（环境工程专业论文）填埋垃圾体气体渗透特性及填埋气迁移过程模拟研究.pdf

一一，! ! i j ! ! 一 - 。_ _ _ _ - - - - 。_ _ _ _ - - 。_ _ 。_ - _ - _ _ _ 。_ _ 。_ - - 。_ _ _ _ _ _ 。_ 。- - _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ - _ 。- - _ _ _ _ 。 摘要 l卫生填埋是目前及以后相当长时间内我国城市生活垃圾处理的主要方式。填 垣曳是垃圾卫生填埋产生的主要污染物之一，它是种易燃、易爆和温室性气体， 对环境和人体健康具有潜在威胁：同时它又是一种可回收利用的能源，若进行回 收利用，则可消除污染、化害为利。 要有效的控制填埋气污染或对其进行回收利用，必须掌握填埋气在垃圾堆体 中的渗透特性及迁移规律。目前国内还较少有这方面的研究报道，在设计填埋场 抽气系统时，常借鉴国外经验或者经过现场测试研究后进行。国外虽有许多经验 及成果可供借鉴，但这些研究也有一些不足之处，很难完全照搬。现场测试由于 受许多条件限制，不能完全满足实际需要，迫切需骂进行研究，为填埋场抽气系 统设计及环境影响评价提供理论基础和技术依据。y 本文在实验室通过模拟实验，对填埋垃圾体气体渗透特性及填埋气迁移过程 进行研究，得出以下具有重要理论与实际价值的结论： 填埋垃圾体气体渗透特性： 1 ) 建立了测定填埋垃圾体不同方向气体渗透系数的模拟实验装置与方法，据 此测定出重庆市城市生活垃圾的气体渗透系数值( 横向渗透系数k h 与竖向渗透系 数k 。) ； 2 ) 测定了重庆市城市生活垃圾在不同压实密度、不同含水率及不同填埋时段 下的渗透系数，并进行系统分析，得出以下规律； a 随着填埋垃圾体压实密度增加，渗透系数呈指数规律递减； b 随着填埋垃圾体含水率增加，渗透系数按线性规律递减； c 不同填埋时段垃圾体，半腐熟垃圾( 即处于降解过程中的垃圾) 渗透系数 大小接近新鲜垃圾，腐熟垃圾明显高于前两者。 3 ) 填埋垃圾体横向渗透系数l ( h 大于竖向渗透系数k v ，其比值k h k v 的平均 值从9 1 倍变化到2 0 1 倍，说明填埋垃圾体各向异性特征明显，因此设置竖井抽 气系统比水平井抽气系统更有利于填埋气的收集。 建立了竖井抽气条件下填埋气迁移的数学模型，并求得其解。该模型综合 反映了垃圾体内部填埋气产生量，抽气量，垃圾体气体渗透系数，抽气井埋深， 覆盖层厚度及特性对抽气效果的影响； 基于某垃圾填埋场竖井抽气系统，利用本文所建模型，预测填埋场内气体 重庆大学硕士论文 压力分布，根据压力分布，可确定抽气并影响半径。分析表明，抽气井影响半径 以艮i = 3 5 0 4 0 0r r l 为宣。 关键词：卫生填埋， ， 填埋气，渗透系数， 鞣 迁移，模型，应用 t 7 a b s l r a c t a b s t r a c t p r e s e n t l y , s a n i t a r yl a n d f i l l i st h ep r e d o m i n a n tm e t h o do fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) t r e a t m e n t ，s od o e si ti nt h el o n gt i m eo ff u t u r e l a n d f i l lg a s ( l f g ) i sp r i n c i p a l c o n t a m i n a t i o n p r o d u c e d f r o m s a n i t a r y l a n d f i l l i ti s c o m b u s t i b l e ，e x p l o s i v e a n d g r e e n h o u s eg a s ，w h i c hw i l lb eh a r m f u lt oe n v i r o n m e n ta n dh u m a nb e i n g s h o w e v e r , i t i sak i n do f r e n e w a b l e e n e r g y i f i ti sr e u s e d ，i tc a ne l i m i n a t ep o l l u t i o na n dc h a n g eh a r m i n t oa v a i l a b i l i t y i no r d e rt oc o n t r o lp o l l u t i o na n dr e c o v e rl f gi ti sn e c e s s a r yt os t u d ya n dm a s t e r t h el f g p e r m e a b i l i t ya n dm i g r a t i o nl a wo fc o m p a c t e dm s w p r e s e n t l y , t h er e p o r t si n t h ef i e l da r es t i l l f e w , s ot h ee x t r a c t i o ns y s t e mo fl a n d f i l li sd e s i g n e db a s e do nt h e e x p e r i e n c e so f a b r o a do rt h et e s t so n - s i t e t h o u 曲m a n y e x p e r i e n c e sa n dr e s u l t sc a r lb e u s e df o rr e f e r e n c e ，t h e r ea r em a n yi n s u f f i c i e n c i e si nt h e s es t u d i e s ，w h i c ha r eu n s a t i s f i e d i no u rc o o n t r ) l ：b e c a u s et h et e s t so n - s i t ea r el i m i t e db y m a n yc o n d i t i o n s ，t h e ya r en o t s a t i s f i e dt h ea c t u a ld e m a n d s s ot h es t u d yi nt h ef i e l di s n e c e s s a r yt op r o v i d et h e t h e o r e t i cb a s i sa n dt e c h n i c a lr e f e r e n c e sf o r d e s i g n i n g t h ee x t r a c t i o n s y s t e ma n d e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n to f l a n d f i l ls i t e t h e g a sp e r m e a b i l i t ya n dl f gm i g r a t i o np r o c e s si nc o m p a c t e dm s ww e r es t u d i e d b a s e do nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sc a r r i e do u ti nt h el a b o r a t o r y t h em a i nc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： t h eg a sp e r m e a b i l i t yo f c o m p a c t e dm s w ； 1 ) t h es i m u l a t e de x p e r i m e n te q u i p m e n ta n dm e t h o dt ot e s tt h ed i f f e r e n td i r e c t i o n g a sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fc o m p a c t e dm s w w a se s t a b l i s h e d a n db a s e do n w h i c h ， t h ev a l u eo f g a sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fc h o n g q i n gm s w w a st e s t e d o a o r i z o n t a l p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t 聪a n dv e r t i c a lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tk 0 ； 2 ) t h eg a sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fc h o n g q i n gm s ww a sd e t e r m i n e di nt h e c o n d i t i o no fd i f f e r e n td e n s i t yo f c o m p a c t e dm s w ：d i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t ，a n dd i f f e r e n t h u m i c d e g r e e ，w h i c hw a ss y s t e m i ca n a l y z e d ，a n dt h ec o n c l u s i o n sw e r ei nt h ef o l l o w ： a t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tkw a sd e s c e n d i n go b e 撕n gt h er u l eo fi n d e xw i t h i n c r e a s i n go f t h ed e n s i t yo f c o m p a c t e dm s w ； b t h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tk w a s d e s c e n d i n go b e y i n g t h er u l eo f l i n e a r i t yw i t h n i 重壅奎堂堡主堡苎 i n c r e a s i n go f t h e w a t e rc o n t e n to f c o m p a c t e dm s w ； c d u r i n gt h ed i f f e r e n to v e r r o t t e nd e g r e e ，t h ev a l u eo f t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t o fs e m i o v e r r o t t e nm s wi sc l o s et ot h eo r i g i n a l i t ym s w , a n d w h i c ho ft h eo v e r r o t t e n m s wi sm o r et h a nt h ef o r m e r ； 3 、t kv a l u eo fh o r i z o n t a lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tk io fc o m p a c t e dm s w i s g r e a t e rt h a nt h a to f v e r t i c a lp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tk ，a n dt h ea v e r a g eo fk d k v v a r i e s f r o m9 1t o2 0 1 w h i c hs h o w st h a tt h ea n i s o t r o p yc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p a c t e dm s w a r eo b v i o u s ，s oi ti sm o r ea d v a n t a g e o u st oc o l l e c tl f gf o rv e r t i c a le x t r a c t i o nw e l lt h a n h o r i z o n t a le x t r a c t i o nw e l l t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl f gm i g r a t i o nf o rv e r t i c a le x t r a c t i o ns y s t e mw a s p u tu p ，a n dt h e s o l u t i o nw a so b t a i n e d t h ei n f l u e n c e so ft h ep r o d u c t i o no fl f g , e x t r a c t i o nq u a n t i t y , g a sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fc o m p a c t e dm s w , b u f f e dd e p t ho f e x t r a c t i o nw e l la n dt h i c k n e s sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o v e r e dl a y e ri nc o m p a c t e dm s w w e r ea 1 1r e f l e c t e di nt h em o d e l o nt h eb a s eo ft h em o d e li nt h ep a p e r , t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fg a si n a l a n d f i l lv e r t i c a le x t r a c t i o ns y s t e mw a sf o r e c a s t e d a c c o r d i n gt ot h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ， t h er a d i u so fi n f l u e n c eo fe x t r a c t i o nw e l lw a sc o n f i r m e d t h ea n a l y s i ss h o w e dt h a tt h e o p t i m a lv a l u eo f t h e r a d i u so f i n f l u e n c eo f e x t r a c t i o nw e l lw a s3 5 0 4 0 o m k e y w o r d s ：s a n i t a r yl a n d f i l l ，l a n d f i l lg a s ，p e r m e a b i l i t y , m i g r a t i o n ，m o d e l ， a p p l i c a t i o n n 1 概述 1 概述 1 1 城市生活垃圾及其处理 1 ，1 1 城市生活垃圾及其危害 城市生活垃圾( m u n i c i p “s o l i d w a s t e ，简称m s w ) ：指在城市日常生活中或者 为城市日常生活提供服务的活动中产生的固态、半固态废物【l 7 j 。主要成分包括厨 余物、废纸、废塑料及砖瓦渣土等。其主要特点是成分复杂、有机物含量高。随 着经济的增长、城市规模的扩大和人民生活水平的提高，城市生活垃圾产量也持 续增加，2 0 0 0 年，全球共产生垃圾约1 0 0 多亿吨，其中我国约i 2 亿吨。最近几 年各国城市生活垃圾的产量处于上升趋势，据统计，发达国家的年增产率为3 6 ；发展中国家为3 1 0 ；我国为3 5 【b 9 】。许多城市都发生了“垃圾围城” 的现象，所以城市生活垃圾问题已成为困扰全球各国城市发展的焦点与难点 ” 1 5 1 。 露天存放或置于处罨场的城市生活垃圾，其中的有害组分可通过环境介质一 大气、土壤、地表、地下水体等直接或间接传至人体，造成健康威胁。其对人类 环境的危害主要表现在以下几个方面。 侵占土地 城市生活垃圾产生以后，必须占地堆放，堆积量越大，占地越多。据估算， 每堆积1 1 0 4 t 垃圾约占地1 亩。我国许多城市将垃圾堆放于市郊，侵占了大量农 田，1 9 9 7 年调查显示，我国垃圾累积堆存侵占士地已超过5 亿1 1 i 2 。随着生产的发 展和消费的增长，垃圾占地的矛盾日益尖锐。 污染土壤 垃圾堆置，其中的病菌、寄生虫等有害组分容易污染土壤，垃圾淋洗和渗沥 液中所含的有害物质会改变土壤性质与结构，并对土壤中微生物的活动产生影响。 这些有害组分不仅阻碍植物根系的发育和生长，而且还会在植物有机体内积蓄， 通过食物链危及人体健康。 污染水体 堆置的垃圾随风飘迁落入水体，或经过雨水的浸渍和废物本身的分解，随天 然降水或地表径流进入河流、湖泊等水体，污染地面水。随渗沥液进入土壤则可 污染地下水。国内外发生多起事故，如哈尔滨市韩家洼子垃圾填埋场，地下水锰 含量超过标准3 倍，汞含量超过2 9 倍，细菌总数超过4 3 倍，大肠菌超过4 1 倍， 其浊度、色度等亦超过许多倍【2 l 。垃圾未经无害化处理直接排入河流、湖泊或海洋， 能造成更大的水体污染，目前我国某些地区每年仍有成千上万吨垃圾直接倾入江 湖之中，其所产生的严重后果是不言而喻的。 重庆大学硕士论文 污染大气 以细粒状存在的垃圾，在大风吹动下随风飘逸。或者其中某些物质的分解和 化学反应，可以不同程度地产生毒气或恶臭，造成地区性空气污染，危及人类健 康；其运输和处理过程也能产生有害气体和粉尘，如焚烧法处理垃圾，已成为一 些国家大气污染的主要污染源之一，有的露天焚烧炉排出的粉尘在接近地面处的 浓度达到o 5 6 9 m 3 ，大大超过国家允许排放标准。另外，垃圾填埋场逸出的填埋气， 在一定程度上会消耗其上层空间的氧，造成植物衰败，大气环境恶化。 影响环境卫生 我国许多城市收运系统不能满足城市发展的需要，影响了城市容貌和环境卫 生。目前我国无害化处理率仅1 5 左右，很大部分垃圾简易堆放于市郊，给附近 居民健康和安全构成潜在威胁。 1 1 2 城市生活垃圾的处理 2 0 世纪5 0 年代以前，世界各国几乎都以露天堆放的方式处理城市生活垃圾， 即利用天然壕沟、自然形成或人工挖掘而成的坑穴等场所把垃圾集中堆放，无任 何环境保护工程措施。由于当时产生的城市生活垃圾数量有限，尚可以利用自然 界强大的自净能力对其进行处理，因而未造成严重的环境污染。2 0 世纪5 0 年代以 后，随着城市人口的增加，城市生活垃圾产量迅速增长，许多城市陷入垃圾包围 之中，严重损害了城市环境质量，各国逐渐加以重视。 城市生活垃圾的处理已成为世界性问题，如何合理、有效地处理城市生活垃 圾是迫在眉睫的问题。面对城市生活垃圾的产生态势，全球各国努力探索其处理 技术，发达国家如美国、德国、法国、瑞典、日本等较早提出在实现垃圾分类收 集的基础上通过综合处理，实现垃圾“减量化、资源化和无害化”的思路。 纵观全球城市生活垃圾处理技术现状，可以发现，目前主要采取焚烧、堆肥、 卫生填埋等常见的处理处置方式【”。2 1 ，表1 1 是部分国家处理城市生活垃圾的方 法及所占比例【3 。这几种处理技术各有利弊。焚烧法减量化好，处理彻底，但是 它一次性投资大，运行费用高，对管理水平和设备维修要求高，而且焚烧过程中 产生的烟气含有大量有毒有害物质，若处理不当，其二次污染对环境仍有很大的 危害：堆肥法虽然是实现城市生活垃圾资源化、减量化的一条重要途径，但存在 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：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，产生的渗沥液( 1 e a c h a t e ) 与填埋气( 1 a n d f i l lg a s ，简称l f g ) 会产生二次污染，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，回收填埋气可获得一定经济效益等优点，且是城市生活垃圾的最终处 置方式，因此也是焚烧、堆肥等处理技术不可或缺的重要组成部分。 2 1 概述 表1 1 部分国家垃圾处理方法及所占比例( ) t a b l e 】1m e a s u r ea n dp r o p o r t i o no f m s wi nm a n yc o u n t r i e s 意大利 美国 澳大利亚 比利时 法国 日本 英国 德国 瑞典 新西兰 荷兰 丹麦 瑞士 加拿大 1 4 注：“是我国3 5 个重点调研城市数据。 由表1 1 可知，卫生填埋在世界各国城市生活垃圾处理中均占有较大的比例。 所谓卫生填埋( s a n i t a r yl a n d f i l l ) ，指采取防渗、铺平、压实、覆盏对城市生活垃圾 进行处理，并对填埋气、渗沥液、蝇虫等进行治理的垃圾处理方法f 7 1 。作为一种成 本较低、技术相对简单、能迅速处理垃圾的方式，比较适合我国国情，目前已成 为我国垃圾处理的主要方法u 3 l 。建设部等部门出台的城市生活垃圾处理及污染 防治技术政策规定：在具备卫生填埋场地资源和自然条件适宜的城市，以卫生 填埋作为垃圾处理的基本方案 2 3 1 。 1 2 课题的提出 由上述可见，卫生填埋是目前我国处理城市生活垃圾的主要方法。虽然卫生 填埋是处理垃圾行之有效的方法，但填埋场在漫长的稳定化过程中除产生污染物 渗沥液外，还产生大量填埋气，其对人体健康和生态环境有较大危害作用【“】。垃 圾填埋气是一种温室气体，填埋气中的c i - 4 和c 0 2 都能导致温室效应，特别是c h 4 3 ” ” 加的m 巧 如 玎“ 加 6 5 9 m 4 ， 2 6 m 2 h 2 加 酊 以 勰 的 酊 甜 甜 弛 如 重庆大学硕士论文 气体，它的温室效应是c 0 2 的2 0 倍以上【2 4 1 ，据估算，垃圾填埋气对于全球变暖所 做的贡献为3 【”1 ，仅次于稻田的贡献：其次是填埋气具有易燃、易爆特性，c h 4 气体比空气轻，密度约为空气的o 5 5 倍，易向上运动，并在不渗透的封闭空间积 聚，c 1 - h 在空气中浓度达到5 1 5 时，存在燃烧、爆炸的潜在威胁p j ；但同时 又是一种可以回收利用的资源，稳定垃圾填埋场中c h 4 和c 0 2 的体积含量分别在 5 5 、4 5 左右f 2 6 】，具有很好的利用价值，不进行回收利用将造成资源浪费。随 着我国城市化进程的不断加快，城市人口规模的不断扩大，城市生活垃圾的产生 量不断增加，垃圾填埋气污染控制与资源化问题日益突出。目前国内无论是使用 多年的大量简易填埋场，还是近年来新建的技术水平较高的卫生填埋场，绝大部 分无填埋气回收利用系统，填埋气污染几乎处于放任自流的状态，因填埋气引起 的爆炸、垃圾自燃事故时有发生，如1 9 9 5 年北京昌平县垃圾堆放场就发生了3 次 爆炸f ”】。这种状况与垃圾处理无害化、资源化的目标相去甚远。因此，加强填埋 气污染控制及资源化利用，是亟待解决的紧迫问题，是实现垃圾填埋处理过程无 害化、资源化的重要手段。 我国现有简易填埋场数目众多，大多还在填埋垃圾，垃圾在降解过程中释放 出大量填埋气体，环境污染严重，事故隐患多，由于垃圾的降解特性，这些简易 填埋场即使不再填垃圾，其对环境的影响仍将持续1 0 2 0 年甚至更长时间。同时 近年来相当数量大、中型卫生填埋场的兴建并相继投入运行，将产生更多的填埋 气，所以填埋气污染控制与安全事故预防，是必须解决好的关键问题之一。我国 目前投入商业运行的填埋气回收利用装置仅有杭州天子岭、广州大阳山垃圾填埋 场等少数几家，而且还是利用国外技术。国内还缺乏相应的理论基础与技术依据， 因此迫切需要进行研究。 要有效的对填埋气进行控制与收集，防止引发安全事故，并在此基础上进行 资源化回收利用，掌握填埋场释放气体产生规律及其在垃圾堆体中迁移扩散规律 是至关重要的，所以应对填埋垃圾体气体渗透特性及填埋气迁移过程进行研究， 即气体在填埋垃圾体中渗透系数( p e r m e a b i l i t y ) k 的测定，渗透系数随垃圾成分、 压实密度、含水率、填埋时间等因素的变化情况的分析；以及建立填埋气迁移的 数学模型，对填埋场释放气体压力等进行有效预测，为填埋场抽气系统设计和管 理提供理论依据。 1 3 课题研究的目的和意义 我国对填埋气迁移研究甚少，因此在设计填埋气收集系统时，常借鉴国外经 验，或者经过一些垃圾填埋场现场测试研究后进行。这两种方式在我国以前填埋 场抽气系统设计中确实起到了一定的作用，但由于垃圾体气体渗透特性与垃圾压 4 1 概述 实密度、含水率及成分等因素密切相关，若照搬国外经验或利用部分现场测试数 据，将导致设计并不十分科学、合理。所以有必要针对我国垃圾实际情况，对垃 圾体渗透特性及填蠼气迁移过程进行研究，建立填埋场释放气体迁移的数学模型， 对填埋场垃圾中释放气体压力等参数分布进行预测，为填埋场抽气系统设计和管 理提供理论依据。达到防止填埋气危害环境和人体健康、回收资源的目的。 本研究对填埋气污染控制与资源化回收利用工程实践具有重要的理论与实际 价值。其具体意义在于； 为垃圾填埋场的环境影响评价提供理论依据 基于填埋气是温室气体、易燃性及爆炸性气体等特点，处理不当会造成严重 的环境污染，所以填埋气是填埋场环境影响评价的主要项目之一，填埋气在垃圾 体中渗透特性的研究是进行评价的基础之一； 为填埋场抽气系统设计和管理提供理论依据 利用填埋场释放气体运移数学模型，预测垃圾体中填埋气压力等参数分布， 然后合理确定抽气井影响半径、间距、埋深等参数，以优化抽气系统设计。 1 4 国内外研究现状 1 4 。1 国外研究现状 国外于2 0 世纪7 0 年代末期开始对填埋气的迁移进行系统研究，尽管在这之 前，有人对填埋气的迁移过程作过实地调查与现场测试，但较系统的研究是随着 填埋气回收利用工程的实践才逐步开展起来 2 7 。引。 填埋气在土壤中迁移研究 为了避免迁移到填埋场周边土壤中的填埋气损害植被、危害人体健康和发生 爆炸事故等，许多研究者对填埋场释放气体在周边土壤中的迁移进行了研究，取 得了许多具有理论和实用价值的成果。 1 ) d o u g l a se m e t c a l f e 等人研究了填埋场释放气体c h 4 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，根据伽辽金有限元法求出模型的解。 在取沙、沙土、粘土渗透系数k 分别为4 8 1 1 0 - t m 2 ( p a s ) 、9 6 2 1 0 9r n 2 ( p a s 1 、 9 6 2 x1 0 。om 2 ( 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。 2 ) w a r d ( 1 9 9 6 3 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。2 0 0 1 年， t j a l f egp o u l s e n 等对丹麦老填埋场释放气体在农田中的侧向迁移进行了研究 4 5 】， 得出了空气渗透系数与空气饱和度的关系式，建立了一个能预测填埋气迁移的模 s 重庆大学硕士论文 型，并分析了该模型的影响因素( 即影响填埋气迁移的因素) ：其中空气渗透系数 和土壤含水率影响最大，甲烷气体氧化率和大气压力变化有一定影响，气体扩散 影响较小。 3 ) 1 9 7 5 年，h o u s h a n ge s m a i l i 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。据测定，在离l o sa n g e sa r e a 填埋场边界1 8 0 m 的地面下o 6 m 处 填埋气浓度为1 0 2 0 ”1 。填埋气在土壤中还向上扩散，并在一些封闭的建筑 物内积聚，存在火灾与爆炸隐患。许多国家相继发生了这类事故，造成人员伤亡 和财产损失。所以填埋场( 尤其是新建填埋场) 必须采取控制填埋气流动措施， 保护人身和财产安全。进一步研究后得出，填埋气迁移距离是土壤渗透率、气体 压力和浓度的函数，为了有效的控制填埋气的流动，该文推荐了几种用于控制填 埋场释放气体运移的方法： 填埋场底、周边设置粘土膜衬层； 用沥青、混凝土或塑料薄膜作为填埋场衬里或帷幕灌浆： 填埋场周边设置拦截沟渠，沟渠用碎石装填并与大气相通； 强制通风系统( 即抽吸) 。 h o u s h a n g e s m a i l i 等人认为，将填埋气抽出地表进行处理是一种理论和实践均 有效的控制方法，即对填埋气进行抽吸。由此建立了如图1 1 所示的单井抽气条件 下的数学模型： 三旦一型1 + 冀：0 ( 1 1 ) ra rla r a z 2 其边界条件为：；：= c c b o 埘n s 。t ：= 4 。, ；：三? z 6 式中：一势函数，矽= 三p p g z ) ； r 一沿井半径方向离井中心距离； 暑一离井顶部的垂直距离； n 一井半径； 已井影响半径； 6 一井的深度； 卜土壤厚度； 七一土壤渗透系数； 一填埋气粘滞系数； 矗 概述 尸一土壤中填埋气压力 p 一填埋气密度； g 重力加速度。 图1 1 典型抽气井示意图 f i g i 1 d i a g r a m m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f p a r t i a l l yp e n e t r a t i n gv e n t i l a t i o nw e 取壤的渗透系数k 值为1 5 6 x1 0 。m 2 ( p a s ) 时。褥出了一个有效的填埋气 抽气系统参数：气体流量为0 1 5 m 3 s 时，填埋场周边土壤中抽气井间距以6 0 m 为 宜，为抽气系统设计提供了理论依据。但该模型没有把填埋气的产生速率考虑 进去，因而与实际情况有较大误差。 4 ) 根据d u l l i e n ( 1 9 7 9 ) 的研究，气体与水在多孔介质中的流动有差别，气体 流动除了粘性流动外，还包括滑动流动。但j , w m a s s m a n 等人研究认为，气体在 泥土、沙和碎石等介质中流动时，其滑动流动项可忽略，故在这几种介质中气体 流动与地下水迁移有相同形式方程，从而建立了填埋气在这几种介质中的一维流 动模型： q ：一壁v ( 1 2 ) 式中：q 一填埋气流量，m s ； p 一填埋气密度，p = 筹，k g m 3 ； _ i 一多孔介质( 泥土、沙和碎石) 渗透率，m 2 ； 7 重庆大学硕士论文 p 一填埋气粘滞系数，p a s ； 矽一气体势，庐= g z + ：警，删； 广重力加速度，m 2 s ： z _ 一垂直高度，m ； p _ 一填埋气压力，p a 。 模型中介质渗透率可通过三种方法确定。其一是由饱和水力传导系数计算得 出；其二是通过介质孔径估算；最后是利用现场测试的数据，经过曲线拟合或公 式计算而得。作者利用最后一种方法研究得出沙和碎石的典型渗透系数k 值为8 1 9 1 0 。7m 2 ( p a s 1 。作者对地下水运移模型的研究较多，为填埋气迁移模型的研究 起到了积极的推动作用【4 7 4 9 1 。 填埋气在垃圾体中迁移研究 在设有衬里的填埋场或者为了阻止填埋气沿周边迁移的填埋场，将填埋气限 定于填埋场内，以便收集填埋气并进行处理或利用。为此，许多研究者对填埋气 在垃圾体中的迁移进行了研究。 1 ) 一维模型 a a n h u al u 和c h a r l e so k u n z 等人通过对纽约s t a t e ni s l a n d 填埋场研究后得 出，填埋气产生率为5 6 1 0 6 m 3 ( s m 2 ) ，其中各成分的体积比为：c h 4 ：c 0 2 ： n 2 ：0 2 ：5 5 ：4 2 ：2 5 ：o 5 ，填埋气沿填埋场垃圾体水平方向的渗透系数k h 值为1 5 1 0 5 m 2 ( p a s ) ，竖直方向渗透系数k ，值为4 0 x1 0 - 7 m 2 ( p a s ) ，其k h k v 值为 3 7 5 【5 0 】。说明垃圾体水平渗透阻力小于竖直方向，有利于收集填埋气，因为高k h k v 值有利于填埋气向抽气井流动，较大k h 使填埋气只需克服较小阻力而流向抽气井， 较小k v 值阻碍空气沿填埋场表面进入填埋场，可提高填埋气品质，并节省抽气动 力。作者认为，设置竖向抽气井比横向抽气井更有利于填埋气的收集，又因为达 西定律( d a r c y sl a w ) 可应用于气体粘滞流动，据此建立了填埋气一维圆柱流动模 型： 三旱一旦p 1 ：一丛生生型 ( 1 3 ) r 咖ld r k 式中：尸_ 一填埋气压力： 凰一填埋场垃圾横向渗透系数： r 一圆柱体半径； q p 一单位重量垃圾的气体产生率( 常数) ； a ，b ，r 常数。 l 1 概述 该模型利用抽气所产生的填埋场内压力分布情况，来计算填埋气的产生量； 或根据抽气量，计算垃圾体的渗透系数k ，对抽气系统设计有重要的意义。但该 模型仅考虑填埋气沿垃圾体水平方向的流动，忽略填埋气在竖直方向的流动，不 完全符合实际情况。 b 1 9 7 9 年，s t a n d f o r d 大学的a n f i n d i k a k i s 等人认为，填埋气产生和迁移备 受关注的原因在于：填埋气迁移并积聚于建筑物或填埋场附近封闭空间，有爆炸 危险；而且从大型填埋场回收c h 4 气体具有一定的经济效益。作者研究得出，影 响填埋气( 主要是c h 4 和c 0 2 ) 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、填埋场内温度和外界温度等；还 得出c 1 4 与c 0 2 的摩尔比约为4 0 ：6 0 6 0 ：4 0 。并就填埋场释放气体浓度及压力 随时问变化的情况进行分析，建立了三种混合气体c h 4 、c 0 2 及n 2 通过多孔介质 的一维流动模型，其n 2 是考虑大气通过填埋场表面进入填埋场内部的缘故。 鲁= 尝h 鲁 - 警心 。， 式中：c i 一第i 种气体浓度( i = l ，2 ，3 分别代表c h 4 ，c 0 2 ，n 2 ) ，k g r n 3 ： 卜时间，d ： d _ t 扩散系数； 棚合气体速度，“：生笔，m d ； uo 己 2 - i 一气体产生率，口，= a 。五。c n p “ ，( i = l ，2 ) ； z 一垂直坐标( 向下为正) ，m ； 一混合气体粘滞系数，p a s ； | j 一渗透率，m 2 ； p 一压力，p a ； 彳。一废物中第m 种废物所占比例； 。广叫。的固有产生率； c t i 一总( 内部) 的气体产量，k g 气体m 3 垃圾，( i _ 1 ，2 ) 。 采用有限差分法求出了填埋气迁移一维流动模型的解，结合两座大型填埋场， 取垃圾体渗透系数k 为8 1 9 1 0 m 2 ( p a - s ) ，粘土覆盖层渗透系数k 值为8 1 9 1 0 1 8 1 9 1 0 一r r l 2 ( p a - s ) i s l ，利用模型计算出的填埋气压力、浓度与实测值 比较接近，该模型的不足之处是把垃圾体当成各向均质的多孔介质。 2 ) 二维模型 英国牛津大学的a l a ny o u n g 考虑垃圾体渗透系数各向( 主要指横向和竖向) 9 重庆大学硕士论文 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，假设 一纵剖面为长方形的填埋场( 如图1 2 所示) ，底部及侧边均铺设有不透气层，填 埋场内安装有水平抽气井，且填埋气沿抽气井方向压力不变。 ( - 1 , 0 ) ( 0 ，0 ) ( d ，o ) k - i c ( x 1 y 1 ) 。 ( 0 。( 硎 。 。 c ( x 。，y n ) ，j 图1 2 填埋场典型抽气井剖面图 f i g l 2c r o s ss e c t i o nt h r o u g hl a n d f i l lw i t ht y p i c a lw e l l si n d i c a t e d 据此建立了填埋气迁移的二维模型5 2 】： k 窘蝎等锄+ 扣h 胁咄) q 2 署，肾等口= 鲁 娑：o ，y ：o ，w 洲 芸一只，上= 鲁= 。咖 ， _0p=ps(ylox = 丧，刚 p k p = 只一量，多孔管i 的表面 w 1 y w 1 w 1 ( 1 5 ) 式中：凰一填埋场垃圾体竖向渗透系数，m 2 ( p a s ) ，典型值为1 0 x1 0 一m 2 ( p a s ) 凰一填埋场垃圾体横向渗透系数，m 2 ( p a s ) ，典型值为3 o 1 0 _ 5m 2 ( p a s ) 厨一填埋场覆盖层渗透系数，m 2 ( p a s ) ，典型值为1 0 x1 0 m 2 ( p a s ) ： p 一填埋气相对压力，p a ； 只一大气压力，p a ； g 一单位时间内单位质量垃圾体的气体产生率，k g ( s m 3 填埋垃圾体) ； 厂i _ 单位时间内单位长度多孔管气体迁移量，k g ( s r n 管) ： j r 一理想气体常数，j ( 1 ( g k ) ： 1 0 1 概述 卜填埋气绝对温度，k ： 朋一填埋气摩尔质量，k g m o l ； e 一多孔管i 表面点( x i ，y i ) 处压力，p a ； x ，y 一直角坐标。 本模型较之一维模型复杂许多，但由于考虑了填埋场垃圾体各向异性的特点， 更接近填埋场实际情况，因此在实际应用中较前述模型更科学、更可靠。但是， 根据作者研究得出垃圾体横向渗透系数为竖向渗透系数的3 倍，即填埋气沿水平 方向迁移阻力小于竖直方向，因此，设置竖井抽气系统将更有利于填埋气的收集， 该模型仅考虑设置水平抽气井，使用中受到一定限制。 3 ) 三维模型 a a l a ny o u n g 在其二维流动模型的基础上，假定一长、宽、深分别为w 、w 2 、 d 的填埋场，其顶部为厚1 的覆盖层( 渗透系数k 1 ) ，填埋场底部、周边均不透气， 推导出了a l a ny o u n g 三维流动模型： k 。窘城等城窘+ q ( w ，z ) = 善v i ( z 弦b 飞( ) ，叫) s ) 式中：k h 、k r 一填埋场垃圾横向、竖向渗透系数，m 2 ( p a - s ) ； p 一填埕气相对压力，p a i q 一填埋气产生率，m 3 气体( s m 3 垃圾) ； v | - 一单位长度抽气井的气体迁移率，m 3 ( s m ) ， z ，nz 一笛卡儿坐标。 求出了该模型的分析解，可预测填埋场压力分布，据此讨论了填埋场抽气井 间的相互影响，提出了抽气井间相互影响系数( y i e l dr e d u c t i o nc o e f f i c i e n t ) f 5 3 。 b 为克服a l a ny o u n g 模型的不足，s c t a r i g a l a 以实际工程中广泛应用的垂直 抽气系统为建模对象，开发了更为复杂的三维模型： k h0 r ， h0 1 - ? k ，o p ao x z uo y l t a z z 一面r t 口( z ) + 善 ”面r t f ij 伍一x ，够一r 籽( z ) 一日( z - h “) 1 罢= 等= 瓦o p - o ，酆，y z 一。 飘= 惫( p _ p 口) 在填埋场覆盖层 现= 急( 尸- 只) ，在土壤覆盖层 ( 1 7 ) 重庆大学硕士论文 式中：凰、凰一填埋场垃圾竖向、横向渗透率，m 2 ； 哎一覆盖层渗透率，m 2 ； k l 一填埋场顶部土壤覆盖层渗透率，m 2 ； 一填埋气粘滞系数，p a y r ； p 一填埋气压力，p a ； 尺一气体常数，j ( m o l k ) ： 卜填埋气绝对温度，k ； m - _ 填埋气分子重量，k g m o l ： p a 一大气压力，p a ； 口( z j 一填埋气产生率，k g m 3 ； h ( 刃一海维赛德函数： “一抽气井i 的深度，m ； 厂i 一第i 管每米每年气体迁移量，k g ( m y r ) ； 该模型作了如下假定： 填埋气是c h 。与c 0 2 组成的等分子混合气体，模型考虑的是填埋场内部总 的气体压力，非局部压力： 垃圾按其可生化性分为三类：食物、糖类、淀粉及纤维类易降解废物，纸 类、木头及庭院垃圾等可降解废物，以及