气动泵和压缩空气直排法排放渗沥液的特性比较

朱 燕

（上海老港生活垃圾处置有限公司，上海 201302）

气动泵和压缩空气直排法排放渗沥液的特性比较

朱 燕

（上海老港生活垃圾处置有限公司，上海 201302）

研究了填埋气体垂直井内渗沥液排放的不同方式，分析各排水方式的运行数据，比较其排水速度和排水深度、出水状况及费用成本，总结其各自不同的运行特点。

垂直井；渗沥液；气动泵；压缩空气直排法

垃圾降解产生的填埋气体常采用水平井和垂直井收集［1］，但2种收集方式均受到高渗沥液水位的影响，尤其对于垂直井系统。若垂直井内渗沥液一直处于高位，气井周边垃圾堆体饱和，填埋气体无法有效运移、抽排。只有当渗沥液水位下降后，一定体积的垃圾堆体处于非饱和状态，填埋气体有足够通道运移进入井内，才能被主动抽吸进入气体收集系统，供后续处理使用。笔者结合多年工作实践研究填埋气体的收集，利用多种方式对垂直井内渗沥液进行导排，分析不同排水方式的运行数据并进行比较，总结其运行特点，旨在为国内填埋场选择垂直井排水方式提供参考。

1 国内外垂直井排水方式

1.1 气动泵

气动泵以压缩空气为动力，安全性好，排水效率高，广泛用于充满易爆气体和腐蚀性、结垢性强的液体中［2］。目前仅美国就有超过500家填埋场使用此泵，全世界超过75个国家使用此泵［3］。其工作原理是泵体中间为密闭的泵腔，泵腔上部设进气口、卸气口，并由自动控制装置控制，泵腔下部设止回阀控制进水出水。工作时压缩空气进气口打开，在空气作用下泵腔下降，底部止回阀关闭进水口，渗沥液从排水管压出。水排尽后自动控制装置关闭进气口，打开卸气口，在静水压力作用下，泵体上升，底部止回阀关闭排水口，渗沥液吸入泵体内，自动控制装置关闭卸气口，打开进气口进行下轮排水，以此循环往复，见图1。当垂直井内渗沥液水位排至泵腔位置，无法再排出空气，压缩空机停止工作，排水自动停止。

1.2 电动泵

目前，国内仍有很多填埋场使用电动泵抽排垂直井内渗沥液。电动泵虽然可有效排出渗沥液，但由于其使用电源，有可能产生火花，引爆井中填埋气体，对填埋场安全运行产生重大隐患。CJJ 133—2009生活垃圾填埋场填埋气体收集处理及利用工程技术规范中明确规定，在气体收集过程中禁止使用电动设备对气井内的渗沥液进行导排，但因成本等原因，电动泵的使用仍然普遍存在。

1.3 压缩空气直排法

随着对垂直井渗沥液抽排安全的不断重视，国内逐渐开始使用一种制作简便、运行安全的排水方式——压缩空气直排法。如图2所示，外围大口径井为垂直井，井中下部充满渗沥液，上部为填埋气体。出水管置于垂直井内，下部浸入渗沥液。出水管底部区域开孔，增大渗沥液的进水面积，开孔区域与渗沥液液面之间保证一定的距离，即为浸没高度。压缩空气管自出水管底部开孔伸入。运行时，高压空气充入出水管，与管内渗沥液混合，形成气水混合物，并在后续高压空气的作用下，沿井管向上运移排出。当浸没高度充分时，压缩空气所形成的气水混合物均可沿井管排出，不会有空气溢入填埋气体区，可有效实现渗沥液导排，并确保填埋气体、压缩空气分离。

2 各排水方式的数据分析和比较

因电动泵在填埋气体收集系统中禁止使用，本文不对此法进行比较。笔者所在的现场分别采用气动泵和压缩空气直排法排放垂直井内渗沥液，垂直井取样分布示意见表1和图3。经0．5 a的记录和分析，比较了2种排水方式的排水速度和排水深度、出水状态和运行费用。

表1 垂直井渗沥液取样位置

图3 不同垂直井渗沥液取样位置示意

2.1 排水速度和排水深度

选取位于1B1区的垂直井J3，分别在7、5、3 kg/cm2的压力下采用气动泵对垂直井内渗沥液进行导排，观察渗沥液液位在15、10、6 m处的排水速度，结果见图4。

同样采用J3垂直井，观察不同空气压力下压缩空气直排法的排水速度，结果见图5。

图5 压缩空气直排法对渗沥液的排放速度

观察发现，2种排水方式的排水速度与压缩空气的压力有关。对于气动泵，空气压力越大，排出水量越多，随着渗沥液水位的下降，气动泵导排渗沥液的流量有增大的趋势。对于压缩空气直排法，排水速度与排水压力并非成正比，有其最佳的排水压力。由图5发现，本次试验的最佳排水压力是0．8 kg/cm2。当空气压力过大时，压缩空气容易从排水管道底部反冲，不仅排不出渗沥液，同时易污染垂直井内填埋气体；当空气压力过小时，没有足够的动力把渗沥液排出井外。随着垂直井内液位的不断下降，压缩空气直排法排放流量越来越小；对于压缩空气直排法，当渗沥液出水呈连续状态时，压缩空气的耗气量和排水量达到最佳的比值。

对垂直井C3、J3、O1、P1用压缩空气直排法进行排水，分别观察不同时间的水位，以判断渗沥液的回渗速度，结果见图6。观察发现，不同的垂直井内回渗速度不同，即使同一口垂直井，不同的高度渗沥液的回渗速度也不同。越是水位排得深，回渗速度越快；水位上升后，回渗速度越来越慢。当井内渗沥液的回渗速度小于排水速度时，渗沥液液位可不断降低；当渗沥液的回渗速度大于排水速度时，井内水位下降到一定位置后甚至有上升的现象，最终达到平衡。当井内渗沥液的回渗速度一直小于排水速度时，气动泵可将水位降至其安装处，而压缩空气直排法需要保证有足够的浸没深度。

图6 压缩空气直排法渗沥液水位恢复

2.2 出水状态

观察不同区域垂直井渗沥液的出水状态，对渗沥液水质进行持续0．5 a的监测，结果如表2所示。

表2 不同垂直井内水质和出水情况

部分垂直井在使用压缩空气直排法后的较短时间内就产生了严重的泡沫问题，如图7所示。而使用气动泵的垂直井没有显著的泡沫问题。当压缩空气直接作用到渗沥液上时，液体表面张力大，泡沫中的气体难以穿过气/液界面而释放出来，造成泡沫在系统中的“高势”富集。此类泡沫呈黄褐色、稳固、连续，无论用高压水冲洗或是用消泡剂都很难清理，不仅破坏了现场环境的美观，而且对于垃圾表面覆盖膜的填埋场，雨水冲刷泡沫，膜表面的水排入雨水沟，造成地表水污染。而气动泵内压缩空气不与渗沥液直接接触，故采用此法导排垂直井内渗沥液时，泡沫问题可以控制，满足环境要求。

数据分析发现，渗沥液内COD的含量是影响泡沫产生的主要原因。笔者所在的填埋场内渗沥液降解速度较快，垃圾填埋2～3 a后渗沥液的COD浓度可以从100 g/L降至10 g/L。当COD的浓度较低时，采用压缩空气直排法排水没有泡沫问题。因此压缩空气直排法在新鲜堆体上的垂直井内使用时容易产生泡沫，而在填埋了一段时间后的堆体上的垂直井内使用时，泡沫问题是可以避免的。

2.3 投资运行费用

无论对于气动泵还是对于压缩空气直排法，渗沥液的水位深度、压缩空气压力均会对渗沥液排出的流量有所影响。当渗沥液水位为15 m，选用1 kW可产生10 m3压缩空气的压缩机时，气动泵和压缩空气直排法的耗气量以及耗电量如表3所示。

表3 2种排水方式的耗气量与耗电量对比

从表3数据可知，气动泵的耗气量、耗电量均要优于压缩空气直排法，其用量节省2倍以上。但在选择排放方式时，除了考虑运行成本外，还需要考虑设备成本、维护成本，应根据综合成本来指导填埋场选择适合的排水方式。气动泵和压缩空气直排法的成本如表4所示。

表4 2种排水方式的费用对比

由于国内没有成品的气动泵，设备通常采用进口，价格昂贵。以QED气动泵为例，设备成本40 000元/台，设备的保修期为5 a，假设设备的重复率为3。压缩空气直排法采用HDPE管道现场制作，价格便宜，但排水管常因结垢而需要更新，虽结垢现象随着渗沥液的排放而逐渐减少［4］，但其重复率较高，假定为5。分析数据可知，当气动泵在此购买价格下，气体收集系统需要使用17 a才能使气动泵的综合费用等同于压缩空气直排法的综合费用。当年限小于17 a时，压缩空气直排法在综合费用上更加节省。反之，气动泵在综合费用上占有优势。

计算不同的气动泵价格对应的2种排水运行方式费用相同的年限，发现两者呈线性关系。若气动泵的价格下降，2种运行方式费用相同的年限也下降，如图8所示。若气动泵价格在20 000元以内时，填埋场气体收集系统的使用时间大于8 a，使用气动泵的综合费用要少于压缩空气直排法。故气动泵价格的降低势必使气动泵在排水上比压缩空气直排法更有优势。此外，降低气动泵的重复率也是减少气动泵综合成本的一个因素。运行中为避免设备停止后渗沥液结垢而导致设备无法正常运行，气动泵最好处于运行状态。

图8 气动泵价格与2种排水方式费用相同的年限关系

对于压缩空气直排法，减少运行费用是降低其综合费用的关键。观察发现，使用压缩空气直排法排水可以使渗沥液水位降至一定程度，之后即便压缩空气一直工作，水位也不能有效地下降（见图6），这对于压缩空气而言是浪费。垂直井内渗沥液的回渗速度比较缓慢，恢复时间较长，故采用阶段式的方法排水，在节省压缩空气使用量的同时完成渗沥液的排放，且不影响气体的收集。笔者所在的现场根据垂直井内水位的监测情况，采取3+2+2的运行方式，即排水3 h，关闭2 h，再排水2 h的方式，完全满足垂直井的排水需求和气体需求。这个阶段式的排水需要根据井内的实际降水水位和恢复情况来确定。

3 排水方式的特点

通过上述对2种排水方式的运行观察和数据分析，各自的运行特点如表5所示。

表5 2种排水方式的运行特点

4 结论与建议

1）选择垂直井渗沥液排水方式时应从排水速度和排水深度、出水状况及费用成本等多方面综合考虑。

2）选用气动泵排水时，降低气动泵的设备价格是减少其费用成本的关键。气动泵的国产化是未来气体收集系统的要求。

3）选择压缩空气直排法，可根据垂直井内渗沥液情况，采用阶段式排水的方法，在节省压缩空气使用量的同时完成渗沥液的排放，且不影响气体的收集。

4）若垂直井位于新鲜垃圾堆体上，井内渗沥液水位较高，气体利用系统对气体的收集量有明确要求；同时气体收集系统使用年限较长，气动泵要优于压缩空气直排法。

5）若垂直井位于已经填埋了一段时间的堆体上，井内渗沥液水位较低，气体利用系统对气体收集量没有严格的要求；同时气体收集使用年限较短，采用压缩空气直排法较气动泵更能满足抽气排水的要求。

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

［2］ Christopher E．Combined Landfill Gas and Leachate Extraction Systems［R］．UKPS Ltd，The Barclay Centre Ltd，University of Warwick Science Park，1994．

［3］ QED Manufacturer of AutoPump Landfill Pumps．Landfill Gas Well Pump Evaluation Guild［R/OL］．http://www．qedenv．com．

［4］薛丹丹，刘丹，李军，等．垃圾渗滤液输送管道结垢原因分析［J］．四川环境，2008（6）：9-12．

Characteristic Comparison of Pneumatic Pump and Compressed Air Direct Drainage Method for Leachate Extraction

Zhu Yan
（Shanghai Laogang MSW Treatment Co．,Ltd,Shanghai201302）

Several different ways to discharge waste leachate from the vertical wells of landfill gas were researched,and the operation data of the different drainage methods was analyzed．Discharge speed,drainage depth,flow condition and the cost were compared．The different operation characteristics were summarized．

vertical well；leachate；pneumatic pump；compressed air direct drainage method

X703．1

A

1005-8206（2012）02-0057-04

2012-02-10

朱燕（1980—），硕士，工程师，研究方向为固体废物的处理及填埋气体收集处理。

E-mail：echojuly@hotmail．com。

（责任编辑：刘冬梅）