一种用于加速垃圾填埋场降解稳定化的分段式水平抽注系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于加速垃圾填埋场降解稳定化的分段式水平抽注系统和方法，抽注系统包括水平井管、水平抽注端头装置、液气抽注动力系统；水平抽注端头装置在水平井管内移动，在指定位置通过密封塞形成特定长度的密闭段，液气抽注动力系统在密闭段内进行抽注，解决气压沿程衰减问题；同时水平井管包裹复合反滤结构，提高长期抗淤堵性能；抽注方法包括依次进行的分段式消泡步骤、抽液气混合物步骤、注入空气步骤，经过消泡步骤，消除泡沫对气体渗透性的降低作用；经过抽液气混合物步骤，消除液气运移相互阻滞作用，使得堆体透气性较好；经过注入空气步骤直至全部水平井管周围均充满空气，营造好氧加速降解环境；经过实验证明，本发明专利技术能极大提高垃圾填埋场注气效率及加速稳定化效果，在堆填场地原位修复具有优异的推广应用价值。推广应用价值。推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种用于加速垃圾填埋场降解稳定化的分段式水平抽注系统及方法


[0001]本专利技术属于堆填场地原位修复
，具体涉及一种用于加速垃圾填埋场降解稳定化的分段式水平抽注系统及方法。

技术介绍

[0002]我国城市及周边分布着2.8万余座生活垃圾填埋场，存量垃圾达60多亿吨。这些填埋场普遍存在渗滤液泄露污染地下水土及填埋气逸散污染大气的环境风险，且占用大量土体资源，亟需进行开挖筛分和土地再利用。填埋场开挖的前提是生活垃圾已达到降解稳定化状态，但自然条件下垃圾的降解稳定化时间持续数十年，一般需要采用加速稳定化技术减少垃圾降解时间，使填埋场提前进入稳定化状态，满足存量垃圾开挖的迫切需求。
[0003]现有技术一般采用竖井回灌熟化渗滤液或注入空气(氧气)等方法加速垃圾降解。我国湿垃圾填埋场渗滤液水位较高，回灌渗滤液会产生滑坡风险，因此采用注气加速稳定化更为合适。与竖井相比，水平井能提高集水建筑物与地下液气混合物的接触面积，有效地提高了流体的抽取效率。上个世纪90年代开始，水平井便陆续用于地下水资源开采、地下水污染治理以及斜坡排水治理工程等方面。生活垃圾成分的复杂性和不确定性增大了水平钻井难度，直到近几年才有水平井用于垃圾填埋场降水的报道(Cox等.Installation of horizontal wells in landfilled waste using directional drilling[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2006,132,869
‑
878)，Cox等结合英国某填埋场的中试和足尺试验，研究了利用定向钻施工水平井的可行性，认为在水平井施工过程中，使用的钻机功率必须足够大，以应对筛管周围井眼坍塌的可能性，其水平井主要用于降低堆体深层的孔隙水压力，而尚未见到通过水平井注气来加速垃圾降解稳定化的文献报道。
[0004]目前，我国垃圾填埋场的渗滤液水位高，液气混合物赋存形式复杂，导致常规抽注设备及工艺的效果差，主要表现为如下方面：
[0005]首先，垃圾中有机质降解会同时产生渗滤液和填埋气导致抽注效果差。已有模型试验表明，填埋场中液气运移存在相互阻滞现象。相互阻滞现象即为孔隙中气体的存在阻碍了渗滤液的排出，同样的由于渗滤液的存在也阻碍了孔隙中的气体的排出。附图1的试验结果显示，当垃圾体积含气量从17％增大至22％时，液相渗透系数从10
‑5m/s的量级下降至10
‑7m/s的量级；当垃圾体积含水量从54％增大至57％时，气相渗透系数从10
‑5m/s的量级下降至10
‑6m/s的量级(徐辉.高厨余垃圾生化
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水力
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力学相互作用大型模型试验及应用[D].浙江大学，2016)。可见，垃圾孔隙中液体和气体之间存在相互制约、此消彼长的关系，孔隙中气体的存在会阻滞液体的运移，而液体的存在同样也会阻碍气体的运移。因此，当堆体中水位过高时，气相渗透系数低，向其中注气会变得非常困难；当堆体中水位下降时，液面以下垃圾体内淤积的气体膨胀，含气量增大，液相渗透系数降低，排水效率下降。如申请人曾利用专利技术(公开号：CN108330997A)在杭州某填埋场进行了国内首个水平井排水试验工
程，其中水平井采用自流式重力导排，结果显示渗滤液导排量随堆体水位降低而衰减严重，单口水平井的流量从第1天的75m3/day迅速下降至第22天的5m3/day，可见采用直流式重力导排模式的水平井管，渗滤液排出效果差。
[0006]其次，水平井管开孔及周围垃圾闭气性差导致抽注效果差，气压沿程衰减很大。水平井管的开孔用于排出垃圾堆体中的渗滤液和气体，因此开孔是必不可少的。现有技术通过在水平井管管口处施加负压进行液气混合物抽排，但是水平井管开孔及周围垃圾闭气性差会导致气压沿程衰减大，使得水平井的抽注流量及影响范围都较小，极大地限制了水平井的实施效果。气压沿程衰减即为距离水平井管不同距离的垃圾堆体中压力值的衰减程度，垃圾堆体中的渗滤液和气体的抽排都需要有压力作用，如果气压沿程衰减大，即只能处理非常小范围内的垃圾堆体，处理效果差，导致不能有效处理垃圾堆体内的渗滤液和垃圾堆体内的气体。
[0007]第三，垃圾堆体内具有泡沫导致抽注效果差。申请人通过长期现场调查和室内测试发现，垃圾降解产生的挥发性脂肪酸等物质能降低渗滤液表面张力，使得产生的渗滤液与填埋气混合后会产生泡沫。泡沫中液膜将气体分割为离散相，显著地增加了气体在垃圾孔隙中的运移阻力。申请人(Ke等.Foam
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induced high gas pressures in wet municipal solid waste landfills[J].G
é
otechnique,2021)曾采用垃圾柱驱替试验分别测试了泡沫和连通气的渗透性，试验结果如附图2所示，当饱和度为0.6时，泡沫和气体的渗透系数分别为1.9
×
10
‑6m/s和1.5
×
10
‑5m/s，泡沫导致气相渗透系数减小约1个数量级。由此可见泡沫的存在也严重制约着填埋场液气混合物抽注效率。
[0008]第四，垃圾堆体内水平井管淤堵导致抽注效果差。目前国内外普遍使用的渗滤液抽排井的反滤结构为单层结构，一般为一层的无纺土工布(或有纺土工布、尼龙网)包裹开孔井管(陈云敏等.垃圾填埋场渗沥液水位壅高及工程控制[J].岩石力学与工程学报,2014,33,154
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163.)。渗滤液透过反滤层后，通过井管内的开孔进入井内，大颗粒物或生物沉积物则在反滤层前淤积。这种结构的井管在运行时，反滤材料表面渗流负荷分布不均，较大的渗流负荷区域(小孔及其周围区域)内颗粒沉淀、生物淤积发展较快，导致抽排井出水能力显著降低甚至失效。申请人通过长期现场调查发现，上海某填埋场深度15m的抽排井，投产初期日出水量约20m3/d，使用半年后降至2m3/d，有效使用寿命小于1年。
[0009]综上，填埋垃圾中有机质降解会同时产生渗滤液和填埋气导致两者运移过程中相互阻滞，井管开孔及周围垃圾闭气性差，垃圾堆体内具有泡沫，以及现有水平井管抗淤堵结构的快速失效降低导排出水能力，这四个问题导致液气混合物抽注的效率低下，降低了注气量及注气影响范围，制约了现有加速稳定化技术的发展。需同时解决上述四个问题才能得到在垃圾堆体内营造好氧加速降解环境的技术方案。现有的水平井管技术不能解决以上四个问题，特别是水平井管中存在开孔导致气压沿程衰减很大的缺陷不能克服，液气运移存在相互阻滞现象导致渗滤液无法高效排出，从而不能在垃圾堆体中形成较好的好氧加速降解环境，也不能适用于长期的垃圾降解，使用寿命较短。

技术实现思路

[0010]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于垃圾填埋场的分段式的水平抽注系统，利用特殊设计的垃圾填埋场的分段式的水平抽注系统以及用于垃圾填埋场的分段式的
水平抽注方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于垃圾填埋场的分段式的水平抽注系统，其特征在于，包括水平井管(1)、水平抽注端头装置(2)、液气抽注动力系统(3)；所述水平井管(1)至少有一部分铺设于垃圾堆体内，所述水平井管(1)设置有开孔(11)，所述水平井管(1)的外壁与垃圾堆体接触；所述液气抽注动力系统(3)用于分段式地往垃圾堆体中实施注液、抽液气和注气中的一种或者多种；所述水平抽注端头装置(2)用于在所述水平井管(1)内形成两端密闭的区间，所述水平抽注端头装置(2)设置在水平井管(1)内，可沿所述水平井管(1)移动；所述液气抽注动力系统(3)设置在所述水平井管(1)外，与所述水平抽注端头装置(2)连通，通过所述水平抽注端头装置(2)与所述两端密闭的区间连通；优选的，当所述液气抽注动力系统(3)在对垃圾堆体抽液气和/或注气时，使得被处理垃圾堆体内气压沿程衰减小于等于0.5kPa/m，在垃圾堆体内营造好氧加速降解环境；更优选的，注气影响半径高于25m；优选的，所述气压沿程衰减通过预埋在距离所述水平井管(1)不同距离的垃圾堆体中的压力传感器获得；优选的，根据垃圾堆体内不同的好氧加速降解环境，实时控制水平抽注端头装置(2)的移动位置，控制所述液气抽注动力系统(3)实施注液、抽液气和注气中的一种或者多种，在垃圾堆体内营造好氧加速降解环境；优选的，所述好氧加速降解环境的评价指标通过垃圾堆体内纤维素含量与木质素含量的比值来衡量；优选的，所述液气抽注动力系统(3)通过先抽液气混合物，再注气的操作步骤，在垃圾堆体内营造出好氧加速降解环境；更优选的，所述液气抽注动力系统(3)通过先注液，后抽液气混合物，再注气的操作步骤，在垃圾堆体内营造出好氧加速降解环境；优选的，所述液气抽注动力系统(3)包括抽真空装置、注液装置和空压装置中的一种或者多种；优选的，所述两端密闭的区间长度L0为1～5m；更优选的，所述两端密闭的区间长度L0为2～4m；优选的，所述水平井管(1)的开孔(11)的孔径由垃圾颗粒粒径决定；优选的，所述水平井管(1)的开孔(11)的孔径为垃圾颗粒粒径的D
40
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D
60
。2.根据权利要求1所述的分段式的水平抽注系统，其特征在于，所述水平井管(1)还包括反滤系统(4)，所述反滤系统(4)包裹在所述水平井管(1)外侧，渗滤液经所述反滤系统(4)透过所述开孔(11)渗入所述水平井管(1)内；优选的，所述反滤系统(4)由内向外包括无纺土工布层(41)和径向渗透材料层(42)。3.根据权利要求1或2所述的分段式的水平抽注系统，其特征在于，所述水平抽注端头装置(2)包括密封塞(21)、液气抽注口(22)、可移动式导流管(23)、堵头(24)和扶正器(25)，所述密封塞(21)设置在所述可移动式导流管(23)外侧，用于在水平井管(1)内分隔出两端密闭的区间；所述液气抽注口(22)设置在两个密封塞(21)之间，所述液气抽注口(22)设置有一个以上液气抽注通孔(221)，所述液气抽注口(22)与所述可移动式导流管(23)连通；所
述可移动式导流管(23)一端与所述水平井管(1)外的所述液气抽注动力系统(3)相连，所述可移动式导流管(23)另一端采用所述堵头(24)密封；所述扶正器(25)用于将所述可移动式导流管(23)扶正...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡杰，张晨晟，柯瀚，陈云敏，詹良通，兰吉武，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：