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垃圾堆體沉降對填埋氣體收集效能的影響

文檔作者：易搖富1,許搖越1,田搖宇2,姜豐洋3 文檔來源： 1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院 2. 武漢市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究院 3. 中國建筑第八工程局有限公司大連分公司,		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月19日
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水利水電科技進(jìn)展,2014,34(3)搖Tel:025 83786335搖E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn搖http: / / kkb. hhu. edu. cn
第34 卷第3 期
Vol. 34 No. 3
水利水電科技進(jìn)展
Advances in Science and Technology of Water Resources
2014 年5 月
May 2014
基金項目:國家自然科學(xué)基金(51209197,11002153);武漢市青年科技晨光計劃(2013070104010030)
作者簡介:易富(1978—),男,河北張家口人,副教授,博士,主要從事環(huán)境巖土工程等研究。E鄄mail:yifu9716@163. com
DOI:10. 3880/ j. issn. 1006 7647. 2014. 03. 007
垃圾堆體沉降對填埋氣體收集效能的影響
易搖富1,許搖越1,田搖宇2,姜豐洋3
(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院,遼寧阜新?lián)u123000;2. 武漢市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究院,湖北武漢搖430071;
3. 中國建筑第八工程局有限公司大連分公司,遼寧大連搖116400)
摘要:為分析填埋場上覆載荷引起的變形沉降以及垃圾自身降解作用對氣體遷移特性的影響,采用
多孔介質(zhì)氣固耦合和生物降解理論,構(gòu)建了填埋氣體遷移的H鄄M 耦合模型,通過數(shù)值模擬方法分
析有無載荷作用對填埋氣體儲存及遷移規(guī)律的影響。結(jié)果表明:考慮載荷作用時,底部氣體的壓力
值明顯高于頂部,且底部與頂部氣體壓力差值的變化趨勢較無載荷作用時更明顯;隨著填埋年限的
增加,填埋場內(nèi)部氣體壓力逐漸降低;考慮載荷作用時場內(nèi)氣體壓力值高于不考慮載荷作用的情
況,封場1a 后二者氣體壓力差值為0郾045 kPa,但10 a 后壓力差值達(dá)0郾346 kPa;考慮載荷作用時氣
井收集量比不考慮載荷作用時高14郾8%;載荷的作用在一定的程度上增大了抽氣井影響半徑的輻
射范圍。因此,上覆載荷引起的沉降變形對垃圾填埋氣體的收集量影響顯著,在設(shè)計填埋氣體收集
控制系統(tǒng)時應(yīng)考慮該因素。
關(guān)鍵詞:垃圾填埋氣體;抽氣井;氣固耦合模型;氣體收集效能
中圖分類號:X705搖搖搖文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A搖搖搖文章編號:1006 7647(2014)03 0030 04
The influence of landfill settlement on the efficiency of landfill gas collection / / YI Fu1 , XU Yue1 , TIAN Yu咬2 , JIANG
Fengyang3(1. Institute of Civil Engineering and Transportation, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;
2. Institute of Wuhan Environmental Sanitation Science, Wuhan 430071, China; 3. Dalian Branch China Construction
Eighth Engineering Division Co. ,Ltd. , Dalian 116400, China) Abstract: The influence of deformation settlement of landfill resulting from overlying loan and garbage degradation on the
migration characteristics of landfill gas is analyzed in this study. The theories of porous medium gas鄄solid coupling and
biodegradation were applied to construct an H鄄M coupling model of landfill gas migration so as to analyze the influence of
the presence of loading on the storage and migration of landfill gas by the numerical simulation method. The results show
that the pressure value of bottom gas with overlying load is clearly higher than the ones of top gas, and the change of gas
pressure differences between the bottom and the top with overlying load is clearer than that of no load. With increasing
landfill time, the gas pressure of landfill gradually reduces. The gas pressure of landfill with overlying load is higher than
that of landfill with no load, and the difference of gas pressure between them is 0郾045 kPa after the closure of landfill for
one year,and 0郾346 kPa after the closure of landfill for ten years. Collection amount of gas well with overlying load is
higher 14郾8% than that of with no load. The overlying load increases the radiation range of influence radius of the
extraction well at some degree. The deformation settlement of landfill caused by overlying load can significantly influence
the collection amount of landfill gas. This factor should be considered in the design of the control system of landfill gas
collection. Key words: landfill gas; extraction well; gas鄄solid coupling model; efficiency of gas collection
搖搖垃圾填埋氣體收集效能的預(yù)測和評價一直是國
際環(huán)境巖土工程領(lǐng)域研究的熱點和難點[1鄄3] 。由于
生活垃圾自身的生物降解作用和填埋場上覆載荷的
影響,垃圾堆體的滲透特性隨時間和空間發(fā)生改
變[4] ,因此,開展載荷作用對垃圾填埋氣體遷移規(guī)
律的影響研究,對于合理預(yù)測填埋氣體的收集效能
具有重要的現(xiàn)實意義。
國內(nèi)外學(xué)者在填埋氣體的產(chǎn)生及遷移規(guī)律的預(yù)
測方面開展了大量研究。Li 等[5] 建立了二維徑向
流模型,考慮了垃圾的降解、氣體間彌散作用以及填
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埋場的沉降變形,模擬了填埋氣體的產(chǎn)生及運移規(guī)
律,提出了氣井分布的優(yōu)化方法。Chen 等[6] 通過建
立被動式氣井抽氣的二維數(shù)學(xué)模型,模擬了紐約市
的Fresh Kill 填埋場,預(yù)測了抽氣井的有效半徑。
Mehrdad 等[7] 在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上從空間角度出發(fā)
建立了一個模擬填埋場氣體產(chǎn)出和運移的三維模
型,揭示了填埋場內(nèi)部氣體運移和壓力變化的規(guī)律。
Gustavo 等[8] 通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗, 測得了Belo
Horizonte 填埋場6 a 內(nèi)的沉降數(shù)據(jù),并修正了H鄄M
耦合模型。謝焰等[9] 將填埋場簡化為非穩(wěn)定單向
氣體滲流場,建立了考慮氣固耦合的填埋場沉降計
算模型,分析了場內(nèi)孔隙氣壓對沉降的影響。薛強(qiáng)
等[10] 通過建立氣水固三相耦合模型,模擬了垃圾
填埋場變形沉降和氣體產(chǎn)生及遷移演化規(guī)律。Tinet
等[11] 和Raudel 等[12] 也進(jìn)行了類似的模擬研究。這
些研究為本文開展載荷引起的沉降變形對填埋氣體
遷移規(guī)律及收集效能的影響研究提供了借鑒。
在垃圾降解過程中,大顆粒物質(zhì)的分解使得內(nèi)
部孔隙變大,在外載荷的作用下,垃圾土因骨架間的
應(yīng)力平衡被破壞而發(fā)生沉降變形,直接導(dǎo)致底部垃
圾的密度高于頂部。此外,載荷的作用使孔隙中的
氣體承受上方垃圾的壓力,并且這部分壓力會通過
氣體傳遞給下方的垃圾骨架,因此填埋場內(nèi)存在氣
固耦合作用。為此,本文以多孔介質(zhì)氣固耦合和生
物降解理論為基礎(chǔ),構(gòu)建了填埋氣體釋放的H鄄M 耦
合模型,并通過數(shù)值仿真分析預(yù)測了填埋場內(nèi)氣體
壓力的分布情況,分析了有無載荷作用對填埋場氣
井收集效能的影響。
1搖氣固耦合模型的建立
1. 1搖氣相滲流運動方程
填埋場內(nèi)氣體運動連續(xù)性方程[13] 可表示為
鄣(茲g籽g)
鄣t + Ñ(茲g籽gvg) = 琢(1)
式中:籽g 為氣體密度,kg/ m3;茲g 為孔隙度;vg 為氣體
流速,m/ s;琢為產(chǎn)氣速率,m3 / (kg·a)。
垃圾堆體的產(chǎn)氣速率琢采用一級動力學(xué)模型
求解,可表示為
琢= C移3
i = 1
Ai 姿i e-姿it (2)
式中:C 為單位質(zhì)量的垃圾產(chǎn)生的氣體體積,m3 / kg;
Ai 為垃圾組分i 的質(zhì)量分?jǐn)?shù),% ;姿i 為垃圾組分i 生
物分解參數(shù),a-1;i =1,2,3,分別表示易降解、中等降
解和難降解垃圾。
假設(shè)填埋場內(nèi)氣體為CH4,氣體壓力Pg 滿足理
想氣體方程,則
Pg = 籽gRT
M (3)
式中:Pg 為氣體壓力,Pa;R 為比例常數(shù),J/ (mol·
K);T 為溫度,K;M 為氣體摩爾質(zhì)量,g/ mol。1. 2搖固相變形方程
填埋場內(nèi)固體垃圾的質(zhì)量隨著填埋年限的增加
逐漸變化,固相質(zhì)量連續(xù)性方程可寫為
鄣[(1 - n)籽s]
鄣t + Ñ[(1 - n)籽svs] = Ms (4)
式中:n 為不考慮液相存在時的垃圾體孔隙度;籽s 為
垃圾土的密度,kg/ m3;vs 為固體顆粒運動的絕對速
度,m/ s;Ms 為固體垃圾的質(zhì)量變化率,a-1。
結(jié)合方程(2),Ms 可表示為
Ms = 籽sY琢(5)
式中:Y 為常數(shù)。
考慮固相顆粒的壓縮,假設(shè)其為彈性變形,于是
固體密度和氣體壓力之間的關(guān)系可表示為
鄣籽s
籽s鄣t = 鄣Pg
K0鄣t (6)
式中:K0 為彈性模量,Pa。
當(dāng)不考慮水相流動,即飽和度為常量時,考慮垃
圾固體變形及生物降解條件下的氣固耦合方程[5] ,
方程(1)可寫為
鄣(n籽g)
鄣t = 籽g 鄣著
鄣t + Y琢
籽s
+ n
籽g
鄣籽g 鄣
æèç
öø÷
t (7)
搖搖展開式(4)中的固相質(zhì)量連續(xù)性方程有
(1 - n) 鄣籽s 鄣t - 籽s 鄣n
鄣t + (1 - n)籽s 鄣著
鄣t = Ms (8)
搖搖方程(4) ~ (8)的推導(dǎo)均建立在小變形假定的
基礎(chǔ)上,將方程(5)(6)(7)代入方程(8)可得
(1 - n) 鄣Pg
K0鄣t - n 鄣著
鄣t = 1 + 1籽( )
s
Y琢(9)
填埋垃圾應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[10] 可表示為
著·
= [a + b(1 - e濁t(yī) )] 鄣滓憶
鄣t (10)
式中:a、b 為常量,Pa-1,本文取a =3郾8伊10-7Pa-1、b =
5郾8伊10-7kPa-1;濁為垃圾堆體的壓縮速率,a-1;滓憶為
上覆載荷引起的有效應(yīng)力,Pa。
有效應(yīng)力可通過式(11)計算[14] : 滓憶= 滓0 + SgPg (11)
其中滓0 = - 乙z2
z1(茲g籽g + 籽s)gdz
式中:滓0 為垃圾自重引起的總應(yīng)力,Pa;Sg 為氣體飽
和度;z 為填埋場高度,m;z1 為填埋場底部的高度,
m;z2 為填埋場頂部的高度,m。
2搖氣固耦合模型的應(yīng)用
根據(jù)前文所建立的氣固耦合模型,采用Matlab
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語言編制了仿真計算程序,模擬某垃圾填埋場運行
過程中氣體的分布及氣井收集量的變化, 擬建長
80 m 、高16 m 的二維計算模型。以氣井為中心,規(guī)
定在徑向某一圓柱區(qū)域內(nèi)當(dāng)CH4 回收率大于90%
時,該區(qū)域至氣井圓心的距離Rr 即為影響半徑[15鄄16] 。
模型的邊界條件:左右邊界水平位移為零,抽氣井邊
界氣體壓力P1 =P0(P0 為大氣壓),頂部邊界P2 =P0,
底部邊界P3 和右側(cè)邊界P4 均為零。
已知氣井直徑為0郾6 m,高度為11 m,氣井間距
為80 m,垃圾的初始壓實密度為900 kg/ m3,易降解
垃圾的質(zhì)量分?jǐn)?shù)A1 =15% ,中等降解垃圾質(zhì)量分?jǐn)?shù)
A2 =55% ,難降解垃圾質(zhì)量分?jǐn)?shù)A3 =30% ,易降解垃
圾生物分解參數(shù)姿1 =0郾1368a-1,中等降解垃圾生物
分解參數(shù)姿2 =0郾023 a-1,難降解垃圾生物分解參數(shù)
姿3 =0郾017a-1。單位質(zhì)量的垃圾所產(chǎn)生的氣體體積
C = 421郾98 m3 / kg,CH4 氣體的黏滯系數(shù)為1郾54 伊
10-5Pa·s。垃圾堆體的壓縮速率濁=1郾17 a-1。
圖1 給出了不同垃圾填埋封場年限以及有無載
荷作用下氣體壓力Pg 隨填埋場高度H 的變化規(guī)
律。由于填埋氣體的產(chǎn)出速率隨時間的增長逐漸減
小,封場1 a 后氣體的壓力值要高于封場10 a 后的
壓力值;由于垃圾上覆載荷的作用,底部垃圾孔隙內(nèi)
的氣體壓力值較大,越靠近底部,氣體壓力值越大,
且底部與頂部氣體壓力差值的變化趨勢較無載荷作
用時更明顯。
圖1搖垃圾堆體氣體壓力隨高度的變化規(guī)律
圖2 給出了有無載荷作用下填埋場內(nèi)部氣體壓
力隨時間的變化規(guī)律。隨著填埋年限的增長,垃圾
降解逐漸趨于穩(wěn)定,場內(nèi)氣體壓力變小?？紤]載荷
作用下的氣體壓力值高于不考慮載荷作用的情況,
封場1 a 后二者氣體壓力差值較小,僅為0郾045 kPa,
但10 a 后壓力差值達(dá)0郾346 kPa。差值變化的原因
主要是考慮載荷作用時垃圾中大顆粒物質(zhì)的降解破
壞了垃圾骨架間的平衡,且降解時間越長,骨架越松
散,堆體在上覆載荷的作用下發(fā)生沉降變形,使得垃
圾的孔隙度變小,氣流通道變窄,導(dǎo)致壓力較大。而
不考慮載荷作用時,隨時間的增長,垃圾孔隙度變化
不大,氣體流動通暢,故壓力偏小。
圖2搖垃圾堆體氣體壓力隨時間的變化規(guī)律
圖3 給出了有無載荷作用下氣井收集量Q 隨時
間的變化規(guī)律。填埋初期,垃圾降解速率較快,考慮
載荷作用時,填埋1 a 后氣井收集量可達(dá)到90 m3 / h;
隨著時間的延長,氣體有效壓力區(qū)間減小,流速減
緩,直接導(dǎo)致氣井收集量下降。考慮載荷作用時氣
井收集量比不考慮載荷作用時高14郾8%,主要是由
于無載荷作用時,垃圾孔隙度和滲透率均為定值,影
響氣井收集量的僅為產(chǎn)氣速率。
圖3搖氣井收集量隨時間的變化規(guī)律
圖4 給出了有無載荷作用下抽氣井影響半徑
Rr 隨時間的變化規(guī)律。隨著時間的增長,影響半徑
均出現(xiàn)大幅下降;有載荷作用時,場內(nèi)氣壓升高,故
而氣井的影響半徑大于無載荷作用的情況,且后期
逐漸趨于穩(wěn)定。
3搖結(jié)搖論
以多孔介質(zhì)氣固耦合和生物降解理論為基礎(chǔ),
構(gòu)建了填埋場氣體遷移的H鄄M 耦合模型,對比分析
了有無載荷作用下填埋氣體壓力分布和氣井收集量
的變化規(guī)律,結(jié)果表明:考慮載荷作用時,填埋場底
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圖4搖抽氣井影響半徑隨時間的變化規(guī)律
部氣體的壓力值明顯高于頂部,且底部與頂部氣體壓
力差值的變化趨勢較無載荷作用時更明顯;隨著填埋
年限的增加,填埋場內(nèi)部氣體壓力逐漸降低;考慮載
荷作用時場內(nèi)的氣體壓力值高于不考慮載荷作用的
情況,封場1 a 后二者氣體壓力差值為0郾045 kPa,但
10 a 后壓力差值達(dá)到0郾346 kPa;考慮載荷作用時氣
井收集量比不考慮載荷作用時高14郾8%;載荷的作
用在一定的程度上增大了抽氣井影響半徑的輻射
范圍。
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LIANG Bing, XUE Qiang, et al. Estimation of influence
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and Engineering, 2008, 59 ( 3 ): 751鄄755. ( in
Chinese))
(收稿日期:2013 05 29搖編輯:駱超)
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