9.5 填埋气体的产生在线视频

大家好

这节课我们学习填埋气体的产生

说到填埋气体的产生

我们先来了解一下

填埋场废物的稳定化的原理

填埋处置的废物不同

稳定化机理也迥然不同

我们本课程主要强调的是卫生填埋场当中

废物的稳定化过程

废物当中含有大量的有机物

在填埋场当中通过微生物的降解作用

产生溶解性的有机物和沼气

同时使废物达到稳定化

填埋层当中

废物稳定化的基本原理是微生物的分解作用

那么根据填埋过程当中微生物的分解

我们大概可以分为五个阶段

分别是适应阶段

过渡阶段

酸化阶段

甲烷发酵阶段和稳定化阶段

首先我们来看适应阶段

废物被放置到填埋场以后

很快就会发生微生物的分解反应

在这个阶段主要是生化分解好氧条件下发生的

是因为有一定数量的空气随着废物夹带

进入填埋场内

使废物分解的好氧和厌氧微生物

主要是来源于日覆盖层和最终覆盖层的土壤

填埋场接纳的污泥

以及再循环的渗滤液等等

然后进入过渡阶段

过渡阶段的特点是氧气逐渐被消耗

而厌氧条件开始形成并发展

在这个时候

如果是测量废物的氧化还原电位

可以监测厌氧条件的突变点

然后进入酸化阶段

废物当中

不溶性的高分子有机物水解转化为

可溶性的低分子的有机物

再进一步转化为挥发性的脂肪酸

在该阶段所涉及的微生物我们总称为非甲烷菌

它是由兼性厌氧菌和专性厌氧菌共同组成的

因为有有机酸的存在

且填埋场内CO2的浓度升高

渗滤液的pH值常常会降到5以下

COD BOD 电导率显著上升

一些无机的组分主要是重金属

它会溶解进入渗滤液

因此在该阶段

渗滤液的水质急剧恶化

在该阶段气体的产物主要是CO2和少量的H2

然后大约经过填埋200～500天之后

进入甲烷发酵阶段

在这个阶段

产甲烷菌不断增长

挥发性脂肪酸逐渐分解为

稳定的细胞质 CH4 CO2和能量

直至填埋场内部温度达到55度左右

且温度不再升高为止

这个时候有机酸和H2被转化为CH4和CO2

填埋场中的pH值升高至6.8~8的中性值范围内

这个时候渗滤液的水质逐渐好转

COD BOD 电导率下降

因为是在较高的pH值

所以很少有无机组分能保持在溶液当中

所以渗滤液当中重金属的浓度也将降低

这个阶段气体的组分主要是CH4和CO2

它的产量和组分逐渐稳定

该阶段持续的时间比较长

填埋场沼气的利用通常在这个阶段进行

然后进入稳定化阶段

废物当中可降解的有机物逐渐耗尽

气体的产量下降

废物层趋于稳定

由于各填埋场封场的措施不同

所以填埋气可能会出现少量的N2和O2

在该阶段产生的渗滤液

它常含有腐殖酸和富里酸

很难用生化的方法进一步处理

这个是填埋场稳定化过程当中

填埋气体组分变化规律的示意图

然后我们来看一下填埋气体它的组成

填埋气体主要有两大类

包括主要气体和微量气体

主要气体

主要是CH4 CO2 N2 O2 NH3 CO H2

H2S等等

当CH4在空气当中浓度在5～15％之间时

会发生爆炸

CO2也会影响渗滤液的pH值

填埋气典型特征是

温度大概是43～49℃

相对的密度是1.02~1.06

被水蒸气所饱和

它的热值可以达到15000～19000kJ/m3

所以热值比较高

可以进行利用

微量气体主要是挥发性的有机化合物

这个表是填埋气体的组成

我们可以看出来

甲烷的含量大概是45-50%

二氧化碳的含量大概是40-60%

其余的气体含量都比较低

那么对于大型的填埋场

我们要往往对填埋气体进行收集和利用

这样的话我们对填埋气体的产生量

就要有一个大概的估算

那么估算方法主要是两种

一种是理论的产气量的估算

再一个就是实际产气速率和产气量的估算

理论产气量的估算主要是化学计量法和COD法

那么实际产生速率和产气量

我们一般是用产气速率模型来进行估算

有的时候也进行现场的测试

我们首先来看化学计量法

在理论上

如果已知废物的有机组分

那么我们利用废物在厌氧条件下

完全分解的反应方程式

就可以估算出理论的甲烷的产气量

就是下面这样的一个式子

再一个就是COD法

COD法有2个假设

一个是填埋释放的气体产生过程当中

没有能量损失

再一个假设是有机物全部分解

生成CH4和CO2

那么根据能量守恒定律

有机物所含的能量均转化为CH4所含的能量

如果已知单位质量城市垃圾的COD

和总填埋的废物量

我们就可以估算出来填埋场的理论产气量

是这样的一个式子

那么在这里W是废物的质量

η是垃圾的含水率

那么w乘以（1-η）那么就是废物的干质量

那么η有机物是垃圾当中有机物的含量

它是干基的有机物的含量

所以乘以它我们就得到垃圾当中有机物的含量

再乘以单位质量废物的COD

我们就得出来废物当中的COD含量

然后再乘以单位COD相当的填埋气的产气量

我们就可以得出来填埋场大概的产气量

那么这个β是指有机物当中

可生物降解部分所占的比例

这个ξ它是指填埋场当中

因随渗滤液等损失的可溶性的有机物

所占的比例

那么它们所有的乘起来

我们就可以从理论上估算出来

填埋场的产气量

再一个是产气速率模型法

那么在国内外关于填埋气体的产气速率模型

有很多

我们这里只是简单的说一下模型的建立的过程

在实际的填埋场当中

垃圾是分批填埋的

一般来说是按照填埋年份来区分这些垃圾

实际的产气率是填埋场当中

历年填埋的所有垃圾的总的产气速率

在同一个时刻

不同年份填埋的混合垃圾当中

所含各垃圾成分的生物降解性是不同的

降解速率也不同

那么它们的产气规律也有比较大的差异

我们一般将填埋场一年填埋的垃圾

定义为单堆垃圾

混合垃圾当中

具有相似的生物降解特性的一类垃圾

定义为单类垃圾

可分为易降解的 中等程度降解的

和很难降解的三类

我们首先来确定单堆单类垃圾的产气速率模型

然后进行叠加

可以得到单堆混合垃圾的产气速率模型

再按照填埋的年份及每年填埋的垃圾量

对单堆混合垃圾的产气速率进行叠加

我们就可以得到

整个填埋场的填埋产气速率模型

那么这个是单堆单类垃圾它的产气的模型

这个是单类垃圾的它产气速率模型

对于降解特性相同

一次填埋的单位质量的垃圾

我们称为单堆单类垃圾

我们假设

垃圾从产气开始

至达到产气速率峰值之间的产气速率

符合线性规律

垃圾产气达到峰值以后的产气规律

符合一级反应速率表达式

第一阶段的产气速率我们采用直线关系

来进行描述

那么产气速率和时间成正比

是这样的一个式子

在这里q是产气速率

那么tb是开始产气之前的停滞时间

K1是第一阶段的产气速率常数

第二阶段我们是采用指数衰减模型来描述

在此处总潜在产气量是第二阶段总产气量Y2

时间t是产气速率达到最大以后的产气时间

它是t-tp

在这里tp是产气速率达到最大的时间

从上面那个图我们可以看出

当t=tb的时候

q=0

当t=tp的时候

q=qp

所以我们由式（1）可以得到

K1用这个式子来表达

由式（2）可以求出来

第二阶段总产气量Y2与产气速率常数k2

以及峰值产气速率qp之间的关系

如下面这个式子

我们把(3)式和(4)式代入(1)式和(2)式

我们就可以得到单堆单类垃圾产气速率模型

是这样的一个式子

那么峰值产气速率qp

可以用所填埋垃圾的潜在的产气量来表示

那么我们根据质量守恒定律

填埋两阶段产气量之和

应该等于填埋垃圾的潜在的产气量

也就是说潜在产气量Y0=Y1+Y2

然后我们可以得到Y1用这样的一个式子表示

然后

我们把第二个式子和第七个式子代入式（6）

并且解方程

我们可以得到qp (8)

然后我们把这个代入式(5)

可以得到单堆单类垃圾填埋产气速率

的基本表达式

呈这样的一个式子

那么在这个模型当中只有一个速率常数k2

我们改用 k 来代替

然后我们这个模型可以简化为

q只和tb tp Y0和k有关

我们如果将单堆垃圾分为i类

那么单堆垃圾产气速率

由单堆单类垃圾的模型按比例叠加而成

是下面的这样的一个式子

那么对于一个实际的填埋场

每年都有垃圾入场填埋

那么假设每年进入填埋场的垃圾量是M

那么填埋场气体的产生速率就用

下面的这样的一个式子来表示

那么填埋的产气量我们知道了

我们再看一下填埋气体的迁移

那么填埋场主要气体的运动和填埋场的构造

以及环境地质条件有关

那么按照填埋气体的运动方向

我们可以分为向上迁移 向下迁移

以及横向迁移

那么向上迁移主要是指

CH4和CO2通过对流和扩散释放到大气圈当中

向下迁移主要是因为CO2的密度

它是空气的1.5倍

大概是CH4的2.8倍

它有向填埋场底部运动的趋势

最终可能在填埋场底部聚集

通过下伏地层最终扩散进入地下水

然后与水反应生成碳酸

使地下水的pH值降低

增加地下水的硬度和矿化度

横向迁移是指填埋气通过

填埋场周边可渗透地质介质的横向迁移

可以使填埋气体迁移到离填埋场比较远的地方

才释放进入大气

或者是通过树根造成的裂隙

人造或风化或腐蚀造成的洞穴 疏松层

旧通风管道或者是公共线路组成的人造管道

地下公共管道以及地表径流造成的地表裂缝

等途径

迁移或释放到环境当中

有时会进入建筑物

没有封衬的填埋场它在400m以外

仍可以发现甲烷和二氧化碳

浓度可以高达40％

那么横向迁移的范围

随着覆盖层物质的特征和周围土壤的特征

而变化

下节课我们将讲述如何来控制填埋气体的迁移

如何对填埋气体进行收集和利用

这节课就讲到这里谢谢大家