（工程力学专业论文）水相作用下垃圾填埋气体迁移的数值仿真研究.pdf

摘要 随着城市生活垃圾的日益增多，由垃圾填埋气体( l a n d f i l lg a s ，简称u g ) 引发的 安全隐患和环境问题得到了社会各界的广泛关注，因此，u g 的资源化利用已成为国内 外学者研究的热点和焦点问题。l f g 在填埋场内的释放是一个极其复杂的动力学过程， 水分的运动伴随在l f g 演化迁移的整个过程，为此，本文提出了将垃圾填埋场视为非饱 和传输介质的构想，并实现了考虑水分作用条件下l 瞄抽排过程中气体压力、饱和度及 产量预测的定量化研究，为l f g 的污染控制和资源化利用提供了理论依据和技术支持。 主要成果包括以下几个方面： ( 1 ) 以非饱和渗流和微生物降解理论为基础，建立了描述l f g 在填埋场内迁移释放 的二维气一水两相非稳态非线性数学模型； ( 2 ) 采用g a l c r k i n 有限元法给出了模型的数值格式，并通过计算验证了非线性数值 算法的可靠性； ( 3 ) 数值仿真结果表明： 1 当垃圾土中的水分含量增大时，原有气体传输路径被压挤，有效渗透率变小， 导致气体产量下降。饱和度差值为0 1 7 5 时，单井年产气量误差将达到8 7 6 0m h r 。因 此，在预测抽气量的过程不能忽略水相饱和度； 2 填埋结束后加盖覆盖层，可使多余的l f g 无法释放到大气，系统内气体压力也 随之增大，且随深度的增加而增大； 3 垃圾存放的年份( t o ) 越久，产量下降越缓慢。封场2 0 年的气体产量“5m v h r ) 占封场1 0 年后产量( 6 5d h r ) 的7 0 9 6 ，封场2 0 年后压力分布值与封场1 0 年比值也是7 0 。 因此，填埋场内部的气体压力对抽气量起着至关重要的作用； 4 将金口垃圾填埋场试验区气井产量的计算值与预测值进行了对比分析，二者随 垃圾填埋年份的变化规律比较吻合，进一步验证了模型的可靠性。 关键词：垃圾填埋气体，气、水两相模型，迁移，非线性算法，数值仿真， 资源化利用 a b s t r a e t i n c r e a s i n gw i t ht h em u n i c i p a ls o l i dw l l s t e ，s o e i e t y - w i d cb e c a m ee x t e n s i v ea t t e n t i o nt o t h es a f e t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so fl a n d f i l lg a s t h e r e f o r e ，l f gp o l l u t i o nr e $ o u u t i l i z a t i o nh a v e b e e nb e c o m et l a cf o c u sb o t ha th o m ea n da b r o a d l f gm o v c m c l r l tt h r o u g ht h e r e f u s ei sal a r g e l yc o m p l e xk i n e t i c sp r o c e s s 1 1 地w h o l ep r o c e s so fl f gr u i n a t i o na n d e v o l v e m e n tw e r es u b j e c t e dt ow a t e r l a n d f i l li sr e g a r d e da st h eu n s a t u r a t e dz o n ei nt h i sp a p e r , a n d q u a n t i t a t i o nr e s e a r c ho f g a sp r e s s u r e ，s a t u r a t i o na n df l o wr a t ew i t hw a t e rw a sp r e s e n t e d i n t h ep r o c e s so f l f ge x l r a c t i o n i tp r o v i d e st h e o r e t i c a le v i d e n c ea n dt e c h n i q u es u p p o l tf o rl f g p o l l u t i o nc o n t r o la n d 潞o 呲eu t i l i z a t i o n t h ep r i m a r yp r o d u c ei n c l u d i n g ： ( 1 ) o nt h eb a s eo fu n s a t u r a t e ds e e p a g ea n db i o d e g r a d a t i o n , t w od i m e n s i o n sg a s - w a t e r t w op h a s et r a n s i e n tn o n - l i n e 缸m a t h e m a t i c sm o d e lh a sb e e nd e , v e l o p m e n t e df o rl f g m i g r a t i o n ( 2 ) n u m e r i c a ls c h e m eo fm o d e li sg i v e nb yu s i n gg a l e r k i nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , a n d t h er e l i a b i l i t yo f n o n - l i n e a ra r i t h m e t i ci sv a l i d a t e d ， ( 3 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w ： 1 t h em o i s t u r ei n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s i n gg a se f f e c t i v ep e r m e a b i l i t y , w h i c hg a s m i g r a t i o np a t hi sc o m p r e s s e dl e a d i n gt og a sf l u xd o w n d i f f e r e n c eo fw a t e rs a t u r a t i o ne q u a l t oo 1 7 5 ，t e l t o l o fa n n u a lg a sf l u xa c h i e v e8 7 6 0m 3 触t h e r e f o r e ，d on o ti g n o r et h ew a t e r s a t u r a t i o ni nl f ge v a l u a t i o n 2 l f ge m i s s i o nt oa l m o s p h e r ew a sp r e v e n t e dw i t hf i n a lc o v e r , a tt h es a m et i m e , i n t e r i o r s y s t e mg a sp r e s s u r ei n c r e a s e sw i t ht l a ed e c r e a s i n gd 掣吐 3 g a sf l o wr a t eg r a d u a l t yd e c a y sw h e nt i m e , t o , e l a p s e ds i n c el a n d f i l lw 雒c a p p e d ，i s l o n g e r 1 1 1 ef l o wr a t e ( 4 5m 3 h l r ) f o rt o 。2 0y e a r si s7 0 o f t l 扭t ( 6 5m 3 h r ) f o rt o = 1 0y e a r t h eg a sp r e s s u r ef o rt o = 2 0 y e a r si sa l s o7 0 o f t l 诅tf o r 乃= 1 0y e a r n i i si n d i c a t e sm 缸t h e g a sp r e s s u r ei si m l x i r t a n tt of l o wr a t e 4 t h ec o m p a r i s o no fc o m p u t a t i o n 瓤de v a l u a t i o nd a t a so fg a sw e l lp r o d u c t i o nw a s p 嚣吼埘o nj i m k o ul a n d f i l l , t h er e s u l t so fv a r i a t i o nw 量l he l a p s c dy e a ri s m a s t o m o t i e ，a n d r e l i a b i l i t yo f t h em o d e li sf u r t h e rv e r i f i e d k e y w o r d s ：l a n d f i l lg a s ，g a s - w 砒e rt w op h a s em o d e l , 嘶a t i o n , n - l i u e a ra r i t h m e t i c ， n u m e r i c a ls i r a u l a l i o n ，r e s o i l r c eu t i l i z a t i o n e n g l i s h 符号表 常数，组分f 所占的百分比，【- 】 模型级数，h b o l l z m a n n 常数( 1 3 8 0 6 6 1 0 2 3 j k 一1 ) ，【】 填埋场封闭时间，r 功 气体浓度，科】 填埋中气体f 组分的弥散系数，汀1 1 l f g 中气体f 的有效扩散系数，旺打1 】 孔隙中气体f 的有效扩散系数，皿r 1 】 分子直径，珏4 口相源汇项，【h q 咖4r 】旷 l f g 产量，旷r 1 】 孔隙压力水头，l 毛管压力水头，旺刁 压力水头，叫 填埋场深度，旺j 盯( x ，y ) 方向的渗透系数，皿t 1 】 横向渗透系数，叫r 1 】 纵向渗透系数，r l 】 产气速率常数，h 水相相对渗透系数，h 口相相对渗透率，h 常数，每单位立方体积垃圾体的总产气量= 4 2 1 9 8 ，【】 单位重量垃圾中c i - l 产生量， l 3 r m 气体分子重量呻m o l e 1 】 4 口岛。q q玩以丸尼g 以 以。髟e巧七k k 工厶鸩 本构关系常数，等t l - 1 n ，h 气体分子质量，咖 气体总压力， m l 。t 1 组分珀q 气体压力，m l l t l 填埋气体中组分七每年( 瞎r a 3 ) 的产气速率，阻r 1 1 ，方向的流速，皿r 1 】 z 方向的流速。皿r 1 】 盯相流流速，小町1 盯( x y ) 方向的气体流速，皿r 1 】 c i - 1 4 年产生t ， m t i 一般气体常数，叫l 2m o l e l 】 距抽气井中心的水平距离，心 口( w , r t w ) 相流体的饱和度，【- 】 湿相( 水) 剩余饱和度，【】 非湿相( 气) 剩余饱和度，h 湿相实际饱和度，【- 】 非湿相的实际饱和度，h 有效饱和度。肌力 气和相饱和度，h 气和水相饱和度，h 气体温度，习 填埋作业年限，门f 】 封场后的时间年限，阿 垃圾场填埋时间，【1 1 气体，的莫尔分数，h 纵坐标，j 水位线以上高度，叫 册 p 只姒 靠 吼 足 疋 ， & 艮 & 瓯& & r 弓瓦， _ r y g l 【e e k 壬， 可降解有机物( 生化酶) 浓度， m l - 1 ，7 。， w 相的有效孔i 浆度， - 1 ，7 。朋相的有效孔隙度，h 丑 有机物降解常数，h a 气体分子平均自由程，口0 戊口( w , n w ) 相流体的饱和度和密度，m 毗3 】 ， 口相粘性系数，呻仉2 】 岛填埋气体中f 组分的密度，1 讥- 3 f 弯曲因子，【】 可 孔隙度，f 】 乃 界面张力一l r r 2 口 表示相的选取，( w , n _ v ) 岛 口相密度， m l 4 吃口相体积含水率，嗍 q ，残余体积含水率，旷，l 1 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的目的和意义 随着社会经济发展，人口逐步增长，城市中垃圾的产量日益增多，并以每年8 - 1 0 速率增长，一些城市相继建立了大型垃圾填埋场，垃圾填埋场投入运营约一年后，开始 产生填埋气体，这些气体在填埋场内累积，并向外释放，对周围环境及人类生命造成 危害，城市垃圾填埋场中填埋气体的二次污染问题已引起人们的广泛关注，城市生活垃 圾( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，简称m s w ) 已被公认为城市环境的主要污染源之一“。 垃圾填埋气体( 1 a n d f i l lg a s ，以下筒写为l f g ) 是指垃圾体内所含的大量有机物 经过填埋处理后，被微生物厌氧消化、降解所生成的气体垃圾填埋气体在所有的垃 圾填埋场中都有产生。垃圾填埋气体实际上是一种混合气体，主要成分有甲烷、二氧 化碳、氮气和氧气等，其中甲烷和二氧化碳之和占8 0 以上，如表1 1 踟。如果垃圾填 埋气体得不到适当的收集和处理，将会带来一系列直接或潜在的危害： ( 1 ) 甲烷是一种易燃易爆的气体。当甲烷在空气中的浓度达到5 - 1 5 时，遇火就 会爆炸填埋场内产生的大量气体无规则地随处迁移和扩散，会形成爆炸和火灾的隐 患； ( 2 ) 气体中微量浓度的硫化氢和硫醇等化合物是产生臭气之源。另外，垃圾填埋 气体中还可能含有一些有毒有害的挥发性有机气体如二甲苯、含卤化合物等，长期与 之接触可以使人致癌。 ( 3 ) 甲烷是一种温室气体，它的温室效应的增温潜能( g w p ) 相当于相同质量的 二氧化碳的2 1 倍。据统计，全球每年排放的甲烷量大约为5 亿吨，其中有2 2 0 0 - - 3 6 0 0 万吨来自城市垃圾填埋场，占全球c h 4 排放总量的6 1 3 ，是温室气体的主要来源之 一 表1 1 垃圾填埋气体典型成分 t a b1 1 黜：p i 髑蹦咖v ec o m p o n e n to f l a n d f i l lg a s 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 目前，城市生活垃圾的处置方式主要包括卫生填埋( s a n i t a r yl a n d f i l l ) 、堆肥 处理( c o m p o s t i n g ) 和焚烧( i n c i n e r a t i o n ) 三种，卫生填埋法以其操作简单、经济实用 而被许多国家选定为城市生活垃圾的主要处理方法。近十年来，我国城市垃圾产生量 以平均每年8 9 8 的速度增长。2 0 0 3 年，我国城市生活垃圾产生量达到1 4 8 亿吨， 预计到2 0 1 0 年全国的垃圾产生量可达3 亿吨，城市历年的垃圾堆存量高达6 6 亿吨， 侵占3 5 亿多平方米的土地，城市生活垃圾处理率为5 0 蹦，而无害化处理率不足1 0 ， 已有2 3 的大中城市被垃圾包围，有i 4 的城市不得不把解决垃圾危机的途径延伸到 乡村，导致了城乡结合带区域生态环境恶化，危及中国2 1 世纪经济的可持续发展。城 市垃圾处理与污染控制问题已成为目前我国城市环境卫生所面临的最紧迫问题之一。 根据我国城市生活垃圾污染防治技术政策，在未来很长一段时间内卫生填埋将成 为我国城市生活垃圾处理的主要方式和手段0 1 根据国外有关资料眠”，填埋气体可透过填埋场周边的土壤或砂质土流动，在 1 0 0 - 2 0 0 m 以外的建筑物内可测得5 的填埋气体c l 填埋气体的泄露和散发严重威胁 着周围的环境，在填埋场附近，它可以成为致命的物质，当甲烷的浓度在空气中达到 5 - 1 5 时，就会发生爆炸和燃烧，如果垃圾填埋场不使用衬层和收集系统加以阻挡，垃 圾气体可以迁移到离填埋场较远周边地区沿较小的路线移动，然后由地表逸出释放到 大气中，或通过树根造成的裂痕、疏松层、通风道和地下人造管道等途径迁移而释放 到环境中，造成环境隐蔽性污染和事故的发生。例如国外土耳其首都伊斯坦布尔、菲 律宾首都马尼拉，国内上海、岳阳、成都、北京等地都有由于填埋场内填埋气体引起 的场外隐蔽性事故发生。致使这些事故发生的根本原因在于对垃圾填埋气体运移和控 制方面的研究工作没有引起足够的重视所以，在垃圾填埋场附近开发时都必须对其 潜在的危险性进行评价叭。 此外，l f g 还是一种可回收利用的清洁能源，它具有很高的热值，约1 9 m j m 3 ， 与城市煤气的热值接近，是纯天然气热值3 7 1 9 m j m 3 的一半，每m 3 填埋沼气中含的 能量大约相当于0 4 5 l 柴油或o 6 l 汽油的能量，见表1 2 以一个城市三口之家为例， 每年产生约一吨生活垃圾。如果将一吨垃圾全部发酵，产生的填埋气体量约为3 0 0 立 方米，每立方米可燃气体能发电1 5 千瓦时。也就是说，每吨生活垃圾通过处理，实际 上可提供4 0 0 多千瓦时电能，差不多可满足一个三口之家半年的用电需求。 填埋气体作为一种生物能，有较好的利用价值，它的回收和利用，不仅能减轻其 对生态环境带来的污染，而且给人类提供了一笔不小的财富( 清洁能源) 。近几年来， 随着各国对开发替代能源的重视，填埋场气体的利用愈来愈被各国看好据估计，目 前，全世界共有2 0 多个国家的2 7 0 个填埋场进行填埋场气体的回收利用。主要利用途 径包括：( 1 ) 在蒸汽锅炉中燃烧用于室内供热和工业供热；( 2 ) 通过内燃机发电；( 3 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 作为运输工具的动力燃料；( 4 ) 经脱水净化处理后作为管道气；( 5 ) 工业；( 6 ) 制 甲醇。 表1 2 几种燃料利用价值对比 1 - h 1 2u t i l 姆h 砖曲_ 髓o f v 嘲l 枷s e f f m l 自上世纪7 0 年代以来，西方发达国家就十分重视对填埋气的回收和利用。而且随 着近些年来环境变迁和温室效应的加剧、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。美国是在l f g 的资源化利用方面发展最快的国家，据估 算，美国全国1 的天然气可被填埋场中的c h 。取代。全国约1 0 0 0 - 4 0 0 0 个填埋场适合 气体利用工程，每年可产2 千亿立方英尺( 约合5 7 0 亿一) 气体，对这些气体的利用每 年可为国家节约4 0 0 - 5 0 0 百万美元( 约合人民币3 4 - 4 2 亿元) 。截止1 9 9 0 年，欧盟的填 埋气利用项目就有1 7 5 个。而在美国，到1 9 9 9 年6 月，有2 7 0 个填埋场进行了填埋气 的利用，u s e p a ( u se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ) 估计在近几年将还有5 0 0 个 填埋场要进行填埋气的利用。 上个世纪9 0 年代，我国大多数垃圾的处置还仍处于简单堆放阶段，除少数堆放场 及新建填埋场采取了一些气体导排手段以外，大多数堆放场气体仍是无组织释放。由 于国内城市垃圾的卫生填埋起步较晚，符合卫生填埋标准的填埋场非常有限，除在鞍 山有小规模实验外，还没有一个填埋场对其释放气体进行利用。但是，填埋场释放气 体的控制和利用已引起广泛的注意。 到了9 0 年代末，我国在填埋气资源化利用方面的第一个商业化运营的填埋气发电 工程，杭州天子蛉垃圾填埋场的填埋气回收利用工程于1 9 9 8 年l o 月投入运行，这也 是我国内陆第一家垃圾填埋气体发电厂它的投产象征着我国垃圾资源回收利用技术 的一大突破，是我国新开发的垃圾产业之一。同时，伴随着2 0 0 5 年京都议定书 的 生效将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。目前国内 已经批准的填埋气体c d m 项目如表i 3 所示“”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 综上所述，垃圾填埋气体的资源化利用已成为控制其无序释放的主流方式。这与 循环经济中所提出的。3 r 原则”减量化( r e d u c i n g ) 、再利用( r e u s i n g ) 、再循环 ( r e c y c l i n g ) 原则有着异曲同工之处。因此，研究垃圾填埋气体排放对生态环境影响 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 并进行资源化利用已追在眉睫。 表1 3 国内已批准的垃圾填埋气g 配d m 项目 t a b1 3a p p r o v e dc d m p r o j to f l a n d f i l lg a si nc h i n a 填埋气体资源化利用的前提是将其从填埋场中收集起来，控制和收集l f g 的有效 途径是将垃圾填埋场封闭，并注井抽气。一方面，l f g 的产生周期和速率是评价其资源 化利用可行性过程中的重要指标。任何一个理想状态下可用于l f g 回收的垃圾填埋场 都必须同时具备高产气量，较长的产气周期以及稳定的产气速率；另一方面，l f g 在垃 圾土及周围介质中释放过程的定量化研究，是l f g 污染控制及资源化利用的重要理论 基础，同时也是优化收集系统设计和提高利用效率的有效手段。因此，l f g 在填埋场中 的产生、迁移规律及控制利用方式的研究是实现l f g 资源化利用所必须解决的问题。 1 2 国内外研究现状 与发达国家相比，由于我国城市垃圾填埋处置起步较晚，对填埋场释放气体的研 究相当有限。因此，在填埋气污染控制及资源化利用这一领域的研究明显落后，尽管 于2 0 世纪8 0 年代在国家“七五”、“八五”攻关项目中安捧了填埋气污染控制方面 的项目，但由于当时我国城市生活垃圾中无机物占大部分，填埋气产生量较低，其相 关技术市场需求并不迫切2 1 。但近年来，随着我国经济的迅速发展和人民生活水平的 提高，城市垃圾填埋场问题也日益突出，其中垃圾填埋气污染控制与资源利用，作为 垃圾填埋的关键技术也得到了高度重视，并取得了一些重要成果。 进入上世纪9 0 年代，我国陆续开展了l f g 室内外实验研究。焦学军“3 1 ( 1 9 9 6 ) 等 通过实验室试验和对上海市废弃物老港处置场的现场试验，研究了生活垃圾填埋产气 规律，包括产气量、产气成分和产气速率。结果表明，食品和纸品类废物是l f g 的主 要产生源；l f g 中的主要成份为c l i i 和c o , ，两者的体积分数( 浓度) 变化范围分别为 5 5 - 6 5 唧2 5 - 3 5 。这两种主要成份的浓度在垃圾填埋后几周或数月后就达到稳定状 态，可认为不受垃圾年龄的影响；垃圾年龄是影响l f g 产气速率的重要因素。根据实 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 验室试验，在填埋后1 - 5 年内，产气速率随时间的增加而减小。现场试验表明，垃圾 填埋后，前2 年内的产气速率下降较快，从第3 年开始将逐渐趋于稳定。 黎青松“”( 1 9 9 9 ) 等通过深圳市玉龙坑垃圾填埋场现场打井抽气实验，研究了填 埋气控制与回收利用工程基本参数。实验结果表明，填埋气中c h , 浓度高达6 2 2 ， 具有较高的回收利用价值；并得到具有重要参考价值的参数：在单井抽气量为 2 3 5 m a m i n 时，抽气井影响半径( r a d i u so fi n f l u e n c e ，简称r o i ) 为2 8 m 。 廖利、吴学龙等结合深圳市玉龙坑垃圾填埋场封场工程，对垃圾填埋气横向迁移 进行了现场实验研究嘲。研究结果表明，l f g 的横向迁移现象十分明显，对周围建筑物 的安全具有潜在的威胁。在采取l f g 横向迁移控制措施时，建议沿填埋场边界内侧建 立渗沥液回灌沟，通过渗沥液的渗流，在填埋场边界土层中形成饱和土隔离带；综合 控制系统采取阻隔与疏导相结合的方式，将气体防渗墙、填埋场封场工程、l f g 回收 利用系统及渗沥液回灌系统组成多层次控制系统，以有效地控制l f g 横向迁移。 刘建国“o 等对盖层渗透性较强而衬层渗透性较弱和盖层、衬层渗透性均较弱两种 不同防渗配置下系统内的水分运移规律进行了室内实验研究，认为两种配置在防止渗 滤液穿透衬层而污染“地下水”方面并无显著差异，其效率高低主要取决于介于废物 层与衬层之间的排水层工作性能的优劣。 陈绍伟“”( 2 0 0 0 ) 等通过模拟填埋场单元环境，对填埋场产生的气体进行了定性 和定量的分析。并以广州大田山填埋场为例，对填埋气的利用从经济的角度进行了分 析。实验对环境条件作了有利于微生物过程的强化，一方面不对物料进行机械化压缩， 另一方面是以污水厂污泥进行接种，使实验过程( 一年内) 完成从启动到高峰至平缓的 循环，从而得到分析必须的有关数据，但是这也使得实验不能完全与实际的填埋过程 吻合，但从“状态”这一热力学观点出发，这种强化亦可视为对反应时间轴的一种压 缩，这种压缩并不改变反应进程的特性，有关结果仍可支持对实际过程的有效分析。 李雁“”( 2 0 0 0 ) 等通过对佛山市五峰垃圾填埋场内部部分时段c 地浓度的监测，分 析了在填埋场内部垃圾发酵过程中c h , 浓度随时间的动态变化特征，提出了利用所建立 的统计曲线分别模拟或综合模拟c l i 浓度随时间的变化过程的方法。 刘富强“”( 2 0 0 1 ) 等通过室内实验认为在产酸阶段，渗滤液回灌之前，需对渗滤 液的p h 值进行调节，由酸性调至中性，创造较好的产甲烷环境，促进填埋气体的产生。 进人稳定产甲烷阶段后，垃圾层缓冲体系可使p h 值自行保持在中性偏碱的环境中，无 须另外进行p h 调节。 黄正华嘲( 2 0 0 4 ) 等开展了垃圾填埋气体收集现场静态试验和动态试验，对南京 市水阁垃圾填埋场进行了现场监测，并根据试验数据提出了工程设计参数。 国内在l f g 资源化利用的理论研究上也取得了一定的进展，主要集中在l f g 迁移 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 特性的研究。陈家军哪! ( 1 9 9 9 ) 等根据多孔介质流体力学理论，在假定介质变形很小， 液相水的运移相对气体运移要稳定得多和填埋场压力变化不大的情况下，建立了填埋 气迁移扩散数学模型。陈家军嘲( 2 0 0 0 ) 等提出了以垃圾填埋气用作车辆燃料资源化 的可行性，以及应用中需解决的净化、贮存和发动机改造的关键性技术问题和在我国 的发展前景。 邹春等人分析了填埋气在土壤中横向迁移的机理，根据过渡扩散理论和达西定律 建立了相应的数学模型及其数值方法并将该模型与l l o o r e 模型相比较，由于考虑了 气体作过渡扩散和土壤的非饱和性，强调填埋场气体的相对渗透率，使该模型较m o o r e 模型更趋于实际情况“。 王伟嘲( 2 0 0 1 ) 等认为统计模型的主要功能是根据给定垃圾量计算可能产生的甲 烷总量，但由于统计模型无法给出在垃圾产气周期中甲烷排放的分布，因此不能直接 作为填埋场甲烷利用的计算依据。以m a r t i c o r e n a 动力学模型作为基础，对今后2 0 年 全国垃圾填埋场c i l 产生量进行了预测。 庄启化嘲( 2 0 0 1 ) 从填埋气体的迁移规律出发，系统地阐述了填埋气体的迁移控 制系统，并对控制技术的选择作了进一步论述，可供填埋场补救设计参考。 彭绪亚嘲( 2 0 0 3 ) 等以重庆市城市生活垃圾为研究对象，通过垃圾填埋降解模拟 实验，研究了不同温度、不同垃圾成份对填埋垃圾降解过程及填埋气产生量、产生速 率的影响。实验结果表明：增加温度及在填埋垃圾中添加污泥，可加快填埋垃圾的降 解与填埋气的产生，实验期间累计产气量分别比对照组提高2 0 4 和3 4 倍；以厨余垃 圾为主的样品垃圾，其产气过程的显著特征是产气速率衰减较快，这与国外文献报道 有较大差异。此外，彭绪亚嘲( 2 0 0 3 ) 等通过对填埋垃圾体压实方向和与其垂直方向 上气体渗透系数的测定，研究了在不同压实密度、不同含水率条件下垃圾体渗透特性 的变化情况，实验表明：( 1 ) 在垂直压实的填埋垃圾体中，水平方向渗透系数平均值 为垂直方向渗透系数的7 7 5 2 0 倍，填埋垃圾体各向异性特征明显；( 2 ) 垃圾体渗透 系数与压实密度、含水率的关系分别满足指数和线性递减规律，表明压实密度对渗透 系数的影响较含水率大得多。 陈泽智( 2 0 0 3 ) 等开发了一套垃圾填埋气的工程化测试与火炬装置，不仅能满 足在建设垃圾填埋气利用工程中的前期测试任务要求( 提供测试数据) ，还能作为一个 流程单元应用于建设工程中，连续运行期间工作性能比较稳定 张重华m 1 ( 2 0 0 4 ) 等采用数值模拟方法研究了填埋气焚烧火炬内部的流动燃烧情 况。通过对不同形状流道的计算，对不同燃料喷嘴在不同工况下的燃烧提供了满足设 计要求的流场，计算结果和试验数据吻合较好咖。采用的计算方案适用于研究变负荷、 变组分的低热值气体燃烧装置，可为此类装置的工程设计提供依据。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 薛强b 1 1 ( 2 0 0 5 ) 等基于多孔介质流固耦合渗流及热力学理论，给出了垃圾填埋垃 圾气体运移过程的多场( 应力一渗流温度场) 耦合动力学数值模型，并分析了多孔介 质滑脱效应对填埋气体迁移规律的影响。 在国外，对垃圾填埋气体的研究始于7 0 年代末8 0 年代初，由于西方普遍的能源 危机，各国开始重视对新型能源开发利用的研究；加之公民环境意识的提高和政府对 污染物排放加以限制的法规日趋严格，开始对填埋场释放气体的控制和利用引起了重 视，现在垃圾填埋场填埋气体的控制和处理已是发达国家垃圾卫生填埋场的必要部分。 目前，国外对垃圾填埋场填埋气体的研究主要集中在：( 1 ) 加快填埋气体产生速率 的技术方法研究；( 2 ) 气体产生和迁移模型的研究；( 3 ) 气体利用经济性、可行性分析； ( 4 ) 气体监测方法的研究；( 5 ) 气体对人类健康影响的研究。 在填埋场气体产气量和产气速率方面，国外研究主要采取三种方式：模型估算、 实验模拟和现场测试。气体产生模型研究中，由于填埋场填埋废物种类、填埋方式的 复杂性以及影响填埋场释放气体产生因素的多样性，国外一般都采用经验模型粗略地 预测填埋场释放气体产生量：采用固体废物的化学需氧量( c o d ) 或总有机碳( t o c ) 预测 填埋场气体的理论产生量，再利用经验系数将其转换成实际产气量。对于气体产生速 率的模型，比较简单的有p a l o sv e r d e s 动力模型、s h e l d o n - a r l e t a 动力模型和s c h o l c a n y o n 动力模型，比较复杂的有大西洋电气公司模型和g t l e a c h - i 模型等。尽管有关 气体产生的模型很多，但目前还没有足够的填埋场监测数据来检验各种模型的准确性。 由于填埋气产生过程的复杂性和长期性( 通常持续数年到数十年) ，现场实地研究 不能够满足实际的需要。因此，关于l f g 迁移的模拟预测成为该领域研究的主流与热 点。 h o u s h a n ge s m a i l i 啪1 ( 1 9 7 5 ) 等人研究发现，填埋气在填埋场周边土壤中可迁移 相当远的距离，建在碎石采石场的填埋场比建于低渗透性淤泥和粘土区的填埋场迁移 更远。另一方面，填埋气在土壤中向上扩散后，聚集在建筑物内，存在火灾和爆炸的 隐患。因此提出填埋场特别是新建填埋场，必须采取措施控制l f g 的无序扩散。研究 表明，填埋气迁移距离是土体渗透率、气体压力和浓度的函数，为了有效控制填埋气 的扩散，h o u s h a n g ，e 推荐了几种用于控制l f g 迁移的方法：( 1 ) 填埋场底部和周边 地带设置粘土膜衬层；( 2 ) 用沥青、混凝土或塑料薄膜作为填埋场衬里或帷幕灌浆；( 3 ) 填埋场周边设置拦截沟渠，并与大气相通；( 4 ) 填埋场封场后要安装抽排系统。 a n f i n d i k a k i s 嘲( 1 9 7 9 ) 等建立了填埋场中l f g 扩散的一维非稳态模型，包括 l f g 的浓度及压力分布随时间变化的情况，并采用有限差分法进行数值分析。a n g e l o s n f i n d i k a k i s 和j a m e s0 l e c k i e o 研究得出，影响填埋气产生的因素有许多，主要 有：降雨量、微生物量、垃圾组成及密度、填埋场深度、垃圾填埋方法、填埋场内温 辽宁工程技术大擘硕士学位论文 8 度和外界温度等。 d u l l i e n ( 1 9 7 9 ) 认为气体和水在多孔介质中的渗透特性有差别，气体流动除了粘 性流动外，还包括滑动流动，即存在滑脱效应。但j w m a s s m a n 等人认为，气体在泥 土、沙等介质中流动时，滑脱效应可忽略，即气体流动与地下水迁移有相同形式方程洲 d o u g l a se m e t c a l f e c ”j 等人研究了l f g 在非饱和土壤中的迁移模型，其模型与地 下水中污染物迁移模型类似，该模型反映了填埋气的迁移是由于填埋气压力、浓度与 速度梯度而产生，根据有限元法给出了模型数值格式。在取沙、沙土、粘土渗透系数k 分别为4 8 l 1 0 1 m 2 ( p a s ) 、9 6 2 1 0 1 m 2 ( p a s ) 、9 6 2 1 0 。1 0 m v ( p a s ) 的前提下， 利用该模型对两个填埋场进行模拟，所得填埋气压力及浓度与现场测试值吻合很好。 m a s s m a n n d e 等人在考虑气体压力、密度变化较小情况建立了填埋气体运移的半解 析模型和数值模型：a n d e r s o n 和c a l l i n a n d 钉采用过渡扩散理论和达西定律建立的垃 圾气体横向迁移的数学模型；j i u n n t = j 等人建立了填埋场中垃圾气体产出量的数学模 型。 n o z h e v n i k o v a d g ( 1 9 9 3 ) 给出了抽气过程中空气入渗量计算公式，并预测l f g 在经过 覆盖层释放的过程中有超过5 0 的甲烷被氧化s t e i n l 4 0 1 ( 2 0 0 1 ) 建立了一维多组分气体 ( 甲烷、二氧化碳、氮气和氧气) 迁移模型，并通过土柱实验测定了气体氧化比例 a r i g a l a s g m ( 1 9 9 5 ) 等以实际工程中广泛应用的垂直抽气系统为建模对象，并考虑 了填埋场底部及侧边有一定透气性的情况，开发了更为复杂的三维模型，并采用有限 差分方法进行数值分析，该模型把新老填埋场填埋气扩散迁移情况和收集系统综合考 虑，因而更接近实际情况。通过对典型填埋场的填埋气压力分布的数值模拟，提出了 抽气系统优化设计的思路和方法 w a r d ( 1 9 9 6 ) 和w i l l i a m s ( 1 9 9 9 ) 对填埋气在土壤中的迁移进行了研究，但这些 研究几乎没有涉及填埋气在老填埋场周围土壤中的侧向迁移。 t j a l f egp o u l s e n 4 1 】( 2 0 0 1 ) 等对填埋场中l f g 在田地中的侧向迁移进行了研究， 得出了气体渗透系数和饱和度的函数关系式，并对影响填埋气迁移的主要因素进行了 讨论，认为气体渗透系数和土壤含水率影响最大，甲烷气体氧化率和大气压力变化影 响其次，而气体扩散影响较小 m n a s t e v 4 2 ( 2 0 0 1 ) ；目e p r u e s st o u g h 2 ( 多组分污染物水一热耦合运移模型) 的基础上 提出了t o u g h 2 - l g m ( t r a n s p o r to fu n s a t u r a t e dg r o u n d w a t e ra n dh e a t - l a n d f i l lg a s m i g r a t i o n ) 模型，并通过数值模拟评估了加拿大蒙特利尔市的c e s m 填埋场的产气量、 顶部气体流量及压力分布 a n - h u al u 和c h a r l e s0 k u n z 等人通过对f r e s hk i l l s 填埋场研究后认为，达 西定律( d a r c y sl a w ) 可应用于气体粘滞流动，由此建立了填埋气一维圆柱流动模 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 型，该模型利用抽气所产生的填埋场内压力的变化，来计算填埋气的产生量。t j a l f eg p 等人通过现场实验与数学模拟相结合的方法，得出了填埋气渗透系数的计算公式1 m a s s m a n n j w 通过地下水抽水模型与填埋气抽气系统的对比，分析了d v 。r c y 定 律对填埋气在土壤中的适用性认为填埋气在土壤介质中的运动可近似满足该方程， 分析结果表明，填埋气在土壤介质中的渗透系数取用该值能达到工程精度的要求叫。 由于地下水运动及其抽取模型比较成熟，m a s s m a n n j _ 的工作为填埋气运动模型借鉴 现有成果提供了新的思路。 m a n y 在一维模型的基础上，考虑垃圾体渗透率各向( 主要指横向和竖向) 异 性的特点、以及填埋气产生的持续性，利用连续性方程，结合达西定律，建立了更复 杂的二维模型来研究具有水平抽气井填埋场中填埋气压力分布情况。该模型假定填埋 场底布及侧边均铺设有不透气层，填埋场纵剖面为长方形，且填埋气沿抽气井方向压 力不变，较之一维模型复杂许多，但更符合填埋场实际情况，即填埋场垃圾体横向与 竖向渗透率有较大差异。a r i g a l a s g 则在m a ny o u n g 模型的基础上，以实际工程 中广泛应用的垂直抽气系统为建模对象，并考虑了填埋场底部及侧边有一定透气性的 情况，开发了更为复杂的三维模型，并采用有限差分方法进行数值分析，该模型把新 老填埋场填埋气扩散迁移情况和收集系统综合考虑，因而更接近实际情况。通过对典 型填埋场的填埋气压力分布的数值模拟，提出了抽气系统优化设计的思路和方法。 p o p o v v 等人利用边界元法分析了多层填埋场填埋气自然扩散的流动情况，对 有效防止老的简易填埋场填埋气污染和安全事故提供了分析工具和手段。 i e h r d a d h ( 2 0 0 2 ) 1 等考虑了渗透系数和孔隙度的各向异性分布，忽略了l f g 在时 间尺度上产气速率的动力学过程，建立了考虑对流一弥散作用的l f g 多组分迁移三维准 稳态( p s e u d o - s t e a d y s t a t e ) 数学模型，并对抽气井的数量、空间分布及弥散度参数一孔隙 度与弯曲因子比值( 6 f ) 的灵敏性进行了探讨。 y e n - c h oc h e n 删( 2 0 0 3 ) 给出了二维极坐标下l f g 迁移的稳态模型，以被动式抽气系 统为例对美国纽约的f r e s hk i l l s 填埋场的影响半径、覆盖层厚度以及井深等参数进行了 预测。 t i m o t h yg t 嘲( 2 0 0 5 ) 给出了水平抽气井抽排过程中l f g 迁移的一维模型及解析 解，并解释了从填埋场底部进行抽气的可行性。 综上所述，对于l f g 迁移过程的数值模拟研究多集中在稳态单相模型的基础上进 行的，通常忽略了填埋场内部水分作用状态下对l f g 贮存和流动( f l o w ) 规律的影响。 在实际填埋场中，垃圾固体颗粒问的空隙往往同时充满气体( l f g ) 和液体( 水和 渗滤液) 。填埋场中水分的变化伴随在l f g 产生到释放的始终，并具备相互 驱替的特性，有机物的降解使二者之间存在着质量和能量的交换。即垃圾填 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 埋场是由覆盖层系统、固体废物系统、l f g 流动系统、降雨入渗和腾发系统、下包气 带和地下水系统共同组成的一个完整的水分及气体运移系统。 填埋场中的垃圾土由于自身带水，加之渗滤液的回灌和大气降水会逐渐达到饱和。 填埋场中( 水) 饱和度增加的同时导致了l f g 渗透率随之降低“。此外，高含水率( 一 般大于4 0 ) 也会增大l f g 的溶解性。因此，两者间的相互作用不可忽略。 1 3 本文的主要工作 本文的主要技术路线如图1 1 所示。 图1 1 技术路线图 f i g 1 1t e c h n i q u el i n e 主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) l f g 在填埋场中的产出和迁移机理研究。分析了垃圾一经填埋处理后致封场抽 气整个阶段的气体产生特征；总结了国内外关于l f g 产气速率模型的研究成果，并分 析了模型的可靠性；探讨了l f g 迁移扩散的主要特点及运动规律，重点分析了水- 气 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( l f g ) 间相互作用机制，提出了将垃圾填埋场看作非饱和传输介质的可行性和合理 性，并给出了气水两相运动方程； ( 2 ) l f g 迁移耦合数学模型的建立。分别给出了l f g 迁移控制方程、水分运动连 续性方程和本构方程，将产气速率模型作为内源项引入气相运动控制方程；采用 g a l e r k i n 有限单元法及p i c a r d 迭代格式给出了非线性耦合的数值格式； ( 3 ) 结合前人的科研成果，验证了非线性数值算法的可靠性；实现了l f g 迁移动 态过程的可视化，得到了单井( 被动式抽气井) 抽气状态下的气相和水相饱和度、压 力分布及抽气量