（岩土工程专业论文）城市生活垃圾（msw）有机物降解和变形规律研究.pdf

摘要 有机物是城市生活垃圾( m s w ) 的主要组成成分，它的存在直接影响了垃圾填 埋场的沉降，尤其是对长期沉降变形阶段的影响。本文在现有研究成果基础上，主 要对m s w 中有机物降解规律和垃圾填埋场的沉降问题进行了初步研究。本文的主 要内容如下： 1 ) 进行了m s w 中有机物降解质量变化规律试验，包括有机物分别处于持水率 状态和充分饱和状态下，探讨了有机物降解质量随时间变化的规律，初步建立了有 机物质量降解率模型，同时分析了有机物降解产生气水的特征，含水率对有机物降 解特征的影响； 2 ) 设计了m s w 沉降试验仪器，并进行了包括在无外界干扰因素和每天淋滤作 用条件下有机物降解引起的m s w 沉降试验，分析了m s w 沉降与时间之间的规律， 以及在不同沉降变形阶段淋滤作用对有机物降解产生沉降的影响特征： 3 ) 从m s w 沉降机理出发，推导了m s w 沉降变形模型，并根据m s w 有机物 降解沉降试验资料和某填埋场的沉降实测数据对模型进行了验证。 关键词：城市生活垃圾有机物降解质量沉降淋滤液 a b s t r a c t t h es e t t l e m e n to f s a n i t a r yl a n d f i l le s p e c i a l l yt h el o n g t e r md e f o r m a t i o ni si n f l u e n c e d b yo r g a n i cs u b s t a n c e t h em a i np o r t i o no fm u n i c i p a ls o l i dw 疵( m s w ) o n t h eb a s i so f t h ec u r r e n tr e s e a r c h ，t h eb i o d e g r a d a t i o no f o r g a n i cs u b s t a n c ea n ds e t t l e m e n ti nm s w a r c a n a l y z e d i nt h i s p a p e re l e m e n t a r i l y t h e m a i nw o r ko f t h et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 ) t w o t e s t sa r ec a r r i e do u ta b o u tt h e w e i g h to fo r g a n i c s u b s t a n c eu n d e rt w o c o n d i t i o n so ff i e l dc a p a c n ya n ds a t u r a t i o nr e s p e c t i v e l y , f r o mw h i c ht h el a wo f c h a n g ei n t h ew e i g h t o f b i o d e g r a d a t i o n i sa n a l y z e d , t h u sam o d e la b o u tt h er a t i oo f b i o d e g r a d a t i o ni n m a s si sc o n s t r u c t e d a tt h es a m et i m e ，t h ef e a t u r e so fg a sa n dw a t e rp r o d u c e df r o m b i o d e g r a d a t i o na n d t h ei n f l u e n c eo f w a t e rc o n t e n ti nb i o d e g r a d a t i o na r ca l s os t u d i e d 2 ) u s i n gt h ea p p a r a t u sw h i c hi sd e s i g n e df o rr e s e a r c h i n gs e r l e m e n to fm s w ：t w o t e s t so fs e t t l e m e n tf r o mb i o d e g r a d a t i o na r cc a r r i e do u t 、 r i t l ln oi n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h e l e a c h a t ee v e r y d a yr e s p e c t i v e l y , f r o mw h i c ht h el a wb e t w e e ns e t t l e m e n ta n dt i m e ，t h e i n f l u e n c eo fl e a c h a t eo nd i f f e r e n t p h a s ei nb i o d e g r a d a t i o na r ef o u n d o u t 3 ) f r o m t h em e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o no f m s w t h ec o m p r e s s i o ns e t t l e m e n tm o d e l i ss e tu pa n dl a t e l yp r o v e dt h r o u g ht h ed a t af r o mt h et e s t sa b o u tt h es e t t l e m e n to f o r g a n i c s u b s t a n c ca n dt h o s ef r o ms o m e s a n i t a r yl a n d f i l l k e y w o r d ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t eb i o d e g r a d a t i o nw e i g h t s e t t l e m e n tl e a c l m t e n 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 1m s w 基本情况介绍 1 1 1m s w 定义及其对环境的影响 城市生活垃圾( m u n i c i p a l s o l i dw a s t e ，m s w ) 是指城市生活中所废弃的各种固 体垃圾的总称，它的主要来源包括生活垃圾和商业垃圾( 1 】【2 】。随着工业化国家的城市 化和居民生活水平的提高，城市生活垃圾的增长十分迅速。据统计，日本最近1 0 年 垃圾平均每日抛弃量增加一倍，英国城市垃圾量1 5 年增加了一倍。美国1 9 7 0 1 9 7 8 年因经济萧条，生活垃圾增长不快，仅为2 ，1 9 7 8 年后，随着经济复苏，增长率 达4 以上，目前达到5 。欧洲经济共同体国家生活垃圾平均增长率为3 ，德国 为4 ，瑞典为2 ，韩国生活垃圾增长率达1 1 。我国城市生活垃圾的产生量近几 年增长也较快( 见表1 1 ) p 】。2 0 0 0 年中国城市生活垃圾的产生量达到1 5 亿吨，占 地达6 万公顷【4 】，并以8 1 0 的年增长率在递增【5 】a 由于处置设旌严重不足，目 前已有2 3 的城市陷入垃圾的包围之中，大大影响了城市的美好形象，制约着城市 的发展和建设。 表1 1 我国城市居民生活垃圾人均日产出量演化 3 】 大量的m s w 如不加以科学合理的处置而任意堆放，必将对环境造成日益严重 的污染，若进一步恶化，将威胁到人类的生存。m s w 对环境的影响主要表现在以下 四个方面： 1 ) 对土壤环境的影响。土壤是许多细菌、真菌等微生物聚集的场所，这些微生 物与其周围环境构成一个生物系统，在大自然的物质循环中，担负着碳循环和氮循 环的一部分重要任务。国际禁止使用的持续性有机污染物在环境中难以降解，这类 垃圾进入水体或渗入土壤中，将会严重影响当代人和后代人的健康，对生态环境也 会造成长期的不可低估的影响。 2 ) 对水体环境的影响。垃圾可随地表径流进入河流湖泊，或者随风迁徙落入水 体，从而将有毒有害物质带入水体，杀死水中生物，污染人类饮用水水源，危害人 体健康；垃圾产生的淋滤液危害更大，它可进入土壤污染地下水，或者直接流入河 流、湖泊和海洋，造成水资源的水质型短缺。 3 ) 对大气环境的影响。堆放的垃圾中的细微颗粒、粉尘等可随风飞扬，进入大 气并扩散到很远的地方：一些有机垃圾在适宜的温度和湿度下还可发生有机物降解， 释放出沼气，在一定程度上消耗其上层空间的氧气，使植物衰败：有毒有害废物还 可以发生化学反应产生有毒气体，扩散到大气中危害人体健康。 4 ) 对人体健康及生态的影响。2 0 世纪3 0 年代到7 0 年代，国内外发生了不少 因垃圾处置不当而引起的人群大面积中毒的公害事件，如美国纽约州罗芙运河附近 填埋化学废料而使该地区出现婴儿畸形，以及日本富山县含镉废渣排入土壤引起的 痛痛病等事件。尽管近几年来，严重的污染事件发生较少，但垃圾污染环境对人类 健康将会遭受的潜在危害和影响是难以估计的。 1 1 2m s w 产量及其影响因素和组成成分 由1 1 1 内容及表1 1 可知，m s w 产量逐年增加，并且增幅很大，而影响m s w 产量的因素主要有人口因素、经济因素和政策因素等。 人口因素对垃圾产量的影响是内在的，一般来说，人口越多的城市，垃圾产量 也越大；经济因素对垃圾产量的影响是多方面的，一般经济越发达的地区，居民生 活垃圾的产量会越大( 经济因素的定量表述可采用以下经济指标：国内生产总值、 g d p 中本市总消费、总投资、居民消费、非农业居民消费、职工工资总额、平均每 人年可支配收入和社会消费品零售总额等) ；政策因素对垃圾产量的影响最复杂。 m s w 主要由纸、塑料袋、其他塑料制品、纺织品、玻璃、可腐烂的有机物( 如 厨余、树叶等) 、金属、尘土，以及其他一些可燃或不可燃的杂质组成1 6 】i ”。与一般 土相比，垃圾具有高度的离散性，并且其成分随地点、填埋时间、季节、民族、习 俗、生活水平及生活方式等诸多因素而改变。一般可大致将垃圾分为有机物和无机 物( 见表1 2 ) 。 表1 2 m s w 组成分类 i有机物无机物 l易腐烂不易腐烂可以分解不能分解 i 食物垃圾、庭院垃 纸张、术材、纺织玻璃、陶瓷、灰土、 品、皮革、塑料、各种金属混凝土及砌体碎 圾、动物垃圾 橡胶、油脂类片 表1 3 4 】、1 4 【4 1 分别列举了国内外部分典型城市m s w 的组成成分，可见m s w 组成成分差异非常大。 2 河海大学硕士论文 表1 3 国外几个国家城市m s w 组成( ) 4 1 项目英国法国荷兰德国 瑞士意大利 食品2 72 2 2 l 1 52 02 5 纸品3 83 4 2 52 84 52 0 灰渣 1 1 2 02 0 2 82 02 5 金属 983 753 玻璃 98l o957 塑料 2 544335 其它 3 541 71 021 5 表1 4 我国部分城市的m s w 组成 ( 单位：) 【4 】 有机废物无机废物 城市竹、木塑料、废金玻璃、 煤灰、 其他 厨余废纸纤维水泥、 制品橡胶属陶瓷 碎石 北京3 9 o o1 8 1 83 5 61 0 3 52 9 61 3 0 21 0 9 32 0 0 天津 5 0 1 l5 5 30 6 80 7 44 8 l 上海7 0 0 08 0 02 8 0o 8 91 2 0 0o 1 24 0 02 1 9 杭州 5 2 4 84 9 03 8 01 6 61 1 3 00 6 71 1 52 4 0 3 南京 5 2 o o4 9 01 1 81 0 81 1 2 01 2 84 0 92 0 6 43 o o 无锡4 1 0 0 2 9 0 4 9 83 0 59 8 3 0 9 09 4 72 5 2 9 2 5 8 常卅f4 8 0 04 2 81 7 01 o l1 0 0 21 1 0 5 8 0 2 5 0 93 0 0 南通4 0 0 54 2 01 7 21 3 l8 9 0o 8 25 1 03 4 4 03 5 0 舍肥4 4 9 73 5 72 9 82 5 21 0 2 2o 8 04 2 42 8 4 02 3 0 九江4 7 2 74 1 81 9 31 0 01 2 5 00 5 43 5 02 7 0 82 0 0 武汉3 9 1 64 3 31 3 33 _ 2 07 5 00 6 96 5 53 2 7 44 5 0 宜昌2 9 5 4 1 2 20 7 31 0 51 1 8o 4 18 0 35 5 8 4 2 0 0 重庆3 8 7 61 0 40 9 71 5 89 1 0o 5 39 0 33 7 9 91 0 0 广州6 3 o o4 8 03 6 02 8 01 4 1 03 9 04 0 03 8 0 深圳5 8 o o7 9 12 8 05 1 91 3 7 01 2 03 2 08 o o 惠州5 0 o o2 1 02 1 23 2 71 2 o o2 9 l2 2 02 5 4 0 肇庆 5 0 o o2 1 01 8 94 1 01 2 。6 02 。5 04 3 52 2 4 6 清远5 3 0 02 o o1 5 13 2 0“1 22 4 02 1 02 4 6 7 部分摘自高光，2 0 0 0 年。 1 1 3 m s w 处理方法比较 目前城市生活垃圾的处置方法包括分选回收、堆肥、焚烧、自然堆放和卫生填 埋等【3 j 。 第一章绪论 分选回收既能变废为宝，又能减少废弃物总量，符合9 2 年环境生态( e c o ) 大 会提出的“3 r ”( r e d u c e ，r e c o v e r , r e c y c l e ) 原l j t 9 ，是人们从感情上最愿意接受的 方案。但是，目前高昂的分选代价使m s w 回收再利用量受到限制：同时，从m s w 中分选出玻璃、纸和塑料等成分时会造成污染，这也大大降低了m s w 回收再利用 的商业价值。因此，要提高m s w 回收再利用量就必须降低分选的成本，其首要措 施是实行源头控制。源头控制的实施有赖于全民素质的提高、相关法规制度和配套 设施的建立，且需较长时间的推广和宣传，短期内难以达到显著的效果。以葡萄牙 为例【l ，1 9 9 3 年度m s w 日产出量为1 4 0 7 8 2 吨，其中的玻璃和纸进行了分选回收， 但回收循环利用的量仅为5 6 3 1 吨，约占产出量的4 ；据估算，纸的回收率约1 2 5 ， 玻璃的比例则更小。根据其规划设计资料，预期在2 0 1 4 年，纸和玻璃的分选回收率 均达到2 5 。但这在m s w 的总产出量中也仅占1 0 左右。因此，分选回收方法在 目前无法成为m s w 处理的主要方法。 堆肥也是减少生活垃圾总量的一种方法。但它所能处理的成分不多，减少的量 也很有限，一般仅作为卫生填埋等主要方法的辅助手段。 焚烧法能大大缩减m s w 的体积，缩减率可达9 0 ；产生的能量还可予以利用， 是m s w 处置中可供选择的主要方案。焚烧法运营成本与卫生填埋场的费用大致相 当；但是，其前期设备投入费用极其高昂，而且焚烧所生成的灰渣仍需予以填埋。 因此，其总体费用远高于卫生填埋场 4 1 。另外，我国城市生活垃圾的无机、不可燃 成分多，有机、可燃成分少，热值过低，不具有燃烧回收热能的价值【舯。因此，在 我国，焚烧法只能有条件地用来处理极少量特殊成分的垃圾。 自然堆放是在经济相对落后的情况下常用的方法，目前我国许多城市的m s w 处置仍采取自然堆放或进行简单的填埋。但这种处理方法产生的淋滤液未得到有效 控制，溢出或渗入周围的地表水和地下水将使其受到污染：有机物降解产生的沼气 未予以排放，可能破坏周围的植被，甚至在一定条件下发生爆炸等危险。这都有过 相应的惨痛教训。 在现有条件下，与前面几种m s w 处置方法相比，垃圾填埋场具有更多的优势， 其中有如下一些特点：( 1 ) 是完全独立的m s w 无害化处理方法：( 2 ) 是一切m s w 的最终处理方法；( 3 ) 无需对m s w 进行预处理；( 4 ) 处理成本相对较低；( 5 ) 处 理技术相对简单，利于推广普及；( 6 ) 垃圾填埋场可选择非耕地作为场址，如滩地、 4 河海大学硕士论文 山谷、废坑、洼地、沟渠等处，垃圾填埋场经若干年后加以终场覆盖，场地可作多 种用途，实现土地的再利用【l l 】。而现代卫生填埋场理论、技术和实践水平的提高又 使其安全运营有了相当的保障。因此，它已成为现代大中城市m s w 处置的首选方 案。发达国家早在2 0 世纪上半页就已经对卫生填埋法展开研究并具体应用；我国近 些年也在广州、成都、杭州、深圳、重庆、福州、青岛等大中城市建设了一些大型 现代卫生填埋场。预计在不久的将来，我国其它许多大中城市也将陆续建设自己的 现代卫生填埋场。作为- - i - j 新兴的m s w 处置方法，卫生填埋法的发展前景是相当 广阔的。 1 1 4 国内外m s w 填埋处理现状 分选回收、堆肥、焚烧、自然堆放、综合利用和卫生填埋仍是国外普遍采用的 成熟的垃圾处理技术和方法。表1 5 n 2 】反映了部分发达国家上述几种处理方法及垃圾 回收利用的情况。 表1 5 部分发达国家m s w 处理方式的比例【1 习 垃圾总量各处理方法所占比例 国家年份 嘎t 填埋焚烧堆肥分选回收 美国1 9 9 63 2 7 4 6 6 21 02 8 英国 1 9 9 32 0 0 08 31 34 日本1 9 9 35 0 0 01 57 4 1 1 加拿大1 9 9 52 0 5 97 3 4 2 3 法国1 9 9 32 0 0 04 5 4 21 03 德国1 9 9 33 3 8 06 13 6 3 西班牙1 9 9 31 3 3 0 6 461 71 3 意大利 1 9 9 32 0 0 07 41 673 我国绝大部分垃圾是采用填埋法进行处理及处置的，其中部分已经已达到卫生 填埋的要求，但更多的是采用简易填埋法处理的。“七五”及“八五”期间，深圳、 北京、上海、杭州、成都、苏州、福州等城市相继建成了投资额约为l 亿人民币的 大型垃圾卫生填埋场，而更多的中小城市则建造了数百个投资额在几百万到上千万 元的中小型卫生填埋场。 焚烧处理技术在我国的开发应用整体水平滞后于填埋技术和堆肥技术5 1 0 年，焚烧法处理的垃圾量是3 种基本处理方法中所占比例最小的。除个别城市如深 第一章绪论 圳将焚烧法作为处理m s w 的主要方法外，我国绝大数省( 市) 未将焚烧法作为主 要处理手段，有相当一部分省( 市) 根本没有采用焚烧法处理m s w 。目前，上海、 北京、广州等一些大都市都正在规划或建设一些日处理达千吨的垃圾焚烧厂。 我国垃圾堆肥处理技术应用的历史较长。从最初的农村利用人畜粪便和农田废 弃物就地沤肥生产农家肥，发展到采用厌氧或通风好氧堆肥解决垃圾出路问题，这 期间开展了大量的堆肥化技术及相关设备开发研制的科技攻关，并在上海、杭州、 无锡、桂林、天津、重庆等城市陆续建立了一批m s w 机械化堆肥设施。 我国在垃圾分选回收及综合利用方面有着长期实践和成功经验，如上海2 0 世纪 六七十年代曾建有遍布全市的废品回收站，但由于种种原因正常经营的废品回收站 已越来越少了。2 0 世纪9 0 年代以来，政府日益重视垃圾的减量化和资源化，一部 分城市还开展了垃圾分类收集的试点工作，并且绝大部分城市已将垃圾分类收集、 资源化综合利用作为m s w 处理的重要内容进行规划，但就整体水平而言，我国 m s w 的减量化与资源化工作才刚刚起步，远远落后于发达国家。 1 2 国内外研究现状 由于有机物降解引起的沉降只作为垃圾填埋场沉降的其中一个因素，因此在国 内外研究中，很多学者未将有机物降解单独分离出来并予以考虑，而只是在建立 m s w 沉降变形的模型中适当考虑，另外有些研究人员提出的m s w 沉降模型没有区 分固结引起的沉降和有机物降解引起的沉降，因而本文将国内外研究现状分为m s w 沉降变形研究现状和有机物降解研究现状，并分别予以介绍。 1 2 1 m s w 沉降变形研究现状 一般认为m s w 的沉降变形机理分为物理压缩( p h y s i c a lc o m p r e s s i o n ) 、错动 ( r a v e l l i n g ) 、物理化学变化( p h y s i c a l c h e m i c a lc h a n g e ) 和生化降解( b i o c h e m i c a l d e c o m p o s i t i o n ) 四部分。从宏观上看，m s w 的沉降与土体相似，常被分为三个阶 段：瞬时压缩沉降阶段，主要发生在填埋期。当施工期完成后，一般也认为瞬时 沉降也已经完成。瞬时沉降的压缩机理与土相似。主固结沉降阶段，其始于施工 期，荷载稳定后还将持续一段时间，随着孔隙水压力的消散而增长。主固结的过程 6 河海大学硕士论文 取决于孔隙水和气向外排出的速率。次固结沉降( 长期沉降) 阶段，包括物理蠕 变和生化降解，物理蠕变引起的沉降通常比主固结沉降值小很多，长期沉降主要是 由填埋废弃物的有机物发生生物和化学降解而产生的。有机物含量较高的废弃物中 的有机物发生生化降解是导致m s w 体积减少、沉降增加的主要原因f 9 】【1 0 j 。一般认 为前两个阶段只与荷载或应力的大小有关；而次固结沉降则同时间密切相关。m s w 的次固结沉降可以延续很长的时间，故又称长历时沉降。 s o w e r s ( 1 9 7 3 ) 1 13 1 、m u r p h y & c i l b e r t ( 1 9 8 5 ) 【1 4 1 、e d i l - 等( 1 9 9 0 ) 【1 5 l 、e d g e r s 等( 1 9 9 2 ) d 6 、钱学德和郭志平( 1 9 9 8 ) 【1 0 1 、k , s w a 捌c s 等【9 】( 1 9 9 9 ) 都对m s w 沉降变形进行过相 应的研究与描述，并提出了一系列半经验半理论的沉降模型。有机物降解是影响长期 沉降，即次固结的主要因素【1 7 】，但很多学者在其所提出的沉降模型中并未将有机物 降解单独考虑，而是放在次固结中考虑，也有一些学者针对m s w 有机物降解的特 性进行了研究。 根据以上分析，本文将m s w 沉降变形分为瞬时压缩沉降、主固结沉降、次固 结沉降并分别予以介绍，另外一些学者将m s w 沉降看作一个综合整体进行研究， 本文也将予以介绍。 1 ) 瞬时压缩沉降 瞬时压缩沉降是在外加荷载作用下引起的填埋体的剪切压缩变形，它是瞬间完 成的，可通过下式计算【1 8 】： w d = 6 q h o e( 1 1 ) 其中，w 0 为初始压缩量，a q 为外加荷载，凰为初始高度，丘为初压缩模量。 2 ) 主固结沉降 大多数学者采用t e r z a g h i 理论( s o w e r s 1 3 1 ，1 9 7 3 ；l a n d v a e ta l ，1 9 8 4 ：r a oe t a l ， 1 9 7 7 ) 。研究表明，采用x e r z a g h i 理论得出的计算结果与实测结果符合的很好( w a l l a n dz e i s s ，1 9 9 5 ) ，其计算公式如下式所示： w t = 日像l o g ( o 0 + a o - 9 o 0 】 ( 1 2 ) 其中，日为m s w 厚度：“为垃圾柱的平均初始竖向有效应力；盯为外作用 引起的压力增量；c r 为主固结压缩系数，0 1 5 c r 0 3 0 。 3 ) 次固结沉降 7 第一章绪论 各次固结沉降模型相关资料见表1 6 ，其中日为m s w 厚度，t 为次固结结束时 间，t o t 为沉降开始时间。 表1 6 次固结沉降( 长期沉降) 模型 模型 作者 提出 模型公式备注 编号时间 1s o w e r s u 3 11 9 7 3 w = h 巳l o g ( t t o 。) c 。为次固结压缩系数，取值范 围为0 0 3 0 1 y e n t o + a t f 口= o 0 0 0 9 5 h + o 0 0 9 8 5 21 9 7 5 = 他一b l 。g t ) d t i b = 0 0 0 0 3 5 h + 0 0 0 5 0 9 s c a n l o n i 【1 9 矗 3j a m b u 等口o 】1 9 8 9 = h 1 5 i n ( t t o ，) 为次固结参数，1 0 r 。 1 时，w 。的二阶导数 h 0 + 1 ) t 一砷j 日于g 恒大于零，也就是说，沉降速率随时间不断增长。这一点和m s w 沉降一般规律相违，行的取值范围或模型自身可能需要修正； 8 河海大学硕士论文 ( 5 ) 当f 一一时，模型5 的最终沉降为4 4 1 6 1 h , 明显不符合实际情况，估计 是引用错误，或者是经验公式； ( 6 ) 模型6 为一经验公式，并认为沉降与时间成正比，但由于是室内试验， 时间有限，应用受到一定的限制； ( 7 ) 模型7 为了确定内和s 础可将上式转换为t s t 关系式，并可由实测得到 r 登。关系曲线，则该直线的截距和斜率的倒数分别为印和n ，该模型具有一定的新 意，但至今应用较少。 4 ) 综合整体模型 1 9 9 0 年，g i b s o n 和f a i l 等【1 4 】提出了一种把主、次固结沉降归入一个函数式的 指数型沉降模型： w = h 盯 q + g e x p ( 一( 2 c z l ) t ) ( 1 3 ) 其中，c ，= 9 3 x 1 0 。5 k p a l ；c z t = 1 3 x 1 0 3 k p a 1 ；a c z f i 7 1 0 3 d a y 1 。 a f o n s oc e l s om o n m z im a q u e s 等于2 0 0 3 年提出复合沉降模型( c o m p o s i t e c o m p r e s s i b i l i t y m o d e lf o rm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，如图1 1 ) ： s = 占。+ 乇+ 屯 ( 1 4 ) g = c ：l o g ( c r o + a o ) o o + b ( a o - ) ( 1 - e 一。) + 占d g ( 1 一p 一“) ( 1 5 ) d 为有机物降解 b 率常量；t 为m s w 堆图1 1复合沉降模型示意图 放时间。 该模型综合考虑了m s w 沉降的分段规律和整体沉降性质，相比而言较合理， 但由于该模型涉及很多参数，实际应用较为困难。当然该模型清楚地区分了m s w 9 第一章绪论 各阶段沉降，本应分段介绍，但考虑到介绍模型的完整性，作者将其放置于此。 张振营等【2 川根据简化后的垃圾填埋场的断面图( 见图1 2 ) 推导了m s w 沉降模 型 幽= 焉+ 岳岛 ( 1 6 ) 式中，幽为m s w 的沉降量， e o 为某时刻m s w 的孔隙比，e 为某时刻m s w 的孔隙比， o 为 m s w 的初始高度， 为m s w 中 有机物体积降解率 f = 巧i v , o = ( o 一巧) 巧o ，口 为m s w 中有机物的初始体积百 分数g = ( 屹+ _ 。) 。 a ) 简化前b ) 简化后 图1 2 简化前后垃圾填埋场的断面图 该模型忽略了m s w 沉降变形的一个特征，即在沉降变形过程中存在有机物降 解，即m s w 固体颗粒体积一直在变化，则在图1 2 中使用孑l 隙比e 代表沉降过程中 的孔隙体积是不正确的( 因为此时m s w 固体体积不再是沉降开始阶段的体积1 ，而 是小于1 ) ，故该模型的推导存在一个基本性的错误。 1 2 。2 有机物降解研究现状 很多学者单独研究了m s w 有机物降解的特性，并提出了一些理论及计算有机 物降解产生沉降的模型，以下分别进行介绍。 e d g e r s 1 6 1 1 9 9 2 年提出了一个模型，专门用于描述m s w 因有机物降解而产生的 沉降： w b 。= 日b - o x p p 9 一& ) 一1 ( 1 7 ) 其中，b 、卢为参数，0 1 2 2 3 y e a r 1 0 、p l 。 以下逐一介绍各参数的具体物理含义： 1 ) 初始质量降解率4 l ：指在计算开始时m s w 中已降解的有机物质量与有机物 原始总质量的比值。本试验中试样为人工配制，初始状态有机物尚未发生降解，因 此彳l = o 0 。 2 最终质量降解率4 2 ：指在降解结束时即达到降解稳定时m s w 中已降解的有 机物质量与有机物总质量的比值。其实最终质量降解率也就是可降解有机物含量， 许多学者认为有机物中只有5 6 的物质可以降解为水和气体( g o l u e k e ( 1 9 9 2 ) ) 【3 0 】。 同时根据模型公式的性质发现：一2 的取值越大，最大质量降解速率越大，质量 降解速率衰减速率越快，也就是表示有机物越容易降解；而4 2 的取值，对于质量降 解速率达到峰值所需时间没有影响。如果以质量降解速率稳定作为有机物降解稳定 的标志，则一2 值越大，有机物降解稳定时的质量降解速率越大，但对稳定需要的时 间没有太大影响。 3 ) 半降解时间f 0 ：即质量降解率达到一半即口2 一爿j ) 2 时所需的时间。t o 的取 值越大，有机物的最大质量降解速率越小，质量降解速率衰减的相对较慢，但对质 量降解速率达到最大值所需时间没有影响。同样，参数t o 对有机物降解达到稳定所 需时间没有影响，但对达到稳定时的质量降解速率有影响，t o 越大，最终稳定质量 降解速率越太。达到降解稳定时，t o 越大，降解的量越小。 4 ) 降解控制参数p ：无量纲参数。主要影响质量降解速率达到蜂值所需时间， 当t = ( p 1 ) ，p 十1 ) t o 时，= 0 ，即质量降解速率p 在此处达到峰值，即此时m s w 有机物质量降解速率达到最大值，则p 值越大，质量降解速率达到峰值所需要的时 间越长。 对于本文中试验a ，式( 2 5 ) 中各参数数值具体取值如下：a i = o 0 ，a 2 = 4 8 2 3 ， t o = 1 4 4 1 ，p = 1 2 1 。各曲线具体形式见图2 5 。 河海大学硕士论文 从拟合所得到的质量降解速率曲线可以看出，在试验开始后第3 4 天质量降解 速率出现峰值。而柯翰及其他一些参考资料【1 8 l 等提出的有机物质量百分含量、质量 降解率及质量降解速率( 见图2 6 ) 并未出现峰值。 6 0 g s o 褂 萎4 0 删 譬3 0 删 篓2 0 吣 罂l 。 0 0 ， ”i 。严 一有机物质量百分含量 - * 1 b e 一 ， 十 质量降解速率 肾 卜；1 。) - 、 1 0 时间( d ) 2 0 0 3 0 0 2 5 o 0 5 0 0 0 勺 兰 瓣 删 譬 世 删 蜒 图2 6 有机物质量百分含量、质量降解率及质量降解速掣1 8 1 其中图2 6 的有机物质量百分含量公式为 肛衔1 1 ( 2 ，) 一旦( 一e 一“ 、7 其中b o = 0 3 5 ，为m s w 中初始有机物质量百分含量；b l = 0 1 9 6 ，为可降解有 机物质量百分含量：k = 0 3 6 5 ，r 为m s w 填埋时间( 单位a ) 。 将式( 2 7 ) 求导得 b = ( 2 8 ) 设m 为m s w 在降解过程中的总质量，t = 0 即在初始阶段m s w 总质量为 n o ， 伽为m s w 中有机物的初始质量，历，为降解过程中某时刻有机物的质量，m ，为m s w 中无机物的质量，其中在降解过程为一恒值。 令恂= l ，则根据各物理量之间的关系可知：唧0 _ 丑d x m 0 _ 0 3 5 ，棚。= 埘。一o = l o 3 5 = 0 6 5 。 降解过程中有机物质量百分含量为 第二章有机物降解质量变化规律研究 b ：生：堡 卅 + 豫 将上式变换可得m s w 中有机物的质量 有机物质量降解率为 将式( 2 1 0 ) 代入上式可得 b m ，2 而。 2 ：a m y ：塑二堡 m y om y o b 五；坦：m , o - 西m , m y o m v o 将上式对时间t 求导即得有机物质量降解速率 f “) 舻一i 2 ( i - b ( t ) ) 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 将式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 带入式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 即可计算出m s w 中有机物降解的质量降 解率和质量降解速率，各曲线见图2 6 ( 其中己将降解率单位换算为) 。 本试验结果与已有有机物降解率和降解速率曲线出现如此差异有以下两个原 因： 1 ) 公式获取的方式不同，本文从m s w 室内试验和有机物质量变化出发，而其 他公式则基于一些m s w 填埋场的现场实测资料； 2 ) 现场实测资料对m s w 的初始状态及其原始组成难以准确了解，而本文的室 内试验能有效控制各初始参数，对降解过程的描述更全面和合理。 2 4 2 m s w 质量降解率模型 根据质量降解率定义可知m s w 质量降解率为 ：_ a m 其中，a m 为有机物降解引起的m s w 损失量，m o 为m s w 初始质量。 在m s w 降解过程中，只有有机物发生降解，则可知 2 4 ( 2 1 4 ) 河海大学硕士论文 又有 a m = 打k 。m y 0 十， 将式( 2 1 5 ) , o ( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 4 ) ，可得 ：一坐! o + m s 由式( 2 1 ) 可得 a m y = 枫。 将上式代x ( 2 1 7 ) 得 ：兰堡! m y o + m s m s w 中有机物初始质量百分含量为 则由上式及式( 2 1 9 ) 可得 厶：上 m y o + m s ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 五= ao z f 2 2 1 ) 将式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 代入上式可分别得到m s w 质量降解率和降解速率模型 肚以。卜高割 亿2 z ， 小群1 ( t t o ) r 亿2 。， ，0 i + 9 、 2 5 有机物降解产生气水特性 m s w 中有机物发生降解后，部分转化为甲烷等气体逸出填埋体【3 3 】，另一部 分则溶解在淋滤液中排放出来，从而导致m s w 中固体物质质量的损失。文献【3 3 1 根 据一些数据间接推算认为m s w 经气体和液体的损失量大约各占一半，但并没有直 接证明该结果。 第二章有机物降解质量变化规律研究 本试验根据一些实测数据推算了m s w 中有机物降解产生的气体和液体的质量。 在处理数据过程中发现必须考虑试验过程中蒸发量的影响，而蒸发量又无法直接计 算或量测，因此首先根据试验数据推算蒸发量。 2 5 1 蒸发量的确定 影响土壤蒸发的因素有；气象条件、土壤含水量、地下水埋藏深度、土壤色泽、 结构、下垫层特性等闻，而对于本试验影响蒸发的因素只有气象条件、试样含水量 两个方面。 气象条件包括实验室的温度、湿度、风速等。在试验前4 0 天内，即2 0 0 4 7 2 4 至2 0 0 4 9 1 时期内实验室温度、湿度见图2 1 ，可见温湿度变化浮动不大( 温度从 2 2 8 增加到2 5 9 c ，湿度在7 2 8 5 之间浮动) ，由于使用保鲜袋套住试样，因而 风速也可视为0 或者基本不变。可见，气象条件基本不变。 在开始阶段有机物降解速率较大而使试样干质量减少较快，其蒸发的水及产生 的气体相比较而言较少，从而使试样含水量从8 2 9 上升至8 8 6 左右( 见图2 7 中 前4 0 d ) ，虽然含水量增加了5 7 ，但相对增加量只有6 8 8 ，因此认为试验过程中 含水量对蒸发不产生显著影响。 桨 v 删 * 缸 麓跨麟苎鼍 琴童厶分 一五古 町 厶 如 厶a a 吧 盈皤 必 05 01 0 01 5 02 0 0 时间( d ) 图2 7 试验a 的含水量变化曲线 另外，试样放置于碗内，外面套了一个保鲜塑料袋并封口，则试样与外界接触 交流并不多。虽然试验设计阶段认为试样的水分不会蒸发，但由于塑料保鲜袋的质 量问题，未能达到最初设想。 羽昌8盯：8踮阻踮跎 河海太学硕士论文 根据以上分析可假定在试验前4 0 天试验蒸发量基本保持不变a 另外在试验过程一些实测数据也能证明该结论。 图2 8 是试验a 中各试样总质量减少的曲线，即试验前后试验湿重差，亦即试 验过程中试样降解产生的气体与所蒸发损失的水分之间的和值。由图可见：在试验 开始阶段，由于有机物降解较剧烈，在试验前2 0 天该值逐渐增加；在2 0 一4 0 天之 间，该值呈微小斜率的直线状，即此时试样降解产生的气体较少；在约4 0 天后，该 值开始增加，并呈直线状趋势，而此时试样降解量已很小，可以认为该值完全为蒸 发损失的水分。可见，在试验后期蒸发量很稳定，为一恒值。 岛 、一 蚓 氐 爨 05 01 0 01 5 02 0 0 时间( d ) 图2 8 试验a 中试样总质量减少量曲线 图2 9 为试验a 的剩余水量变化曲线，即试样经降解后，试样湿重与试样千质 量的差值。由图可知，试验过程中，剩余水量在开始阶段的4 0 天内有所增加，亦即 岛 、_ ， 咖| * 藤 1 9 0 1 8 0 1 7 0 1 6 0 1 5 0 1 4 0 1 3 0 - 亡- i i “土 押f - 一墨 ：玛 1 。：鬣 _ 7 诲 孓一 一 o5 01 0 01 5 02 0 0 时间( d ) 图2 9 试验a 的剩余水量变化曲线 伯约m 0 第二章有机物降解质量变化规律研究 此阶段m s w 有机物降解产生的水超过了每天的蒸发量；在4 0 天后的时期里，剩余 水量逐渐减少，并形成一条直线趋势，而此时试样降解量已很小，可以认为该值完 全为蒸发损失的水分。同样可以得到与图2 8 一样的结论。 从2 0 0 4 1 0 3 0 开始量测部分试样每天的质量，可得每天试样质量的变化量，然 后将每天试样质量变化量迭加，即可得试验过程中部分试样的日变化量( 见图2 1 0 ) 。 由图可见，每个试样的日变化量迭加基本上成一直线，亦即每个试样的日变化量在 试验过程中基本相同，而由表2 7 和2 9 可知，从2 0 0 4 1 0 3 0 以后m s w 有机物降解 很缓慢且产生的气体很少或几乎没有，因而此时每个试样的日变化量大部分是试样 每天的蒸发量。同时也发现每个试样的蒸发量不一定相同，存在一定的差异，因而 很难确定试验过程中蒸发量的精确值。 龟 咖| 甚 制 02 04 06 0 8 01 0 0 时间( d ) 图2 1 0 试验a 的试样日交化量 综上所述，可以认为在试验过程中，特别是在试验前期的4 0 天内，试样蒸发量 保持不变，但不能获得具体蒸发量。 2 5 2 有机物降解产生气水特征 根据2 5 1 的分析及对试验数据的尝试计算发现前4 0 天试验a 的试样每天蒸发 量为o 0 8 9 较为合理，则根据蒸发量为o 0 8 9 及试验数据可获得初始阶段m s w 有机 物降解产生的水及气体的质量曲线( 如图2 1 1 ) 。由图可见，试验前3 0 天内，每天 降解产生的水与气体的质量基本相同，即m s w 有机物中固体物质转化为5 0 的水 和5 0 的气体，从而验证了前人关于m s w 中有机物降解产生的水和气体之间的关 如筋坫加0 0 河海大学硕士论文 系；而在3 0 4 0 天里，产生的气体增加缓慢，基本保持条水平直线，而产生的水 则继续增加。 1 2 1 0 8 儡 蛐i 6 憾 4 2 o 口 一 】里 日 廿 一 日 0 h 。 专 l - 占 ：自r j 丑 童 o 日 鱼 - oj ，土口u j 2 口产生的气体 0l oz o3 04 05 0 时闻( d ) 图2 1 1 试验a 初始阶段降解产生的水及气体 在试验b 中部分瓷碗有水从中漏出，因而无法推算该结论。根据观察发现：当 向碗里放置试样并加水至全饱和并套上塑料袋后，由于塑料袋的自重等作用，瓷碗 上面的塑料袋下垂至瓷碗内，由于瓷碗内水较多以致一些塑料袋与碗内的水接触， 然后由于类似毛细管作用之类的原因，瓷碗内的水顺着瓷碗与塑料袋之间的空隙流 入塑料袋，而后又由于一些塑料袋由于质量随题而存在缝隙，从而使水流到塑料袋 外面。由此在试验数据中增加了另外一个变量：流出碗的水量，而该变量无法测量 又毫无规律。因此无法将试验b 中的降解量及产生的水、气体联系起来。这也是试 验过程中忽视的一个影响因素，希今后在傲相同试验时能予以注意。 2 6 含水率对有机物降解的影响 2 6 1 含水率对有机物降解的影响 影响有机物降解的因素有很多，如m s w