封场生活垃圾填埋场好氧治理通风系统计算与应用

王颋军，李 玲，高建华，薛晓磊

（中节能大地环境修复有限公司，北京 100082）

1 引言

垃圾填埋是我国生活垃圾处理的最主要方式，在过去的几十年中，由于受经济发展水平的约束，众多城市的非正规垃圾填埋场未采取有效的防护措施，生活垃圾在降解过程中，产生的废气、废水和废渣污染了周围的空气、地下水和土壤［1，2］。然而随着城市化进程的加快，人民生活水平的提高，城区面积的扩大，特别在经济较发达的地区，这些垃圾场已从城市边缘转变为城市的中心或居住区，当地的居民存在被垃圾污染危害的可能性，正在成为我国实现可持续发展和城市化进程的突出制约因素。

原地加速降解治理是将填埋场变为生物反应器，改变填埋场中的物理和化学条件，建立符合微生物生长的环境，利用微生物的作用，加速垃圾中可生物降解有机物的分解，缩短填埋场的填埋时间，可以分为厌氧反应器和好氧反应器2种方法。好氧反应器在非正规垃圾填埋场的治理方面具有其他方案不可比拟的优势，好氧反应处理提高分解速率，减少有害和有气味气体的释放，并且提高渗滤液的品质，对改造填埋场、减少污染具有重大意义。目前，利用该技术治理的填埋场已有很多，例如美国Florida 州的New River 填埋场［3，4］、德国的Kuhstedt 填埋场［5，6］、中国北京石景山区的黑石头填埋场［7］和大连某垃圾填埋场［8］。

2 好氧生物反应器的原理

好氧生物反应器法治理垃圾填埋场是通过在填埋堆体中埋设注气井、注液井和排气井，向垃圾堆体内注入空气，并将收集的渗滤液和其他液体回注至垃圾堆体，使堆体中的有机物在适宜的含氧量、温度、湿度条件下，经好氧微生物的作用快速降解，缩短垃圾分解的时间。垃圾在好氧条件下的降解速率是厌氧下的30 倍以上［9］，因此极大缩短了填埋场稳定化的时间。同时通过排气井排除垃圾堆体中的二氧化碳等气体，并带出好氧反应产生的热量。

好氧生物反应器技术通风系统的空气经注气风机压缩后，通过铺设在填埋场表面的注气管线，输送至注气井中，进而扩散到整个填埋场内部，创造填埋场内的好氧环境，使垃圾进行好氧降解，生成的好氧填埋气在负压作用下，汇集到抽气井，通过连接负压风机的抽气管线，经汽水分离器、吸收塔等过滤、吸收有害有味气体后，安全地排放到大气中。工艺流程如图1 所示，固体好氧生物反应器系统组成包括3 个部分：①填埋场区域内抽气、注气、渗滤液收集和注液系统；②生物好氧反应器的控制系统；③生物好氧反应器综合监测系统。

图1 填埋场好氧生物反应器工艺流程示意

3 风量计算模型

好氧生物反应器技术治理封场填埋场工艺中的通风量主要是指填埋场内垃圾进行好氧降解所需的O2量和生成的好氧填埋气量。本研究以预测垃圾填埋场填埋气产生量的Buswell 化学计量模型［10］为基础，建立好氧技术通风量计算的化学计量模型。

首先，通过分析填埋场内垃圾组成，得出代表该填埋场中有机垃圾组成的概化分子式；然后，利用有机垃圾生物可降解度求出填埋场内可生物降解的垃圾质量；最后，基于以上2 点，利用Buswell 提出的垃圾好氧降解反应方程式，计算垃圾好氧降解所需要的O2量和降解后生成的好氧填埋气量。

3.1 计算概化分子式

按照填埋场内的垃圾组成，结合各类垃圾的元素分析，求出填埋场中垃圾各元素质量百分比，进而计算物质的量之比，并归一化，最后得到代表该填埋场有机垃圾的概化分子式CaHbOcNd。以求分子式中C 元素个数a 为例，计算如下：

式中：a 为C 元素个数；ωi为第i 类垃圾质量分数，%；θi为第i 类垃圾含水率，%；Ec，i为第i类垃圾C 元素的质量分数，%；Mc为C 元素的相对分子质量，12 g/mol。

3.2 计算生物可降解度

不同类型垃圾的生物可降解度不同，相关研究显示，生物可降解度与垃圾中难以生物降解的木质素含量直接相关，木质素含量高的有机垃圾生物可降解度较低。Tchobanoglous 等通过研究得出两者之间的关系如下：

式中：BFi为有机垃圾i 中可降解有机物的质量分数，%；LCi为有机垃圾i 中木质素质量分数，%。

根据式（2） 可确定填埋场内有机垃圾中可生物降解部分的质量分数。其中厨余垃圾LC1值为0.4%、纸类垃圾LC2值为5.8%，因此可得到厨余垃圾BF1=0.819、纸类垃圾BF2=0.668。而塑料、纺织品、橡胶、皮革等垃圾BF3=0，属于极难降解类垃圾。

有机垃圾中可降解垃圾的平均质量分数可按如下方法计算：

式中：BF 为有机垃圾中可降解垃圾的平均质量分数，%。

3.3 注气量的计算

注气量主要指注入填埋场内的空气量，可根据垃圾好氧降解所需的O2量求得。

有机垃圾与注入空气中O2反应的化学方程式如下：

根据好氧降解反应方程式（4） 和质量守恒定律可求出标准状况下垃圾降解所需要的O2量，依据理想气体状态方程，可求出该填埋场治理过程所需的理论注气量。

式中：Vin为注气量，m3；m 为垃圾量，kg；θw为含水率，%；θo为有机垃圾质量分数，%；θbf为有机垃圾中可降解垃圾的质量分数，%； kz为单位转化关系，1 000 g/kg；q 为进行好氧降解垃圾的质量分数，%；M 为概化分子式的相对分子质量，g/mol；R 为理想气体常数，8.314 kPa·L/（K·mol）；tin为进气温度，℃；Pin为进气状态压强，kPa；G为单位转化关系，0.001 m3/L；J 为空气中氧气体积分数，一般取值0.21。

3.4 抽气量的计算

抽气量主要包括好氧降解生成的CO2，部分垃圾厌氧降解生成的CO2、CH4和NH3（量少，本研究未考虑），注气过程带入的N2等，计算过程如下：

计算好氧降解生成的CO2，以反应方程式（4）为基础求得：

垃圾进行厌氧降解的化学反应方程式：

计算厌氧降解生成CO2和CH4，以反应方程式（8） 为基础求得：

式（6） 中的VCO2应包括好氧降解生成的CO2和厌氧降解生成的CO2，即：

N2量主要与注气量有关，其计算式为：

式中：Vout为抽气量，m3；VCO2-1为好氧降解生成的CO2，m3；VCO2-2为厌氧降解生成的CO2，m3；VN2为注气过程带入的N2，m3；tout为抽气状态温度，℃；Pout为抽气状态压强，kPa。

假定填埋场治理项目运行年限为N 年，则注气风机所提供的注气速率为：

抽气风机所提供的抽气速率为：

式中：uin为注气速率，m3/min；uout为抽气速率，m3/min。

4 风压计算模型

好氧生物反应器技术的通风压力是风机选型所必需的参数，同时对气体的扩散有重要影响。风机提供的压力主要克服管道压力损失和堆体压力损失。

4.1 堆体压力损失

以一级动力学模型和达西定律为理论依据，建立好氧生物反应器技术通风系统注气和抽气压力的计算模型。

以注气井注气压力为例进行建模，抽气井的抽气压力模型可以类推得到。建模过程的基本假设：①填埋场足够大，边界效应可忽略，竖直方向上的压力梯度不考虑；②注气速率达到了稳定状态，即风机以恒流量注气；③注入的气体在填埋场内的横向迁移速率，随距注气井距离的变化规律服从一级动力学衰减规律和达西定律。

由假设可知，气体通过注气井向四周扩散，扩散速率符合一级动力学衰减规律：

式中：V 为堆体中气体的扩散速率，m/s；V0为堆体中气体最大扩散速率，即注气井处气体扩散速率，m/s；r 为距离注气井的距离，m；k 为衰减系数；Qw为单井注气速率，m3/s；Dw为注气井的直径，m；Hw为井的深度，m。

由多孔介质流体力学理论可知，注入的气体在填埋场中的扩散过程符合达西定律，即：

式中：Kh为填埋场内垃圾的渗透系数，m2/（Pa·s）；dp/dr 为注气井周边水平方向的压力梯度，Pa/m。

结合式（15） ～式（17），建立注气井周围填埋场内气体压力分布模型：

该模型的边界条件是：

式中：Pin为注气井的注气压力，Pa；P（r）为距注气井r 处的气体压力，Pa。

在此边界条件下，对上式进行求解可得：

式中：Qw为单井注气速率，m3/s；h 为填埋场深度，m；ψ 为单位体积垃圾的氧气消耗速率，由注气速率除以总体积求得。

将式（22）带入式（21），并对其进行求导，得：

根据相关研究结果，在井影响半径处，通风压力在沿水平方向的梯度为0.5～1.2 Pa/m。本研究取压力梯度为0.8 Pa/m，根据式（23） 可求得注气压力。

4.2 管道压力损失

管道的压力损失计算公式为：

式中：λ 为摩阻系数；l 为管道的长度，m；d为管道的内径，mm；ε 为管件的阻力系数；ρ 为气体的密度，kg/m3；u 为管道内流体的速度，m/s。

通过以上推导过程，风机的全压计算公式如下：

式中：ΔP 为风机的全压，kPa；Pin、Pp分别为堆体压力损失、管道压力损失，kPa。

5 应用案例

以我国东北地区某市的垃圾填埋场好氧治理工程为研究对象进行模型应用研究。该填埋场主要包含建筑垃圾、厨余垃圾、纸张、塑料等，目前仍处于产气高峰期。模型中涉及有关填埋场参数如表1 所示。

表1 填埋场相关参数

好氧治理工程通风系统的设计主要包括井网系统、管网系统、设备系统3 个方面。其中管网系统由3 种不同管径的管线组成，各管线之间通过各种管件相连。有关通风系统的工艺设计参数如表2 所示。

表2 工艺设计相关参数

根据表1 的相关参数可求出代表该填埋场有机垃圾的概化分子式为C32H51O20N，由通风量和通风压力的计算模型可求出该填埋场的治理项目所需要的通风速率和通风压力，结果如表3 所示。

表3 计算结果

根据表3 的计算结果可对风机进行选型，一般认为注气风机提供堆体的压力损失，这主要是由于负压风机在真空度较大的情况下会引起地下水位上升，导致抽气井的堵塞。

6 结论

本研究从质量守恒定律出发，以Buswell 提出的垃圾好氧降解反应方程式为基础，建立了计算通风量的化学计量模型；以达西定律为基础，建立了计算通风压力的数学模型；并将其应用于我国东北某市的封场垃圾填埋场原位好氧治理工程的计算，验证了2 个模型的合理性和准确性。