專利名稱：兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統及其方法。
技術背景垃圾滲濾液和溫室氣體是城鎮生活垃圾填埋處置過程中產生的兩大污染 物。在傳統衛生填埋方式下填埋垃圾降解緩慢，堆體穩定需要幾十甚至幾百年， 因此若處理不當，滲濾液和溫室氣體將長期嚴重危險生態環境安全和人體健康。 為減小填埋場對環境的不利影響，歐洲聯盟制定了逐步減少垃圾中有機物含量的計劃，到2016年使得進入填埋場的有機垃圾量比1995年減少65%。近20年來，生物反應器垃圾填埋技術是這一領域的研究熱點，其規模小到 實驗室大到現場應用。大量研究證明，生物反應器垃圾填埋技術可加速垃圾堆 休穩定化進程，提高產氣量，并加速堆體沉降。影響生物反應器運行效果的主 要因素有滲濾液回灌、垃圾性質、酸度調節、強制通風以及氣候等，其中水分是 關鍵因素。Dayanthi等人發現堆體充水可促進水解和酸化。而將酸化階段的滲濾 液回灌至處于產甲烷階段的填埋體則有利于滲濾液水質的改善。然而，在實際 應用中，直接進行滲濾液回灌可能引起一些運行上的問題，如局部積水、堵塞， 尤其是不均勻沉降。研究證明，不同城鎮垃圾快速降解所需的最佳滲濾液回灌 工藝各不相同，因此滲濾液回灌工藝的選擇很困難。同時，滲濾液回灌可造成 垃圾層逐步壓實，不利于產氣擴散，造成填埋氣體在垃圾層局部區域積累，因 此垃圾層的填埋氣體往往需要主動抽氣方可被收集。同時，填埋氣體積累區易 形成滲濾液短流區，使得滲濾液回灌效率大大降低。在實際填埋場中，填埋作 業期往往持續較長時間，其間有大量惡臭排入大氣層，即便是填埋后進行氣體 收集，也很難避免填埋氣體從覆土層溢出的問題。研究表明，在充水條件下填 埋垃圾可以得到快速降解，垃圾層壓得過于密實不利于垃圾的降解。總之，傳統垃圾填埋方式以及滲濾液回灌存在諸多問題:(l)有機物降解緩慢， 產氣持續時間漫長，產氣量小且釋放面廣收集難度大，因此大量填埋氣體、惡 臭直接排入環境，破壞大氣層；同時，甲烷能源流失嚴重。(2)填埋垃圾長期得 不到穩定，垃圾降解產生大量滲濾液，易穿透防滲層而污染地下水。(3)垃圾填 埋過程中需要消耗大量覆土， 土地資源破壞嚴重、運輸費用高昂。(4)填埋體機 械穩定性差垃圾異質性易造成填埋體不均勻沉降；為節省有效填埋庫容，填 埋垃圾往往被壓得過于密實，使得堆體內氣體難于擴散而積累，并進一步阻礙
堆體內垃圾的降解進程。 發明內容本發明的目的是提供一種兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統及其方法。 它包括多個垃圾快速降解單元、氣體收集與凈化單元、最終填埋單元，垃圾 快速降解單元包括垃圾裝填區、頂棚、集氣區、導氣口、進料口、注液口、排液口、出料口、鼓風口、地基、外圍墻體，垃圾填埋區側壁設有外圍墻體，垃 圾填埋區底部設有地基，垃圾填埋區的外圍墻體下部設有多個排液口、多個出 料口、多個鼓風口，垃圾填埋區上部設有集氣區，集氣區上部設有頂棚，頂棚 上設有導氣口、多個垃圾進料口、注液口。所述的垃圾快速降解單元有效容量為5000-8000m3。兩步式城鎮生活垃圾填埋處理方法是將城鎮生活垃圾的填埋過程分為垃圾 快速降解與能源化以及穩定化垃圾最終處置兩個步驟，快速降解單元包括填埋 作業單元、降解與產氣單元、垃圾穩定化單元、熟料開挖單元、閑置待填單元， 每個單元的功能處于動態循環之中，首先將新鮮垃圾通過填埋作業單元的進料 口裝填到該單元的填埋區，垃圾裝填密度為400~450 kg/m3，持續裝填時間為 60~100天，垃圾裝填結束后，將垃圾穩定化單元的滲濾液通過填埋作業單元的 注液U引入該單元，使新鮮垃圾層充滿水分，然后對該填埋作業單元實施密封， 再通過集氣區的導氣口與氣體收集與凈化單元相連接，同時觀察該單元填埋氣 體產生量的變化，當產氣量由低到高再降至較低水平時，停止收集氣體，完成 垃圾快速降解與能源化，接著將該單元內一部分滲濾液引入到另一填埋作業單 元的新鮮垃圾層，剩余滲濾液凈化處理后外排，然后通過導氣口鼓風加壓將滲 濾液從垃圾層中盡量壓出，再通過底部鼓風驅趕垃圾層內的殘留氣體，使殘留 氣體從導氣口進入氣體收集與凈化單元，最后將穩定化垃圾從出料口挖出，并 轉移到最終填埋單元，實現穩定化垃圾的最終處置。本發明的效益在于加速生活垃圾的降解與穩定化，收集并利用甲垸氣體， 避免了大氣污染與能源流失；實現了垃圾滲濾液的原位處理，同時避免滲濾液 下滲污染地下水；垃圾穩定化以后體積大大減小，使得單位最終填埋庫容的垃 圾填埋量大大增加，相應也可節省覆土消耗量；穩定化垃圾的可降解性大大降 低，因而最終填埋后，可避免不均勻性沉降，又便于封場管理。
圖1是兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統示意圖； 圖2 (a)是本發明的垃圾快速降解單元結構主視圖2 (b)是本發明的垃圾快速降解單元結構俯視圖； 圖3是本發明實施例的日產氣量變化過程； 圖4是本發明實施例的產氣組分變化過程； 圖5是本發明實施例的滲濾液水質變化過程；圖中，垃圾降解進程l，產氣收集管路2、滲濾液轉移管路3、垃圾裝填區 4、頂棚5、集氣區6、導氣口7、進料口8、注液口9、排液口 10、出料口 11、 鼓風口 12、地基13、外圍墻體14。
具體實施方式
兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統包括多個垃圾快速降解單元、氣體收集與 凈化單元、最終填埋單元，垃圾快速降解單元包括垃圾裝填區4、頂棚5、集氣 區6、導氣口 7、進料口 8、注液口 9、排液口 10、出料口 11、鼓風口 12、地基 13、外圍墻體14，垃圾填埋區4側壁設有外圍墻體14，垃圾填埋區4底部設有 地基13，垃圾填埋區4的外圍墻體14下部設有多個排液口 10、多個出料口 11、 多個鼓風口 12，垃圾填埋區4上部設有集氣區6，集氣區6上部設有頂棚5， 頂棚5上設有導氣口 7、多個垃圾進料口 8、注液口 9。所述的垃圾快速降解單 元有效容量為5000-8000 m3。氣體收集與凈化單元和垃圾最終填埋單元可參照 《城市生活垃圾衛生填埋技術標準》(編號C J J 1 7 — 8 8 )。兩步式城鎮生活垃圾填埋處理方法是將城鎮生活垃圾的填埋過程分為垃圾 快速降解與能源化以及穩定化垃圾最終處置兩個步驟，快速降解單元包括填埋 作業單元、降解與產氣單元、垃圾穩定化單元、熟料開挖單元、閑置待填單元， 每個單元的功能處于動態循環之中，首先將新鮮垃圾通過填埋作業單元的進料 口 8裝填到該單元的填埋區4，垃圾裝填密度為400-450 kg/m3，持續裝填時間 為60-100天，垃圾裝填結束后，將垃圾穩定化單元的滲濾液通過填埋作業單元 的注液口 9引入該單元，使新鮮垃圾層充滿水分，然后對該填埋作業單元實施 密封，再通過集氣區6的導氣口 7與氣體收集與凈化單元相連接，同時觀察該 單元填埋氣體產生量的變化，當產氣量由低到高再降至較低水平時，停止收集 氣體，完成垃圾快速降解與能源化，接著將該單元內一部分滲濾液引入到另一 填埋作業單元的新鮮垃圾層，剩余滲濾液凈化處理后外排，然后通過導氣口 7 鼓風加壓將滲濾液從垃圾層中盡量壓出，再通過底部鼓風驅趕垃圾層內的殘留 氣體，使殘留氣體從導氣口 7進入氣體收集與凈化單元，最后將穩定化垃圾從 出料口ll挖出，并轉移到最終填埋單元，實現穩定化垃圾的最終處置。 本發明快速降解單元的設計原理
快速降解單元有效容量的計算公式v = !;式中，單元有效容量(m3)， w—服務區生活垃圾日產生量(t/d)， 垃圾裝填密度(t/m3)，"一可同時充當填 埋作業單元的數量，f一持續服務天數(d)。1) 持續服務天數的確定持續服務天數是指填滿一座填埋作業單元所需要的時間，隨之實施密封以 收集填埋氣體。垃圾裝填后會發生水解發酵作用，并在若干天內耗盡垃圾層中 的氧氣而進入厭氧狀態。然后，垃圾層會因深度酸化而產生惡臭氣體，同時對 產甲烷菌產生抑制作用。 一般情況下，在填埋氣體中開始出現甲烷氣體大約需 要1 2個月時間，之后甲烷含量會逐漸上升直到垃圾層進入穩定產甲烷階段， 而高溫天氣會加速這一過程的進行。在垃圾裝填過程中快速降解單元與大氣保 持相通，為盡可能避免大氣污染并合理收集甲烷，同時考慮到建設投資問題， 持續服務天數以60 100天為宜，夏季可適當縮短，春、秋、冬季則適當延長。2) 垃圾裝填密度的確定在傳統填埋方式下，垃圾壓實密度一般都高于600kg/m3。有些填埋場為節 省填埋庫容，甚至將垃圾壓實密度提高至800-1000 kg/m3。但研究發現，垃圾 層壓實密度過高不利于氣體擴散，從而造成氣體在垃圾層內積累。 一方面，積 累起來的氣體會將垃圾層中的滲濾液擠出，引起垃圾層缺水而不利于垃圾降解； 另一方面，積累起來的氣體會將產甲烷菌細胞包裹，阻斷其與有機物的接觸， 從而抑制產甲烷作用。因此，為加速垃圾的降解，應適當降低垃圾壓實密度， 使垃圾層較為疏松，以保證填埋氣體的順利擴散，同時為節省庫容，在快速降 解單元中較為適宜的垃圾壓實密度為400-450 kg/m3。3) 快速降解單元數量的確定快速降解單元的總數量取決于垃圾快速穩定化周期等因素。研究發現，進 入穩定產甲烷階段的垃圾在持續5~6個月的高速產氣后，即可基本進入穩定化 階段。由此推測，快速降解單元的重復使用周期應在1年左右。這樣，快速降 解單元的總有效容量必需滿足特定城鎮服務區1年內產生的生活垃圾的處理需 要。若以S0天作為平均持續服務天數，那么整個垃圾降解過程可分成4 5個階 段。在實際操作中，對于特定的城鎮服務區而言，生活垃圾的日產生量基本可 以確定，再權衡確定可同時充當填埋作業單元的數量及其有效容量。從密封性 角度考慮，快速降解單元需要小型化，但這樣會增加單元數量。鑒于此，快速 降解單元有效容量以5000 8000m3為宜，可同時充當填埋作業單元的數量則以 2~3座為宜。 依據以上設計原理，對于一座日產垃圾為100噸的城鎮而言，需要建設有效容量為5000~8000 m3的快速降解單元10~15座，各單元配有氣體收集系統、 新鮮垃圾進料口、穩定化出料口、滲濾液回灌與排放口等。 本發明的工作過程首先，關閉并密封快速降解單元的出料口 11、排液口 10、鼓風口 12，通過 進料口 8將城鎮生活垃圾裝進快速降解單元。在垃圾裝填過程中，各進料口裝 填量基本相同，并給予適當壓力使堆體仍處于疏松狀態，以利于氣體擴散和垃 圾降解。垃圾裝填結束后，關閉進料口 8，并連接導氣口 7與氣體凈化利用系統， 然后通過注液口 9和滲濾液轉移系統3將來自穩定化垃圾填埋單元的滲濾液注 入填埋作業單元，使滲濾液充滿整個垃圾層，再關閉注液口 9。最后，使填埋單 元處于完全密封狀態，以保證厭氧產氣和氣體收集的順利進行。整個填埋作業 時間以60 100天為宜，夏季可適當縮短，春、秋和冬季則適當延長利用導氣和氣體收集系統，對垃圾降解過程中產生的填埋氣體進行收集。分 析氣體成分，利用有效的氣體凈化裝置，去除惡臭、二氧化碳等成分，生產較 純的甲烷氣體作為能源。同時，觀測產氣量變化趨勢，判斷快速降解單元中有 機物的降解進程。當產氣量日趨減少時，大量有機物已轉化為性質較為穩定的 腐殖質。同時，分析滲濾液成分如揮發性有機物，當滲濾液中揮發性有機物含 量將至很低時，表明垃圾已處于穩定化狀態。通過排液口 10，將一部分穩定化 滲濾液，轉移至填埋作業單元， 一方面為垃圾快速降解提供足夠水分， 一方面 對新鮮垃圾進行接種產甲烷微生物；同時，能夠稀釋新鮮垃圾滲濾液以緩解酸 化過程對產甲烷菌的抑制作用。剩余滲濾液可利用堆體外污水處理系統進行凈 化處理，然后外排。盡可能排出滯留在垃圾層內的滲濾液，可以借助外力，如通過導氣口7向垃 圾層強制通風，使得垃圾層出現正壓，將滲濾液從排液口 IO壓出。接著，通過 鼓風口 12向垃圾層強制通風，驅趕滯留在垃圾層內的氣體。打開進料口8和出 料口 11，將已經處于穩定狀態的垃圾挖出，直接進入最終填埋單元。熟料挖出 后，該單元暫時處于閑置狀態，此時需要關閉排液口 10，出料口 11，鼓風口 12， 以便下一次裝填垃圾。 實施例本實施例采用自制生物反應器強化城鎮生活垃圾的降解過程，主要考察了 產氣情況與滲濾液水質變化過程。 l)實驗材料與方法 反應器呈圓柱形，高150 cm,直徑35cm。根據杭州市2002 2004年生活 垃圾特征，人工合成模擬垃圾。垃圾裝填量為39 kg (濕重)，裝填密度為324.5 kg/m3。垃圾裝填后，向反應器中一次性注水，使垃圾層處于充水狀態。2005年 9月25日反應器正式啟動，冬春兩季控制室內溫度不低于18°C，其余時間不對室溫進行控制。2) 實驗結果試驗結果如圖3-5所示。圖3顯示，垃圾裝填初期150天內產氣速率較低， 主要由低溫和酸度抑制所致。150天后，隨著溫度升高日產氣量逐漸增加，高速 產氣時間持續約110天，最大日產氣量為19.6L/d。圖4顯示，150天后產氣中 甲烷含量達到55%以上，表明反應器進入穩定產甲烷階段。實驗結束時，甲烷 累計產生量為1789 L。圖5顯示，滲濾液COD最高濃度為30000 mg/L以上， 運行350后COD下降至1500 mg/L， pH上升至6.9以上。3) 小結在水飽和情況下，溫度是影響垃圾降解進程的主要因素之一。模擬試驗表明， 垃圾穩定化時間約需要1年，可產生大量甲垸氣體，且滲濾液有機物負荷大大 降低。由于模擬反應器直徑較小，受外界氣溫的影響很大，特別冬季低溫的不 利影響更為明顯。在實際填埋情況下，有機物分解產生的熱量可貯存于垃圾層， 從而維持堆體較高溫度，使得外界溫度變化對堆體的影響變小，保證垃圾降解 過程的順利進行，因此垃圾穩定化時間應該在1年左右。
權利要求
1.一種兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統，其特征在于包括多個垃圾快速降解單元、氣體收集與凈化單元、最終填埋單元，垃圾快速降解單元包括垃圾裝填區(4)、頂棚(5)、集氣區(6)、導氣口(7)、進料口(8)、注液口(9)、排液口(10)、出料口(11)、鼓風口(12)、地基(13)、外圍墻體(14)，垃圾填埋區(4)側壁設有外圍墻體(14)，垃圾填埋區(4)底部設有地基(13)，垃圾填埋區(4)的外圍墻體(14)下部設有多個排液口(10)、多個出料口(11)、多個鼓風口(12)，垃圾填埋區(4)上部設有集氣區(6)，集氣區(6)上部設有頂棚(5)，頂棚(5)上設有導氣口(7)、多個垃圾進料口(8)、注液口(9)。
2. 根據權利要求1所述的一種兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統，其特征在 于所述的垃圾快速降解單元有效容量為5000~8000 m3。
3. —種使用權利要求1所述系統的兩步式城鎮生活垃圾填埋處理方法，其特 征在于，將城鎮生活垃圾的填埋過程分為垃圾快速降解與能源化以及穩定化垃 圾最終處置兩個步驟，快速降解單元包括填埋作業單元、降解與產氣單元、垃 圾穩定化單元、熟料開挖單元、閑置待填單元，每個單元的功能處于動態循環 之中，首先將新鮮垃圾通過填埋作業單元的進料口(8)裝填到該單元的填埋裝填 區(4)，垃圾裝填密度為400~450 kg/m3，持續裝填時間為60~100天，垃圾裝填 結束后，將垃圾穩定化單元的滲濾液通過填埋作業單元的注液口(9)引入該單元， 使新鮮垃圾層充滿水分，然后對該填埋作業單元實施密封，再通過集氣區(6)的 導氣口(7)與氣體收集與凈化單元相連接，同時觀察該單元填埋氣體產生量的變 化，當產氣量由低到高再降至較低水平時，停止收集氣體，完成垃圾快速降解 與能源化，接著將該單元內一部分滲濾液引入到另一填埋作業單元的新鮮垃圾 層，剩余滲濾液凈化處理后外排，然后通過導氣口(7)鼓風加壓將滲濾液從垃圾 層中盡量壓出，再通過底部鼓風驅趕垃圾層內的殘留氣體，使殘留氣體從導氣 口(7)進入氣體收集與凈化單元，最后將穩定化垃圾從出料口(ll灘出，并轉移到 最終填埋單元，實現穩定化垃圾的最終處置。
全文摘要
本發明公開了一種兩步式城鎮生活垃圾填埋處理系統及其方法。它將垃圾填埋過程分為垃圾快速降解與能源化以及穩定化垃圾最終處置兩步，該系統主要由垃圾快速降解單元、氣體收集與凈化單元、最終填埋單元組成，快速降解單元由填埋作業單元、降解與產氣單元、垃圾穩定化單元、熟料開挖單元以及閑置待填單元組成，各單元處于動態循環之中，垃圾層較為疏松且充滿水分。本發明可顯著加速城鎮生活垃圾的降解與穩定化進程，實現填埋氣體的能源化，減少大氣污染，實現垃圾滲濾液中污染物的原位削減，可避免地下水污染，同時可節省垃圾填埋場的有效填埋庫容與覆土消耗量，最終填埋后的垃圾較為穩定，可避免不均勻性沉降，便于封場管理。
文檔編號B09B5/00GK101125337SQ20071007129
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年9月13日
發明者吳偉祥, 郝永俊, 陳英旭 申請人:浙江大學