垃圾填埋場封場后氣體產(chǎn)出及釋放規(guī)律研究*

劉 磊，薛 強，梁 冰，趙 穎

（1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系，遼寧 阜新 123000）

垃圾填埋場封場后氣體產(chǎn)出及釋放規(guī)律研究*

劉 磊1，2，薛 強1，梁 冰2，趙 穎1

（1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)系，遼寧 阜新 123000）

以生物降解和多孔介質(zhì)滲流理論為基礎(chǔ)，建立了填埋氣體產(chǎn)出和釋放的耦合動力學(xué)模型。仿真預(yù)測的結(jié)果表明：垃圾降解產(chǎn)氣和氣體遷移釋放2個過程相互聯(lián)系，都不能被忽略；垃圾填埋場上方所設(shè)置的覆蓋層對氣體向外部釋放有良好的抑制作用。

垃圾填埋場;填埋氣體;降解；釋放；耦合模型

城市生活垃圾日益增多，由垃圾填埋氣體（LFG）引發(fā)的安全隱患和環(huán)境問題得到了社會各界的廣泛關(guān)注，因此，LFG的資源化利用已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點。LFG在填埋場內(nèi)的釋放是一個極其復(fù)雜的動力學(xué)過程，不同垃圾組分具有不同的降解能力，產(chǎn)氣速率也存在很大區(qū)別，在模擬LFG抽排過程時，垃圾組分的產(chǎn)氣規(guī)律是不可忽略的重要指標之一。另一方面，填埋場內(nèi)含有相當數(shù)量的儲水，由于垃圾土具有良好的滲透性能，這些儲水含量也在不斷變化，即水分的運動伴隨在LFG產(chǎn)出及演化遷移的整個過程。因此，確定生物反應(yīng)器填埋場內(nèi)LFG的遷移規(guī)律是準確預(yù)測氣井LFG產(chǎn)生量的基礎(chǔ)和前提［1-3］。為此，筆者將垃圾填埋場視為非飽和傳輸介質(zhì)，建立了考慮垃圾有機降解水分作用條件下LFG遷移演化的非線性耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了LFG抽排過程中氣體壓力及抽氣量的動態(tài)變化過程，分析了覆蓋層設(shè)置對控制垃圾填埋場上方LFG無序釋放的可行性，并對填埋氣體抽氣量的計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測值進行了對比分析，驗證了模型的可靠性，對于填埋氣體的污染控制及其資源化利用具有重要的現(xiàn)實意義。

1 氣體產(chǎn)出及釋放耦合模型的建立

垃圾填埋場作為一個巨大的生物反應(yīng)器系統(tǒng)，存在一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)，由于化學(xué)產(chǎn)氣模型比較復(fù)雜，不易應(yīng)用于實際工程，一般使用一級動力學(xué)模型評估有機物降解速率。通常將垃圾的組成物分為3類：第一類為易降解材料，如食物殘余和其它有機廢物等；第二類為中度降解材料，如木材和草木等；第三類為難降解材料。LFG產(chǎn)氣速率模型可寫為［4］：

式中：Fg為生活垃圾中各組分產(chǎn)氣速率之和；i=1，2，3，分別代表難降解、一般降解和易降解垃圾；L為單位體積垃圾體的總產(chǎn)氣量，通常取421.98；Ai為常數(shù)，組分i所占的比例；λi為有機物反應(yīng)速率常數(shù)；T為填埋后的持續(xù)時間（a）：

式中：Y為縱向坐標；D為填埋場深度；T0為封場完成年份；Tf為填埋作業(yè)年份；Ts為當前時刻至計算結(jié)束的時間。

生物反應(yīng)器填埋場中LFG遷移連續(xù)性方程為：

式中：n為孔隙度；ρa為氣體密度（kg/m3）；Sa為氣體飽和度；va為氣體Darcy流速：

式中：Pa為氣體壓力；k為垃圾土固有滲透率（m2）；kra為氣體相對滲透系數(shù)；μa為氣體黏性系數(shù)（Pa·s），可用函數(shù)表示［5］：

式中：ψij為無量綱常數(shù)；xj為氣體組分j所占摩爾比例值。

此外，LFG作為一種混合氣體含有多種組分，這里主要考慮CH4、CO2、N2、O24種氣體。同時引入總壓力P（Pa）：

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

式中：R/M為氣體常數(shù) （J/（kg·K））；T為氣體溫度（K）。

水分運動方程可表示為：

式中：ρw為水分密度；θw為水相體積含水率，θw=nSw；水相的可壓縮性可通過下式表示：

式中：Pw為水壓力；Pw0為參考水壓力；ρw0為參考密度；βw為水相可壓縮系數(shù)；水流速度滿足Darcy定律：

式中：krw為水相相對滲透系數(shù)；μw為水相黏性系數(shù) （kg/（m·s））。

在垃圾土孔隙結(jié)構(gòu)中填埋氣體與水分共存，彼此間存在相互驅(qū)替的特性，這些性質(zhì)不受有機物降解及場內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的控制，即物理關(guān)系——K-S-P模型，有如下定義：

Pc為毛管壓力；Se為有效飽和度，表達式為：

式中：S為實際飽和度；Sr為剩余飽和度；Sm為最大飽和度。

此外，相對滲透系數(shù)與飽和度之間可用如下關(guān)系式表示：

式中：Sew為水相有效飽和度。

2 預(yù)測結(jié)果與分析

為了實現(xiàn)填埋場內(nèi)LFG遷移過程的可視化，模擬了一假設(shè)條件下單井抽氣系統(tǒng)，填埋場深15 m，氣井按場深的70%設(shè)計，底部為不透邊界，計算參數(shù)見表1［6-8］，模擬結(jié)果如圖1～5 。

LFG壓力等值線分布如圖2，越靠近抽氣井位置的壓力等值線分布越密集，且近似垂直，這表明LFG在注井收集的過程中以橫向遷移運動為主。距離抽氣井越遠，等值線間的間隔就越大，等值線的傾斜度越低，且趨向水平，氣體運動方向由水平向垂直方向過渡。

垃圾填埋場封場后的覆蓋層除了防止降水滲入、減少（或消除） 滲瀝液，還可防止LFG無序排放，一般用防滲屏障來描述。通常，設(shè)計厚度為0.5～2.0 m。為了進一步分析抽氣前后LFG的釋放規(guī)律，我們分別模擬了覆蓋層厚度為0 m和1 m的情況。結(jié)果表明：在填埋場上方加蓋覆蓋層后，多余的填埋氣體無法釋放，系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力也隨之增大，如圖3所示，這主要是由于覆蓋層由黏土（弱滲透介質(zhì)）組成，它的固有滲透率（10-13m2）比填埋層的垃圾塊體低1個數(shù)量級，壓力變化曲線趨向平緩，氣體壓力的增量隨深度的增加而變大，這說明覆蓋封閉效果越好越適合填埋場內(nèi)LFG的收集和控制。

圖4給出了LFG抽氣量隨時間的變化規(guī)律。抽氣早期LFG流量呈近似線性下降趨勢，隨著時間的推移，下降幅度逐漸減小，且年份越久抽氣量越小。這一變化過程符合實際填埋場內(nèi)填埋氣體的產(chǎn)氣規(guī)律。

表1 模型計算參數(shù)

為了驗證數(shù)學(xué)模型的可靠性，將模擬結(jié)果與金口垃圾衛(wèi)生填埋場試驗區(qū)（2005年封閉）抽氣2 a內(nèi)的抽氣量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比，如圖5可知：抽氣量的測試結(jié)果為近似線性變化，與計算結(jié)果的變化規(guī)律一致；測試值均比計算值小，這主要是由于模擬結(jié)果前提是甲烷含量無損失，而現(xiàn)場測試無法達到這一條件，如填埋區(qū)域的封閉效果以及有機垃圾的填埋均勻度等。

3 結(jié)論

1）以生物化學(xué)和多孔介質(zhì)滲流理論為基礎(chǔ)，建立了生物降解產(chǎn)氣及遷移釋放耦合動力學(xué)模型，并考慮了水分作用對氣體釋放特性的影響。模擬了封場后填埋場內(nèi)部氣體壓力和流量的變化情況。

2）填埋場內(nèi)LFG在注井收集的過程中以橫向遷移運動為主，抽氣系統(tǒng)的運行釋放了填埋場內(nèi)部氣體壓力；氣體有向大氣釋放的趨勢，在填埋場上方設(shè)置覆蓋層對抑制氣體外泄及增加氣井產(chǎn)量有顯著效果；計算參數(shù)的優(yōu)化選取是合理預(yù)測填埋場抽氣量的關(guān)鍵，通過與現(xiàn)場測試結(jié)果的對比分析驗證了所建立模型的可靠性，為生物反應(yīng)器填埋場中LFG的污染控制和收集利用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

［1］US EPA EIIP.Landfills Volume III：Chapter 15 （Emission Inventory Improvement Program）［R］.USEnvironmental Protection Agency，1997.

［2］ Findikakis A N，Leckie JO.Numerical Simulation of Gas Flow in Sanitary Landfills［J］.JEnviron Eng-ASCE，1979，105 （5）：927-945.

［3］薛強，梁冰，劉曉麗.填埋氣體運移非穩(wěn)定耦合滲流數(shù)學(xué)模型［J］.巖土力學(xué)，2002，23（2）：191-195.

［4］ Arigala SG，Theodre T T，Webster I A.Gas Generation，Transport，and Extraction in Landfill［J］.JEnviron Eng-ASCE，1995，121（1）：33-44.

［5］ Mehrdad H，Halil I K，Theodore T T，et al.Computer Simulation of Gas Generation and Transport in Landfills-I：Quasi-steady-state Condition［J］.Chem Eng Sci，2002，57 （13）：2475-2501.

［6］劉磊.水相作用下垃圾填埋氣體遷移的數(shù)值仿真研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2007.

［7］ Chen Y C，Chen K S，Wu CH.Numerical Simulation of Gas Flow around a Passive Vent in a Sanitary Landfill［J］.JHazard Mater，2003，100：39-52.

［8］ Vigneault H，Lefebvre R，Nastev M.Numerical Simulation of the Radius of Influence for Landfill Gas Wells［J］.Soil Sci Soc Am，2004，3：909-916.

Landfill Gas Generation and Emission in Closed Landfill Sites

Liu Lei1,2,Xue Qiang1,Liang Bing2,Zhao Ying1
（1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan Hubei 430071;2.Department of Mechanics and Engineering Sciences,Liaoning Technical University,Fuxin Liaoning 123000）

Based on the bio-degradation and porous media seepage theory,the coupling dynamic model of gas generation and emission have been developed.The simulation forecasting results showed that interconnection of landfill gas generation and gas flow can not be neglected.The final cover layer of landfill site had well inhibiting effect on gas emission outside.

waste landfill site；landfill gas；degradation；emission；coupling model

X701

A

1005－8206（2010） 01－0019－03

國家自然科學(xué)基金項目 (50874102)；國家“十一五”科技支撐項目子課題（2006bac06b0）；湖北省重大科技開發(fā)項目（2008AC008）；湖北省自然科學(xué)基金計劃青年杰出人才項目（2007ABB039）；遼寧省高校創(chuàng)新團隊項目

2009-11-05

劉磊（1982—），博士，主要從事環(huán)境巖土工程及多場多相流耦合理論研究。共發(fā)表論文21篇，其中，SCI收錄1篇，EI收錄13篇，取得專利10項，參與完成了國家自然科學(xué)基金項目11項，獲湖北省科技進步二等獎1項。

E-mail：lgdliulei@163.com。