增强型集气覆盖层闭气能力影响因素及优化布置

李光耀，刘思达，李鹤，詹良通，夏敏

(1.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124；2.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州 310058；3.北京工业大学重庆研究院，重庆 401151；4.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310028)

我国生活垃圾年产量超过2.4 亿吨，卫生填埋目前约占生活垃圾无害化总处理量的21%[1].我国生活垃圾厨余含量与含水率较高，分别达到57.0%和54.8%[2-3].高厨余含量和高含水率导致我国生活垃圾在填埋易在堆体内形成液气阻滞现象，渗滤液液位居高不下，填埋气导排困难[4-5].长期以来我国填埋场填埋气收集设施的不匹配，导致我国填埋场的填埋气收集率普遍在25%～40%，远低于欧美发达国家50%～95%的平均水平[6-7].填埋气的无序逸散对大气环境造成污染，并带来臭气扰民问题[8].近年来，随着我国生活垃圾分类处理政策的逐步实施，有部分填埋场进行了阶段性封场或正式封场，但是所采用的封场覆盖层底部缺少填埋气主动收集与导排设施，导致填埋气在堆体内或膜破损点附近积聚，易引发堆体稳定或膜面工作人员中毒的安全问题[9].综上所述，如何对填埋气进行及时、高效地导排和收集是亟须解决的关键问题，对城市环境保护与安全生产具有重要意义.

目前，国内填埋气收集与导排技术的发展可以划分为两代.第一代填埋气收集与导排技术以抽排竖井为主，并被编入行业标准《生活垃圾卫生填埋技术规范》CJJ 17—2004[10]，被广泛应用于我国20 世纪90 年代至2010 年之间修建的第一代卫生填埋场.该技术借鉴自欧美发达国家的“干垃圾”填埋场，没有考虑我国填埋场堆体内渗滤液液位高、液气阻滞现象严重的特征[11-12]，这也是导致我国众多填埋场填埋气收集率不足40%的主要原因.第二代填埋气收集与导排技术由兰吉武等[13-15]在系统研究我国高厨余生活垃圾降解稳定化进程及堆体内液气分布规律的基础上研发提出，该技术包括液气联合抽排竖井、水平井和水平盲沟，这些设施组成的液气分离立体导排系统可以有效地解除填埋堆体内的液气阻滞，实现渗滤液液位的降低和填埋气的顺畅导排.该技术已被编入行业标准《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》CJJ 176—2012[16]，杭州市天子岭卫生填埋场应用该项技术后，填埋气收集率由10%～20%提高到60%以上[15].第二代填埋气收集与导排技术由于建设成本高，在中小填埋场中的应用受限，并且该技术建设工期较长，难以对填埋初期由于易降解组分降解产生的大量填埋气进行高效收集.

为了解决上述两代技术存在的问题，本文提出增强型集气覆盖层技术.利用Geo-Studio 软件对增强型集气覆盖层工作时的HDPE 膜下气体运移和气压分布规律进行数值模拟，分析土质调节层的厚度和渗透性、膜下集气管的管内负压、管径和相对埋设位置及填埋垃圾层厚度对增强型集气覆盖层闭气效果的影响程度，界定了控制增强型集气覆盖层闭气效果的关键参数.基于上述分析结果，提出增强型集气覆盖层膜下集气管合理布置间距的估算公式以及优化设计方案，结合工程实例对增强型集气覆盖层的应用效果进行评价.本文的研究成果对于填埋场的填埋气收集、碳减排、填埋堆体稳定以及填埋场工作人员的生命安全具有非常重要的意义，为我国正在运行和即将进行封场的填埋场治理提供了一种经济合理的新治理技术.

1 数值模拟方法

1.1 增强型集气覆盖层结构

增强型集气覆盖层结构如图1 所示，自上而下依次为HDPE 土工膜、膜下集气管、土质调节层和填埋垃圾层.该覆盖层结构简单，施工周期短，易拆除，当垃圾完成阶段性填埋后即可很快地实现源头密闭.膜下集气管处于垃圾顶部，工作性能不会受到渗滤液液位的影响，堆体内产生的填埋气运移至堆体顶部时即会被膜下集气管所收集.覆盖层工作时在HDPE 膜下形成微负压，使HDPE 膜紧贴土质调节层，可以有效地减少HDPE 膜破损处的空气流入量与膜面有害气体浓度.增强型集气覆盖层也可作为封场覆盖层的一部分，与第二代填埋气收集与导排技术中的液气联合抽排竖井协同工作，进一步对渗滤液液位以下封存的填埋气体进行收集，显著提升填埋气的收集率，减小堆体的孔隙气压.

图1 增强型集气覆盖层的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of enhanced gas collection cover

1.2 分析模型

利用Geo-studio 软件中的Air/W 模块，建立二维水气耦合运移分析模型，如图2 所示.考虑到在水平方向上单根集气管两侧的水气运移规律具有对称性，选取集气管单侧覆盖结构进行建模分析，以提高计算效率.模型总宽度为2 根集气管间距的一半，取10 m.模型由上至下分别为HDPE土工膜、土质调节层和填埋垃圾层，在土质调节层的最右侧布置圆形截面集气管.由于表层土工膜的厚度很小（一般为1.0～2.0 mm），在模型中未设置土工膜的几何实体，通过控制土质调节层的上部边界条件来模拟土工膜的闭气作用.

图2 增强型集气覆盖层的计算模型Fig.2 Analysis model of enhanced gas collection cover

数值分析过程包括稳态分析和瞬态分析2 个阶段.稳态分析阶段反映的是铺设土工膜之前的状态，此时填埋的垃圾尚未开始产气，集气管也未进行负压抽气.模型表面的水、气相边界分别设为零流量和大气压力，模型底面水、气相边界分别设为零孔压（模拟渗滤液液面）和零流量，模型左、右两侧（包括集气管位置处）的水、气相边界均设为零流量.瞬态分析阶段反映的是铺设土工膜之后的状态，此时模型的初始条件为通过稳态分析获得的水、气压力分布.模型表面的水、气相边界均设为零流量，模型底面的水相边界为零流量，气相边界设为指定空气流量边界，该流量即填埋垃圾层的产气速率，与填埋垃圾的厚度有关，计算过程详见后文.模型左、右两侧土质调节层和垃圾层位置处的水、气相边界设为零流量，集气管所在位置处设为负气压边界.

增强型集气覆盖层闭气效果的控制要求如下：在覆盖层工作期间，HDPE 土工膜下任何位置处的最大允许气压不得超过0 kPa.这一要求能够保证HDPE 膜紧贴土质调节层，有效地避免HDPE土工膜发生鼓包和隆起，确保填埋垃圾产生的气体全部被集气管收集，也能够防止由于土工膜破损造成的覆盖土体滑坡、填埋气泄漏和燃烧等安全隐患.从工程应用的角度考虑，较低的集气管气压会增加能耗，不利于控制运行成本.采用膜下最大气压为0 kPa，作为闭气效果的控制标准.

1.3 工况设置与参数取值

基于上述计算模型，通过开展不同工况的分析，以揭示增强型集气覆盖层的闭气效果及其影响因素.考虑的影响因素包括土质调节层的固有渗透率K和厚度h、集气管的抽气负压p、管径D、相对埋设深度d以及填埋垃圾厚度H（即底部产气速率）.考虑到我国填埋场的实际情况，土质调节层的固有渗透率取1×10-13～1×10-9m2(碎石～粉砂)，厚度取0.1～0.3 m，集气管抽气负压取0～-2 kPa，管径取0.05～0.20 m，相对埋设深度包括位于土质调节层上、中、下3 种情况，填埋垃圾厚度取5～10 m，具体工况及其参数取值如表1 所示.垃圾的固有渗透率取4.91×10-11m2[17].土质调节层和垃圾层的水、气相渗透系数通过下式确定：

表1 增强型集气覆盖层闭气效果的分析工况汇总Tab.1 Summary of different analysis conditions for gas control performance of enhanced gas collection cover

式中：带下标w 和g 的参数分别适用于水和气；k为渗透系数；ρ 为流体密度；g为重力加速度；η 为动力黏滞系数；K为固有渗透率；Se为有效饱和度；γ 和m为拟合参数，土质调节层的2 个参数分别取为0.5 和0.81，垃圾层的2 个参数分别为2.7 和0.37[17].

垃圾层产气速率根据下式的产气模型确定：

式中：V为单位面积填埋垃圾每秒的理论产气体积；H为填埋的垃圾厚度；LR为单位质量垃圾中降解物质的理论产气体积，本研究取我国20 余座城市填埋场的理论平均值，即168.1 L/kg[3]；ρs为填埋垃圾的密度，本研究取700 kg/m3；kR为降解物质的产气速率常数，前人的测试结果表明，我国垃圾的kR为0.53～1.75 a-1[18-21]，本研究取其平均值，即1.15 a-1；T为填埋垃圾的龄期；TR为降解物质的产气滞后时间，受气候、填埋物质组成、填埋场构造等因素的影响，一般不容易确定，本研究取李鹤[3]根据现场抽气试验给出的推荐值，即3 个月.利用式（3）计算得到的不同填埋垃圾厚度下的产气速率如图3 所示.

图3 不同垃圾厚度对应的产气速率Fig.3 Gas production rates for different waste thicknesses

2 数值分析结果

2.1 增强型集气覆盖层膜下的填埋气运移及分布规律

如图4 所示为代表性工况3～5 的数值模拟结果.图中，p0为膜下气压.如图4(a)所示为模型最左端（即2 根集气管中间位置处）膜下气压随时间的变化过程，该位置处的气压在开始抽气后迅速降低到设定的负压（即-2 kPa），这是由于此时填埋的垃圾尚未开始产气.填埋3 个月后垃圾开始产气，气压随之上升，在第100 天时达到峰值，此后表现为逐渐下降的趋势.该气压变化的规律与图3 所示的填埋气产生速率变化规律吻合，反映了填埋气对覆盖层膜下气压的直接影响.本研究重点关注膜下最大允许气压，如图4(b)所示为第100 天时膜下气压与模型水平距离x的关系.可以看出，膜下气压呈现自右向左逐渐提高的趋势，提高速率逐渐降低，上述结论也可以通过图4(c)中整个模型的气压分布规律得出.以上结果表明，膜下最大气压将出现在2 根集气管的中间位置处.在实际工程中需要合理布置集气管的间距，保证膜下最大气压不超过0 kPa.

图4 代表性工况3～5 的数值分析结果Fig.4 Numerical results of representative case 3-5

2.2 增强型集气覆盖层闭气能力的影响因素

图5 给出所有工况第100 天时膜下气压与模型水平距离的关系.从图5(a)可知，随着土质调节层固有渗透率K的减小，相同位置处的膜下气压增大.这是由于较小的K对气体运移具有更强的阻滞作用，降低了集气管的集气效果，导致气压增大.当K由1×10-9m2降低至1×10-12m2时，膜下最大气压由-1.5 kPa 提高至0.75 kPa，这揭示了K对增强型集气覆盖层闭气效果的显著影响.随着K的减少，集气管附近的气压梯度会提高，这容易引起细粒土迁移并堵塞集气管，降低集气效果.图5(b)表明，土质调节层厚度对膜下气压的影响甚小，当土质调节层厚度为0.1～0.3 m 时，不同工况下计算得到的膜下最大气压的差别小于0.10 kPa.从节省工程造价的角度出发，在实际工程中应尽量采用较薄的土质调节层，其厚度只须起到保护集气管的作用.

图5 不同工况第100 天时膜下气压与模型水平距离的关系Fig.5 Variations of gas pressure under geomembrane with horizontal distance of model on day 100 for different analysis conditions

集气管抽气压力的提高会导致膜下气压的显著提高，但是不会改变气压梯度（见图5(c)）.当集气管抽气压力由-2 kPa 增加至0 kPa（被动排气）时，膜下最大气压由-1.25 kPa 增加至0.75 kPa.相比之下，集气管管径和相对埋设深度对膜下气压的影响很小.当管径由0.05 m 增加至0.20 m 时，膜下气压逐渐降低，但是不同管径下膜下最大气压的差值小于0.25 kPa（见图5(d)）.集气管埋设位置越深，膜下气压越低，集气效果越好，但是引起的膜下最大气压变化量小于0.20 kPa（见图5(e)）.图5(f)的结果表明，填埋垃圾的厚度对膜下气压的影响较大，膜下气压随着垃圾厚度的增大而提高，这是由于较高的垃圾产气速率导致的.

2.3 增强型集气覆盖层集气管布置间距的估算公式

在实际工程中，当已知增强型集气覆盖层结构参数的情况下，应确定集气管的布置间距L以保证膜下最大气压不超过0 kPa，从而实现良好的闭气效果.由2.2 节的结果可知，影响增强型集气覆盖层闭气效果的3 个主要因素如下：1）土质调节层的固有渗透率K；2）集气管的抽气压力p；3）填埋垃圾的厚度H.开展一系列数值计算分析L的估算（详细过程见附件）.将图1 中几何模型的总宽度提高至30 m，以保证模型具有足够的宽度.对于对增强型集气覆盖层闭气效果影响不明显的参数，按照参数常见分布范围（见表1）任意取值.土质调节层厚度取为0.1 m，集气管管径取为0.1 m，埋设位置取为层中.考虑到我国多数填埋场单层垃圾的填埋厚度为5～10 m，选择最不利（膜下气压最大）的情况，即取H=10 m.基于上述参数，利用数值模拟获得不同K和不同p下第100 天时膜下气压与模型水平距离的关系，以膜下气压0 kPa 作为控制标准，采用作图法确定集气管的布置间距.如图6 所示，以p=-1.5 kPa 为例，K=1×10-10m2对应的集气管间距的一半（即L3/2）为4.55 m，则集气管间距L3=9.1 m.

图6 作图法确定集气管布置间距（集气管抽气压力为-1.5 kPa）Fig.6 Drawing method to determine arrangement spacing of gas collection pipes (extraction pressure of gas collection pipes is-1.5 kPa)

图7（a）汇总了不同集气管抽气压力下，通过改变K得到的相应的集气管间距一半（即L/2）.根据结果可知，在相同的p下，L/2 随K的提高而提高，且两者之间满足线性关系：L/2=aK.参数a随着p的增加而减小，这说明对于相同的土料，集气管间距随着集气管气压的提高而减小.根据图7（b）的结果可知，拟合参数a和p之间的关系可以用指数函数进行拟合，即a=1.47×1010e-p.综上所述，L和p、K之间的定量关系可以表达为

图7 集气管间距的估算方法Fig.7 Estimation method of gas collection pipe spacing

式（4）未考虑土质调节层厚度、集气管管径、集气管相对埋深对增强型集气覆盖层闭气效果的影响.在实际工程中，宜在增强型集气覆盖层膜上增加负重（如废弃轮胎）来抵消这些因素的影响，为保证增强型集气覆盖层的闭气效果预留一定的安全储备.

3 增强型集气覆盖层优化布置

考虑到集气管的材料成本以及实际运行中集气管会出现损坏、淤堵问题导致集气效率降低，实际工程中集气管不宜布置地过密或过疏，间距一般控制为10～30 m.如表2 所示为利用式（4）计算得到的常见粗粒土在不同抽气压力下所需的集气管间距，其中土体固有渗透率的取值根据李广信等[22]总结的土体渗透系数换算得到.表中，L为集气管间距.根据表2 的结果可知，当抽气压力不低于-5 kPa 时，采用粉砂、细砂作为土质调节层时的集气管最大间距仅为4.5 m，这会带来较高的建设成本.优先选用当地容易获得的中砂或者更粗的土料作为土质调节层，通过调整集气管的抽气负压实现集气管布置的经济性和合理性.

表2 不同类型粗粒土对应的集气管间距Tab.2 Arrangement spacing of gas collection pipes for different types of coarse-grained soil

增强型集气覆盖层集气管的设计应该与填埋场全场输气管网的设计布局相匹配.填埋场全场集输气管网的布局进行层级优化，按照布置位置、功能和管径大小将全部管网分为3 个层级，如图8 中深圳下坪填埋场的全场管网布置所示.第1 层级主要是沿填埋库区周边布设的大口径环场输气主管道A，主要负责向其下各层级管道传递负压；将各集气单元收集的填埋气汇总，之后输送至集气站和填埋气末端处理设施，可以提升全场填埋气管道的收集和运输能力.为了减少压力损失，管径主要为500～700 mm.第2 层级为与A 直接相连的布设于各库区集气单元膜表面的输气主管B，管道直径为300～500 mm.第3 层级为由B 延伸出来的覆盖各主要填埋单元的集气单元膜上输气支管C，直径为200～300 mm.第4 层级为由C 延伸出来的深入到膜下的集气管D（即增强型集气覆盖层膜下集气管），直径为100～200 mm.在上述多层级集输气管网运行期间，有必要密切监测并分析管道中的负压变化情况，在各层级管网连接处设置阀门.根据不同库区集气单元、填埋单元的填埋气产量变化情况进行流量调节控制，优化各层级管内的负压分布，提高全场集输气管网运行的效率和整体性.

图8 深圳下坪填埋场全场集输气管网布置Fig.8 Layout of multi-level gas collection and transmission pipeline network of Xiaping Landfill in Shenzhen

深圳下坪填埋场在2014 年通过将增强型集气覆盖层与现场小口径渗滤液抽排竖井、大口径液气联合抽排竖井结合，构成强化的液气立体导排系统，实现了填埋气的深度收集.如图9 所示为该填埋场的理论产气速率和实际集气速率的变化情况.可以看出，2014—2019 年产气速率由28 086 m3/h 增加至47 730 m3/h，集气速率由6 413 m3/h 提高至 45 500 m3/h，填埋气收集速率提升7 倍以上，收集率由不到30%提升至超过90%[3，15，23].

图9 深圳下坪填埋场填埋气产生速率和收集速率随时间的变化Fig.9 Development of landfill gas generation and collection rates with time at Xiaping landfill in Shenzhen

4 结论

（1）增强型集气覆盖层膜下最大气压出现在底部填埋垃圾产气速率最高的时刻.随着与增强型集气覆盖层集气管距离的增加，膜下气压逐渐提高，提高速率逐渐降低，膜下最大气压出现在2 根集气管的中间位置处.

（2）增强型集气覆盖层的闭气效果与土质调节层的固有渗透率、土质调节层厚度、膜下集气管的抽气压力、管径和相对埋深深度以及填埋垃圾的厚度有关.其中，K、p和H是影响增强型集气覆盖层闭气效果的3 个主要因素.膜下最大气压随着K的降低、p的提高和H的提高而增加.L可以按照下式进行估算：L=3×1010Ke-p.

（3）应优先选用当地容易获得的中砂或者更粗的土料作为土质调节层，通过调整集气管的抽气负压，实现集气管布置的经济性和合理性.建议填埋场全场采用多层级集输气管网布局，通过调节各层级管道内的气体流量和气压分布，提高全场集输气管网运行的效率和整体性.深圳下坪填埋场采用增强型集气覆盖层结合多种集气井技术后，填埋气收集速率由2014 年的6 413 m3/h 提升至2019 年的 45 500 m3/h，收集率由不到30%提升至超过90%.