专利名称：两步式城镇生活垃圾填埋处理系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种两步式城镇生活垃圾填埋处理系统及其方法。
技术背景垃圾渗滤液和温室气体是城镇生活垃圾填埋处置过程中产生的两大污染 物。在传统卫生填埋方式下填埋垃圾降解缓慢，堆体稳定需要几十甚至几百年， 因此若处理不当，渗滤液和温室气体将长期严重危险生态环境安全和人体健康。 为减小填埋场对环境的不利影响，欧洲联盟制定了逐步减少垃圾中有机物含量的计划，到2016年使得进入填埋场的有机垃圾量比1995年减少65%。近20年来，生物反应器垃圾填埋技术是这一领域的研究热点，其规模小到 实验室大到现场应用。大量研究证明，生物反应器垃圾填埋技术可加速垃圾堆 休稳定化进程，提高产气量，并加速堆体沉降。影响生物反应器运行效果的主 要因素有渗滤液回灌、垃圾性质、酸度调节、强制通风以及气候等，其中水分是 关键因素。Dayanthi等人发现堆体充水可促进水解和酸化。而将酸化阶段的渗滤 液回灌至处于产甲烷阶段的填埋体则有利于渗滤液水质的改善。然而，在实际 应用中，直接进行渗滤液回灌可能引起一些运行上的问题，如局部积水、堵塞， 尤其是不均匀沉降。研究证明，不同城镇垃圾快速降解所需的最佳渗滤液回灌 工艺各不相同，因此渗滤液回灌工艺的选择很困难。同时，渗滤液回灌可造成 垃圾层逐步压实，不利于产气扩散，造成填埋气体在垃圾层局部区域积累，因 此垃圾层的填埋气体往往需要主动抽气方可被收集。同时，填埋气体积累区易 形成渗滤液短流区，使得渗滤液回灌效率大大降低。在实际填埋场中，填埋作 业期往往持续较长时间，其间有大量恶臭排入大气层，即便是填埋后进行气体 收集，也很难避免填埋气体从覆土层溢出的问题。研究表明，在充水条件下填 埋垃圾可以得到快速降解，垃圾层压得过于密实不利于垃圾的降解。总之，传统垃圾填埋方式以及渗滤液回灌存在诸多问题:(l)有机物降解缓慢， 产气持续时间漫长，产气量小且释放面广收集难度大，因此大量填埋气体、恶 臭直接排入环境，破坏大气层；同时，甲烷能源流失严重。(2)填埋垃圾长期得 不到稳定，垃圾降解产生大量渗滤液，易穿透防渗层而污染地下水。(3)垃圾填 埋过程中需要消耗大量覆土， 土地资源破坏严重、运输费用高昂。(4)填埋体机 械稳定性差垃圾异质性易造成填埋体不均匀沉降；为节省有效填埋库容，填 埋垃圾往往被压得过于密实，使得堆体内气体难于扩散而积累，并进一步阻碍
堆体内垃圾的降解进程。 发明内容本发明的目的是提供一种两步式城镇生活垃圾填埋处理系统及其方法。 它包括多个垃圾快速降解单元、气体收集与净化单元、最终填埋单元，垃圾 快速降解单元包括垃圾装填区、顶棚、集气区、导气口、进料口、注液口、排液口、出料口、鼓风口、地基、外围墙体，垃圾填埋区侧壁设有外围墙体，垃 圾填埋区底部设有地基，垃圾填埋区的外围墙体下部设有多个排液口、多个出 料口、多个鼓风口，垃圾填埋区上部设有集气区，集气区上部设有顶棚，顶棚 上设有导气口、多个垃圾进料口、注液口。所述的垃圾快速降解单元有效容量为5000-8000m3。两步式城镇生活垃圾填埋处理方法是将城镇生活垃圾的填埋过程分为垃圾 快速降解与能源化以及稳定化垃圾最终处置两个步骤，快速降解单元包括填埋 作业单元、降解与产气单元、垃圾稳定化单元、熟料开挖单元、闲置待填单元， 每个单元的功能处于动态循环之中，首先将新鲜垃圾通过填埋作业单元的进料 口装填到该单元的填埋区，垃圾装填密度为400~450 kg/m3，持续装填时间为 60~100天，垃圾装填结束后，将垃圾稳定化单元的渗滤液通过填埋作业单元的 注液U引入该单元，使新鲜垃圾层充满水分，然后对该填埋作业单元实施密封， 再通过集气区的导气口与气体收集与净化单元相连接，同时观察该单元填埋气 体产生量的变化，当产气量由低到高再降至较低水平时，停止收集气体，完成 垃圾快速降解与能源化，接着将该单元内一部分渗滤液引入到另一填埋作业单 元的新鲜垃圾层，剩余渗滤液净化处理后外排，然后通过导气口鼓风加压将渗 滤液从垃圾层中尽量压出，再通过底部鼓风驱赶垃圾层内的残留气体，使残留 气体从导气口进入气体收集与净化单元，最后将稳定化垃圾从出料口挖出，并 转移到最终填埋单元，实现稳定化垃圾的最终处置。本发明的效益在于加速生活垃圾的降解与稳定化，收集并利用甲垸气体， 避免了大气污染与能源流失；实现了垃圾渗滤液的原位处理，同时避免渗滤液 下渗污染地下水；垃圾稳定化以后体积大大减小，使得单位最终填埋库容的垃 圾填埋量大大增加，相应也可节省覆土消耗量；稳定化垃圾的可降解性大大降 低，因而最终填埋后，可避免不均匀性沉降，又便于封场管理。
图1是两步式城镇生活垃圾填埋处理系统示意图； 图2 (a)是本发明的垃圾快速降解单元结构主视图2 (b)是本发明的垃圾快速降解单元结构俯视图； 图3是本发明实施例的日产气量变化过程； 图4是本发明实施例的产气组分变化过程； 图5是本发明实施例的渗滤液水质变化过程；图中，垃圾降解进程l，产气收集管路2、渗滤液转移管路3、垃圾装填区 4、顶棚5、集气区6、导气口7、进料口8、注液口9、排液口 10、出料口 11、 鼓风口 12、地基13、外围墙体14。
具体实施方式
两步式城镇生活垃圾填埋处理系统包括多个垃圾快速降解单元、气体收集与 净化单元、最终填埋单元，垃圾快速降解单元包括垃圾装填区4、顶棚5、集气 区6、导气口 7、进料口 8、注液口 9、排液口 10、出料口 11、鼓风口 12、地基 13、外围墙体14，垃圾填埋区4侧壁设有外围墙体14，垃圾填埋区4底部设有 地基13，垃圾填埋区4的外围墙体14下部设有多个排液口 10、多个出料口 11、 多个鼓风口 12，垃圾填埋区4上部设有集气区6，集气区6上部设有顶棚5， 顶棚5上设有导气口 7、多个垃圾进料口 8、注液口 9。所述的垃圾快速降解单 元有效容量为5000-8000 m3。气体收集与净化单元和垃圾最终填埋单元可参照 《城市生活垃圾卫生填埋技术标准》(编号C J J 1 7 — 8 8 )。两步式城镇生活垃圾填埋处理方法是将城镇生活垃圾的填埋过程分为垃圾 快速降解与能源化以及稳定化垃圾最终处置两个步骤，快速降解单元包括填埋 作业单元、降解与产气单元、垃圾稳定化单元、熟料开挖单元、闲置待填单元， 每个单元的功能处于动态循环之中，首先将新鲜垃圾通过填埋作业单元的进料 口 8装填到该单元的填埋区4，垃圾装填密度为400-450 kg/m3，持续装填时间 为60-100天，垃圾装填结束后，将垃圾稳定化单元的渗滤液通过填埋作业单元 的注液口 9引入该单元，使新鲜垃圾层充满水分，然后对该填埋作业单元实施 密封，再通过集气区6的导气口 7与气体收集与净化单元相连接，同时观察该 单元填埋气体产生量的变化，当产气量由低到高再降至较低水平时，停止收集 气体，完成垃圾快速降解与能源化，接着将该单元内一部分渗滤液引入到另一 填埋作业单元的新鲜垃圾层，剩余渗滤液净化处理后外排，然后通过导气口 7 鼓风加压将渗滤液从垃圾层中尽量压出，再通过底部鼓风驱赶垃圾层内的残留 气体，使残留气体从导气口 7进入气体收集与净化单元，最后将稳定化垃圾从 出料口ll挖出，并转移到最终填埋单元，实现稳定化垃圾的最终处置。 本发明快速降解单元的设计原理
快速降解单元有效容量的计算公式v = !;式中，单元有效容量(m3)， w—服务区生活垃圾日产生量(t/d)， 垃圾装填密度(t/m3)，"一可同时充当填 埋作业单元的数量，f一持续服务天数(d)。1) 持续服务天数的确定持续服务天数是指填满一座填埋作业单元所需要的时间，随之实施密封以 收集填埋气体。垃圾装填后会发生水解发酵作用，并在若干天内耗尽垃圾层中 的氧气而进入厌氧状态。然后，垃圾层会因深度酸化而产生恶臭气体，同时对 产甲烷菌产生抑制作用。 一般情况下，在填埋气体中开始出现甲烷气体大约需 要1 2个月时间，之后甲烷含量会逐渐上升直到垃圾层进入稳定产甲烷阶段， 而高温天气会加速这一过程的进行。在垃圾装填过程中快速降解单元与大气保 持相通，为尽可能避免大气污染并合理收集甲烷，同时考虑到建设投资问题， 持续服务天数以60 100天为宜，夏季可适当縮短，春、秋、冬季则适当延长。2) 垃圾装填密度的确定在传统填埋方式下，垃圾压实密度一般都高于600kg/m3。有些填埋场为节 省填埋库容，甚至将垃圾压实密度提高至800-1000 kg/m3。但研究发现，垃圾 层压实密度过高不利于气体扩散，从而造成气体在垃圾层内积累。 一方面，积 累起来的气体会将垃圾层中的渗滤液挤出，引起垃圾层缺水而不利于垃圾降解； 另一方面，积累起来的气体会将产甲烷菌细胞包裹，阻断其与有机物的接触， 从而抑制产甲烷作用。因此，为加速垃圾的降解，应适当降低垃圾压实密度， 使垃圾层较为疏松，以保证填埋气体的顺利扩散，同时为节省库容，在快速降 解单元中较为适宜的垃圾压实密度为400-450 kg/m3。3) 快速降解单元数量的确定快速降解单元的总数量取决于垃圾快速稳定化周期等因素。研究发现，进 入稳定产甲烷阶段的垃圾在持续5~6个月的高速产气后，即可基本进入稳定化 阶段。由此推测，快速降解单元的重复使用周期应在1年左右。这样，快速降 解单元的总有效容量必需满足特定城镇服务区1年内产生的生活垃圾的处理需 要。若以S0天作为平均持续服务天数，那么整个垃圾降解过程可分成4 5个阶 段。在实际操作中，对于特定的城镇服务区而言，生活垃圾的日产生量基本可 以确定，再权衡确定可同时充当填埋作业单元的数量及其有效容量。从密封性 角度考虑，快速降解单元需要小型化，但这样会增加单元数量。鉴于此，快速 降解单元有效容量以5000 8000m3为宜，可同时充当填埋作业单元的数量则以 2~3座为宜。 依据以上设计原理，对于一座日产垃圾为100吨的城镇而言，需要建设有效容量为5000~8000 m3的快速降解单元10~15座，各单元配有气体收集系统、 新鲜垃圾进料口、稳定化出料口、渗滤液回灌与排放口等。 本发明的工作过程首先，关闭并密封快速降解单元的出料口 11、排液口 10、鼓风口 12，通过 进料口 8将城镇生活垃圾装进快速降解单元。在垃圾装填过程中，各进料口装 填量基本相同，并给予适当压力使堆体仍处于疏松状态，以利于气体扩散和垃 圾降解。垃圾装填结束后，关闭进料口 8，并连接导气口 7与气体净化利用系统， 然后通过注液口 9和渗滤液转移系统3将来自稳定化垃圾填埋单元的渗滤液注 入填埋作业单元，使渗滤液充满整个垃圾层，再关闭注液口 9。最后，使填埋单 元处于完全密封状态，以保证厌氧产气和气体收集的顺利进行。整个填埋作业 时间以60 100天为宜，夏季可适当縮短，春、秋和冬季则适当延长利用导气和气体收集系统，对垃圾降解过程中产生的填埋气体进行收集。分 析气体成分，利用有效的气体净化装置，去除恶臭、二氧化碳等成分，生产较 纯的甲烷气体作为能源。同时，观测产气量变化趋势，判断快速降解单元中有 机物的降解进程。当产气量日趋减少时，大量有机物已转化为性质较为稳定的 腐殖质。同时，分析渗滤液成分如挥发性有机物，当渗滤液中挥发性有机物含 量将至很低时，表明垃圾已处于稳定化状态。通过排液口 10，将一部分稳定化 渗滤液，转移至填埋作业单元， 一方面为垃圾快速降解提供足够水分， 一方面 对新鲜垃圾进行接种产甲烷微生物；同时，能够稀释新鲜垃圾渗滤液以缓解酸 化过程对产甲烷菌的抑制作用。剩余渗滤液可利用堆体外污水处理系统进行净 化处理，然后外排。尽可能排出滞留在垃圾层内的渗滤液，可以借助外力，如通过导气口7向垃 圾层强制通风，使得垃圾层出现正压，将渗滤液从排液口 IO压出。接着，通过 鼓风口 12向垃圾层强制通风，驱赶滞留在垃圾层内的气体。打开进料口8和出 料口 11，将已经处于稳定状态的垃圾挖出，直接进入最终填埋单元。熟料挖出 后，该单元暂时处于闲置状态，此时需要关闭排液口 10，出料口 11，鼓风口 12， 以便下一次装填垃圾。 实施例本实施例采用自制生物反应器强化城镇生活垃圾的降解过程，主要考察了 产气情况与渗滤液水质变化过程。 l)实验材料与方法 反应器呈圆柱形，高150 cm,直径35cm。根据杭州市2002 2004年生活 垃圾特征，人工合成模拟垃圾。垃圾装填量为39 kg (湿重)，装填密度为324.5 kg/m3。垃圾装填后，向反应器中一次性注水，使垃圾层处于充水状态。2005年 9月25日反应器正式启动，冬春两季控制室内温度不低于18°C，其余时间不对室温进行控制。2) 实验结果试验结果如图3-5所示。图3显示，垃圾装填初期150天内产气速率较低， 主要由低温和酸度抑制所致。150天后，随着温度升高日产气量逐渐增加，高速 产气时间持续约110天，最大日产气量为19.6L/d。图4显示，150天后产气中 甲烷含量达到55%以上，表明反应器进入稳定产甲烷阶段。实验结束时，甲烷 累计产生量为1789 L。图5显示，渗滤液COD最高浓度为30000 mg/L以上， 运行350后COD下降至1500 mg/L， pH上升至6.9以上。3) 小结在水饱和情况下，温度是影响垃圾降解进程的主要因素之一。模拟试验表明， 垃圾稳定化时间约需要1年，可产生大量甲垸气体，且渗滤液有机物负荷大大 降低。由于模拟反应器直径较小，受外界气温的影响很大，特别冬季低温的不 利影响更为明显。在实际填埋情况下，有机物分解产生的热量可贮存于垃圾层， 从而维持堆体较高温度，使得外界温度变化对堆体的影响变小，保证垃圾降解 过程的顺利进行，因此垃圾稳定化时间应该在1年左右。
权利要求
1.一种两步式城镇生活垃圾填埋处理系统，其特征在于包括多个垃圾快速降解单元、气体收集与净化单元、最终填埋单元，垃圾快速降解单元包括垃圾装填区(4)、顶棚(5)、集气区(6)、导气口(7)、进料口(8)、注液口(9)、排液口(10)、出料口(11)、鼓风口(12)、地基(13)、外围墙体(14)，垃圾填埋区(4)侧壁设有外围墙体(14)，垃圾填埋区(4)底部设有地基(13)，垃圾填埋区(4)的外围墙体(14)下部设有多个排液口(10)、多个出料口(11)、多个鼓风口(12)，垃圾填埋区(4)上部设有集气区(6)，集气区(6)上部设有顶棚(5)，顶棚(5)上设有导气口(7)、多个垃圾进料口(8)、注液口(9)。
2. 根据权利要求1所述的一种两步式城镇生活垃圾填埋处理系统，其特征在 于所述的垃圾快速降解单元有效容量为5000~8000 m3。
3. —种使用权利要求1所述系统的两步式城镇生活垃圾填埋处理方法，其特 征在于，将城镇生活垃圾的填埋过程分为垃圾快速降解与能源化以及稳定化垃 圾最终处置两个步骤，快速降解单元包括填埋作业单元、降解与产气单元、垃 圾稳定化单元、熟料开挖单元、闲置待填单元，每个单元的功能处于动态循环 之中，首先将新鲜垃圾通过填埋作业单元的进料口(8)装填到该单元的填埋装填 区(4)，垃圾装填密度为400~450 kg/m3，持续装填时间为60~100天，垃圾装填 结束后，将垃圾稳定化单元的渗滤液通过填埋作业单元的注液口(9)引入该单元， 使新鲜垃圾层充满水分，然后对该填埋作业单元实施密封，再通过集气区(6)的 导气口(7)与气体收集与净化单元相连接，同时观察该单元填埋气体产生量的变 化，当产气量由低到高再降至较低水平时，停止收集气体，完成垃圾快速降解 与能源化，接着将该单元内一部分渗滤液引入到另一填埋作业单元的新鲜垃圾 层，剩余渗滤液净化处理后外排，然后通过导气口(7)鼓风加压将渗滤液从垃圾 层中尽量压出，再通过底部鼓风驱赶垃圾层内的残留气体，使残留气体从导气 口(7)进入气体收集与净化单元，最后将稳定化垃圾从出料口(ll滩出，并转移到 最终填埋单元，实现稳定化垃圾的最终处置。
全文摘要
本发明公开了一种两步式城镇生活垃圾填埋处理系统及其方法。它将垃圾填埋过程分为垃圾快速降解与能源化以及稳定化垃圾最终处置两步，该系统主要由垃圾快速降解单元、气体收集与净化单元、最终填埋单元组成，快速降解单元由填埋作业单元、降解与产气单元、垃圾稳定化单元、熟料开挖单元以及闲置待填单元组成，各单元处于动态循环之中，垃圾层较为疏松且充满水分。本发明可显著加速城镇生活垃圾的降解与稳定化进程，实现填埋气体的能源化，减少大气污染，实现垃圾渗滤液中污染物的原位削减，可避免地下水污染，同时可节省垃圾填埋场的有效填埋库容与覆土消耗量，最终填埋后的垃圾较为稳定，可避免不均匀性沉降，便于封场管理。
文档编号B09B5/00GK101125337SQ20071007129
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年9月13日
发明者吴伟祥, 郝永俊, 陈英旭 申请人:浙江大学