（环境工程专业论文）简易垃圾填埋场lfg迁移规律研究.pdf

i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着我国社会经济发展，城市生活垃圾产量逐年增加。目前，我国城市生活垃 圾处理的主要方式是填埋。而在众多垃圾填埋场中，简易垃圾填埋场占据大部分。 简易垃圾填埋场由于环保措施考虑不周，会产生高浓度渗滤液以及填埋气体横向迁 移问题，尤其是填埋气体横向迁移造成爆炸的安全事故屡有发生。因此研究填埋气 体横向迁移规律并提出有效的控制措施十分必要。 目前对填埋气体横向迁移的研究分为两个方面：理论研究和现场实验。理论研 究即建立填埋气体横向迁移模型并进行数值模拟。一般主要研究填埋气体在场内的 的气压分布及速度场分布，很少涉及场外。而且多假设填埋场为无限边界或零通量 边界，与简易垃圾填埋场实际情况不符；实验研究即在垃圾填埋场周边设置监测井， 实地检测甲烷浓度值，借以证实存在填埋气体横向迁移现象。或者是填埋气体横向 迁移过程中相关参数的实验测定。 本文以多孔介质渗透力学为理论基础建立水- 气两相迁移模型，模拟简易垃圾填 埋场气体从场内迁移到场外的过程，从理论上探索了填埋气体横向迁移规律。通过 模拟得出：垃圾空隙度、垃圾固有渗透率以及中间覆盖层均会对填埋气体横向迁移 产生影响。增加垃圾空隙度、降低垃圾固有渗透率以及增设中间覆盖层，均会减弱 填埋气体横向迁移作用，但是场外气相压力值降低幅度较小。另外，通过渗滤液环 场回灌增加垃圾堆体含水率，可以有效阻止填埋气体横向迁移，场外气相压力值降 低一个数量级。 关键词：填埋气体 横向迁移 数值模拟 ii 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract with the development of social and economic in china，municipal solid waste production has increased year by year.at present，the main disposal method of msw is landfill.in many landfill sites， simple landfill occupy the majority.and generally speaking， simple landfill is lack of environmental protection measures，so it will generate leachate with high concentratins， as well as lateral migration issues of lfg， in particular the lateral migration of lfg caused frequently safety incidents.so research on the lateral migration of lfg and come up with effective control measures are necessary. at present，research on lateral migration of lfg include two areas：theoretical study and field experiment. theoretical study means the establishment of models of lateral migration of lfg and numerical simulation.mainly the gas pressure distribution and velocity field distribution in the field of landfill， rarely involved in outside of landfill.generally the model base on the assumption that the boundary of landfill is the infinite or zero flux boundary，which inconsistent with the actual situation. experimental study means setting monitoring wells around landfill to detect the concentration of methane，to confirm the existence of lateral migration of lfg. or the experimental determination of relevant parameters which used in the model. the results show that porosity、intrinsic permeability of waste and intermediate covers will have an impact on lateral migration of lfg.increasing the value of rubbish porosity，decreasing permeability and laying the intermediate covers will weaken lateral migration of lfg .however， the change scale of gas pressure off- site are small.in addition， leachate recirculation along landfill will increase moisture content of landfill body，which can prevent the lateral migration of lfg effectively. the gas pressure off- site decrease one order of magnitude. keywords：lfg lateral migration numerical simulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 城市生活垃圾及处理 1.1.1 城市生活垃圾产生及危害 城市生活垃圾，也称城市固体废弃物（municipal solid waste，简称 msw） ，是 指在城市日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动者中产生的固体废物以及法 律行政规定的视为城市生活垃圾的固体废物1。包括：居民生活垃圾、商业垃圾、集 市贸易市场垃圾、街道清扫垃圾、公共场所垃圾和机关、学校、厂矿等单位的生活 垃圾。我国城市生活垃圾组分中厨余垃圾和灰渣较多，可以占到 70%左右，其它组 分相对较少。 改革开放以来，我国社会经济不断发展，城市生活垃圾产量也逐年增加。城市 生活垃圾产生量数据是整个城市固废管理过程的关键参数之一，但是由于产量巨大 而且不方便统计，因此在实际应用中多采用数学模型进行预测。预测方法根据选择 模型和影响因素不同分为多种。比较常用的是选择人口、居民生活水平和地区发展 状况作为影响因素。如某城市生活垃圾产量预测采用式（1- 1） ： 443322110 xbxbxbxbby+= （1- 1） 其中： 1 x为服务人口数； 2 x为国名生产总值； 3 x 为城镇居民可支配收入； 4 x为城镇居民人均消费性支出。 代入历年生活垃圾产量数值即可拟合求得参数值。 城市生活垃圾若不及时清运处理会严重污染周边环境，同时会危害人体健康。 其危害主要表现在以下几方面2- 3： （1）影响市容卫生，传播疾病 城市生活垃圾随处堆放会造成污水横流、恶臭弥漫，严重影响城市市容卫生。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 城市生活垃圾堆放场是各种病原微生物的孳生地，会传播肝炎、肠炎、痢疾等疾病。 根据调查资料显示4，1m2垃圾堆体表面可富集约 3000 只苍蝇，25m2范围内就有一 个鼠洞，而苍蝇和老鼠正是各种病原体的载体。尤其是拾荒者与垃圾接触时间长， 极易感染各种疾病。 （2）污染空气，产生安全事故 城市生活垃圾经微生物厌氧分解会产生 h2s、 nh3、 ch4等填埋气体。 h2s 和 nh3 具有恶臭气味，ch4的温室效应是 co2的 20 倍，因此填埋气体无序排出会造成大气 污染。另外 ch4在大气中达到一定浓度时易产生爆炸，国内外都曾发生过垃圾填埋 场 ch4聚集发生爆炸的安全事故。 （3）污染周边水环境 垃圾堆体经雨水入渗以及自身分解会产生高浓度的有机废水，通过对不同垃圾 填埋场渗滤液的检测表明，渗滤液中 cod 和 bod 浓度可超过 10000mg/l，甚至可 以达到 20000mg/l，另外总细菌数、大肠菌值等项目均超标数百倍。因此渗滤液无 组织排放会导致周边水环境产生恶臭、水生动植物死亡。 （4）垃圾堆存侵占土地、污染土壤 调查显示，消纳 1 万吨城市生活垃圾需占用 0.067hm2土地，目前全国堆存 垃圾侵占土地总面积已达 5 亿 m2。许多城市已出现垃圾围城的现象。另外， 城市生活垃圾中含有有毒重金属如铅、锡等，重金属的渗透会使土地失去可利 用价值。 1.1.2 城市生活垃圾处理现状 城市生活垃圾产生量巨大、危害严重，已成为我国社会经济发展的制约因 素。近年来，政府加大了环保投入，一大批垃圾无害化处理设施相继建成并投 入运营。如湖北省要求县一级建设卫生垃圾填埋场，生态敏感区如三峡库区汇 水区域内要求乡镇一级建设卫生垃圾填埋场。我国城市生活垃圾的处理方式主 要有填埋、焚烧和堆肥，近年来厌氧消化处理也有所发展。各种处理方式对垃 圾性质要求不一样，焚烧法要求垃圾低位热值高于 5000kj/kg，堆肥法要求垃圾 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 可生化降解有机物含量在 40%以上。同时投资、运营管理方式和技术成熟度也 不同， 适用于不同的城市和地区。 我国历年生活垃圾清运及处理数据见表 1.1 （摘 自中国统计年鉴） 。 表1.1 中国城市生活垃圾2003- 2007年清运及处理情况统计表 年份 2003 2004 2005 2006 2007 生活垃圾清运量（万吨） 14856.5 15509.3 15576.8 14841.3 15214.5 无害化处理场（座） 575 559 471 419 460 其中：卫生填埋（座） 457 444 356 324 366 堆肥（座） 70 61 46 20 17 焚烧（座） 47 54 67 69 66 无害化处理量（万吨） 7544.7 8088.7 8051.1 7872.6 9437.7 其中：卫生填埋（万吨） 6404 6888.9 6857.1 6408.2 7632.7 堆肥（万吨） 716.8 730 345.4 288.2 250 焚烧（万吨） 369.9 449 791 1137.6 1435.1 通过表 1.1 数据分析可知，2003- 2007 年我国城市生活垃圾清运量稳定在 1.4- 1.5 亿吨，无害化处理比例稳步增长，至 2007 年达到 62.0%。卫生填埋仍然是我国垃圾 处理的主要方式， 卫生填埋处理设施以及卫生填埋处理量均占据较大比重 （见图1.1） 。 卫生填埋造价较低，技术成熟，适合我国国情；堆肥处理呈逐年下降趋势，2007 年 堆肥处理设施不到 2003 年 1/4，堆肥处理量约为 2003 年 1/3。我国城市生活垃圾组 分中有机物含量较低，而且垃圾堆肥质量没有保证，肥料中重金属时有超标，市场 占有率不高。这些因素都制约了垃圾堆肥的发展；焚烧处理发展迅速，2007 年无害 化处理量约为 2003 年 4 倍，至 2007 年焚烧处理量已占无害化处理总量的 15.2%。 我 国垃圾焚烧处理设施主要集中在经济发达城市和地区，如北京、上海、广州、深圳 等地，这些城市和地区经济发达，能支付焚烧厂较高的造价，另一方面土地资源紧 张，很难找到合适的填埋场址。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图1.1 卫生填埋处理比重图 卫生填埋 堆肥 焚烧 图1.2 2007年我国城市生活垃圾处理方式比例图 由图 1.1 和 1.2 分析可知，2003- 2007 年我国城市生活垃圾无害化处理量中卫生填 埋均在 80%以上，2005- 2007 年更是稳定在 85%左右。与此同时，卫生填埋设施占垃圾 处理总设施的比重接近 80%，由此可见填埋是我国城市生活垃圾处理的主要方式。 相较于其它两种方式，卫生填埋具有处理量大、抗冲击力负荷强、运输管理方便、 技术成熟以及单位投资少的优点，尤其适合发展中国家，在我国城市中广泛使用5。 1.1.3 城市生活垃圾填埋处理现状 城市生活垃圾填埋处理经历了一个发展阶段。80 年代初，城市生活垃圾以在城 郊裸露堆放为主，全国无一家正规垃圾填埋场。裸露堆放易产生臭气弥漫、污水横 流，不能满足人民群众对于环保的要求。90 年代卫生填埋技术发展并成熟，91 年国 内第一家正规的垃圾处理场杭州天子岭废弃物处理场建成并投入使用。与此同时国 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 家也颁布了一系列填埋技术行业标准，如城市生活垃圾卫生填埋技术标准 、 生 活垃圾填埋污染控制标准等。 图1.3 某县城垃圾堆放场 图1.4 渗滤液收集池 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 卫生填埋场在设计上考虑了二次污染物的控制和资源回收利用，如场底和边坡 铺设防渗层，设置渗滤液和填埋气体收集导排盲沟，采用分区分单元填埋以及中间 覆盖工艺，铺设封场覆盖层，考虑场区绿化以及封场后土地的回收利用。在条件允 许的地区场内还建有渗滤液处理设施和填埋气体焚烧发电设施。 根据环保措施（包括场底防渗、分层压实、每天覆盖、填埋气导排、渗滤液处 理、虫害防治等）是否齐全、环保标准能否满足来判断，填埋场大致可分为简易填 埋场、受控填埋场和卫生填埋场三个等级。其中简易填埋场基本上没有考虑环保措 施，或仅有部分环保措施，其建设、运行和现有的环保法律法规有较大差异；受控 填埋场配备部分环保设施，但不齐全，不能完全达到环保标准，主要问题集中在防 渗和覆盖达不到要求；卫生填埋场即是按照国家相关法律法规设计，能够满足环保 要求的填埋场。严格来讲，目前我国仍有很大部分填埋场属于简易垃圾填埋场6。 1.2 课题提出 简易垃圾填埋场由于缺乏有效气体收集导排措施，填埋气体排放处于无序状态。 微生物降解作用产生的填埋气体（lfg，主要成分为 ch4和 co2）由于无法及时排 出，在场内形成一定压力梯度，会以扩散和对流的方式转移到场外7，当填埋气体在 场外富集并达到一定浓度时会造成安全隐患。如北京海淀区阳坊垃圾场曾发生 lfg 横向迁移造成的附近住宅 ch4 爆炸事故8。 影响 lfg迁移的因素比较复杂。包括填埋场自身情况，如是否铺设导气盲沟、 覆盖土性质等；填埋场周围土壤的水文地质学特性；天气、气候因素等。目前对于 lfg横向迁移规律的研究不多， 主要通过采取一些工程措施导排 lfg以降低危险性。 国内外工程上 lfg迁移控制措施分为场内措施和场外措施。 场内控制措施： （1）在垃圾堆体表面修筑自然对流式排气沟，沟内填充砾石，上部边界与大气 联通，通过场内外气体的压力差导排气体； （2）在垃圾堆体中修筑强制抽气排气沟，沟内填充砾石，砾石中铺设导气管， 通过抽风机强制抽气的方式导排气体； （3）在垃圾堆体中修筑强制抽气排气沟，沟内填充砾石，砾石中铺设导气管， 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 通过鼓风机向场内输入空气，形成正压阻挡层，适用于排气沟深度大于填埋场埋深 的情况。 场外控制措施主要为修筑气体防渗墙，铺设防渗衬层等。 华中科技大学廖利教授通过对深圳市玉龙坑垃圾填埋场不同季节 lfg横向迁移 的实验研究，得出土壤饱和度对 lfg迁移有较大影响，并提出沿填埋场边界内侧构 筑环场渗滤液回灌沟，通过渗滤液的回灌阻止 lfg 的横向迁移9。相较于上述控制 lfg 迁移的方法，回灌法成本较低而且同时可以降低渗滤液有机物浓度，具有一举 两得的作用。 渗滤液环场回灌目前在工程上尚无实践，如果能通过数值模拟的方式证明其对 于 lfg横向迁移的控制作用，将对工程应用具有一定指导意义。 1.3 主要研究内容 渗滤液回灌对有机物浓度降低的影响研究经历了从理论研究、实验研究到现场 研究的发展阶段10- 11，目前已比较成熟，工程应用也较多，本文不作讨论。本文主 要研究 lfg在不同工况下的迁移规律及其影响因素，并验证渗滤液环场回灌对 lfg 迁移的影响。 本文采用建立数学模型并进行数值模拟的方法，对简易垃圾填埋场 lfg的横向 迁移规律进行研究，主要研究内容包括以下方面： （1）以多孔介质渗透力学为理论基础，从质量守恒角度出发，结合达西定律， 建立多孔介质水- 气两相迁移控制方程式； （2）无渗滤液回灌条件下，lfg横向迁移规律，并分析 lfg迁移的影响因素； （3）渗滤液环场回灌条件下，lfg横向迁移规律； （4）垃圾填埋场中存在中间覆盖层时，lfg 横向迁移规律。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 国内外研究现状 2.1 填埋气体横向迁移研究 国外对 lfg横向迁移集中在实验研究方面12。我国垃圾卫生填埋起步较晚，对 lfg的迁移研究较少13，主要是通过现场实验验证 ch4存在迁移现象，并在工程上 提出相应控制措施。另外，模型研究一般集中在研究填埋场内气相压力值和速度场 的分布，很少涉及填埋气体从场内向场外迁移的规律。 houshang esmaili 14等人研究发现， lfg在填埋场周边土壤中可迁移相当远的距 离， 建在高渗透性地基上的填埋场产生的 lfg迁移距离更远。 据测定， 在离 los anges area 填埋场边界 180m的地面下 0.6m处填埋气浓度为 1020。 douglas e.metcalfe15等人研究了lfg在非饱和土壤中迁移规律并建立了如下单 相模型： z c x c z c d x c d zz c d x c d xt c zxzzzxxzxx + + + = 1111111 （2- 1） 其中：为气相饱和度； 1 c为气体摩尔浓度（mol/m3） ； d 为水力弥散系数； 为气体渗透速度（m/s） 。 模拟结果表明填埋气的迁移是由于填埋气压力、浓度与速度梯度而产生。 tjalfe g.poulsen 16等建立了 lfg在农田中的横向迁移模型，给出空气渗透系数 与空气饱和度的关系式，并对该模型的影响因素进行分析，得出如下结论：空气渗 透系数和土壤含水率是影响 lfg 迁移的主要因素，ch4气体氧化率和大气压力变化 为次要因素，气体扩散影响相对较小。 廖利17对深圳市玉龙坑垃圾填埋场气体横向迁移进行了监测。监测方法为在填 埋场周边设置监测井，通过传感系统和气体分析仪对监测井中 ch4、co2、o2进行 浓度分析。结果表明填埋气体的横向迁移的现象十分明显，对周围建筑物的安全具 有潜在的威胁。 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 刘元元，王里奥等18对重庆某非规范垃圾填埋场气体横向迁移进行了测试和分 析，结果表明存在明显的气体横向迁移现象。通过相关度分析得出：监测井到填埋 场边界的距离为监测井中 ch4浓度的主要影响因素， 相关系数为 0.489， 为弱负相关。 杂填土深度与监测井中 ch4浓度也为弱负相关，但相关性较弱。 邹春、廖利19假设土壤内气体为理想气体且土壤各项同性，根据过渡扩散理论 和达西定律建立了垃圾填埋场气体迁移模型： i ij ji j n ij i ij ij j p rtbpd np n dsbpd p = + = 1 )1 ( 1 0 1 0 （2- 2） 其中： ijd0为组元i对 j 的二元扩散系数（m2/s） ； j n为组元 j 的摩尔通量（kmol/s.m2） ； r为气体常数，r=8314j/（kmol.k） ； t为气体绝对温度（k） 。 该模型的建立考虑了土壤的非饱和性，但同时又局限在饱和度均匀分布的土壤 范围内。同时假设填埋场周围土壤各向同性，与实际情况也有差别。因此更为全面 的模型应考虑这些因素，在气液两相的基础上建立。 2.2 水- 气两相渗流模型研究 在以往水- 气两相渗流研究中，往往认为气相压力与大气压力平衡，因而忽略气 相流动。而在实际情况中，多孔介质中水- 气两相流动会相会影响，如液相水位骤升、 骤降，孔隙气的影响都不可忽略20- 22。 水- 气两相渗流模型以水- 气两相质量守恒为出发点，结合达西定律推导而成。考 虑的假设条件不一样，得出的模型形式不一样。目前水- 气两相流模型在地下水流动 领域应用较成熟，用以解释垃圾填埋场水气流动尚处于初始阶段。 van genuchten23等推导了空气存在条件下的土壤水入渗方程，并通过二维柱实 验模拟了可自由排气（土柱底部通气）和不可自由排气（气体只能通过土壤表面行 释放）条件下的水分入渗，结果表明：水分的入渗与气体的流出量基本相当，由后 者控制，湿润峰前的气体压力以及土体表面处的积水深度对入渗能力影响较大。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 骆祖江24从水- 气二相渗流的连续性方程和达西定律出发，推导出非饱和带水气 二相渗流的耦合动力学模型： 水相方程： = + + w w ww w ww zrww ww yrw w ww xrw b s t qg z p b kk zy p b kk yx p b kk x 6 10 （2- 3） 气相方程： = + + g g gg g gg zrgg gg yrgg gg xrg b s t qg z p b kk zy p b kk yx p b kk x 6 10 （2- 4） 其中： rw k、 rg k为水相、气相相对渗透率； x k 、 y k、 z k为 x、y、z 方向绝对渗透率（m2） ； w b 、 g b为水、气相体积系数； w p 、 g p为水、气相压力（pa） ； w s 、 g s为水、气饱和度； 为空隙度； d 为标高（m） ； w 、 g 为水、气相粘滞系数（pa.d） ； w q 、 g q为水、气源汇相（m3/m3.d） 。 骆祖江对 impes 和全隐式联立求解方法进行了比较，认为全隐式联立求解方法 具有较高的精度，且条件稳定。 孙冬梅等25考虑多孔介质中水、气相互溶，并从水- 气两相质量守恒出发，推导 出其积分控制方程： =+ nnn n k n k n k dvm dt d dvqndf （2- 5） 其中： n v 所选单元体； n 为单元体封闭边界； 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 k表示组分； k q 为水或气相源汇相（kg/s） ； k m 为水或气相在单元体内的质量（kg； ） k f 为水或气相的单位流量（kg/s） 。 孙冬梅还讨论了该模型的积分有限差分法、全隐式时间离散法以及 newton- raphson 线性法的求解，通过对比得出积分有限差分法比较符合实际物理意 义，相对于其它两种解法更为有效。 陈家军等26考虑多孔介质中水- 气相不混溶且温度变化不大，得出非饱和带水- 气两相方程为： a ow a aaa aa fzhk t =+ )( )( wa,= （2- 6） 其中：a为水相或气相； a 为a相密度（kg/m3） ； a k 为a相渗透系数（m/s） ； a 为a相的体积含量； a h 为a相压头（m） ； z为位头（m） ； ow 为标态下水的密度（kg/m3） ； a f 为源汇项（1/s） 。 陈家军通过负压计法测定得出了毛细压力（负压） 、水相渗透系数、气相渗透系 数和含水量的关系。实验数据采用 van- genuchten 公式拟合，拟合参数为 s =0.45， r =0.07，a=0.0252cm- 1，n=2.8281。 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 填埋气体运移模型研究 3.1 填埋气体产生与控制 3.1.1 填埋气体产生规律 填埋气体（lfg）是垃圾堆体中有机物被微生物降解的产物，主要成分为 ch4、 co2，占据 90%以上27，微量气体所占比重很小，但是成分复杂28。lfg 是一种温 室气体，其主要成分 ch4、co2均能导致温室效应，其中 ch4气体的温室效应是co2 的 20 倍。另外微量气体大所是非甲烷类 vocs，对环境和人体健康危害很大，其中 还有相当一部分为“三致”有机物。其典型成分如表 3.1 所示29： 表3.1 lfg 典型成分和性质 成分 干基体积百分比（%） ch4 4560 co2 4060 n2 25 o2 0.11.0 h2s 01.0 nh3 0.11.0 h2 00.2 co 00.2 微量气体 0.010.6 性质 特征值 温度（） 37.848.9 比重（kg/m3） 1.021.06 含水率 饱和 高位热值（103kj/m3.） 14.920.5 根据垃圾堆体中微生物活动，填埋气体的产生可以分为五个阶段30： （1）好氧阶段 在好氧阶段，填埋堆体中复杂有机物被分解为小分子物质和 co2，此阶段耗时 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 较短。主要特征为垃圾堆体温度明显升高，o2浓度降低，co2浓度升高。 （2）过渡阶段 过渡阶段主要产物为挥发性有机物、co2及其它气体，基本不含有 ch4，与此同 时由于有机酸的影响，渗滤液 ph 值降低。 （3）发酵阶段 发酵阶段产甲烷菌将中间产物分解为 ch4和 co2，与此同时渗滤液 cod、bod 值急剧升高，垃圾中重金属溶解，以离子形式存在于渗滤液中。 （4）产甲烷阶段 此阶段甲烷产量基本稳定，渗滤液 bod、cod 值降低，ph 值逐渐升高。 （5）稳定阶段 堆体中可降解有机物大部分被分解为 ch4和 co2，产气速率明显减少，渗滤液 和垃圾堆体性质稳定。 垃圾堆体产气五个阶段如图 3.1 所示 图3.1 垃圾填埋场产气规律图 3.1.2 填埋气体产生影响因素 填埋气体（lfg）是垃圾堆体中有机物被微生物分解所得的产物。总产气量应 由垃圾堆体中可降解有机物含量决定。微生物中产甲烷菌的活性决定了 lfg产生速 率。当外界环境参数在产甲烷菌活性范围内，lfg 产生速率高；反之，当外界环境 参数超出或达不到甲烷菌活性范围，新陈代谢受到影响，lfg的产生速率就会降低。 因此影响 lfg产生的因素有： 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （1）含水率 水是微生物生化反应的反应物之一，而且水分在多孔介质中运移有助于有机物 和微生物的运移，使之更好的结合。因此合适的含水率是保持微生物新陈代谢的重 要因素。研究表明，填埋堆体 50- 70%的含水率最适合微生物生长。 （2）营养物质 微生物新陈代谢所必须的营养物质包括 c、h、o、n、p 以及一些微量元素， 各元素之间的比例会影响微生物活性，其中 c/n 比值尤为重要。研究表明，垃圾堆 体中 c/n 比在 20：1 到 30：1 范围内时 lfg产生速率最高。 （3）微生物量 参与 lfg产生过程的微生物包括水解微生物、发酵微生物、产乙酸微生物和产 甲烷微生物，且大多为厌氧微生物，垃圾堆体中氧气达到一定浓度时会影响其活性。 （4）ph 值 产甲烷菌主要生长在中性或微碱性环境中。研究表明，垃圾堆体中 ph 为 6.6- 7.4 时，产气速率较高。 （5）温度 温度会影响微生物体内酶的活性，进而影响 lfg产率。研究表明，垃圾堆体中 温度控制在 37- 41时，产气速率最高。 3.1.3 填埋气体处理与应用 在现代卫生垃圾填埋场的设计中，一般都设有填埋气导排措施，通过主动导排 或被动导排的方式收集填埋气。在不具备条件的城市和地区，填埋气被牵引到场边 集中燃烧；在经济较发达的城市和地区，填埋场周围可以考虑建设填埋气利用设施， 以实现资源回收利用。lfg主要利用途径有如下几种： （1）作为燃料 填埋气体的组成与天然气近似，净化以后是一种理想的燃料。但是由于填埋气 的产生受到季节、温度、垃圾成分等因素的影响，产气率不均匀，因此很难做到有 计划的开采，一种解决方式是制成罐装压缩气。 （2）发电 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 填埋气体燃烧发电在工程上应用较多。如 1996 年杭州天子岭垃圾填埋场气体发 电项目、2004 年广州兴丰垃圾填埋气发电工程等。根据国家相关政策，填埋气发电 的上网电价比一般电价高。 （3）作为化工原料 lfg 的主要成分 ch4和 co2，通过物理、化学方法分离、提纯可以作为化工原 料。但是由于分离、提纯成本较高以及产气量不稳定，目前这方面的应用相对较少。 3.2 填埋气体迁移机理 填埋气体（lfg）主要成分为 ch4和 co2。ch4分子量为 16，小于空气平均分 子量 26，有向上迁移的趋势；co2分子量 44，有向下迁移的趋势。若气体向上迁移 的通道被阻断，加上垃圾介质中横向渗透系数远远大于竖向渗透系数，横向迁移的 趋势大大加强。 现在一般认为填埋气体以扩散和对流两种方式向各个方向弥散。扩散由于浓度 梯度引起，对流由于压力梯度引起。不同地质情况下，扩散和对流对气体迁移的贡 献不一样，但这方面的定量研究较少。 3.3 基本概念 城市生活垃圾由于其组分复杂，性质差异较大，属于非均质各向异性介质。其 渗透系数变化范围为 10- 2cm/s 到 10- 7cm/s，而且垃圾堆体中孔隙分布不均匀，局部区 域可能存在较大空隙，流体在其中的运动规律很难把握。然而 stegmann 和 ehrig10 研究指出，随着垃圾填埋场的稳定，场内空隙减小，介质分布逐渐均匀。此时垃圾 填埋场具有多孔介质特性，水、气迁移符合达西定律。因此可以使用多孔介质渗流 理论对填埋场内流体流动进行解释。 垃圾是由固、液、气三相组成的非饱和介质，填埋场内由降雨入渗和自身所含 水分共同形成渗滤液，在重力作用下流动，当渗滤液的产生速度高于填埋单元底部 中间覆盖层的渗透能力时，便聚集在中间覆盖层上，形成局部饱和区域。因此，填 埋场内存在饱和及非饱和区，流体流动属于变饱和渗流31。 变饱和流动基础理论相关参数介绍如下： 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1）多孔介质 多孔介质目前尚无统一定义，目前较常用的为 bear32给出的定义：首先认为多 孔介质是“带有孔洞的固体” ，并且有以下特点： （1）多相物质所占据的一部分空间； （2）在多孔介质所占据的范围内，固相应遍及整个多孔介质，在每个表征体之 中必须存在固相颗粒； （3）至少构成空隙空间的某些孔洞应当相互连通。 多孔介质可分为地质介质和非地质介质。其中地质介质是主要的多孔介质；非 地质介质有多种类型，如固体废弃物填埋介质、人造过滤介质、人造吸附介质和其 他人造介质等。多孔介质具有空隙性、连通性、多相性和可压缩性。 2）孔隙率 孔隙率（又称孔隙度）定义为单元体积中空隙体积与单元体积的比值，即： 100% v u n u = （3- 1） 空隙比是指孔隙的体积 v u 与固体颗粒体积 s u 之比，即： v s u e u = （3- 2） 其中：n为空隙率； v u 为垃圾堆体中孔隙体积（m3） ； s u 为垃圾中固相体积（m3） ； u为垃圾总体积（m3） 。 3）含水率 含水率定义为单元体积中水体积与单元体积的比值，即： (0) w u n u = （3- 3） 其中：为垃圾的体积含水量； w u 为垃圾中水的体积（m3） 。 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 干燥土壤含水率为零，土壤空隙中全部充满水时的含水率为土壤空隙度n。 一般实验测定垃圾含水量w，即垃圾中水重和垃圾干重的比值。 体积含水率与 含水量w之间可由下式转换： w w w + = )1 ( （3- 4） 其中：w为垃圾含水量； 为垃圾重度（kg/（m2.s2） ） ； w 为水的重度（kg/（m2.s2） ） 。 4）饱和度 饱和度是反映非饱和土壤中水的饱和程度的参数，定义为单元体中水体积与单 元体空隙体积的比值，即： (01) w ww v u ss u = （3- 5） 含水率与饱和度的关系为： w ns = （3- 6） 通过实验分析1，垃圾填埋堆体饱和含水量较高，深层、中层和浅层垃圾的饱和 含水量分别为 59.32、67.74和 72.00%。 当两种不混溶流体共存在于孔隙介质中，每一相都占有各自的空间而填满空隙。 a a s = 孔隙中流体 占有体积 孔隙体积 （3- 7） 于是，有： 1 awnw sss=+= （3- 8） 有效饱和度： , 1 wwr e w wr ss s s = （3- 9） 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 , 1 nwnwr enw nwr ss s s = （3- 10） 其中： wr s为湿相剩余饱和度，即当非湿润相流体通过多孔介质时，会有一部分 流体残留在介质孔隙中不能流动，这部分湿润相占有的残留体积称为残 余饱和度； nwr s为非湿润相剩余饱和度； w s 为湿相实际饱和度； nw s为非湿相实际饱和度。 5）土水势 多孔介质中流体的能量由动能和势能两部分组成。一般情况下流体在多孔介质 中流动速度低，因此动能项可以忽略。多孔介质中，单位数量水所就具有的势能称 为土水势。土水势包括压力势、重力势、基质势、温度势、化学势等，其中压力势、 重力势、基质势在多孔介质流动中尤为重要。 （1）压力势（ p ） 压力势是由土- 水系统中水压力超过了基准压力而产生的土水势。 对于饱和水，某点的压力势表示为： p ghh= （3- 11） 其中：h为计算点在水面下的深度，也称为压力水头（m） ； 为水的密度（kg/m3） ； 为水的容重（kg/（m2.s2） ） ； g为重力加速度（m/s2） 。 （2）重力势（ g ） 重力势是土- 水系统中重力势能的体现，表示为： g gz= （3- 12） 其中：z为计算点的位置高度（m） 。 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （3）基质势（ m ） 基质势是土- 水系统中由于介质毛细管力所引起势能的体现。由于它是由介质引 起的，所以称为基质势。表示为： mcc ghh= （3- 13） 其中： c h 为水柱高度，称为负压水头（m） 。 （4）总土水势 总土水势等于各分势的和： pgm =+ （3- 14） 总土水势由压力势、基质势和重力势组成。对于饱和流而言，基质势 m =0；对 于非饱和流而言，压力势 p =0。可见，无论是饱和流还是非饱和流，土水势表达式 只有两项。 6）毛细压力 当两种不混溶流体（这里指水和空气）接触时，一个不连续的压力存在于接触 面上，这种压力突变值的大小，取决于该点处界面的曲率。这个压力差（ c p ）称为 毛细压力，即 11 112 aw cnwwaw ppp rrr =+= （3- 15） 其中： aw 为水- 气界面张力（n） ； 1 r ， 2 r 为主曲率半径（m） ； r为平均曲率半径（m） ； nw p为非湿润相的压力，也称为大气压力（pa） ； w p 为湿润相的压力，如果液体为水时，也称为水压力（pa） 。 毛细压力一般是流体饱和度的函数： (,) ccwnw ppss= （3- 16） 20 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图3.2 多孔介质毛细压力示意图 7）田间持水量 在分子力、毛管力作用下，垃圾土所能够吸附的最大水量称为田间持水量，即 在重力排水作用停止后，单位体积垃圾中保持的含水量，按照这一定义，田间持水 量是单位体积垃圾土的一个特征，它取决于垃圾土的结构，颗粒大小分布，孔隙的 大小和形状，田间持水量说明了垃圾本身的持水能力，对渗滤液的产生有重要意义。 在多孔介质中，毛管力随着毛管直径的增大而减少，当垃圾孔隙足够大时，毛管作 用十分微弱，这种大直径孔隙称为“非毛管孔隙” ，如果垃圾含水量超过田间持水量， 则多余的水分不能为毛管力吸持，在重力作用下将沿着非毛管孔隙下渗。 田间持水量的大小和填埋年龄、垃圾压实密度、填埋垃圾高度及垃圾颗粒粒径 等因素有关。表 3.2 为不同填埋密度的垃圾田间持水量33。 表3.2 不同填埋密度的田间持水量 田间持水量（%） 密度（kg/m3） 田间持水量（%） 密度（kg/m3） 53 213（干垃圾） 20- 35 688 54 500- 800 36.8 310 43- 50 500- 800 28.6 287 53 690- 950 31- 48 503 47 710 48 440 20- 30 616 35 474 fungaroli 等提出了垃圾密度与田间持水量的关系式34: 0.2ln1.3 fc = （3- 17） 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 其中: fc 为田间持水量； 为填埋密度(kg/m3)。 由于重力的影响，低层垃圾随着填埋高度的增加而压缩，密度增大，田间持水 量也将下降，tchobanogfous 等提出了填埋垃圾高度与田间持水量的关系: 0.6 0.55() 1.936 l fc l h h = （3- 18） fungaroli 等也发现，随着填埋垃圾颗粒粒径的减小，垃圾田间持水量将增大。 因此，垃圾填埋前破碎预处理可提高垃圾的持水能力，有助于渗滤液产生量的减少。 8）渗透系数与相对渗透率 渗透系数是渗流力学中一个重要的参数。从达西定律中可以定义为单位水力梯 度的渗流速度，是一个标量，其量纲与速度量纲相同，表示流体通过孔隙骨架的能 力。因此，它是与多孔介质骨架和流体两方面的特性相关的参数，所以多孔介质的 渗透系数可由介质与流体两方面的性质决定，可描述为： g kk = （3- 19） 其中：为流体密度（k