（环境工程专业论文）垃圾填埋产气量预测模型及填埋场内压力分布研究.pdf

摘要 我国城市生活垃圾9 0 左右采用填埋的方式进行处置，每年向环境释放的 垃圾填埋气达1 0 0 万吨以上，对填埋气的污染控制和资源化回收利用是急待解决 的重要问题。国家“十一五”规划纲要提出加快开发生物质能，支持发展垃圾填埋 气发电工程。开展垃圾填埋气产生量预测和迁移的研究对垃圾填埋气的利用具有 重要意义。 现有的填埋气产生量预测模型都存在一定的弊端，如i p c c 模型只能用于计 算填埋场的总产气量，不适用于计算各阶段产气量；而化学需氧量模型假设所有 有机物都降解，故估算结果与实际值偏差较大。目前关于填埋气迁移方面的模型 未能很好地模拟出填埋场内不同时期不同位置的压力分布。 本文从垃圾中可降解有机物的转化过程出发，根据有机物的质量守恒建立了 可降解有机物质量守恒产气量预测模型，通过试验得出模型中的参数，并验证了 模型。同时通过实验研究了填埋垃圾的降解规律：填埋后5 - 1 0 天为产气高峰， 随后产气量迅速衰减；填埋垃圾中引入污水厂污泥、产甲烷菌可以大幅提高垃圾 的产气量和产甲烷的浓度。基于填埋气迁移过程中的连续性方程、运移方程和温 度控制方程，构建了垃圾填埋气迁移控制方程。创新性的采用f l u e n t 软件模 拟垃圾填埋体内不同时间、不同位置压力分布情况，并模拟了被动抽气、主动抽 气下场内压力分布情况，得出模拟值与实际值比较相符。 关键词：垃圾填埋产气量模型填埋气迁移f l u e n t 模拟 a bs t r a c t p o l l u t i o nc o n t r o lo fl a n d f i l lg a sa n di t sr e c o v e r yi sau r g e n tp r o b l e mi n c h i n a , b e c a u s eo v e r9 0 m u n i c i p a ls o l i dw a s t ew e r ed i s p o s e db yl a n d f i l l ，a n do v e ro n e m i l l i o nl a n d f i l lg a sr e l e a st ot h ee n v i r o n m e n te v r yy e a r t h ed e v e l o p m e n to f b i o m a s s e n e r g yw a sr e q u e s t e di n llt hh v e - y c a r p l a n , w h i c ha l s os u p p o r t sl a n d f i l lg a s e l e c t r i cp o w e r s t u d yo nl a n d f i l lg a sg e n e r a t i o nm o d e l sa n dg a sm i g r a t i o nr u l e sa r e v e r yi m p o r t a n tf o rt h eu t i l i z a t i o no f l a n d f i l lg a s n 地e x i s t i n gl a n d f i l lg a sg e n e r a t i o nm o d e l sh a v ei t so w ns h o r t c o m i n g s ，f o r e x a m p l ei p c cm o d e lm a i n l yf o rc a l c u l a t i n gt o t o lg a sp r o d u c t i o n ，c o dm o d e l s u p p o s e st h a ta l lt h eo r g a n i cw a sd e g r a d a t e dc o m p l e t e l y a tp r e s e n t ，t h ee x i s t i n gg a s m i g r a t i o nm o e d lc a n ts i m u l a t ep r e s s u r ec o n t o u r sw e l l b a s e do nt h em a s sc o n s e r v a t i o no f b i o d e g r a b l eo r g a n i cw a s t e ，am o d e lw h i c hc a l l b eu s e dt oc a l c u l a t el a n d f i l lg a sp r o d u c t i o nh a sb e e np r o p o s e d ，f r o mt h ee x p e r i m e n t t h eg a sg e n e r a t i o nr a t ec o n s t a n tw a sg o t , t h em o d e lw a st e s t 啊1 el a n d f i l le x p e r i m e n t r e s u l t ss h o w ：t h em a x m u mg a sp r o d u c t i v i t yw a sa c h i e v e da f t e rt h ew a s t ef i l l e d5t o1 0 d a y s ，t h e nt h eg a sp r o d u c t i o nr a t ed c c l i n sr a p i d l y a d d i n gw a s t c w a t e rs l u d g ea n d m e t h a n o g e n i co r g a n i s mt ot h em s w c a na c c e l e r a t eo r g a n i cw a s t e sd e c o m p o s i t i o na n d l a n d f i l lg a sp r o d u c t i o n , e s p e c i a l l y b a s e do nt h el a w so fg a sm i g r a t i o ni np o r o u s m e d i a ( m a s sc o n s e r v a t i o n , d a r c y sl a w , e n e r g ye q u a t i o n ) ，l a n d f i l lg a sm i g r a t i o n e q u a t i o nh a sb e e np r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h em i g r a t i o ne q u a t i o n , f l u e n tw a s u t i l i z e dt os i m u l a t el a n d f i l lg a sm i g r a t ei nl a n d f i l l 1 1 1 el a d f i l l s ，w h i c hu n d e rp a s s i v e w e l lo ra c t i v ew e l lc o n d i t i o n , p r e s s u r ec o n t o u r sw e r es i m u l a t e d , w h i c hg e n e r a l l ym a t c h t ot h et e s tv a l u e k e yw o r d s ：l a n d f i l l ，g a sg e n e r a t i o nm o d e l ，g a sm i g r a t i o n , f l u e n ts i m u l a t i o n u 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：西哆查 日期：娜参年厂胡夕日 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 绪论 1 1 垃圾填埋与填埋气体收集利用现状 1 1 1 垃圾填埋的定义及其与其它垃圾处置方式的比较 垃圾卫生填趔i 】( 垃圾填埋) 是指利用工程手段，采取有效技术措施，防止 渗滤液及有害气体对水体和大气的污染，并将垃圾压实减容至最小。在每天操作 结束或每隔一定时间用土覆盖，使整个过程对公共卫生安全及环境均无危害的一 种土地处理垃圾的方法。 卫生填埋通常是每天把运到填埋场的垃圾在限定区域散成4 0 - - - 7 5 c r n 的薄 层，然后压实以减少垃圾的体积，并在每天操作之后用一层厚1 5 - - 3 0 c m 的粘土 或粉煤灰覆盖、压实。垃圾层和土壤覆盖层共同构成一个单元，即填埋单元。具 有同样高度的一系列相互衔接的填埋单元构成一个填埋层。完整的卫生填埋场是 由一个或多个填埋层组成的。当土地填埋达到最终的设计高度后，在该填埋层之 上覆盖一层9 0 - - 1 2 0 e r a 的土壤，压实后就得到一个完整的封场了的卫生填埋场。 垃圾处理处置的方法主要包括卫生填埋( s a n i t a r yl a n d f i l l ) 、堆肥 ( e o m p o s t i n g ) 、焚烧( i n c i n e r a t i o n ) 和资源回收( r e c y c l e ) 等，不同的处理处置方法各 有优缺点。焚烧法能够实现很好的减量化，处理比较彻底，并可以利用其产生的 热能，但是它一次性投资大，运行费用也很高，对管理水平和设备维修要求高， 而且焚烧过程中产生的烟气含有很多有毒有害物质，若处理不当，所产生的二次 污染对环境的危害很大；堆肥法存在着堆肥肥效低，产品出路不佳，与化肥等同 类产品相比竞争力差的缺点，而且长期使用易造成土壤板结和地下水变质变坏； 资源回收是一个很好的方法，它从源头上削减垃圾产量，而且还能变废为宝，但 是它只是一种垃圾减量化的途径，并不能代替垃圾的最终的处置；尽管卫生填埋 法也有其自身的缺点，如选址困难、占地面积大、产生的渗滤液与填埋气污染地 下水与大气等，但是填埋法具有投资省、处理费用低、处理量大、所需设备少、 操作简便且能回收沼气等优点，而且如果设计运行得当，可以避免二次污染，因 此垃圾卫生填埋法成为了世界上许多国家的垃圾处理的主要方式。 表1 1 为以上四种垃圾处置方法的优缺点比较，表1 2 为一些国家垃圾填埋 处理所占的比例。 北京建筑工程学院硕士学位论文 我国作为发展中国家，资金相对紧缺，而卫生填埋法最大的优点是投资省、 处理量大，因此卫生填埋法是垃圾处理必不可少的最终处理手段也是现阶段我国 垃圾处理的主要方式【2 】。 表1 1 四种垃圾处置方法的优缺点比较 表1 2 各国m s w 处理方法所占的比例【3 】( ) 1 1 2 垃圾填埋气及其特点 填埋气( 1 a n d f i l lg a s ，简称，l f g ) 是填埋场内的有机物质通过微生物厌氧 降解、挥发和化学反应而产生的一种混合气体，作为垃圾填埋的副产物，它主要 由c h 4 、c 0 2 、0 2 、n 2 、h 2 和多种痕量气体组成，一个成熟的垃圾填埋场c h 4 和c 0 2 可占填埋气总量的9 0 以上甚至更高，典型的填埋气成分和含量如表1 3 所示。 填埋气具有以下特点： ( 1 ) 填埋气是一种温室气体，其中的主要成分c h 4 、c 0 2 能导致温室效应， 特别是c i - h 气体，它的温室效应是c 0 2 的2 0 倍以上【5 】。据估算垃圾填埋气对全 球变暖所做的贡献为3 仅次于稻田的贡献【6 】。 ( 2 ) 填埋气是爆炸性气体，当空气中的c h 4 浓度在5 1 5 时，有爆炸的 可能性。甲烷比空气轻，它的密度约为空气的0 5 5 倍，在填埋场中会向上运动， 并在不渗透的封闭空间积聚，容易造成爆炸事故。 ( 3 ) 填埋气中含有大量痕量气体，这些气体大多是非甲烷有机物，它们总 北京建筑工程学院硕士学位论文 量虽然很小，但是对环境和人体健康却具有很大的危害性，而且很多还是“三致” 有机物。邹世春等【7 】通过对广州填埋场的研究，发现了包括苯、甲苯、氯乙烯、 氯仿等被美国国家环保局( u s e p a ) 列为优先控制物的痕量气体。y o u n g 等【8 】 测定了英国3 个不同的垃圾填埋场周围空气中微量挥发性有机物，共检测出1 5 种化合物，其中1 1 种在各个填埋场中均可检验出。 ( 4 ) 填埋气是一种可回收利用的能源，一般成熟的垃圾填埋场中，o h 4 的 体积含量在5 5 左右c 0 2 的体积含量在4 5 左右。填埋气的高位热值在15 6 3 0 - 1 9 5 3 7 k j m 3 。据统计，到1 9 9 0 年世界上有4 8 1 家填埋场进行了填埋气的回收利 用，大约有5 x 1 0 9 m 3 的填埋气得到了开发利用。这些能源相当于2 4 x 1 0 6 吨石油， 足可以供一个容量为l x l 0 9 w 的电厂进行发电。在美国1 9 9 0 年利用的填埋气约 为4 3 x 1 0 9 m 3 1 9 1 。 表1 3 典型垃圾填埋气的组份及所占百分比川 成分百分比( ) 甲烷 二氧化碳 氮气 氧气 硫酸盐、硫酸氢盐、硫醇 氨气 氢气 一氧化碳 其他痕量气体 1 1 3 垃圾填埋气的利用现状 回收利用垃圾填埋气不仅能减轻其对环境的污染，而且能变废为宝。世界上 许多国家如美国、英国早在7 0 年代就开始了对填埋气的研究，8 0 年代初便开始 利用填埋气，近些年来环境问题的日益突出、石油价格的上涨以及能源危机的加 剧，对填埋气的利用更是受到了重视。 垃圾填埋气的用途主要有 1 0 l ：通过燃气发电机转换成电能；直接用作锅 炉、窑炉等的加热燃料；净化后与城市煤气混合作民用燃料；净化和压缩后 作为汽车燃料。 到1 9 9 9 年，美国已有2 5 9 个填埋气体回收发电装置运行，发电装机总量超 过7 5 0 兆瓦。 5加m地屹伽叫叫叫q卜俨价卜小p卟咿咿肿 北京建筑工程学院硕士学位论文 荷兰自2 0 世纪8 0 年代开始实施填埋气体收集利用国家计划，在十几年中几 乎所有的新建填埋场和旧填埋场都安装了填埋气体利用装置。荷兰地域狭小，人 口只有1 5 0 0 万，但目前已建立了4 0 多座垃圾填埋场和气体收集利用装置，发电 装机超过8 0 兆瓦。 杭州天子岭垃圾填埋场的填埋气回收利用工程于1 9 9 8 年1 0 月投入运行，这 也是我国内陆第一家垃圾填埋气体发电厂。1 9 9 7 年，国家环保总局在南京、鞍 山和马鞍山三个城市启动的城市垃圾填埋气体收集利用试点项目也已于2 0 0 3 年 完成。伴随着2 0 0 5 年京都议定书的生效也为我国垃圾填埋气体资源化利用 产业的拓展提供更广阔的发展空间。至2 0 0 7 年我国部分已获批的填埋气体c d m 项目如表1 4 所示【1 1 】。 表1 4 至2 0 0 7 年我国部分已获批的垃圾填埋气体c d m 项目 1 2 垃圾降解产气过程及影响因素 填埋垃圾降解过程中产生大量填埋气体，填埋场的产气量和产气率是填埋气 体污染控制和回收利用的重要技术指标，产气量和产气率与垃圾组分及垃圾降解 过程紧密相关。 1 2 1 垃圾填埋降解阶段的划分及其特点 垃圾填埋场里发生着一系列的物理、化学及生物反应，这些反应持续时间很 长，一般要几十年甚至上百年。研究表明【1 2 1 ，尽管这些反应既庞杂而又漫长，但 是垃圾填埋降解过程大致可以分为5 个阶段，即：i 初期调整阶段( i n i t i a l a d j u s t m e n t ) 、i i 过渡阶段( t r a n s i t i o np h a s e ) 、1 1 1 酸化阶段( a c i dp h a s e ) 、i v 甲 烷发酵阶段( m e t h a n ef e r m e n t a t i o n ) 及v 成熟阶段( m a t u r a t i o np h a s e ) 。图1 1 为垃圾填埋降解过程5 个阶段的划分及其特点。 北京建筑工程学院硕士学位论文 图1 1 垃圾降解过程中填埋气组分 时问 时同 图1 2 垃圾降解过程中渗滤液指标 阶段i 初期调整阶段 当垃圾填入填埋场后便进入了初期调整阶段，由于垃圾在填埋过程中带入空 气，因此这一阶段主要进行的是有机可降解成分的好氧生物降解，生成小分子的 中间产物和c 0 2 、h 2 0 。好氧阶段要释放出一定的热量，表现在温度有较明显的 升高，这一阶段持续的时间较短。 阶段过渡阶段 在这一阶段里，氧气被消耗殆尽，开始建立起厌氧条件，垃圾降解由好氧降 解过渡到兼性厌氧降解，此时起主要作用的微生物是兼性厌氧菌和真菌，垃圾中 的硝酸盐和硫酸盐能够作为电子受体被还原为n 2 和h 2 s ，垃圾中的氧化还原电 位逐渐降低，并且渗滤液的p h 值由于有机酸的产生和填埋场中c 0 2 的浓度升高， 也开始下降。这一阶段中，厌氧条件的开始可以通过检测垃圾的氧化还原电位来 确定。 阶段一酸化阶段 第一和第二阶段产生的溶解于水的小分子物质在兼性和专性的厌氧菌作用 0 叫 o 0 l 8 6 4 2 填埋气组分 渗滤液指标 北京建筑工程学院硕士学位论文 下转变为有机酸。由于填埋场中有机酸的出现和累积，以及c 0 2 浓度的升高， p h 值会继续下降，至本阶段中期达到最低，渗滤液中由于含有可溶性的有机酸， 因此其c o d 、b o d 5 和导电性会显著升高，也会在中期达到最大值，金属离子浓 度会升高至中期达到最大值。假如此时渗滤液不回灌，将会有大量的营养物质流 失。 阶段甲烷发酵阶段 在此阶段中，完全厌氧的产甲烷菌占优势，产甲烷菌能将乙酸分解、以及将 h 2 和c 0 2 合成而生成c h 4 。随着有机酸和h 2 转化为c h 4 和c 0 2 ，故填埋场中渗 滤液p h 值将会升高，至6 8 8 0 范围内，填埋气中c h 4 含量上升至5 0 左右。 渗滤液的c o d 、b o d 5 和导电率等指标迅速下降，由于渗滤液中的p h 值较高， 只有少量的无机成分能够溶解在其中，因此，渗滤液中重金属浓度也会下降。 阶段v 成熟阶段 此阶段填埋气的主要成分仍然是c h 4 和c 0 2 ，只是其产气速率急剧下降。 由于在开始的几个阶段中，大部分可以利用的营养物质都随渗滤液和填埋气排 走，保留在填埋场中的底物都是难降解物质。在这一阶段，填埋气中可能会发现 少量的n 2 和0 2 ，这主要取决于填埋场的封场方法。渗滤液常常含有一定量的难 溶解的腐殖酸及富里酸，且渗滤液中剩余腐殖质和重金属离子发生络合作用，水 中氧化还原电位上升。 必须指出，上述的五个阶段并非绝对孤立，它们之间相互联系。垃圾性质、 填入的时间以及场地的环境条件不同，填埋阶段经常会出现一些交叉，即使同一 批填入的垃圾在降解过程中各阶段也会发生交叉。 1 2 2 垃圾填埋降解产气过程中有机物的代谢 垃圾填埋场中发生着一系列生物反应。在反应过程中，有机可降解物质最终 大部分转化为c h 4 和c 0 2 ，只有一小部分用作细胞质的生长。填埋气的产量依赖 于填埋场中可降解有机物量的大小，这些有机可降解物质就其化学成分而言，主 要是碳水化合物、蛋白质和脂肪。当这些有机物质完全降解并最终达到矿化时， 填埋场便稳定下来了。 然而，这些有机物在填埋场中往往并不能完全转化，而要最终残留一部分， 并且每种有机物对填埋气的贡献也不一样【1 3 】。这样就决定了在计算填埋气产量 北京建筑工程学院硕士学位论文 时，不能按照每种不同的有机物的化学反应式来进行，用这种方法计算出的数值 要比实际的产气量大，只能作为参考。有机可降解物质中主要成分为碳水化合物、 蛋白质和脂肪，而碳水化合物中最主要成分包括纤维素、半纤维素和木质素。纤 维素和半纤维素是两个最主要的可降解物质，它们在厌氧填埋时发生如下反应 【1 4 】： ( c 6 i - i z o o s ) n + h 2 0 = c d - i i 0 0 54 - n h 2 0 ( 1 1 ) c 6 h l 0 0 54 - h 2 0 = 3 c 0 24 - 3 c i - h ( 1 2 ) ( c s h s 0 4 ) n4 - h 2 0 = c s h s 0 44 - n h 2 0 ( 1 3 ) 2 c 5 h 8 0 44 - h 2 0 = 5 c 0 24 - 5 c i - h ( 1 4 ) 按照上述的经验反应式，可以得出在标准状态( s t p ) 下，每千克的纤维素 和半纤维素降解分别得到甲烷4 1 4 6 l 和4 2 4 2 l 。 b a r l a z 和h a m 通过实验发现，最终有7 1 的纤维素和7 7 的半纤维素得到 降解，并且认为9 1 的甲烷是由纤维素和半纤维素降解而来h 5 1 。而木质素在厌 氧条件下几乎不降解，其产甲烷能力可认为是零【1 6 1 。纤维素和半纤维素不能降解 完全的主要原因是由于一部分的纤维素和半纤维素被木质素所包裹着，导致其不 能为细菌降解。 纤维素和半纤维素的量在填埋初期时较大，后来其含量渐渐变小，而木质素 含量则几乎不变，故纤维素和半纤维素与木质素的比值会随时间逐渐减小，并最 终达到一个较为稳定的值。 蛋白质在微生物作用下转化为肽和氨基酸，其中一部分氨基酸转化为硫醇、 胺、氨和有机酸，另一方面多肽、氨基酸和氨通过微生物的合成作用，重新转变 为新细胞的蛋白质。因此在厌氧发酵过程中，蛋白质的含量变化不大。b a r l a z 等 i t s 认为蛋白质的降解对甲烷产量作的贡献不超过8 。粗蛋白质含量的变化不大。 h a m 等【1 刀研究表明：填埋5 年以后垃圾粗蛋白质含量为3 5 2 ，填埋1 8 年以后 垃圾蛋白质含量下降到2 3 3 。脂肪是甘油和高级脂肪酸所形成的脂，其对产甲 烷的贡献也比较小。 综上所述，碳水化合物、蛋白质和脂肪等有机物质在填埋过程中并不能完全 降解，其中木质素几乎不降解，每种物质对产甲烷量的贡献也不一致，其中纤维 素和半纤维素对产甲烷的贡献最大，但纤维素和半纤维素也难降解完全。 北京建筑工程学院硕士学位论文 1 2 3 填埋垃圾厌氧降解的影响因素 垃圾填埋场实际上是一座巨大的生物反应器，影响这座反应器里面的垃圾厌 氧降解的因素很多，包括垃圾的成分、气温、垃圾含水率、场内p h 值、微生物 种群等。 1 2 3 1 温度 微生物活性与温度密切相关，当温度过低时，微生物处于休眠状态；当温度 过高时，则使之变性失活。产气速率与温度紧密相关。 温度对产气速率的影响主要体现在对产甲烷菌的影响。h a r t z 等研究了温度 的变化对填埋气中甲烷产生速率的影响，发现温度在4 l 时为c h 4 产生的最佳 温度【1 8 】。当温度提高到5 5 c 以上时，产甲烷作用停止，同时温度较低时也不利 于甲烷的产生。 1 2 3 2 含水率 y o u n ga l a n 认为对于给定的填埋场，垃圾中的水分含量是影响其降解产气 的最主要的因素【1 8 】。要产生垃圾填埋气( l f g ) ，必须先使有机物从垃圾中溶出， 然后微生物才能与之在液态下反应。因此，良好的液态环境能有利于微生物利用 填埋场中的营养物质。 填埋垃圾体中含水量超过其场内持水能力( 是指在重力场下，垃圾所能含的 最大水分量) 时就会有渗滤液连续析出，此时渗滤液就会作为营养物质和微生物 的传输载体，使其在填埋体中均匀分布，有助于微生物生长繁殖，从而加快垃圾 降解，提高填埋气的产生速率。 k a s a l i 1 9 1 在室温( 2 0 5 2 8 5 1 2 ) 下对水分含量分别为5 5 、6 0 、6 5 、7 0 、 7 5 、8 0 ( w w ) 条件下的垃圾降解进行了研究，结果表明：水分含量为5 5 、 8 0 的垃圾柱产甲烷量明显低于其它几种情况，说明6 0 0 o , , 7 5 的水分含量最适 宜垃圾降解。 1 2 3 3p i t 值 填埋场中对产气起主要作用的产甲烷菌适宜于中性或微碱性环境，产气的最 佳p h 值范围为乱8 ，当p h 值在范围以外时，填埋垃圾产气会受到抑制。e 1 f a d c l 和f i n d i k a k i s 等【2 0 】在建立垃圾产气模型时考虑了p h 值是调控水解和酸化过程的 主要环境因素。 北京建筑工程学院硕士学位论文 p a o c y 2 l 】认为调节p h 值是使回灌型生物反应器填埋场运行性能优良的最有 效管理手段之一，因此可在覆盖层或垃圾堆体中加入石灰消化污泥等碱性物质来 增加填埋场内p h 值缓冲能力，或者通过日常灵活的调整操作，降低产酸阶段的 场区回灌量，增加产甲烷阶段的场区回灌量以调节p h 值。 1 2 3 4 生物种群 填埋场中与产气有关的微生物主要包括水解微生物、发酵微生物、产乙酸微 生物和产甲烷微生物四类，大多为厌氧菌，在氧气存在状态下，产气会受到抑制。 微生物的主要来源是填埋垃圾本身和填埋场表层和每日覆盖层的土壤。彭绪亚等 陋1 的城市生活垃圾填埋产沼模拟实验，表明在垃圾堆体中添加污泥起到了接种厌 氧菌的作用，可加速有机垃圾的降解，能够增加填埋气产量，提高产气速率，还 可显著增加填埋气中的甲烷含量。邵立明等【2 3 】研究了添加污泥对渗滤液循环垃圾 填埋层产甲烷的影响，研究表明新鲜垃圾添与厌氧生物处理污泥混合填埋，能够 有效地加速填埋层进入稳定的产甲烷阶段。 1 2 3 5 渗滤液回灌 渗滤液回灌可以明显降低其c o d 浓度，同时会增加填埋场的产气量、产气 速率。渗滤液回灌是在2 0 世纪7 0 年代首先在美国开始研究，并在8 0 年代开始 用之于实际填埋场的一项加速填埋降解产气的技术。 h a m 和b o o k t d 冽在研究模拟填埋场内垃圾的厌氧降解时，把新鲜的垃圾加 到5 年填埋期的垃圾上面，当两层垃圾都没有覆盖时，上层垃圾产生的渗滤液 c o d 被去除7 5 ，这表明，已降解垃圾有处理渗滤液的能力。渗滤液回灌能够 增加垃圾堆体内水分含量，使渗滤液中的微生物及营养物质返回填埋体，并在其 中均匀分布，因此，渗滤液回灌能够加快填埋体的降解速度，提高产甲烷速率。 渗滤液回流会增加填埋场甲烷的产量和渗滤液c o d 的去除效果，邓舟等【2 5 】 通过4 个规模为4 2 m 的生物反应器填埋场模拟柱的中试实验( 每座实验柱有效 垃圾填埋量为3 0 t ) ，研究不同的回灌负荷对出流渗滤液特性和填埋场稳定化进程 的影响，得到最佳的回灌条件为2 7 杨波等【2 6 】研究了高回流比情况下填埋场 的运行情况，得出的结论是：1 ) 渗滤液回流可以降低其c o d 和v f a 含量，并有 利于提高甲烷的产量；2 ) 简单的进行渗滤液回灌并不一定能够达到垃圾生物降 解的最佳效果，相反可能会因为经常的冲刷而带走垃圾中的营养物质，使垃圾中 的微生物生长得不到足够的养分。因此，在垃圾填埋初期适当地加大渗滤液的回 北京建筑工程学院硕士学位论文 灌量，在后期减少回灌量并延长回灌渗滤液的停留时间可更好的满足微生物的生 长需要。 1 3 垃圾填埋气产生量模型研究现状 1 3 1 国外研究情况 国外对填埋气产生量模型的研究始于二十世纪七十年代，当时一些学者总结 了一些试验性的数据来描述填埋产气的情况【2 7 1 ，f a r q u h a r 和r o v e r s 二人于19 7 3 年提出真正定量的产气模型【2 引。这一模型的提出标志着定量产气模型研究的开 始，在美国陆续地出现了根据不同的填埋场的产气行为而提出的不同产气模型， 随着人们对厌氧降解和作为生物反应器的填埋场的研究和理解的越来越深入，提 出的产气模型也愈加复杂和接近实际情况。但目前尚没有哪一种模型为大家所普 遍接受，时至今日关于填埋气模型的研究还在进行。下面介绍几个前人研究的具 有代表性的几个模型： ( 1 ) p a l o sv c r d e s 模型2 9 】假设甲烷产生经历两个阶段，第一阶段，甲烷产 生速度正比于已经产生的甲烷的体积，第二阶段，余下的产甲烷潜能( b i o c h e m i c a l m e t h a n ep o t e n t i a l 简称b ) 的减少速度正比于剩余的产气潜能。p a l o sv c r d e s 模型进一步假设，最大的产气速率和半衰周期t l 2 ( h a l f t i m e ) 都发生在两个阶段的 连接点处t l f z ，t l 2 是指可产甲烷的物质潜能b m p 的一半转化为甲烷的时间，即 填埋气产生的半衰周期。此模型将可降解的有机垃圾成分分为三大类：快速降解 的食品等；中等程度降解的纸张、木材、织物等：难降解的橡胶、塑料等。对于 每一类有机物用此模型可以计算出时间t 内产生的气体体积，对时间微分便可求 出产气速率，其产气速率如图1 3 示。 产 气 速 窒 图1 3p a l o sv e r d e s 模型产气速率示意图 北京建筑工程学院硕士学位论文 ( 2 ) s h e l d o na r l e t a 模型删是从城市污水厂污泥厌氧消化产气曲线f a i r 和 m o o r e 曲线中演变而来的，它也假设经历了两个阶段，并服从一级反应，而且它 假设两个阶段的转折点也在半衰期处。它将填埋场中的有机物分为两大类，易降 解的有机物和相对难降解的有机物，又将这两种有机物分为2 4 类，总的产气量 是这2 4 种种有机物产量之和。它假设垃圾中的碳的质量百分含量为2 6 其中 3 1 为易生物降解的，6 6 为较难生物降解的，剩余3 为不可生物降解的。其 产气速率如图1 4 示所示。 产 气 速 蠹 图1 4s h e l d o na r l e t a 模型产气速率示意图 需要指出的是这一模型是从污泥厌氧消化产气曲线中得来的。假设填埋场的 产气速率不受垃圾含水率和营养物的影响，这显然违背了现实中的填埋场的实际 情况。它假设最大的产气速率发生在半衰期处，而真正的最大产气速率要在半衰 期之前就到达，而且在一般的厌氧消化池中，在适宜的条件下，生物量将成几何 倍数的增长，直至有机底物的量降到某一临界值而成为生物量增长的限制因素 时。而填埋场中，在总的有机物成为限制性条件之前，生物量的增长要受到很多 因素的影响。 ( 3 ) s c h o l lc a n y o n 模型2 叼假设经历一段可以忽略的时间后，填埋气的产生 速率迅速地达到它的最大值。随后产气速率遵循一级动力学，反应速度随可降解 的有机底质的减少而降低。 此模型把填入填埋场的垃圾量( w ) 按照每年填入的量分为许多单元重量 ( w i ，i = l ，2 ，3 ) ，总的产气速率和产气量就是各个单元重量的产气速率和产 气量之和。其产气速率如图1 5 示 s c h o uc a n y o n 模型的优点是模型简单，需要的参数较少，在实际工程中得 北京建筑工程学院硕士学位论文 到较多应用。但是该模型忽略了垃圾自填埋开始到产气速率达到最大这段时间和 这段时间的产气量，因此它只能大体上反映产气速率的变化趋势。 产 气 速 塞 图1 5s c h o l lc a n y o n 模型产气速率不意图 ( 4 ) m g me m c o n 模型2 7 1 。该模型也把垃圾中的有机物分为三部分：容 易降解的有机物，中等程度降解的有机物，较难降解的有机物，每一类有机物都 有其产气曲线，其输入项为垃圾量、成分、含水率以及产气滞后时间( 1 a gt i m e ) 和转化时间( 可降解的物质转化为生物气所需的时间) 。三类不同有机物的转化 量之和就是总的垃圾填埋气的产气量，每种有机物的产气量可由下式确定： 厶= 艋w t p ，( 1 一m ，) 巧e ( 1 5 ) 式中：i r 第i 种成分可产生的甲烷总体积，l ； w 广- 垃圾的总湿重，k g ； p r 第i 种成分占的百分比； m r - 第i 种成分的含水率； 一第i 种成分中挥发性固体的含量； e r 第i 种成分中挥发性固体中的可生物降解部分的含量； k 、k7 转换系数，k = - 3 5 0 l c h 4 k g c o d ；k7 = 1 5 k g c o d k g v $ 。 填埋垃圾总的产气量是各种垃圾不同成分的产气量之和。其产气速率如图 1 6 所示。 产 气 速 蛊 图1 6m g me m c o n 模型产气速率示意图 1 2 北京建筑工程学院硕士学位论文 ( 5 ) h o c k s 【3 l 】也应用简单的一级的动力学反应来估计有机物的降解速率， 其基本的方程式可由下式表示： 只= p o e 叫( 1 6 ) 式中：p r t 时刻的可降解的有机物的浓度； 卜降解速率常数； p r 最开始时可降解的有机物的浓度。 此模型也将有机物分为易降解的，中等程度降解的，较难降解的三大类，还 同时给出了三类有机物各自不同的p o 和k 值。它也假设垃圾填埋后产气速率很 快达到最大值，产气的滞后时间可以忽略不计。 这一模型和s c h o l lc a n y o n 模型大致相同，只不过在s c h o l lc a n y o n 模型中 p 。代表的是t 时刻余下的还可以产生的甲烷的体积，其余的都相同。 以上五种模型均为早期的产气模型，它们的共同点就是模型结构比较简单， 使用起来较为方便，但是它们的不足之处也很明显。首先，p a l o sv _ e r d 懿模型和 s h e l d o n a r l e t a 模型均假设最大的产气速率发生在半时间处( t 1 忽) ，而实际的情况 并非如此，最大的产气速率往往在半时间之前就已经到达。其次，s c h o l lc a n y o n 模型和h o c k s 提出的模型忽略了垃圾降解自开始产气到产气速率达到最大这段 时间及其产气量，而认为从一开始产气速率就达到最大值。再者，以上的模型均 认为填埋场中生物量的增长主要受有机底物含量的限制，而实际的情况是除了有 机物外，还有很多的因素影响着生物量的生长。 针对于以上的不足，随着人们对厌氧降解以及填埋场里面发生的反应理解的 不断地深入，人们又提出了一些改进的模型。 s t a n f o r d 大学的a n f i n d i k a k i s 等通过对美国加州的m o u n t a i nv i e w 填埋 场的产气情况进行了研究，从该填埋场控制方案的数据中发现，简单的指数下降 的一级动力学模型并不能充分地反映在填埋场开始运行前几年的产气情况。提出 了改进的三角形模型。通过简化和求解一系列的控制气体产生的生物化学反应方 程式，得到个较为简单的函数关系式： i g i ( f ) = 0 当t t o i ( 1 7 ) g 七( f ) = c o t h 口i ( t 2 i t ) 一c o t h 口i ( f 2 i t 0 1 ) 当气七t t l i ( 1 8 ) 【 g i ( f ) = g p 七p 一以“叫曲当f t l 七( 1 9 ) 北京建筑工程学院硕士学位论文 式中：g l 广一产气速率； 饥开始产气的时间； t l l 广一产气速率到达最大的时间； t 2 r 双曲线分支无限延伸并超出其最大点，到达其渐进线的时 q r _ 最大产气速率； k 越圾中的第k 种成分； a 譬一产气速率常数。 这一函数关系式可由图1 7 表示出： 图1 7a n f i n d i k a l d s 模型产气速率示意图 日本京都大学的j i u n n - j y il a y 等【3 3 】根据填埋场中的羧酸、蛋白质和油脂等有 机物质转化为甲烷的能力，认为填埋过程中微生物的增殖满足细菌生长的 g o m p e r t z 方程，得到了甲烷的产气模型。这一模型包涵有三个生物动力学参数： 滞后时间、产甲烷潜能及产甲烷速率。然而它也有它自身的主要缺陷，就是模型 本身较为复杂，中间参数较多，工程上应用比较困难。前面讨论的产气模型均认 为由有机物直接转化为c h 4 和c 0 2 ，而忽略了这种转化所经历的中间过程，随 着人们对厌氧降解过程及对填埋场中发生的反应与中间产物理解的不断深入，一 些学者根据垃圾厌氧降解经历的不同阶段，结合其中的微生物的生长情况，提出 了更为精确的模型，当然这些模型就更加复杂些。s t a n f o r d 大学的e 1 f a d e l 等唧】 根据垃圾厌氧降解的四个阶段：水解阶段、产酸阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段， 将有机碳以碳链的形式表示出来，其存在的形式有：固态碳、液态碳、产酸菌含 的碳、产甲烷菌含的碳、乙酸碳、二氧化碳、甲烷碳。其碳链表示如图1 8 。 北京建筑工程学院硕士学位论文 固态碳 二氧化碳 图1 8 垃圾填埋气转化不意图 根据每一阶段经历的反应，分别写出各自的m o n o d 方程，忽略由h 2 和c 0 2 反应生成的c h 4 ，通过四级r u n g e - k u t t a 方法得出c i - h 和c c h 的产气速率。后 来e 1 f a d e l t 3 5 1 又提出了温度和垃圾降解释热对填埋气产生和迁移影响的模型。 s a n d e c pp a r e c k 等【3 q 认为产甲烷过程还存在着硫酸盐还原菌( s r b ) 与产甲 烷菌的竞争，不能忽略其影响。按照m o n o d 方程写出每一步的反应式，得出了 较复杂的产气量计算模型。 j j l e e 等人【3 刀按照厌氧经历的阶段，根据m o n o d 方程也得出了c h 4 和 c 0 2 的产气关系式，不过他将由h 2 和c 0 2 反应生成的c h 4 也算在里面，因此 所得的模型表达式也稍复杂些。 1 3 2 国内研究情况 与发达国家相比，我国在城市垃圾填埋处置方面的研究起步较晚，对填埋气 的产量和产气速率的研究相当有限。但是近年来，随着我国城市垃圾填埋场气体 问题的日益突出，对这方面的研究已开始引起越来越多的关注【3 8 】。 黎青松等人通过对深圳市玉龙坑填埋场的现场打井抽气实验并结合理论计 算，得到该填埋场的垃圾产气量为1 8 9 m s t ，监测了填埋气的成分，并给出了垃 圾产气量计算表达式【3 9 】。 形= q 只( 1 一m ) c ： 啦喜老姚4 ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) 北京建筑工程学院硕士学位论文 式中：形单位质量垃圾中可分解为含碳量； 只垃圾组分中有机物含量； 墨有机物含量修正系数( 约2 3 ) ； m 垃圾含水率( ) ； q 垃圾中有机物组分含碳量； 吼填埋气体体积； 墨- 修正系数( 约0 9 ) 。 焦学军等【删针对上海市老港垃圾填埋场结合实验室研究，应用m g m e m c o n 模型得出理论甲烷产量为5 2 9 7 l k g 。实验室测定结果为：在填埋后的 1 5 年内，产气速率随时间的增加而减少，波动范围为1 7 2 4 7 m l k g d ，现场 实测填埋两年的垃圾，实际的产气速率为4 6 m l k g d 。 李雁等对五峰垃圾填埋场的填埋气进行了一年多的现场监测，发现在该填 埋场未封场区c i - h 和c o z 的浓度要比封场区高很多，填埋场内部平均气温为 2 5 ；还根据监测的数据，由线形回归的方法导出了五峰垃圾填埋场甲烷气体浓 度与填埋时间的关系式。由于此关系式中参数是由五峰垃圾填埋场数据统计分析 得出的，因此运用的时候需考虑参数的适用性。 m一0川 x 第一层，因为中间层的环境较适宜产甲烷菌利用有机物产生 填埋气。图2 1 8 反应的是2 撑反应器各层距中轴l o o m 处平均压力与填埋时间的关 系，中间层两侧和第三层两侧的平均压力较高。从以上两图可以看出压力值在第 9 天左右出现负压，具体分析见第四章。 2 5 小结 通过对两次垃圾填埋试验分析和讨论，得出以下的结论： ( 1 ) 生活垃圾模拟填埋产气试验表明：以厨余垃圾为主的城市生活垃圾，填 埋后很快达到产气高峰( 填埋后5 1 0 天) ，随后产气量随之迅速衰减，产气速 率也维持在较低水平。 ( 2 ) 外界温度对填埋体内温度有一定的影响，l 拌反应器在室温下反应填埋体 内平均温度随外界温度而波动，且填埋体内温度较低。2 捧反应器外设有恒温水浴， 当反应到达稳定阶段时内部温度比较稳定，且温度较高。 ( 3 ) 在填埋垃圾中加入事先驯化的产甲烷菌，起到了接种微生物的作用，能 加快填埋垃圾中有机物的降解与填埋气特别是甲烷气体的产生。1 掸反应器未引入 北京建筑工程学院硕士学位论文 甲烷菌，只有极少量的甲烷气体产生( 3 5 ) ，同时产气量和产气速率都较 小。2 撑反应器填埋时引入了驯化的甲烷菌，产气量、产期速率、甲烷含量都有很 大的提高，产气量为1 2 0 3 l k g 干垃圾，最大产气速率为3 0 1 l k g d ，反应稳定 时甲烷浓度为15 - - - , 2 5 。 北京建筑工程学院硕士学位论文 3 产气量预测模型研究与验证 3 1d o m c 产气量预测模型 d o m c 产气量预测模型即可降解有机物质量守恒产气量预测模型，是基于 可降解有机物的质量守恒建立的。 3 1 1 模型建立 垃圾中有机物分为可降解有机物和不可