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江油市生活垃圾卫生填埋场
日期: 2017-05-09
内容摘要:西南科技大学 裕腾建设集团有限公司 四川裕腾环保科技有限公司 江油绿色环境保护志愿者联合会

江油市生活垃圾卫生填埋场

纳米曝气生态修复技术实验方案

 

一、引言

随着我国城市化进程速度的加快和人民生活水平的提高,城市产生的垃圾量不断增加,对城市的生态环境和居民健康构成严重的威胁。我国600多座主要城市每年产生垃圾16亿t,人均垃圾年产量440kg,且以每年超过10%的速度增长。这些城市已堆放或填埋各类垃圾80亿t,垃圾堆存量计侵占土地5亿m2,有23城市被垃圾包围。据不完全统计,我国生活垃圾年产量占世界垃圾总产量的265%。城市中许多已到库容量的垃圾填埋场,对其进行生态修复及景观绿化,不但能降低污染,实现可持续利用土地资源,还能为城市居民提供全新优美的景观和游憩空间。

此次实验所选场地为江油市生活垃圾卫生填埋场,该工程自2005年启用,工程总占地面积140余亩,总库容110万立方米,日均处理垃圾150吨。该场地区域为喀斯特地质,因08年汶川地震对场地防渗层产生了破坏,垃圾渗沥液对该地区地下水污染严重,因此急需对该垃圾填埋场进行安全无害化处理,消除对地下水的污染。

本实验方案提出的纳米曝气生态修复技术为改进型的好氧生物反应器技术。纳米曝气生态修复技术以纳米曝气机为核心的垃圾填埋场治理成套技术。其基本原理是将垃圾填埋场视为一个巨大的“容器”,在填埋堆体中埋设注液井、注气井和排气井,将收集的渗滤液和其他液体通过纳米曝气机回注至垃圾堆体,激活垃圾中的微生物再生,同时使用高压风机通过管道和注气井将新鲜空气加压后注入垃圾深处,同时把垃圾中的二氧化碳等气体抽出,并对反应物的温度与垃圾气体进行监控,创造出一个比较理想的有氧反应环境,使反应达到最佳状态,从而加速垃圾场场地稳定。

该技术最大优势是治理周期短,投资小。一般厌氧自然降解过程需要50-100年,才能完成的垃圾降解稳定化历程,该技术在2-3年时间内即可完成。并且在修复过程中气体产物为二氧化碳,而非传统厌氧过程中的甲烷,大大减少温室效应。另外垃圾渗滤液通过回灌直接消耗在垃圾填埋场中,水质改善,外排量减小,污染强度降低。根据国内相似技术应用的情况分析,纳米曝气生态修复技术的处理成本在50元人民币/吨左右,即100万吨的处理规模直接工程费约5000万元,其他二类费用按20%计算,100万吨工程总投资为5000×120=6000万元。本次实验的成功将对垃圾填埋场的生态治理产生革命性的意义。

二、好氧生物反应器技术(SABR)

    1、基本原理

    好氧生物反应器技术(Solid Aerobic BioreactorSABR)起源于土壤真空抽提技术(Soil Vapor ExtractionSVE)和生物通风技术(BioventingBV),这两种技术广泛应用于石油类污染土壤的原位修复。

    SVE是一种利用物理法去除地下不饱和区域多孔介质中的挥发性有机物,通过强制新鲜空气流经污染区域,将挥发性污染物解吸至空气流,并带到地表面处理的技术。该技术被称为是一项革命性的修复技术,自1970年开始就已被应用到土壤修复中,曾被誉为是最具有发展前途的“不饱和区土壤修复技术”。

    BV是在SVE的基础上发展起来的,是一种生物增强式的SVE技术。该技术将空气或氧气输送到污染场地内部,使污染物在地下进行好氧降解,达到治理的目的。SVE技术是利用污染物的挥发性将其带出污染场地,在地上进行处理,而BV技术是创造良好的好氧环境,利用微生物的降解,在地下去除污染物。因此,前者一般采用较大的注气速率以增加解吸过程,后者采用较小的注气速率以增加停留时间。

    SABR技术治理封场非正规垃圾填埋场的基本原理是,将垃圾填埋场看作一个大的生物反应器,通过强制通风、注水、渗滤液回灌等手段将填埋场内厌氧条件转化为好氧环境。填埋场内的有机垃圾在适宜的含氧量、温度、含水量等条件下进行好氧降解,生成稳定的有机物、无机物、C02、水等,减少对土壤、大气、水的污染,加快填埋场的稳定化进程。

    SABR技术在治理封场填埋场、改造旧填埋场等方面已有很多成功的案例。例如德国的Kuhstedt填埋场、美国的New River填埋场、Live Oak填埋场。该技术在国内的应用较晚,2009年我国首次采用SABR技术对北京市石景山区的黑石头垃圾填埋场进行了治理。

    2、稳定化过程

好氧生物反应器技术治理封场填埋场的稳定化过程可分为中温降解阶段、高温降解阶段和降温降解阶段。

    2.1、中温降解阶段又称为初始调整阶段,主要发生在治理填埋场的初期,填埋场内温度处于15--45℃之间,主要是中温、嗜温性微生物以糖类和淀粉类等可溶性有机物质为基质,进行自身新陈代谢,同时实现有机垃圾的初步降解。此阶段填埋气中C02的含量逐渐增加,渗滤液的PH有所下降,填埋体温度逐步升高,持续时间大约为1-3个月。

    2.2、高温降解阶段又称为快速降解阶段,随着填埋场内温度的逐步升高,有机垃圾的降解速率越来越快,当温度升高到45C时即进入了高温降解阶段。该阶段嗜热性微生物占据主导,填埋场内残留的和新形成的可溶性有机物继续被降解,场内的大部分有机垃圾在此阶段除去。此阶段持续时间大约为1-3年,期间C02浓度达到最大,温度达到最高且容易偏高,需要通过改变通风速率和注水速率来调节堆体内的温度。

    2.3、降温降解阶段又称为稳定化阶段,主要发生在治理填埋场的后期,此时大量有机物质己被分解,剩余物质主要为难降解的有机物和新形成的腐殖质。此阶段温度开始降低,嗜温性微生物重新占据主导,对难降解的有机垃圾进行缓慢分解,需氧量大大减少。填埋场内的有机物质进入腐熟阶段,填埋场基本达到稳定化,填埋气中C02的含量和含水率逐步降低,持续时间大约为2-5个月。

通过上述分析可知,SABR技术治理封场填埋场的过程,从始到终都是依靠好氧微生物对有机垃圾的好氧降解而实现的,其基本过程如下图表示。

 

3、好氧生物反应器技术(SABR)的影响因素

影响SABR技术工艺设计和工程投资的因素很多,主要包括垃圾的组成与含量、营养物质、氧气含量、通风压力、水分含量、温度、PH、气体迁移条件、覆盖层特性等。

3.1、垃圾的组成和含量

填埋场内的垃圾是一种非常复杂的混合物,其组分随着地域、时间、经济水

平、生活水平、风俗习惯等千变万化。SABR技术治理填埋场主要是通过降解填埋场内的有机组分实现的,垃圾中可降解有机组分的含量与种类对工程投资有很大影响。

    3.2、含水量

对于好氧降解反应,水的作用非常重要。一是参与微生物的新陈代谢,含水

率太低时妨碍好氧微生物的繁殖,影响填埋场内物质的运移速率,导致好氧降解

速率降低;当含水率过高时,填埋场内的空隙被水填充,使得接触垃圾的空气量

减少,造成供氧不足,引起厌氧反应。二是调整填埋场内的温度,通过抽气带走

部分水蒸气,达到降温的目的,填埋场内有利于好氧降解反应的含水量为4050%。当含水量超过60%的时候,由于空隙内缺氧,场内环境向厌氧转换,好氧降解速率明显下降,同时厌氧反应发生,产生H2S等恶臭气体。当含水量低于30%的时候,填埋场微生物的生长及繁殖受到抑制,有机垃圾降解速率减慢,当含水量低于20%的时候,微生物活性基本停止。

    3.3、氧气含量

好氧生物反应器技术相对于其他生物反应器技术最大的区别在于氧气的供给,主要通过强制通风的手段实现,因此通风费用是好氧生物反应器技术投资最大的一项。氧气是有机垃圾进行好氧降解必不可少的反应物之一,是保证好氧降解微生物生存的必要物质条件。填埋场内有机垃圾发生好氧降解适宜的氧气浓度为1621%,当浓度低于10%的时候,只有少量的有机垃圾发生好氧降解,若浓度小于5%,好氧降解活动几乎停止。

3.4、通风量

好氧生物反应器技术治理封场填埋场的通风量主要是指填埋场内垃圾进行好氧降解所需的02量和生成的好氧填埋气量。

3.5、通风速率

通风速率由好氧生物反应器填埋场内的氧气消耗速率决定,通风速率过大,注入的氧气停留时间较短,得不到充分地反应,造成资源浪费。通风速率过小,不能保证填埋场内垃圾好氧降解顺利地进行,影响治理效果。

3.6、通风压力

通风压力提供填埋场内气体扩散的动力,通风压力需要克服管道压力损失和垃圾堆体压力损失,是考虑鼓风设备选型的最重要的参数,直接影响设备系统的投资。

4、好氧生物反应器技术的优点

    好氧生物反应器技术治理封场填埋场的优点主要包括以下几方面:

    4.1、治理时问短。好氧生物反应器技术相对于厌氧生物反应器技术,将有机垃圾的降解速率提高了30多倍,一般在2-3年内可使填埋场稳定化。

    4.2、对大气污染轻。有机垃圾好氧降解的产物是C02H20等,取代了自然降解的CI-hNH3H2S等,减少了对大气的污染;同时降低了温室效应(CH4

温室效应是C0220倍以上)

4.3、降低了渗滤液的处理费用。将生成的渗滤液重新回灌到填埋场内,有利于促进垃圾降解,同时降低了渗滤液的处理难度和处理费用。

4.4、减少了有毒微生物的危害。好氧降解反应放出大量的热,使垃圾堆体中的温度升高很多,可有效杀灭垃圾中的病原菌。

三、 垃圾填埋场纳米曝气生态修复技术(改进型的好氧生物反应器技术)    

 

 


   

 

 

 

 

 

 

 

    1、纳米曝气技术

1.1、纳米气泡的概念

纳米气泡是指气泡发生时直径为200-600纳米的气泡,在水体中毫米级气泡迅速上升,并在水中表面处破裂,纳米气泡上升过程中不断缩小,最终溶解于水中。

1.2、纳米气泡的特性

纳米气泡具有可在水中长时间停留的特性。普通气泡短时离开水面爆裂,纳米气泡的表面是由带负电荷的分子状态形成。由于水分子是带双极性分子,其正电荷会附在负电荷的纳米气泡周围,形成正负两层的静电效应,亦即电容效应。这种正负的静电分子力作用,是纳米气泡能在水中长期存在的原因。纳米气泡能在水中保持几个月,保障水体的溶解氧浓度。气泡中承载的氧气能在水中充分利用,满足微生物降解有机污染物的耗氧需要。

2、垃圾填埋场纳米曝气生态修复技术

   

纳米曝气生态修复技术工艺系统如上图所示。首先向填埋场内注入空气,利用空气中的氧气促进填埋场内好氧微生物的成长,同时分解垃圾中可生物降解的有机物。其次利用纳米曝气机向填埋场内注入一定量的纳米气泡水,使垃圾堆体保持一定的含水量,形成良好的好氧微生物生长环境,同时完成细菌、有机物等在填埋场中的转移。整个工程调试和运行阶段需要对相关参数进行监测和控制,保证好氧降解顺利、安全地进行。整个工艺主要包括以下三部分。

2.1、空气注入和填埋气抽取系统,为使填埋场内部处于好氧状态。空气经鼓风机加压后通过铺设在填埋场表面的注气管线输送至注气井,进而扩散至整个填埋场,参与有机垃圾的好氧降解。氧气消耗后,空气中的N2和降解产生的C02等在负压作用下,汇集到抽气井通过连接真空泵的抽气管线,经汽水分离器等去除有害有味气体后,安全排放到大气中。

2.2、湿度监测及液体添加系统,液体通过纳米曝气机经注水井注入垃圾堆体,并实时监测垃圾的湿度,纳米曝气注水方式既保证了填埋场内好氧降解所适宜的湿度又为垃圾的好氧降解提供了足够的氧气。

2.3、监测和控制系统,监测系统分为在线监测和离线监测。在线监测主要是为了避免在治理过程中出现CH402混合后爆炸、温度升高导致垃圾燃烧等问题,因此气体成分与浓度、堆体内温度、湿度等参数需要实时传送至控制系统,以优化运行参数。离线监测包括对渗滤液、地下水及地表沉降等进行监测。

3、纳米曝气生态修复技术较传统好氧生物反应器技术的优点

3.1、传统好氧生物反应器技术为保障垃圾堆体达到足够的氧气含量,必须建立复杂的管网系统和设置大功率的鼓风设备。纳米曝气生态修复技术,利用纳米曝气机向垃圾堆体注入含氧量很高的水,既能满足垃圾中氧的需求,又能满足垃圾的含水率,可以大大降低空气注入的能耗,降低了建设投资和运行费用。

3.2、传统好氧生物反应器技术填埋场内有利于好氧降解反应的含水量为4050%。当含水量超过60%的时候,由于空隙内缺氧,场内环境向厌氧转换,降低好氧反应效率。利用纳米曝气向垃圾堆体进行注水可以保证垃圾在较高含水率的情况下也能够保证足够的含氧量。较高的含水量可以提高工程运行的安全性,阻止垃圾堆体内部温度过高引起的自燃情况的发生。

四、实验方案实施

1、总体设计思路

制造一个面积10米长10米宽深度4米容积为400m3的垃圾填埋容器,容器内布置注气井、抽气井、注水井、集水管,在保证溶氧的情况下和垃圾含水率的情况下进行补充纳米气泡水溶液和注气,并对收集的垃圾渗滤液进行处理后再注入垃圾堆体,对抽出的气体进行处理后达标排放到空气中。

    2、方案设计原则

    运行稳定、安全、简便,费用低廉。

    3、实验目标

    3.1、治理后填埋场垃圾可降有机物的生物降解率BDM3%

    3.2、治理后填埋场垃圾堆内沼气浓度稳定值≤1.5%

    3.3B0D5150mg/LCOD300mg/LNH3-H50mg/L

    3.4、填埋场稳定基本不沉降,沉降率≤0.2%/a

4、实验系统构成

4.1、气体系统:包括注气风机()、气体换热器、抽气风机、汽水分离器、空气管道、注气井、抽气井、冷凝水收集器、气体过滤器、配套阀门、配套仪表等。注气风机()将空气压缩,经过气体换热器换热降温,通过空气管道、注气井注入垃圾填埋场中。垃圾中的可降解有机物在有氧条件下发生好氧降解,生成以C0z为主要成分的垃圾填埋气体,该气体被抽气风机从抽气井中抽出,经气水分离器后进入气体过滤器,最后排放到大气中。管道中的冷凝水进入冷凝水收集器。

4.1.1注气井、抽气井、注水井数量和分布

 

 

 

 


4.1.2其他设备

鼓风机、引气风机、气体换热器、气水分离器、气体过滤器、气体管道。

4.2、水系统:包括蓄水池、水泵、纳米曝气机、集水管道、渗沥液处理系统、配套阀门、配套仪表等。水泵将水从蓄水池中抽出进入纳米曝气机,送入注水井,从而增加垃圾堆体的湿度和含氧量。垃圾渗沥液由通过集水管道收集进入处理系统,处理完的水进入蓄水池。

4.3、监测系统:包括各种监测井、气体监测仪、温度传感器、湿度传感器、配套的型号处理组件等。对主要气体成分COzCH4。、HzSCOOz、温度、湿度等参数进行监测和检测。

4.4动力及辅助系统。

4.4.1配电系统

根据系统要求配置动力、维护系统。包括配电室(含变压器)等。估算最大负荷30 kW· h

4.4.2维护维修系统

4.4.3办公建筑和设施

4.4.4地面平整

5、实施步骤

5.1、前期工作:收集分析垃圾填埋场原始资料,取样分析达到评估目标,为设计提供依据。

5.2、设计:包括注气井、抽气井、注水井、管的布置和数量;温度检测井、湿度检测井、地下水观测井、渗沥液提升井的布置和数量;注气系统、抽气系统、水调节系统等的管路选择和布置。各系统参数的确定和设备的选型、设计。

5.3、工程施工:包括箱体制作、钻井和井位安装,管路安装,设备仪表安装。

5.4、设备调试和试运行:保证机电设备和控制系统仪器仪表达到设计要求,能正常联合运行。

5.5、治理运行:系统设备调试完毕即可进行正式治理运行。通过监测治理区域堆体内的温度、湿度、气体成分的变化,调节和控制进气、排气、水分的含量,使堆体内的垃圾有机物始终保持在一个最佳的好氧工作状态,同时密切关注监测垃圾温度、排气的变化,保证其在一个安全的运行范围。

5.6、实验工期

    实验准备1个月,正式实验6-12个月,实验总结1个月。