一种填埋场好氧修复填埋气原位处理的新型覆盖系统的制作方法

本发明涉及固废资源化利用及填埋气体处理技术领域，特指一种填埋场好氧修复填埋气原位处理的新型覆盖系统。

背景技术：

在过去的几十年中，中国由于受经济发展水平的制约，众多城市的非正规垃圾填埋场未采取有效的防护措施，生活垃圾在非控制的自然降解过程中，产生的废气、废水和废渣污染了周围的空气、地上/地下水和土壤。由于垃圾在地下自然分解需要50~100年时间，这些宝贵 的土地资源闲置浪费和不能开发利用，对中国经济的发展、城市化进程和人民生活健康形成了巨大的威胁，成为中国实现可持续发展和城市化进程的突出制约因素。如何合理处置城市生活垃圾填埋场、保护生态环境是我国和世界各城市所共同面临的重大环境问题。20世纪70年代起，美国、英国、加拿大、澳大利亚、丹麦、意大利、瑞典和日本等国相继开始了垃圾生物反应器填埋技术的研究。近10年来，反应器填埋技术逐渐开始在我国进行研究与应用，其基本原理是，将垃圾填埋场看作一个大的生物反应器，通过强制通风、渗透液回灌等手段，改变了填埋场中物理和化学条件，建立符合微生物生长的环境，利用好氧微生物的作用替代原有的厌氧微生物生态系统，使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，生成稳定的腐殖质、无机物、CO₂、水等，大大减少危害最大的温室气体—甲烷的产生与排放，同时降低渗沥液污染强度，缩短填埋场的稳定时间。该技术需要布设大量的注气井、抽气井，形成注气抽气系统，运行过程中必须使用风机注入大量空气，并将反应后的气体再强制抽出。一方面，此系统中的抽气过程能耗较大，管理难度较大，另一方面在好氧修复的实际应用过程无法避免少量厌氧死角的存在，气体产物中总有少量甲烷（通常低于5%），所以需要进行增加复杂、昂贵的尾气处理系统。综上所述这种方法有以下弊端：1.在填埋场中钻井工艺复杂、造价昂贵，且存在爆炸等安全隐患。2.抽气过程通耗较高，管理难度大。3.尾气处理系统管理复杂、造价高。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供了一种填埋场好氧修复填埋气原位处理的新型覆盖系统，采用矿化垃圾、堆肥物质、成熟污污混合物作生物处理层，辅以常规材料组成的排气层、防渗层、排水层、营养土层等作表面覆盖层，形成的新型覆盖系统，该结构适用于中小型、填埋龄较长、埋深较浅的填埋场的好氧修复。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种填埋场好氧修复填埋气原位处理的新型覆盖系统，包括表面覆盖层、排气层、生物处理层、气体分布层与导气管道，表面覆盖层、排气层、生物处理层与气体分布层自上而下依次覆盖于垃圾填埋场的垃圾层上，导气管道一端设于垃圾填埋场的垃圾层内，导气管道另一端穿于气体分布层与生物处理层连通于排气层。

进一步而言，所述表面覆盖层由防渗层、排水层、营养土层等组成。

进一步而言，所述排气层采用导排性能好、抗腐蚀的粗粒或多孔材料，料径为25~50mm，渗透系数大于1X10^_2cm/s，排气层铺设有气体收集和渗滤液回流管，气体收集和渗滤液回流管厚度大于30cm。

进一步而言，所述生物处理层由60~70%的矿化垃圾、20~30%的成熟污污泥与10~20%的堆肥物质混合设置而成，生物处理层设有含水率监测探头、温度监测探头与甲烷浓度监测传感器，且采用250~1000m²/只。

进一步而言，所述生物处理层厚度为50~60cm、粒径为45~50mm、孔隙度大于14%、含水率为30~50%、温度为20~35℃、有机质含量为10~15%、PH值为接近中性。

进一步而言，所述气体分布层由粒径较大的碎石、碎灯管等废弃物组成，气体分布层的厚度采用15~30 cm。

本发明有益效果：

本发明利用生物处理层对好氧修复过程中产生的少量甲烷氧化，甲烷氧化率可达80%以上，能够进一步实现填埋场的温室气体减排，代替尾气处理系统和部分抽气系统功能;

2.利用原材料为废弃物，矿化垃圾属于填埋废物，污泥和堆肥物质也都属于市政固废，成本较低，其工艺简单，可大幅度减小好氧修复投资，对于该技术的推广具有重大意义。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图;

图2是本发明导气管道示意图;

图3是本发明工作原理图。

1.表面覆盖层;2.排气层;3.生物处理层;4.气体分布层;5.气体收集和渗滤液回流管;6.垃圾层;7.导气管道;8.含水率监测探头;9.温度监测探头。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

如图1图2所示，本发明所述一种填埋场好氧修复填埋气原位处理的新型覆盖系统，包括表面覆盖层1、排气层2、生物处理层3、气体分布层4与导气管道7，表面覆盖层1、排气层2、生物处理层3与气体分布层4自上而下依次覆盖于垃圾填埋场的垃圾层6上，导气管道7一端设于垃圾填埋场的垃圾层6内，导气管道7另一端穿于气体分布层4与生物处理层3连通于排气层2。本发明采用矿化垃圾、堆肥物质、成熟污泥混合物作为生物处理层3，铺设于气体分布层4上部，并铺以表面覆盖层1。利用生物处理层3对好氧修复过程中产生的少量甲烷氧化，甲烷氧化率可达80%以上，能够进一步实现填埋场的温室气体减排，代替尾气处理系统和部分抽气系统功能;利用原材料为废弃物，矿化垃圾属于填埋废物，污泥和堆肥物质也都属于市政固废，成本较低，其工艺简单，可大幅度减小好氧修复投资，对于该技术的推广具有重大意义。其中，导气管道7的作用在于通过排气层2排除填埋场的垃圾层6产生的甲烷。

更具体而言，所述表面覆盖层1由防渗层、排水层、营养土层等组成。表面覆盖层1作为新型覆盖系统的常规材料。

更具体而言，所述排气层2采用导排性能好、抗腐蚀的粗粒或多孔材料，料径为25~50mm，渗透系数大于1X10^_2cm/s，排气层2铺设有气体收集和渗滤液回流管5，气体收集和渗滤液回流管5厚度大于30cm。气体收集和渗滤液回流管5的作用在于气体收集和渗滤液回灌。

更具体而言，所述生物处理层3由60~70%的矿化垃圾、20~30%的成熟污污泥与10~20%的堆肥物质混合设置而成，生物处理层3设有含水率监测探头8、温度监测探头9与甲烷浓度监测传感器，且采用250~1000m²/只。本发明所述矿化垃圾需取自填埋年限较长（大于10年），已基本矿化（有机质含量小于15）的老填埋场，经过破碎、机械筛选、人工拣选等工序，除去金属、塑料、陶瓷、玻璃等物质，保证料径均匀;成熟污泥为污泥厌氧消化之后并经过脱水后的成熟污泥;堆肥物质可以是一般的堆肥厂产生生物质垃圾的堆肥产物，也可以是餐厨垃圾厂中好氧消化后的垃圾残渣，其堆肥物质标准满足国家堆肥要求。其中，在本发明材料中，矿化垃圾经由填埋气体中甲烷的长期驯化而施导富含甲烷氧化菌，且甲烷氧化能力较高，好氧污泥和堆肥物质还可以为甲烷氧化菌提供有机质及氮，磷，微量元素等营养物质，在该生物处理层3中甲烷氧化菌是在减轻CH4排放至关重要的作用。该生物处理层3富含甲烷氧化菌，且适于甲烷氧化菌生长繁殖，且甲烷氧化菌就专性好氧菌，好氧修复时向垃圾堆体通入空气，能进一步提高甲烷单加氧酶的活性高，因此可使填埋场中产生的甲烷，在途经生物处理层3时被栖息于其间的甲烷氧化菌所氧化，即使甲烷本底浓度很低，仍可以获得理想效果。

更具体而言，所述生物处理层3厚度为50~60cm，生物处理层3厚度过低，甲烷氧化菌过少，且甲烷停留时间短，无法保证理想的甲烷氧化率，厚度过高会浪费原材料且增加空气注入量。当厚度为50~60cm时通常能够保证低气体传输速率及甲烷停留时间互相平衡，在实际应用中，生物处理层3具体厚度根据混合材料的甲烷氧化能力测试结果和填埋场前期勘探结果共同确定，主要取决因素包括生物处理层3材料自身性质，垃圾土层厚度、密度、有机物含量、甲烷含量等;

更具体而言，所述生物处理层3粒径为45~50mm，颗粒粒径与生物处理层的孔隙度和压实度密切相关，相对来说，粗粒径的混合物质甲烷氧化潜力普遍高于细粒径（比表面积大，便于附着），且气体转输主要受大孔径（直径约50mm）控制，该尺寸范围能有效提高气体传输效率。

更具体而言，所述生物处理层3孔隙度大于14%，尽量避免生物处理层3不必要的压力，压实度和粒径决定生物处理层3的孔径分布，孔隙分布直接影响着氧气的扩散，进而影响甲烷的氧化。

更具体而言，所述生物处理层3含水率为30~50%，微生物的生长繁殖必须以水为基础，但在水中，甲烷和氧气的扩散速率比在空气中低四个数量级，因此需要保持合适的含水率以保证甲烷和氧气的扩散迁移不受水分抑制。

更具体而言，所述生物处理层3温度为20~35℃，适当提高温度有利于提高生物处理层的氧化甲烷能力。当温度低于这个范围（尤其是<15℃），甲烷单加氧酶的活性受到抑制，甲烷氧化能力迅速降，甲烷氧化菌是对其他不利因素，如营养因素的限制，也会更加敏感。

更具体而言，所述生物处理层3有机质含量为10~15%，土壤有机质含量与甲烷氧化菌的活性呈正相关关系，富含有机质的覆盖层微生物的数量和活性显著增加,可使覆盖层的甲烷氧化能力提高2～3倍，但另一方面堆肥等富含有机质物质的支撑作用较弱，易于被压实，从而影响氧气在覆盖层中的扩散，不利于覆盖层的甲烷氧化。

另外，生物处理层3的堆肥物质中本身含有营养物质，过量添加，生物处理层3中离子浓度过高，反而会抑制甲烷氧化。随着时间推移营养物质会渐渐减少，对甲烷氧化产生抑制，因此需要补充少量的氮源(NO3-)、磷源及微量元素。另外好氧修复排出的气体中甲烷本底浓度很低，无机氮含量对甲烷氧化的影响相对复杂，可能存在正面或负面的影响，若氮源过量会促进硝化作用，与生物处理层甲烷的氧化存在一定的竞争关系。

更具体而言，所述气体分布层4由粒径较大的碎石、碎灯管等废弃物组成，气体分布层4的厚度采用15~30 cm。直接铺设垃圾层之上，起缓冲作用，使从垃圾堆体中排出的气体分布均匀，从而有利于甲烷在生物处理层的氧化。

如图3所示，

场地平整：必须对垃圾堆体进行整形改造，以使堆体达到稳定和排水要求。此外，若堆体上有粘土等临时覆盖，其渗透系数通常约为10^-7，将会抑制气体的传输，因此必须将粘土整体挖出或挖设宽沟槽（约1.5米），使垃圾层裸露。

依次覆盖：按照顺序由下而上依次铺设气体分布层、生物处理层、排气层、相关管道、防渗层及排水层。在生物处理层中安置传感器，进行含水率、温度、甲烷浓度的监测，其布设原则为250-1000m²/只。生物处理层具体厚度根据混合材料的甲烷氧化能力测试结果和填埋场前期勘探结果共同确定。并需保证初始时生物处理层的孔隙度和含水率等参数在最佳范围，以缩短生物处理层中甲烷氧化菌的适应期。必要时可添加甲烷氧化菌剂来增加甲烷氧化菌密度，或添加蔗糖、葡萄糖等糖类化合物对生物处理层中的甲烷氧化菌进一步激活驯化，提高其甲烷氧化效果。

运行过程中参数控制: 依托好氧修复过程中的监测系统，在线监测生物处理层的含水率、温度、甲烷浓度，并定期监测生物处理层的营养物质和孔隙度等因素。根据以上数据及时反馈调节，保证甲烷的氧化率大于80%。当含水率过低时可通过渗滤液回流添加水分，可为生物处理层添加营养物质，并进一步减少好氧修复过程中渗滤液产生量，削减投资。温度是通风和回灌的共同作用结果，通常堆肥层的自加热及好氧过程中垃圾层散发热量提供足够的热量维持一定甲烷氧化速率。

在好氧修复过程中，空气经过注气管强制注入垃圾堆体内，使垃圾中的有机质发生好氧降解反应，反应后的尾气迁移至堆体表层，在经过本专利发明的生物质覆盖层之后，尾气中的部分甲烷及其他有害气体被氧化降解或稀释，在生物质覆盖层之上的导气层富集后，经导气层中布置的穿孔导气管道收集并统一排放。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。