污泥卫生填埋场设计优化

蒲 敏

(上海市环境工程设计科学研究院有限公司，上海 200232)

污泥卫生填埋场设计优化

蒲 敏

(上海市环境工程设计科学研究院有限公司，上海 200232)

污泥卫生填埋是其大批量快速无害化消纳的主流技术。本论文以Darcy定律为理论基础，建立集气井抽气条件下的污泥填埋气一维压力分布简易模型，并进一步确定竖井抽气系统的最佳影响半径，优化污泥填埋气竖井收集系统。集气井的服务半径Roi可达到10～11.5m。填埋气导气竖井采用穿孔导气管居中的石笼，导气管管底与渗滤液收集干管相连通，管顶露出改性污泥覆盖层表面1.0m。导气竖井由里到外依次为：Φ160mm的HDPE穿孔花管、0.64m厚的级配碎石填埋气导排层、钢丝格网、200gm-2机织土工布、0.3m厚的矿化垃圾(或建筑垃圾)保护层和200gm-2机织土工布。每个污泥填埋库区设置3个导气竖井，导气井间距为20～25m；各导气竖井出气口由水平软管相互连通后，集中输送至总气体收集井，再通过HDPE集气干管送至填埋气发电区；填埋气导气井出口和集气干管应安装阀门和甲烷检测端口。

脱水污泥；卫生填埋；设计优化

卫生填埋具有建设周期短、投资省、管理方便、运行简单等特点，目前仍是我国污泥处理的最有效方法之一，如上海老港卫生填埋场目前承担了上海市70～80%污泥的安全处置任务。尽管卫生填埋并非最有效的污泥处置手段，但无论就应急或末端处置角度而言，卫生填埋均不可或缺。污泥卫生填埋是确保城市污水处理厂正常运行、城市市容环境和居民生活健康发展的重要保障之一。然而，迄今为止我国还没有专用的污泥卫生填埋场，填埋规范和标准亦是空白。污泥卫生填埋仍然处于工程实验阶段，许多工程问题还未得到解决，如污泥含水率高、渗透性低、流动性大、力学性能极差，施工难度较大，渗滤液和填埋气收集管道堵塞严重，收集效率低下。此外，由于填埋作业的不规范，填埋堆体滑坡等次生灾害和二次污染时有发生，污泥的卫生填埋对施工和操作工艺提出了更高要求和更严标准。因此，研发和优化卫生填埋施工工艺，构建污泥卫生填埋与施工过程规范集成技术体系是实现污泥卫生填埋安全处置的关键核心。

如把污泥单独填埋时，一般要求污泥的抗剪强度≥ 80～100kN·m-2。根据德国的资料，当脱水后的污泥和垃圾混合填埋时，要求污泥的含固率≥ 35%、抗剪强度≥ 25kN·m-2，渗透系数在10-6～10-5cm·s-1[1-4]。为了达到这一指标，必须投加石灰等添加剂进行后续处理。根据我国在CJ/T 249-2007《城市污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质》中的规定，城镇污水处理厂污泥进入生活垃圾卫生填埋场与生活垃圾进行共同处置时，其基本指标应满足污泥含水率≤60wt.%、pH在5～10之间、混合比例≤8wt.%、横向剪切强度≥25kN·m-2等。

脱水污泥含水率(80wt.%)较高，抗压强度通常<10kPa和抗剪强度<5kPa，难以满足填埋对土工性质的要求[2]，因此，寻找合适的改性剂以增强污泥的土力学性质成为了目前的研究焦点。对以矿化垃圾为改性剂与生化污泥的混合填埋和化学污泥固化填埋的研究中发现，生化污泥与矿化垃圾按10∶7的比例进行混合填埋可以达到污泥填埋的土力学要求[3]，并可加速污泥厌氧产气反应和有机质的降解，缩短污泥稳定化的时间；污泥固化填埋采用一种新型的镁系(M1)胶凝固化剂，在加入量为5wt.%时，可以达到污泥的填埋要求，同时对污泥中重金属也起到固化作用，减少了重金属的浸出带来的二次污染。用粉煤灰、矿化垃圾、建筑垃圾和泥土四种材料作为改性剂，以不同配比与污泥混合试验。在改性污泥满足填埋要求的最低混合配比下，综合比较改性剂对污泥的抗压和抗剪强度、渗透性能、压缩性和臭度等工程性质的改善情况发现，以粉煤灰对污泥改性效果最好，其次建筑垃圾和矿化垃圾，泥土效果最差[1-4]。

污泥卫生填埋后会有大量的渗滤液和填埋气产生。CJ/T 249-2007《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋泥质》中规定，污泥卫生填埋场应有沼气利用系统，渗滤液能达标排放。目前，随着人类环保意识的增强，大多数污泥填埋场均设有渗滤液导排、收集和处理装置；但很少设有填埋气的收集处理装置。填埋气中CH4的密度较空气小，很容易在填埋场内部某些封闭区聚集，有引起火灾甚至爆炸的危险。另外，CH4气体作为填埋气的主要成分有很高的热值，集中收集净化后可作为再生能源加以利用，如作为工业燃料或民用；将φ(CH4)提高到80%以上还可以作清洁燃料。因此，设置集气井对填埋气有规则的导排，不仅可以降低填埋作业的危险度，避免安全事故的发生，同时还有效地对能源进行回收利用，达到了环境保护与经济效益的和谐统一。

然而，由于污泥渗透系数较小，导致填埋气体的有效收集半径十分有限[3]。不合理的设置集气井不仅不利于污泥填埋气的经济、合理、高效收集，还会影响填埋作业的正常进行。目前，有关垃圾填埋场集气井的优化布局研究已经较为成熟，而对污泥填埋场填埋气集气井布局设计的研究相对较少。可见，对污泥填埋气收集系统进行优化设计是很有必要的。

污泥卫生填埋场常有大量填埋气产生，有关生活垃圾填埋场集气井的优化布局研究已经较为成熟，而对污泥填埋场填埋气集气井布局设计的研究相对较少。因此，对污泥填埋气收集系统进行优化设计是污泥卫生填埋的一个重要课题。尽管有关生活垃圾填埋场填埋气收集系统的优化研究颇多[5-7]，但因污泥与垃圾本身较大的特性差异(如白龙港化学污泥在50～100kPa下的渗透系数为1.21×10-7～2.07×10-8cm·s-1[4]，而垃圾在10-8～10-5 2Pa-1·s-1之间[5])而不宜简单引用，而目前有关污泥填埋气集气井优化方面的研究还鲜为报道。因此，本文通过对污泥填埋场集气井收集系统进行优化研究，确定污泥满足填埋的最小渗透系数、集气井有效服务半径和抽气负压随时间的变化规律以及填埋气经济的收集年限，为污泥卫生填埋场和集气井的优化研究提供科学依据和理论指导。

1 竖井抽气条件下填埋气压力分布简易模型分析

污泥填埋堆体可看成一种各向同性的多孔介质，故填埋气在堆体中的迁移运动可近似认为符合多空介质的流体力学理论。另外，竖井抽气系统因其结构简单、收集效率高而被广泛应用于生活垃圾填埋场的填埋气收集。因此，本文拟以一级动力学模型和Darcy定律[8]为理论依据建立集气井抽气条件下的污泥填埋气一维压力分布简易模型，并进一步确定竖井抽气系统的最佳影响半径。

模型构建的假定条件：(1)填埋场面积足够大，其边界不会对抽气效果产生影响[8]，井中气压都等于抽气压力，无穷远处填埋场内的相对压强为8P(填埋场内部的相对压强)，填埋场内部竖直方向不存在压力梯度；(2)填埋垃圾体内部产气速率达到稳定；(3)集气井定流量抽气，经过一段时间后抽气系统达到稳定状态[9]，即抽气量与影响半径内的污泥产气量达到动态平衡；(4)抽气井周边的填埋气等流速分布，且在进入集气井时的径向流速达到最大值；(5)填埋气在堆体内的迁移速度随距抽气井中心距离的增加符合一级动力学衰减规律和Darcy定律；(6)填埋气以抽气井中心为坐标原点建立直角坐标系。填埋气竖井抽气系统如图1所示。

图1 污泥卫生填埋场竖井抽气系统示意图

由上述假设条件可知，在负压抽气条件下填埋气在向集气井迁移的过程中，井周等流速分布，且随半径的增加流动通量近似符合一级动力学衰减规律：

式中：V为填埋气进入抽气井时的迁移速度，m·s-1；V0为填埋气进入集气井时的径向最大流速，m·s-1；r为填埋气距集气井中心的距离，m；k为填埋气的衰减系数；D集气井直径，m。

由多孔介质流体力学理论可知，流速通量随r的增加亦符合Darcy定律：

式中：Kh为城市污泥水平方向的渗透系数(以下简称渗透系数)，m2(Pa·s)-1；dp/dr为集气井周边沿水平方向填埋气的压力梯度，Pa·m-1。

联立上述两式可建立竖井抽气条件下填埋气压力分布的简易模型如下：

边界条件：

式中：ΔP为填埋场内部无穷远处的相对压强，Pa；P0为大气压强，Pa；Pchou为集气竖井内的抽气负压，Pa；Q为集气竖井的抽气流量，m3·s-1；D为竖井直径，m；H为井深，m。

在边界条件下对方程式(9.3)求解，且令ΔP+P0=Pa，ΔP+Pchou=Pb，则方程组的解可表达为：

2 竖井填埋气收集负荷核算

抽气井影响半径(radius of influence，Roi是填埋气收集系统的重要设计参数，它是指抽气井收集填埋气的最大作用范围，在该范围以内，填埋气都向抽气井运动而被收集[9]。当抽气流量稳定后，在抽气井的作用范围内污泥产气和抽气达到平衡，并认为影响半径不随填埋深度而变化。则抽气量可以近似表示为：

式中：Roi为影响半径，m；h为竖井埋深，m；ν为填埋气产率，kg(m3·a)-1。

利用已建立的抽气条件下填埋气压力分布模型，对污泥填埋气竖井收集系统进行系统优化设计研究。

表1 污泥组成及卫生填埋的相关参数

注：a：抽气井井长H取填埋深度h的80%[9]，即H=h× 80%=9×80%=7.2m。

3 渗透系数对竖井影响半径的影响

渗透系数的不同会对集气井的服务半径产生很大的影响，首先通过对不同渗透系数在一定的抽气压范围对服务半径的影响分析，确定污泥填埋时合适的渗透系数。取渗透系数Kh1∶Kh2∶Kh3：Kh4为10∶2.5∶1.25：1进行研究，见表2。

表2 污泥的渗透系数(m2(pa·s) -1)

结合式(4)及表1的相关参数可确定影响半径Roi时的抽气量：

将式(5代入式(3并对对其关于r求导得：

根据有关研究结果，在影响半径处(r=Roi)的压力梯度为dP/dr=0.5～1.20Pa·m-1。取dP/dr=0.8Pa·m-1时，Pb=ΔP+Pchou、影响半径Roi与渗透系数的分析结果如下图2所示，其中ΔP较Pchou小的多，可认为Pb≈Pchou。由于有关污泥竖井抽气系统优化设计的研究鲜为报道，因此，本研究以垃圾填埋场填埋气主动收集系统所需的负压(2.5～25kPa)[12]为参考依据，而污泥渗透系数一般较垃圾的小，故所需抽气负压会较大；但过大的负压不仅不利于提高收集效率，还可能将空气引入填埋场内部，抑制厌氧型甲烷菌的活性，同时也会将污泥吸入导气石笼，致使其堵塞。故在此基础上适当增加抽气负压取值，取Pb值取25～30kPa之间。

根据式(5)及表2进行数值模拟，计算不同渗透系数和影响半径下的抽气负压，计算结果如图2。经分析可知，Pb对污泥渗透系数Kh的变化十分敏感，Kh的减少在相同抽气负压下集气井的服务半径急剧减少。Pb在25～30kPa之间时，渗透系数为Kh1时，集气井的服务半径Roi在10～11.5 m之间；而在Kh2时的服务半径只有6～8m，减少了将近1倍；在Kh4时的服务半径更小，只有5～6m，可见过小的Kh会严重影响集气井的集气效率。同样，在一定范围的服务半径Roi时对于不同的渗透系数抽气负压的范围也相去甚远，其中以Kh4时最大，Kh3次之，而Kh1最小。

图2 抽气负压、影响半径与渗透系数关系

可见，抽气负压和污泥渗透性是影响集气井影响半径的两大重要因素。提高抽气负压可以有效地提高影响半径，但过高的负压会产生很多问题；而提高污泥渗透性，如降低含水率、添加改性剂[4]等，不仅可以有效地提高收集系统的服务半径，还可降低能耗，增强污泥的强度，提高填埋作业的安全性。

因此，污泥填埋时其渗透系数不应小于10-8m2(Pa·s)-1；这样在填埋初期，抽气负压Pb取25～30kPa时，集气井的服务半径Roi可达到10～11.5m。

4 抽气负压随填埋时间的变化预测

随着填埋时间的增加，污泥中有机质的不断消耗填埋气产量的不断减少，在污泥稳定化过程的不同时期所需抽气负压也将会发生很大变化，如不及时对抽气系统做合理的调整，不仅会影响抽气效率、提高能耗、增加操作成本，还有可能造成收集井的塞，导致整个填埋气收集系统无法正常运行。

以污泥填埋气产率随时间变化规律的研究为基础，结合式(9.6)对抽气负压随产气量的变化进行模拟计算(图3)，结果发现：在渗透系数为Kh1(1.04×10-7m2(Pa·s)-1)、服务半径Roi为10m时，抽气负压随填埋时间的增加整体成指数减少，在起初的8年内，抽气负压随时间的减小幅度较大，在第8年即从起初的25kPa降低到5kPa以下，这主要是由于污泥中有机质的大量消耗，填埋气产气速率的快速减少所致；从第8年起，所需抽气负压变得较小且随时间的变化幅度较为缓和，到第20年时接近0，这是因为在此阶段污泥矿化度已经很高，填埋气产率较起初小的多，最后时接近完全矿化，几乎没有填埋气产生。而实际上，随填埋时间的增加，污泥不断地矿化，其渗透性能也较填埋时变大，实际所需的抽气负压也会较理论值要小。

另外，从图3亦可看出，在起初的8年内填埋气产气速率随时间快速减少，但总体产气率较高，平均甲烷产气速率在5kg(m3·a)-1以上；而从第8年起，甲烷产气速率随时间变化较为缓和，但总体产气速率较小，如第8年时就降为约2kg(m3·a)-1，到第20年时几乎为0。因此，从经济、效益和谐统一的角度来看，从第8年起对填埋气继续进行收集意义不大。

图3 甲烷产气速率、抽气负压随时间的变化关系图

5 填埋气导排与收集系统设计

在上海老港卫生填埋场46#～47#和55#单元构建的规模20000m3的污泥生物反应器示范工程，以规范污泥固化和改性填埋过程的控制条件和设备配置，形成卫生填埋安全处置操作规范，为污泥卫生填埋与资源化再利用提供重要的工程技术参数。

(1)填埋气导气竖井采用穿孔导气管居中的石笼，导气管管底与渗滤液收集干管相连通，管顶露出改性污泥覆盖层表面1.0m。导气竖井由里到外依次为：Φ160mm的HDPE穿孔花管、0.64m厚的级配碎石填埋气导排层(Φ40～50mm的碎石层、Φ25～30mm的碎石层、Φ10～20mm的碎石层)、钢丝格网、200g·m-2机织土工布、0.3m厚的矿化垃圾(或建筑垃圾)保护层和200g·m-2机织土工布(图4)。

图4 污泥卫生填埋场竖井抽气系统剖面图

(2)导气石笼顶部按照封场覆盖设计结构依次铺设粘土层、光面HDPE防渗膜和覆盖土层；HDPE土工膜与穿孔管通过挤压焊接方式搭接(图5)。

图5 HDPE土工膜与穿孔管搭接详图

(3)每个污泥填埋库区设置3个导气竖井，导气井间距为20～25m；各导气竖井出气口由Φ63mm的水平软管相互连通后，集中输送至总气体收集井，再通过Φ160mm的HDPE集气干管送至填埋气发电区；填埋气导气井出口和集气干管应安装阀门和甲烷检测端口。有关污泥卫生填埋场现场实物图见图6。

图6 污泥卫生填埋场现场实物图

6 结 论

本文以一级动力学模型和Darcy定律为理论依据，建立集气井抽气条件下的污泥填埋气一维压力分布简易模型，并进一步确定竖井抽气系统的最佳影响半径。抽气负压和污泥渗透性是影响集气井影响半径的两大重要因素。提高污泥渗透性，如降低含水率、添加改性剂等，不仅可以有效地提高收集系统的服务半径，还可降低能耗，增强污泥的强度，提高填埋作业的安全性。污泥填埋时其渗透系数不应小于10-8m2(Pa·s)-1；这样在填埋初期，抽气负压Pb取25～30kPa时，集气井的服务半径Roi可达到10～11.5m。在渗透系数为Kh1(1.04×10-7m2(Pa·s)-1)、服务半径Roi为10m时，抽气负压随填埋时间的增加整体成指数减少，在起初的8年内，抽气负压随时间的减小幅度较大，在第8年即从起初的25kPa降低到5kPa以下。随填埋时间的增加，污泥不断地矿化，其渗透性能也较填埋时变大，实际所需的抽气负压也会较理论值要小。填埋气导气竖井采用穿孔导气管居中的石笼，导气管管底与渗滤液收集干管相连通，管顶露出改性污泥覆盖层表面1.0m。导气竖井由里到外依次为：Φ160mm的HDPE穿孔花管、0.64m厚的级配碎石填埋气导排层(Φ40～50mm的碎石层、Φ25～30mm的碎石层、Φ10～20mm的碎石层)、钢丝格网、200g·m-2机织土工布、0.3m厚的矿化垃圾(或建筑垃圾)保护层和200g·m-2机织土工布。每个污泥填埋库区设置3个导气竖井，导气井间距为20～25m；各导气竖井出气口由Φ63mm的水平软管相互连通后，集中输送至总气体收集井，再通过Φ160mm的HDPE集气干管送至填埋气发电区；填埋气导气井出口和集气干管应安装阀门和甲烷检测端口。

[1]Zhen Guangyin and Zhao Youcai，，Elsevier Publisher Inc.2017 (Oxford OX5 1GB，United Kingdom and Cambridge，MA 02139，United States).

[2]李兵，张承龙，赵由才主编.《污泥处理与资源化丛书——污泥表征与预处理技术》，北京：冶金工业出版社，2010年6月.

[3]朱英，张华，赵由才主编.《污泥处理与资源化丛书——污泥循环卫生填埋技术》，北京：冶金工业出版社，2010年6月.

[4]李鸿江，顾莹莹，赵由才主编.《污泥处理与资源化利用丛书——污泥资源化利用技术》，北京：冶金工业出版社，2010年6月.

[5]赵由才，龙燕，张华主编.《固体废物处理与资源化丛书——生活垃圾卫生填埋技术》，北京：化学工业出版社，2004年2月.

[6]宋立杰、陈善平、赵由才主编.《可持续生活垃圾处理与资源化技术》，北京：化学工业出版社，2014年2月.

[7]陆文龙，崔广明，陈浩泉编著，赵由才主审.《生活垃圾卫生填埋建设与作业运营技术》，北京：冶金工业出版社，2013年7月.

[8]魏海云，詹良通，陈云敏.城市生活垃圾的气体渗透性试验研究.岩石力学与工程学报，2007，26(7)：1408-1415.

[9]彭绪亚，刘国涛，余毅.垃圾填埋场填埋气竖井收集系统设计优化.环境污染治理技术与设备，2003，4(3)：6-8.

[10]赵由才，朱青山.城市生活垃圾卫生填埋场技术与管理手册，北京：化学工业出版社，1999.

[11]朱英.卫生填埋场中污泥降解与稳定化过程研究[博士学位论文].上海：同济大学环境科学与工程学院，2008.

[12]李传统，J.D.Herbell.现代固体废物综合处理技术，南京：东南大学出版社，2008.

Design Optimization for Dewatered Sewage Sludge Sanitary Landfill

PU Min

(Shanghai Institute for Design & Research on Environmental Engineering Co.Ltd，Shanghai 200232)

Based on the theory of Darcy，a first order mathematical model was deduced to optimize landfill gas (LFG) collection system.The radiuses of influence (Roi) of vertical extraction well was found to be 10～11.5m.The major components of landfill gas are methane and carbon dioxide with a member of minor constitutes.In order to control greenhouse gas emissions and minimize the risk of migration of landfill gas，effective extraction systems must be developed.The collection system (e.g.vertical extraction well) comprises vertical gas well (Φ160mm HDPE)，wellheads，and collection pipe.The vertical well has perforations over the lower part of pipe length，and is surrounded by a suitably sized aggregate fill (0.64 m thickness) and a composite protective layer (including steel wire gauze，200 g/m2woven geotextile，0.3m-thickness aged refuse or construction waste，and 200g/m2woven geotextile).The welding between HDPE geomembrane and perforated pipe should be performed to prevent air admission.Vertical gas wells are normally spaced between 20m and 25m part，with 3 wells in a landfill unit；the collected landfill gas is then conveyed via the collection pipe network to the point of thermal destruction (e.g.flare unit) or energy production.The recovery of landfill gas as an energy resource can compensate the part of the costs of sludge disposal，but the potential depends upon the methane content of the gas.Normally，the purification of gas should be taken into account prior to entering generator set.

Dewatered sewage sludge；sanitary landfill；design optimization

项目资助：污泥项目编号14DZ1208400；飞灰项目编号16DZ1202900

蒲敏，高级工程师，研究方向为环境保护

文献格式：蒲 敏.污泥卫生填埋场设计优化[J].环境与可持续发展，2017，42(4)：80-84.

X21

A

1673-288X(2017)04-0080-05