六里屯垃圾填埋场臭味气体处理方案样本.doc

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六里屯垃圾填埋场
I期填埋区( 已封场) 、 II期填埋区的臭味气体处理方案

中国科学院生态环境研究中心

1月15日

目 录

1 概述 2
1.1 现有臭味气体的主要成分和治理方法 2
1.2 生物处理技术的特点 3
1.3 现有的生物处理技术 4
1.4几种生物处理技术的比较 7
1.5 臭味气体生物处理工艺的选择 7
2 六里屯垃圾填埋场臭味气体处理技术与设施 10
3 六里屯垃圾填埋场臭味气体处理方案 11
3.1已封场的垃圾填埋区( I期) 11
3.2填埋场工作区( II期) : 13

1 概述
随着北京市民人均收入和消费水平的提高, 城市规模的扩展和郊区小城镇建设步伐加快, 城市生活垃圾问题已日益凸显。
六里屯垃圾填埋场消纳的是未经处理的生活垃圾, 有机成分多, 在填埋一段时间后, 会产生大量的气体, 其主要成分是甲烷。甲烷浓度在5%——15%之间极易发生爆炸, 对填埋场是一大隐患。因此, 需要用收集导管导出排放。沼气又是一种温室气体, 其温室效应为二氧化碳的40倍, 对空气破坏力极强。同时, 产生气体还含有硫醇类、 硫化氢、 氨等气体, 异味严重, 不但产生强烈的感官刺激, 有些恶臭物质具有毒性, 逸散到空气中的恶臭物质随着空气的流动扩散到各处, 又会带来区域性影响。填埋区表积污水和作业面水分蒸发以及污水处理区在停留和处理过程中也会产生臭味气体, 一期工程填平以后, 局部地表被填埋体中产生的气体顶起, 发生自然释放现象, 由此产生对周边环境的异味污染和扰民问题。

1.1 现有臭味气体的主要成分和治理方法
一般, 臭味气体中的发臭物质的主要成分包括: ① 含硫化合物, 如硫化氢、 硫醇、 硫醚类; ② 含氮化合物, 如氨、 胺类; ③ 低级脂肪酸, 如乙酸、 丙酸; ④ 烃类物质, 如苯乙烯等。其中硫化氢、 氨和硫醇是主要的臭味物质。
臭味气体的处理方法有很多, 主要有物理法、 燃烧法、 化学氧化法、 吸收法、 吸附法、 生物法等。
燃烧法能够将臭味气体中的有机物质转化成二氧化碳和水, 有机物破坏机理包括氧化、 热裂解、 热分解。这种方法适于高浓度的臭味气体处理, 其缺点是能耗高, 处理不完全会造成二次污染。
利用某些固态多孔性吸附剂对气态污染物具有很强吸附能力以达到吸附分离污染物的方法称为吸附法。与其它方法相比, 吸附法具有去除效率高, 能耗低, 工艺成熟, 易于推广使用的优点, 具有很好的环境和经济效益。缺点是处理设备庞大, 流程复杂, 当气体中有胶粒物质或其它杂质时, 吸附剂易失效, 需要再生, 工艺复杂。
利用发臭污染物在某些液态溶剂或溶液中具有很好溶解度以达到分离污染物的目的的方法称为吸收法。该法不但能消除气体中的污染物, 而且往往能将污染物转化为有用产品。可是吸收剂需要再生, 工艺复杂, 还会产生二次污染。
生物法处理臭味气体具有成本低、 操作简便、 技术清洁、 无二次污染等优点, 因而更多地受到关注, 成为当前研究的热点。
荷兰的J．Van Groenestijn 对几种废气处理方法, 在投资及运行费用方面进行了比较, 结果如表1所示。与普通物理、 化学处理技术相比, 生物处理技术的投资及运行费用是最低的。

表1 几种废气处理方法的投资及运行费用的比较
处理技术
投资费用( 荷兰盾, 按每小时单位进气量计)
运行费用( 荷兰盾, 按1000m3气量计)
生物滤池
8-15
0.50-5
化学吸收法
10-200
2.5-25
焚烧法
25-150
6-8
催化焚烧法
33-95
14-18

1.2 生物处理技术的特点
臭味气体的生物处理方法是利用微生物将臭味气体中发臭污染物降解或转化为无害或低害类物质的过程。微生物净化作用是以微生物( 一般是细菌、 真菌等) 降解化合物的能力为基础, 在有氧条件下, 将臭味气体中的有机物氧化为简单无机物( 如水、 二氧化碳等) 。其中, 部分有机物被转化为新细胞物质。
与物理化学处理方法相比, 生物法用于处理臭味气体中污染物的主要优点是:
1、 微生物可将臭味气体中的污染物氧化和分解, 达到去除的目的,而且污染物不会被转移到其它地方, 不产生二次污染。
2、 适用范围广, 能够缩短工艺流程, 利用比较简单的工业设备, 有效地对挥发性有机物进行处理。因为其吸收剂的再生能够直接经过吸收剂中的微生物的作用来实现, 不需要如物化吸收和吸附那样的专门再生设备, 从而降低处理费用。
3、 微生物一般是在低营养条件下进行的, 所生成的剩余污泥少。
4、 设备简单, 操作简便, 投资少, 运行费用低。

1.3 现有的生物处理技术
生物滤池、 生物洗涤塔和生物滴滤池是三种主要的臭味气体生物处理技术。在实际应用中, 采用的具体方法是根据臭味气体中发臭物质的类型与性质而选择的。

1.3.1 生物滤池( Biofilter)
生物滤池是最早被研究和使用的一种处理挥发性有机污染物和除臭的生物技术。1923年Bach就曾利用土壤过滤床去除污水处理厂散发的含硫化氢等恶臭物质的气体。早期生物滤池主要用于减少臭味气体的恶臭气味。到了二十世纪八十年代以后, 其应用范围已扩展到去除许多易被生物降解的挥发性有机污染物方面。
生物滤池( 见图1) 内部充填活性填料, 臭味气体经加压预湿后, 从底部进入生物滤池, 与填料上附着生长的生物膜( 微生物) 接触, 被生物膜吸收, 最终降解为水和二氧化碳, 处理过的气体从生物滤池的顶部排出。
生物滤池处理技术的特点是生物相和液相都是不流动的, 而且只有一个反应器, 气-液接触面积大、 运行和启动容易、 运行费用低。适于处理的发臭污染物范围广, 因而应用最广泛。

图1 生物滤池
臭味气体
砾石
排放(水)
水
排 放 (气)
活性填料

1.3.2 生物洗涤塔( Bioscrubber)
生物洗涤塔一般由一个装有填料的洗涤器和一个具有活性污泥的生物反应器构成( 见图2) 。洗涤器里的喷淋柱将微小的水珠逆着气流喷洒, 使臭味气体中的发臭污染物与填料表面的水接触, 被水吸收而转入液相, 从而实现质量传递过程。如果污染物的浓度较低、 水溶性较高, 则极易被水吸收, 带入生物反应器。在生物反应器内, 发臭污染物质经过活性污泥中微生物的氧化作用, 最终被去除。与生物滤池不同的是, 生物洗涤塔工艺中的液相( 一般带有悬浮微生物) 是流动的, 在两个分开部分连续循环。这有利于控制反应条件, 便于添加营养液、 缓冲剂和更换液体, 除去多余的产物。其反应的温度和pH值等因素也能够监测、 控制。
为了防止活性污泥沉积和降解有机物, 活性污泥反应器需要曝气设备, 并控制有关条件, 如温度, pH值, 碳、 氮、 磷之间比率, 以确保微生物在最佳条件下发挥作用。
在洗涤塔中, VOCs 从气相转移到液相的传质过程是必经过程, 因而与其它生物反应器相比, 气-液的传质效率尤为重要。一般, 亲水性物质的传质效率高于疏水性物质的传质效率。生物洗涤塔适用于处理亲水性的污染物质。

排放(气)
水
营养液

臭气
惰性填料
图2 生物洗涤塔
空气
洗涤塔
排水
沉淀池
活性污泥
反应器

1.3.3 生物滴滤池( Biotrickling filter)

图3 生物滴滤池
排放(气)
水
营养液

液体循环
臭气
长有生物膜
的惰性填料
排放(水)

生物滴滤池被认为是介于生物滤池和生物洗涤塔之间的处理技术。废气中污染物的吸收和生物降解同时发生在一个反应装置内( 见图3) 。滴滤池内填充填料, 循环水不断喷洒在填料上, 填料表面被微生物形成的生物膜所覆盖。臭味气体经过滴滤池时, 臭味气体中的污染物被微生物降解。生物滴滤池只有一个反应器, 设备较简单, 生物相静止而液相流动, 世代周期长的微生物也能很好地生存。但生物滴滤池填料的比表面积( 即单位柱体积接触面积) 比较低, 为100-300 m2m-3, 它不适于处理含水溶性差的污染物的臭味气体。

1.4几种生物处理技术的比较
生物滤池、 生物洗涤塔和生物滴滤池各有其特点和应用条件( 表2) 。因此, 应根据废气中污染物的特性和条件, 选择适宜的处理技术。

表2 废气生物处理技术特点比较

特 点
优 点
缺 点
生物
滤池
单一反应器; 微生物和液相固定。
气/液表面积比值高; 设备简单; 运行费用低。
反应条件不易控制; 进气浓度发生变化适应慢; 占地面积大。
生物
洗涤塔
两个反应器;微生物悬浮于液体中;液相流动。
设备紧凑;低压力损失;反应条件易于控制。
传质表面积低;需大量提供氧才能维持高降解率;需处理剩余污泥;投资和运行费用高。
生物
滴滤池
单个反应器;微生物固定,液相流动。
与生物洗涤塔相比设备简单。
传质表面积低;需处理剩余污泥;运行费用高。
1.5 臭味气体生物处理工艺的选择
已报道的能够利用生物滤池、 生物洗涤塔和生物滴滤池降解的发臭污染物包括: 含硫化合物、 含氮化合物、 羧酸类、 烷烃类、 醛类、 醇类、 酮类、 酯类、 醚类、 烯烃类、 以及多数芳烃类化合物等。
一般认为, 用生物法处理恶臭物质需经过以下三个阶段:
1.污染物由气相转移到液相;
2.进入液相中的污染物被微生物吸收;
3.进入微生物体内的有机物在代谢过程中作为能源及营养物质被分解, 从而转化为无害的无机物质。
其中, 挥发性有机污染物从气相转移到液相表面并到达微生物表面是整个生物处理系统的关键。
臭味气体中的污染物可分为疏水性和亲水性两类物质。疏水性物质不溶于水, 而亲水性物质在水中的溶解度也相差很大, 其溶解度大小可经过亨利系数来判断。根据亨利定律:
P = Cl×H (1)
对于理想气体:
P = Cg RT (2)
因此:
H = (Cg/Cl) RT = Hc RT (3)
Hc = H/( RT) (4)
式中 Cl —某污染物在液相中的浓度(molm-3);
Cg —某污染物在气相中的浓度(molm-3);
P —某污染物在气相中的分压力(Pa);
H —亨利系数(Pa m3mol-1);
Hc —用某污染物在气相中的浓度与液相中的浓度之比表示的亨利系数, ( Hc= Cg/Cl) ;
R —气体常数(8.314 Pa m3mol-1K-1);
T —温度(K)
由式(3)可知,在一定温度、 压力下,当Cl较小, 即某污染物在液相中的浓度较低时,亨利系数H较高;当Cl较大,即某污染物在液相中的浓度较高时,亨利系数H较低。在实际中, 一般使用无量纲的Hc代替H判断气体的溶解度大小。Hc与H可经过式(2-4)换算( 当温度为298K, 即25℃时, RT值为2.48 KPam3mol-1) 。
资料表明, 当亨利系数较低( Hc≤0.01) ,易溶于水的污染物质适于用生物洗涤塔处理;亨利系数较高(Hc≥1),难溶于水的污染物质适于用生物滤池处理;溶解性介于两者之间的污染物质(0.01<Hc<1)则可用生物滴滤池处理。而当污染物质的亨利系数大于10, 极难溶于水时, 由于其界面传质速率低而不适于用生物方法处理[4] 。当然, 处理技术的选择并不是绝正确,某些污染物既能够用生物滴滤池处理也能够用生物滤池处理;对于某些Hc>10的污染物质,还可利用真菌进行降解。

2 六里屯垃圾填埋场臭味气体处理技术与设施
常规的除臭生物反应器, 主要采用细菌作为微生物的主体, 细菌适合于在水中或潮湿的环境中生存。因此, 对于水溶性好的污染物, 利用细菌进行生物降解, 会得到很好的去除效果。可是, 对于在水中溶解度低的物质, 细菌表面的水层将影响传质速率, 导致处理效率降低。
真菌降解疏水性或水溶性差的污染物的效率高于细菌, 可在较干燥的环境中生长, 无需连续喷洒水来维持湿润环境, 这就使得臭味物质可直接与微生物接触并被降解; 真菌适应的pH值为3-6, 处理酸性臭气或出现酸性积累时, 不需要加碱调整pH值。
实际上, 臭气中所含的污染物是多样而复杂的, 既有疏水性物质, 也有亲水性物质, 单一地利用细菌或真菌都难以同时有效地去除。
针对垃圾填埋场排放的气体的特点, 本方案采用中国科学院生态环境研究中心研制开发的复合式生物除臭反应器处理排放的臭味气体, 该生物除臭反应器克服了单一生物除臭反应器的缺陷, 利用细菌、 真菌的协同作用, 经过结构优化与条件控制, 使不同类型的微生物在反应器的不同功能区内生长, 能有效地将臭味气体中的亲水性和疏水性挥发性有机污染物和恶臭物质同时去除, 达到净化和除臭的目的。本技术设备简单、 运行操作简便、 运行成本低、 处理效果稳定。臭味气体处理工艺如图1所示。

气体收集
臭味气体
排放
气泵
生物除臭系统

图1 垃圾填埋场臭味处理工艺流程图

3 六里屯垃圾填埋场臭味气体处理方案
为了有针对性地处理已封场的垃圾填埋区、 垃圾填埋场作业区的臭味气体, 在本方案中分别采用不同的方式。
3.1已封场的垃圾填埋区( I期)
对于已封场的垃圾填埋区( I期) , 表面覆盖膜后, 在周边或中央建立生物除臭系统。为了保持适宜微生物生长的适宜温度, 防止夏季除臭设备被高温暴晒以及冬季水管爆裂, 除臭系统放置在简易房内。为了便于将覆盖膜下的臭味气体抽送至生物除臭反应器, 在覆盖膜前, 应使封场的覆土表面形成一些土梗, 以使覆盖膜与地面有一定的空间, 保证气体的流动通畅。土梗的高度在5cm左右即可。

3.1.1产气量估算
封场的垃圾填埋区( I期) , 已填埋垃圾350万吨, 总填埋高度为28m,占地面积160×104 m2, 中期封场约1年时间, 沼气收集系统, 于 8月建成并使用, 燃烧沼气约2400~5100m3/天。

3.1.2覆盖膜方案( 已经组织施工)
I期填埋区于 8月前, 完成了土壤覆盖, 平均覆土厚度为600mm, 由于垃圾堆体的不均匀沉降, 在垃圾堆体表面出现了许多不规则裂缝, 为了强化控制土壤覆盖层和裂缝中臭气对空排放, 特别是防止沼气收集过程中, 局部负压造成空气倒流进入垃圾堆体, 形成爆炸隐患。因此采用高密度聚乙烯( HDPE) 膜( 厚1.0mm) 进行临时覆盖, 施工工期约为1个月。HDPE土工膜是综合性能优良的防渗膜, 其机械性能、 耐化学腐蚀性、 抗老化性、 抗戳穿、 易铺设、 防水性能好、 不透气使用寿命长, 也是覆盖层的理想材料, 特别适用于堆体表面大及高程变化较大的情况。在临时覆盖层的下面铺设0.3～0.5米厚的好土层, 以保证垃圾堆体的表面没有尖锐的物体。
但由于覆盖后, 覆盖土会因为垃圾堆体发酵温度升高, 造成土壤变干, 同时土壤中的微生物等也会因为水分低、 温度高而失去活性, 截留臭气的能力减弱。另外垃圾气体向上逸出后在HDPE膜下积聚, 由于HDPE膜致密的不透气性, 形成沼气积累, 有爆炸的潜在危险。基于上述原因, 覆盖HDPE膜后, 应及时把膜下积聚气体抽出净化后排放。

3.1.3 处理方案
本方案主要是解决HDPE膜下积聚气体。
为了保证抽气效率, 同时, 考虑到因HDPE膜破损, 抽气时空气会进入膜下, 处理臭气量将高于实际产生量。建立10套同样大小的处理系统, 分区域处理。设计每套系统处理臭味气体量为100 m3/h, 每日运行8小时, 每套系统的气体日处理量为800 m3, 10套系统每日处理气体8000m3。
其中: 复合式生物除臭反应器总体积为1.44 m3( 长×宽×高=2.5×1.8×1.8; 有效体积6.1m3; 停留时间为3.66min) , 占地面积4.5m2。
生物除臭系统, 包括: 生物除臭反应器、 气泵、 清水泵、 水箱( 3.0m3) 、 止回阀、 管道, 保温系统, 数字微控机, 发电机等, 总占地面积约10m2。
3.1.4 投资经费估算
臭味气体处理工艺主要设备费用估算如下表所示。
表3 臭味处理工艺主要设备投资费用( 单位: 万元)
名称
规格
数量( 套)
单价万元)
合计(万元)
生物除臭系统
2.5m×1.8m×1.8m
(长×宽×高)
10
4.5
(包括水箱、 管道)
45.0
防爆气泵(10用10备)
100 m3/h
20
1.0
20.0
清水泵

10
0.5
5.0
保温系统

10
2.5
25.0
数字微控机

10
2.0
20.0
发电机

10
1.5
15.0
接种菌剂

50
0.5/立方米填料
25.0
设计费

(按上述5％)
7.75
调试费

(按上述10％)
7.75
总计

170.5
3.2填埋场工作区( II期) :
对于正在进行垃圾填埋的工作区域( II期) , 共计16×104m2,考虑到运输车进出场道路约占2×104m2, 黄土覆盖后不作业超过半年的区域面积为1×104m2, 每周必须的作业区域约为2×104m2, 可进行HDPE膜覆盖的区域约为11×104m2。由于II期垃圾填埋采用临时覆盖, 即堆体4m高时, 进行20~30cm的黄土覆盖, 过滤效果弱于一期中场覆盖区( 60cm) , 因此, 臭味气体散发量、 浓度高于一期.本区域臭味气体依然采用就近收集就近处理的方式, 而且生物除臭设备为可移动式, 底部安装移动架, 除臭系统能够随着垃圾填埋作业的推进移动。选择6000m2的区域进行先期除臭效果试验。
3.2.1正在进行填埋作业的填埋的深层垃圾产气( 已盖土部分) :
处理面积: 11×104平方米, 填埋深度8-10m(部分16m)。

3.2.1.1覆盖膜与地面之间的空间计算
11×104平方米, 按覆盖膜距地面10cm计算, 覆盖膜与地面空间为:
11×104×0.10=11000( m3)

3.2.1.2处理方案
设计处理臭味气体量为200m3/h, , 每日运行8小时, 每日处理的气体量为1600m3。
其中, 复合式生物除臭反应器总体积为11.4m3( 长×宽×高=3.5×1.8×1.8; 有效体积8.5 m3; 停留时间为2.6min) , 占地面积约6.3m2。
生物除臭系统, 包括: 生物除臭反应器、 气泵、 清水泵、 水箱( 4.5m3) 、 止回阀、 管道、 保温系统、 数字微控机、 发电机等, 总占地面积约20m2。

3.2.1.3经费估算
表4 臭味处理工艺主要设备投资费用( 单位: 万元)
名称
规格
数量( 套)
单价万元)
合计(万元)
生物除臭系统
3.5m×1.8m×1.8m
(长×宽×高)
10
5.5
(包括水箱、 管道)
55
防爆气泵
(10用10备)
200 m3/h
20
1.5
30
清水泵

10
0.8
8.0
接种菌剂

70
0.5/立方米填料
35
发电机

10
2.0
20.0
保温系统

10
2.5
25.0
数字微控机

10
2.0
20.0
设计费

(按上述5％)
9.7
调试费

(按上述10％)
9.7
总计

212.4
项目总投资为: 212.4+170.5=382.9( 万元)