井和竖井，正常工作水平井约占总水平井数的2/3；正常工作竖井仅占总竖井数的1/5。相当一部分井头监测口处于打开状态，当水平井产气量很大时，大量填埋气从监测口中外溢；当产气量小时，有空气从监测口中进入了抽气管网系统。

进一步对T区所有井进行了详细调查，测试了各井气体组分、排水情况、井内水位情况、产气量以及是否与抽气管网连接等情况。发现水平井气体甲烷浓度普遍超过50%，产气量大，T区处于产气高峰；部分水平井被渗沥液浸没，无法产气。可能由于堆体内水位高、竖井排水情况不佳等因素影响，竖井的工作效率不高。

图2 抽气调查分区

2 抽气试验

为了掌握填埋场产气现状和产气潜力，评估现状填埋气收集率；获得与抽气工程相关的基础信息和关键技术参数，包括垃圾堆体渗沥液水位及分布规律、浅层垃圾气压、填埋气成分，以及不降水和降水条件下抽气竖井单位时间填埋气收集量、抽气井影响半径等，在现场开展抽气实验。选取了2个点进行平行试验，分别打设1号抽气井和2号抽气井，现场位置如图3所示。1号抽气井靠近填埋作业区，在该区域布置3口气压监测井和3口水位监测井；2号抽气井靠近边坡区域，在该区域布置16口气压监测井和16口水位监测井，如图4所示。

图3 抽气井平面布置示意

图4 试验井、水位监测井、气压监测井布置

抽气试验主要内容：不同降水条件下1号和2号单井抽气试验，控制抽排竖井水位降深分别为10、15、20、25 m。每级水位降深分别控制4级抽气负压：0（即静态试验，抽风机不工作）、-1、-3、-5 kPa；每级抽气负压条件下连续抽气，直至抽气量和监测井气压稳定，抽气实验结果见表1～2。

表1 1号井抽气试验结果

表2 2号井抽气试验结果

受制于试验区域的覆盖条件，当抽气负压较大时，部分工况的抽气试验可能有空气混入。在进行数据处理计算时，需要扣除混入的空气量，获得校正稳定抽气量。填埋气校正稳定收集量按公式（1）计算。

式中：P校正为校正后的稳定收集量（m3/h）；P为试验直接测得的稳定收集量（m3/h）；21%为空气中的氧含量（体积%）；VO2为填埋气中测得的氧含量（体积%）。后文填埋气收集量均按公式（1） 进行校正，计算结果如表3所示。

表3 抽气井抽气流量

使用Scholl Canyon模型对本场填埋气产气规律进行预测。Scholl Canyon模型计算公式为：

式中：Qt为第t年的小时总产气量，m3/h，计算结果为甲烷含量约50%的填埋气；k为气体产率变化系数，a-1；L0为甲烷理论总产量，m3/t；Mi为年垃圾填埋量，t；ti为垃圾填埋年限，a；ta为最长产气年限，a。计算得到填埋气产量，确定L0和k。L0根据垃圾组分，按IPCC模型预测；根据预测得到的L0和抽气试验数据，反演得到k。根据抽气试验结果，该填埋场L0=163.2 m3/t，k=0.346，利用公式（2），对全场填埋气产量预测，结果见图5。据预测，2014年全场填埋气总产量为42 416 m3/h，现场实际填埋气收集量约4 000 m3/h，填埋气收集率约为9.4%。全场有效收集面积约为145 000 m2，约占全场面积的30%，有效收集面积内的总产气量为14 138 m3/h，填埋气收集率为28.3%。

图5 全场填埋气产量预测

3 填埋气高效收集建议

3.1 分区填埋作业，提高填埋气收集覆盖范围

现场调查发现，受水平推填作业方式的影响，填埋作业面大，无法布设收集设施；且填埋气收集设施使用寿命短，需要不断重复建设，投入较大、效率较低。建议采取分区填埋作业方式，减少作业面积，提高填埋气收集覆盖范围。

3.2 采取立体导排措施，控制堆体水位

马小飞在上海黎明填埋场抽气实验可知，当抽气井周围的水位下降后，该区域的填埋气的收集量迅速提高，约为降水前的2倍。Tony Liang Tong Zhan等在现场开展了不同降水深度的抽气实验，降水后收集率明显增大，抽气影响半径增大。陈云敏等［6］为了控制深圳下坪填埋场堆体稳定，在现场布设立体导排设施导排渗沥液，边坡部分的渗沥液水位从原来的地面以下2 m降低至堆体表面以下5～10 m，堆体后部水位降至表面以下10～15 m，降水后填埋气收集率也从原来的10%升高到70%。可见，构建立体导排体系，降低渗沥液水位，可以有效提高填埋气收集率。

3.3 加强覆盖，提高抽气负压

Z.Z.Chen等［7］在现场分别开展了表面未密封和良好密封HDPE膜条件下的抽气实验，判定表面密封对填埋气的收集率的影响。结果表明，HDPE膜未很好密封时，气体收集时会有空气从周边流进收集系统，填埋气的氧气含量较高。重新铺设新的HDPE膜并且密封良好后，填埋气的收集率增加25%。文章指出黄土作为覆盖层造价越来越高，而且黄土覆盖层容易在干湿循环条件下出现龟裂，堆体内部气压顺着这些裂缝形成优势流，造成大量的填埋气泄漏。同时提高抽气负压可以明显增大填埋气的收集量，对比现场抽气实验数据可知，当收集负压在-5 kPa的收集量约为-1 kPa时的2～3倍，收集率提升效果明显。建议在现场采用HDPE膜良好密封，同时加大填埋气抽气负压，尤其是产气高峰区域的填埋气收集负压。

3.4 打设深层液气联合抽排竖井，有效收集深层填埋气

根据现场抽气实验可知，实验用液气联合抽排深井的抽气能力约为现场抽气竖井的3倍，当抽排深井在-5 kPa的抽气负压作用下，每小时可以抽气100 m3，现场抽气竖井的产气量约为30 m3/h。而且现场抽气竖井的深度约为20 m，无法有效收集深层填埋气。深层填埋气在堆体内部积聚，甚至可能对填埋场的稳定性产生不利影响。因此，应设置深层液气联合抽排竖井，井深达到30～40 m，并采取有效的降水措施，高效收集各层填埋气。

4 结论

1）现场调查发现，受填埋作业影响，填埋气收集区域仅占全场面积的1/3，且收集区域内收集设施运行不佳，正常工作水平井约占总水平井数的2/3；正常工作竖井仅占总竖井数的1/5。

2）2014年4月抽气试验表明，全场填埋气产量为42 416 m3/h，现场实际填埋气收集量约4 000 m3/h，填埋气收集率约为9.4%。考虑到有效收集面积因素，填埋气的收集率约为28.3%。

3）建议采取分区填埋作业，立体导排控制堆体水位，加强覆盖、提高抽气负压，打设深层液气联合抽排竖井等措施，有效提高填埋气的收集率。

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［7］Chen Z Z，Gong H，Zhang M.Impact of using high-density polyethylene geomembrane layer as landfill intermediate cover on landfill gasextraction［J］.Waste Manage，2011，31（5）：1059-1064.