填埋场好氧稳定化通风系统设计研究及实践

杨 旭，曹占强，葛亚军，戴小东

(北京首创环境科技有限公司，北京 101308)

1 引言

从石景山黑石头填埋场项目启动伊始，填埋场好氧稳定化治理技术已在我国填埋场治理领域应用十数年之久。在此期间，业内积累了大量经验，例如堆体运行参数，微生物调理方法，反向轮换通风方案，以及建立了堆体内气体成分和有机质含量变化时间序列等。这些经验多由项目实践而来，对设计工作具有很大的参考价值。然而，直接按照经验数据选则设备后，往往与现场条件不匹配，尤其是风机的选型，过大与过小都为现场运行带来一些困难。本文总结了前人在通风系统设计领域的计算方法，探索风压与影响半径间的关系，通过项目检验修正设计思路，希望能够为设计同行提供参考和助益。

2 计算方法概述

2.1 通风量计算方法

通风量计算是好氧稳定化项目的重中之重，关系到是否能在规定时间内为堆体提供充足的氧气。目前有两种计算方法：一种为孔隙率计算法，已知应用于北京石景山黑石头填埋场、武汉金口填埋场和北京怀柔岐庄填埋场稳定化项目；另一种为BDM计算法，由有机碳计算法[1]优化而来，目前北京首创、上海康恒等公司运营的项目多用此计算方法。

2.1.1 孔隙率计算法

孔隙率计算方法的原理是：在3 d内抽出垃圾堆体中的全部填埋气体，即3 d完成堆体气体的全部置换。孔隙率计算法的公式为：

(1)

式(1)中：Vp为堆体中孔隙的体积，单位为m3；Q为总通风量，单位为m3/min。使用该方法需检测获得堆体的平均孔隙率。

2.1.2 BDM计算法

BDM计算法的原理为：在单位时间内，使堆体内可降解有机质(BDM)的含量减少至目标值所需要的空气量，即推算出BDM中有机碳全部转化为CO2所需要的氧气量，再反推出空气的体积。BDM基本计算公式有两个假设：(1)BDM中的有机碳全部形成CO2，不生成CO；(2)氧气仅与碳生成CO2，不生成硫氧化物、氮氧化物等其它氧化物。在此前提之下BDM计算法基本公式为：

式(2)中：Q为总鼓风量，单位为m3/min；MG为总垃圾量，单位为kg；C0为BDM检测值；Ct为BDM目标值；T为全负荷运行修复期，单位为年；KO2为氧气利用率，其计算公式为：

(3)

式(3)中Cchou为抽气井口气体中氧气浓度。

BDM计算法没有统一的公式，各机构根据是否考虑生成氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳等因素，各自推导了计算方法并总结了经验参数。

2.2 注气井间距确定方法

2.2.1 注气井间距经验数值

注气井间距目前没有统一的确定方法，最准确的方法即在现场做影响半径测试。在缺乏测试条件的情况下，也可以借鉴经验数据。已知项目的经验数据差距较大，井间距从10 m至25 m不等，井位排布方式也各有不同。了解到的井间距统计如表1所示。

2.2.2 双井压差-影响半径模型

从节约投资的角度出发，为了探索单井间距是否能进一步扩大，可参考甄广印等人[5]的建模思路，建立好氧稳定化双井气体迁移模型，模型中参数意义详见图1。

表1 项目井间距统计

图1 双井气体迁移模型原理示意图

模型假设条件包括：①井间堆体仅横向存在压力梯度，不考虑竖向压力梯度；②堆体内部产气量为零；③经过一定时间之后，抽气井与补气井间气体迁移系统为稳定系统；④抽气井周围的填埋气等流分布，在进入抽气井时径向流速达到最大值[5]；⑤井间气体迁移速度符合一级动力学衰减规律和达西定律。

参考甄广印等[5]人的建模思路，可得到气体在井间的压力分布简易模型：

(4)

与参考模型不同，好氧稳定化的边界条件为：

(5)

(6)

(7)

Qs=πDHVmax

(8)

在此条件下对(4)求解可得：

(9)

假设影响半径R的定义为，在径向距离R处，迁移气量与单井抽气量之比为μ[6]，即：

(10)

代入式(6)可得：

(11)

模型中关键参数为Kh，陈家军等[7]和彭绪亚等[8,9]均通过实验装置实测过不同含水率和压实度的垃圾的Kh。在缺乏现场实验的情况下，可根据现场垃圾密度和含水率综合参考前人经验数据，选择适合的Kh(表2、表3)。

表2 Kh随压实度的变化情况[8]

表3 压实度为0.9 t/m3时Kh随含水率的变化情况[9]

如果现场测定了垃圾渗透系数Ks(m/s)，也可以通过陈家军等人[7]拟合参数计算Kh，方法如下：

Kh=1.02×10-4Ks

(12)

3 项目实践

3.1 项目概况及试算结果

实践项目位于山西省，总稳定化规模为62.75万m3。实验区域覆盖面积约1.1万m2，平均深度25 m，平均密度0.8 t/m3，平均孔隙率为0.7，平均初始BDM值为20%，目标BDM为15%，满负荷运行期为300 d。

按照BDM计算法计算注气风量，则理论抽气量约130 m3/min，按照抽气井口氧气含量为8%估算KO2为62%，则实际鼓风量约210 m3/min。

按照孔隙率法计算注气风量，按照48 h堆体内部空气换一轮计算，鼓风量约68 m3/min。

将两种计算风量代入公式(8)，试分析单井压强和影响半径的最佳取值。按照现场新鲜垃圾位于顶部且密度较小，陈腐垃圾位于底部且密度较大的原则，从表2中取四种垃圾的Kh：密度0.6 t/m3的新鲜垃圾，密度0.8 t/m3的混合垃圾，密度1.0 t/m3的腐熟垃圾和密度1.2 t/m3的腐熟垃圾。分析结果如图2所示。

图2 BDM法(a)和孔隙率法(b)风量下双井压差与影响半径关系

由图2可知，使用BDM法计算风量条件下，在堆体深处腐熟垃圾密度为1.2时，影响半径为15 m时，最远端抽气井与相邻补气井的压差需达到约13 kPa，即在鼓气、抽气用同规格风机时，最远端抽气井单井压力为-6.5 kPa，最远端补气井单井压力为6.5 kPa；使用孔隙度法计算风量条件下，垃圾条件、风机规格与BDM法相同时，影响半径在22.5 m，即井间距为35 m，即可保证气体在井间迁移。

3.2 设计方案

为保证充足的氧气量，从保守的角度出发，项目选择BDM法计算风量为基础风量，并根据以往项目经验优化风量设计。依照金口项目经验，按照25 m为间距排布井位。通过井位布置矫正计算结果，并计算管道系统压损后，最终选择一组风量为150 m3/min，风压为50kPa的抽气-注气风机。

为了验证影响半径计算结果，理想实验情况应为：在现场划分若干区域，每个区域布井间距不同，通过检测各区抽气井井口流量和氧气浓度，找到通风不利区域。然而，业主期望与项目条件不允许按照理想情况实验。因此，在不影响进度的前提下，采用反向验证法：将实验区域分为两个区域，如图3所示。A区按照井间距25 m按四边形布置法布置；B区将井间距缩减为12.5 m。通过对比A、B两区稳定化效果，可知是否有必要缩小井间距。

图3 实验区井位布置

A、B两区各在中心位置布置1实验监测井，监测井内包含温湿度探头、含氧量检测仪和甲烷检测仪。启动运行不久后，由于堆体内温度高、水气大，监测井内探头失灵，在满负荷运行期，实验数据由运行人员以手持仪器在抽气井井口检测获得。手动检测持续73 d，检测频率为一天两次。

4 结果与讨论

两区部分监测结果如表4所示。在运行期间，两区堆体温度基本维持在50 ℃左右；30 d BDM降解率在21%左右；O2浓度逐步提升，在第30 d能达到18%左右，说明堆体内处于稳定的好氧状态，CH4的浓度变化也能佐证这一点。

表4 两区指标对比

4.1 风量计算方法讨论

参考Townsend等人[1]的运行经验，计划在堆体内温度达到71 ℃时，或升温速度达到6.7 ℃/24h时停止通气，并回灌渗滤液降温。然而，实际运行期间堆体温度并未高于60 ℃。温度较低的原因有可能是好氧反应不充分，内源温度不足；也有可能是因为鼓风量过大，带走了部分热量。考虑到堆体内氧气浓度可达18%，堆体内好氧氛围良好，分析认为更有可能是鼓风量过大导致的。

面向同一堆体，BDM计算法计算结果远远大于孔隙率计算法。原因之一是前者计算结果受治理期限的影响，治理期限越长，计算风量越低，在堆体条件确定的情况下，治理期限和计算风量呈线性负相关。这种相关性在极端条件下并不适用，比如运行期压缩为20 d，或者延长至10年，用BDM法计算出的风量要么过大，导致好氧微生物生存困难和能源浪费，要么过小，难以维持堆体内好氧状态。

另外，KO2的引入使得计算结果进一步偏大。公式中引入KO2的出发点是认为好氧微生物无法将所有氧气全部转化为二氧化碳，因此需要进一步增加通风量。这是一种序批式的思路，按照这种思路计算，抽气井端气体氧气浓度为0%时，KO2为100%，所需通风量最小。然而这表明此时堆体中氧气浓度为0%，是无法维持好氧反应环境的。同理当抽气井端气体氧气浓度为18%时，KO2仅为14%，带入本项目式(2)的结果为910 m3/min，远远大于经验数据。

4.2 井间距计算方法讨论

从图2模型计算法的计算结果可知，在BDM风量条件下，对于密度为0.8 t/m3的混合垃圾来说，抽气井口与注汽井口压力差达到14 kPa时，影响半径可达40 m，则井间距可达约56.6 m。

表4中的两组数据表明，A区和B区在运行效果上并无明显区别，也就是说，井间距为25 m与井间距为12.5 m的通风效果是相等的。这反向证明了25 m是一个偏小的间距，但不能直接验证该模型的准确性。

5 结论

从项目计算结果和运行效果来看，BDM法不适用运行期小于1年的项目，是否有必要引入KO2有待进一步探讨。对于BDM含量在20%左右的好氧稳定化项目来说，采用孔隙率计算法也许更加适宜。

对于压实度较低，密度在0.8 t/m3的堆体来说，25 m可能是相对较小的布井间距。在今后的实践中，可以参考双井压差-影响半径模型，通过选择最远端抽气井与注气井间风压差确定更加适合的影响半径，减少布井数量，节约投资。

综上，对于BDM在20%左右，平均密度为0.8 t/m3的非正规填埋场修复项目，其通风系统的设计方案建议为：(1)按照孔隙率计算法计算通风量并适度扩大；(2)井间距可以25 m为基础适当扩大，扩大值可酌情参考双井压差-影响半径模型。对于BDM在40%左右，治理周期相对较短的项目，仍建议采取BDM法计算通风量，并按照经验数值布置井位，以防曝气效果不足，延长工期。

致谢

项目部的郭延维先生、技术部杨槟赫先生和陆宇辰女士提供了宝贵的项目现场监测记录和实验数据。在此一并致以衷心的感谢！