填埋場(chǎng)滲濾液水位對(duì)填埋氣收集的影響研究

劉海龍，何海杰，蘭吉武

(1.大連海事大學(xué) 道路與橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116026； 2.浙江大學(xué) 巖土工程研究所， 浙江 杭州 310058；3.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310058)

填埋場(chǎng)滲濾液水位對(duì)填埋氣收集的影響研究

劉海龍1，何海杰2,3，蘭吉武2,3

(1.大連海事大學(xué) 道路與橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116026； 2.浙江大學(xué) 巖土工程研究所， 浙江 杭州 310058；3.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州 310058)

為研究我國(guó)填埋場(chǎng)中氣體運(yùn)移規(guī)律建立了考慮我國(guó)城市固廢組分特點(diǎn)的填埋場(chǎng)液-氣運(yùn)移耦合模型，應(yīng)用此模型對(duì)西安江村溝填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)抽氣試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：抽氣豎井影響半徑隨飽和度升高明顯縮??；抽氣豎井影響范圍隨堆體水位下降而顯著提高，降低堆體水位可顯著提高填埋氣收集效率。根據(jù)分析結(jié)果建議對(duì)于典型高廚余固廢含量填埋場(chǎng)，在設(shè)計(jì)抽氣豎井間距時(shí)應(yīng)考慮高廚余垃圾組分特點(diǎn)及降解規(guī)律，并且采取相應(yīng)措施對(duì)填埋場(chǎng)中滲濾液水位進(jìn)行控制，以提高填埋氣收集效率。

填埋氣；抽氣豎井；滲濾液水位；影響半徑；數(shù)值模擬

城市固廢中含有大量可降解有機(jī)質(zhì)，在填埋后通過(guò)生化降解反應(yīng)可產(chǎn)生大量以甲烷和二氧化碳為主要成分的填埋氣。據(jù)報(bào)道我國(guó)城市固廢每年累計(jì)產(chǎn)生填埋氣超過(guò)130億m3，但我國(guó)目前填埋氣收集率僅為25%～40%，約為發(fā)達(dá)國(guó)家的一半，固廢資源化利用率存在明顯差距[1]，絕大多數(shù)填埋氣無(wú)序的排放到大氣中，浪費(fèi)了大量天然氣資源，加劇了溫室效應(yīng)，造成大氣污染。另一方面，填埋氣中含有大量甲烷及少量有異味的組分(如硫化氫等)，任意排放會(huì)影響周邊居住環(huán)境，甚至導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故的發(fā)生。為提高我國(guó)填埋氣收集利用水平，必須對(duì)填埋場(chǎng)中氣體運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)填埋場(chǎng)中氣體運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了很多研究工作，例如： Nastev M等[2]在考慮溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上，模擬了填埋場(chǎng)中液相與多組分氣相的耦合運(yùn)移規(guī)律；Chen Y C等[3]建立模型對(duì)抽氣豎井中氣壓分布規(guī)律進(jìn)行求解；陳家軍等[4]在氣體等密度假定下進(jìn)行了含水率對(duì)堆體氣壓分布規(guī)律的參數(shù)敏感性分析；彭緒亞等[5]基于氣體滲透系數(shù)不變以及豎井內(nèi)各處氣體流量相等的假定，建立了填埋氣軸對(duì)稱運(yùn)移模型；薛強(qiáng)等[6]建立了填埋場(chǎng)氣-固-熱多場(chǎng)耦合模型；魏海云[7]建立了多層填埋場(chǎng)氣體運(yùn)移模型，研究了垃圾非均質(zhì)性及中間覆蓋層對(duì)填埋氣運(yùn)移規(guī)律的影響。由于填埋場(chǎng)內(nèi)部嚴(yán)重非均質(zhì)，導(dǎo)致堆體中滲流規(guī)律極為復(fù)雜，多數(shù)已有研究忽略了填埋場(chǎng)中液相分布及滲流對(duì)填埋氣運(yùn)移規(guī)律的影響，部分考慮填埋場(chǎng)中液-氣聯(lián)合運(yùn)移的研究[1,8-9]也將堆體中滲濾液水位對(duì)氣體運(yùn)移的影響進(jìn)行簡(jiǎn)化。我國(guó)城市固廢具有高廚余含量、高初始含水率的特點(diǎn)，在填埋初期會(huì)大量產(chǎn)生滲濾液，因此在我國(guó)城市固廢填埋場(chǎng)中普遍存在滲濾液水位雍高的問(wèn)題[10]，填埋氣運(yùn)移規(guī)律與發(fā)達(dá)國(guó)家“干墳?zāi)埂毙吞盥駡?chǎng)存在區(qū)別。填埋場(chǎng)中液、氣運(yùn)移相互阻滯[11]使目前研究成果難以準(zhǔn)確描述我國(guó)典型組分城市固廢填埋場(chǎng)中填埋氣運(yùn)移規(guī)律。

本文在考慮我國(guó)典型高廚余固廢特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)豎井抽氣問(wèn)題建立了填埋場(chǎng)液-氣運(yùn)移耦合模型，應(yīng)用此模型模擬西安江村溝填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)抽氣試驗(yàn)過(guò)程，分析了滲濾液水位對(duì)抽氣豎井影響范圍的影響。

1 填埋場(chǎng)液-氣運(yùn)移耦合模型

填埋場(chǎng)中豎井抽氣問(wèn)題是典型的軸對(duì)稱問(wèn)題，根據(jù)單元體中質(zhì)量守恒關(guān)系[7]，可分別得到氣相和液相的連續(xù)方程如下：

(1)

(2)

式中：n為固廢孔隙率；S為液相飽和度；ρg、ρw分別為孔隙氣和孔隙水密度；Mgr和Mgz分別為r方向和z方向的孔隙氣體通量；vwr和vwz分別為r方向和z方向孔隙水流速；fg、fw分別為單位體積固廢中降解產(chǎn)生填埋氣和滲濾液的源項(xiàng)。

在等溫假定下，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程有：

(3)

且液相飽和度可以表示為基質(zhì)吸力s的函數(shù)：

(4)

徑向(r)和豎向(z)的孔隙氣體通量及孔隙水流速根據(jù)達(dá)西定律可以分別表示為：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ksr和ksz分別為固廢r和z方向固有滲透系數(shù)；krG和krL分別為固廢液、氣相對(duì)滲透系數(shù)，可根據(jù)Van-Genuchten模型計(jì)算[10]。

固廢孔隙體積的變化量由壓縮導(dǎo)致的孔隙壓縮和降解導(dǎo)致的孔隙擴(kuò)大共同決定。在小變形假定下，固廢孔隙率與豎向壓縮應(yīng)變 的關(guān)系可表示為：

(9)

式中：εz根據(jù)Chen Y M等[12]建立的城市固廢應(yīng)力-降解耦合壓縮模型確定；fv(t)為可降解組分固相體積損失速率。

(10)

(11)

由于控制方程形式較為復(fù)雜，為便于閱讀將除求解變量之外的其他部分寫成字母系數(shù)的項(xiàng)的形式，控制方程式(10)、式(11)中各系數(shù)項(xiàng)具體表達(dá)式如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Bwu=ρwS

(18)

Iw=fw-ρwSfv(t)

(19)

2 模型應(yīng)用

江村溝填埋場(chǎng)是西安市區(qū)唯一的生活垃圾處理設(shè)施，占地約73.33hm2，總?cè)莘e超4 900萬(wàn)m3。為測(cè)試填埋場(chǎng)產(chǎn)氣潛力及指導(dǎo)填埋氣高效收集利用進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)抽氣試驗(yàn)。在抽氣豎井周圍四個(gè)方向共布置16口氣壓監(jiān)測(cè)井和16口水位監(jiān)測(cè)井，為了保證填埋氣收集效率，在試驗(yàn)區(qū)域25 m范圍內(nèi)鋪設(shè)了土工膜(見(jiàn)圖1)。

圖1江村溝填埋場(chǎng)抽氣試驗(yàn)

為研究新鮮垃圾降解產(chǎn)生滲濾液對(duì)填埋氣運(yùn)移的影響，筆者采用填埋場(chǎng)液-氣耦合運(yùn)移模型模擬了距堆體表面10 m范圍內(nèi)齡期0～1 a的垃圾抽氣試驗(yàn)過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地條件設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如圖2所示，模型豎向尺寸根據(jù)垃圾齡期及運(yùn)營(yíng)記錄取為10 m，徑向取5倍計(jì)算高度(即50 m)以保證模擬精度[7]；抽氣豎井長(zhǎng)10 m，頂部3 m范圍無(wú)孔，豎井半徑尺寸0.4 m。具體邊界條件及初始值設(shè)置如下：

圖2軸對(duì)稱計(jì)算模型

邊界1、2設(shè)置氣相邊界條件為聯(lián)通大氣(即孔隙氣壓為0 kPa)。邊界1為試驗(yàn)鋪設(shè)土工膜及黃土覆蓋層區(qū)域，厚度30 cm，假定其氣相滲透系數(shù)為較低常數(shù)(1.5×10-10cm/s)。試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)降雨入滲，液相邊界無(wú)流量。邊界3氣體無(wú)徑向流量，總水頭根據(jù)試驗(yàn)前期勘察結(jié)果取6.8 m。邊界4為黃土中間覆蓋層頂部，勘察結(jié)果表明存在堆體水位，可認(rèn)為下層垃圾產(chǎn)生的填埋氣無(wú)法通過(guò)飽和區(qū)域向上運(yùn)移，考慮到黃土覆蓋層滲透性較低，因此假定滲濾液無(wú)法穿過(guò)覆蓋層向下滲流。邊界5設(shè)置為井周等壓邊界，井壁上各處氣壓相等，等于抽氣試驗(yàn)負(fù)壓(-1 kPa、-3 kPa、-5 kPa)，井內(nèi)水位試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)水泵抽水保持穩(wěn)定，控制為距頂部8 m。抽氣井上段(邊界6)無(wú)孔，因此設(shè)置為無(wú)流量邊界。固廢堆體求解域初始條件孔隙氣壓為0 kPa，滲濾液水位6.8 m。

考慮抽氣試驗(yàn)過(guò)程中短時(shí)間內(nèi)垃圾降解產(chǎn)水、產(chǎn)氣速率變化不大，因此在本文的分析中將其簡(jiǎn)化為常數(shù)。模型使用有限元軟件COMSOL Multiphysics中的PDE基本模塊聯(lián)立求解控制方程式(10)、式(11)，計(jì)算使用的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

水位模擬結(jié)果與水位監(jiān)測(cè)井實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3所示，堆體水位模擬結(jié)果與試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)良好。本文研究的新鮮垃圾填埋齡期不足1年，廚余組分通過(guò)填埋初期的水解反應(yīng)會(huì)釋放大量胞內(nèi)水，形成滲濾液[11]，雖然試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)水泵持續(xù)抽水的方式進(jìn)行水位控制，但由于滲濾液產(chǎn)量大，導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)明顯降水漏斗出現(xiàn)。當(dāng)滲濾液水位較高導(dǎo)致抽氣豎井內(nèi)形成水封時(shí)，工程實(shí)踐表明此時(shí)抽氣豎井的集氣效率很低。必須采取堆體降水作業(yè)，解除水封形成有效導(dǎo)氣通道，才能滿足填埋氣收集要求。

不同抽氣負(fù)壓工況下(-1 kPa、-3 kPa以及-5 kPa)孔隙氣壓分布模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖4所示。隨著試驗(yàn)過(guò)程中抽氣負(fù)壓的提高，填埋氣收集量逐漸增加，但由于固廢堆體內(nèi)部正處于產(chǎn)氣高峰期，堆體中孔隙氣壓并未形成明顯的氣壓下降漏斗(見(jiàn)圖4)，這與齡期較老的填埋場(chǎng)中抽氣試驗(yàn)結(jié)果[1]存在顯著差異。滲濾液水位的存在會(huì)導(dǎo)致填埋氣積聚，滲濾液水位以下存在正氣壓，影響填埋氣有效收集。對(duì)比抽氣豎井四個(gè)方向的氣壓檢測(cè)結(jié)果可以看出，除9#—12#監(jiān)測(cè)井一線以外，其他三個(gè)方向基本上越靠近抽氣豎井氣壓越低，而9#—12#監(jiān)測(cè)井一線氣壓監(jiān)測(cè)規(guī)律則相反，距離抽氣豎井越遠(yuǎn)氣壓越低，推測(cè)在這一線可能存在黃土覆蓋層施工缺陷，氣體存在其他運(yùn)移通道。因此填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)保證施工質(zhì)量，避免中間覆蓋層破裂而導(dǎo)致的填埋氣無(wú)序排放，這樣可以提高填埋氣收集效率。另一方面，本文模擬采用了頂部無(wú)液相流量的邊界條件，工程實(shí)際中若存在降雨入滲或滲濾液回灌等工況，填埋堆體中液、氣滲透性將不斷變化，更加復(fù)雜[13-14]。如頂部存在降雨入滲，填埋氣運(yùn)移將受到阻礙，導(dǎo)致堆體中氣壓升高[15]，氣體運(yùn)移的各向異性進(jìn)一步增強(qiáng)，此時(shí)對(duì)于抽氣井影響范圍應(yīng)進(jìn)一步分析討論。

圖3堆體滲濾液水位模擬結(jié)果

3 抽氣井影響范圍

抽氣井影響范圍可以用抽氣前、后氣壓降低的百分比表示，氣壓下降10%的位置可以作為抽氣豎井的影響半徑[12]。當(dāng)抽氣負(fù)壓為-5 kPa，堆體中氣壓穩(wěn)定時(shí)降壓百分比分布如圖5所示，可以看出抽氣井影響半徑為2.1 m～12.3 m，且影響半徑隨堆體飽和度升高而顯著縮小。抽氣豎井內(nèi)水位以下影響半徑為2.1 m～2.5 m，而頂部低飽和度區(qū)域的抽氣井影響半徑則超過(guò)12 m，遠(yuǎn)大于水位以下影響半徑。由此可見(jiàn)在設(shè)計(jì)抽氣豎井間距時(shí)必須充分考慮填埋堆體內(nèi)水位分布及滲流的不利影響，并且在填埋過(guò)程中控制滲濾液水位，防止出現(xiàn)堆體水位雍高，以保證抽氣豎井實(shí)際影響范圍符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 不同抽氣負(fù)壓下孔隙氣壓模擬結(jié)果

圖5抽氣負(fù)壓-5 kPa時(shí)抽氣井影響半徑分布

若通過(guò)主動(dòng)降水將堆體內(nèi)滲濾液水位降低3 m，在相同抽氣負(fù)壓(-5 kPa) 下填埋堆體中孔隙氣壓會(huì)顯著降低，抽氣豎井影響半徑明顯提高，增加到12.8 m～26.8 m，在距堆體頂部6.1 m以下時(shí)影響范圍才開(kāi)始縮小(見(jiàn)圖6)，可見(jiàn)控制堆體中滲濾液水位可有效提高抽氣豎井影響半徑。

圖6堆體降水后孔隙氣壓和抽氣井影響半徑分布(抽氣負(fù)壓-5 kPa)

4 結(jié) 論

本文建立了體現(xiàn)我國(guó)高廚余含量固廢特點(diǎn)的液-氣耦合運(yùn)移模型，并結(jié)合西安江村溝填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)抽氣試驗(yàn)?zāi)M了降解產(chǎn)生滲濾液及堆體水位對(duì)填埋氣收集的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1) 抽氣豎井影響半徑隨堆體飽和度升高而顯著降低。設(shè)計(jì)抽氣豎井間距時(shí)應(yīng)充分考慮堆體水位影響，尤其對(duì)于可產(chǎn)生大量滲濾液的新鮮垃圾。不考慮填埋初期降解產(chǎn)生滲濾液將導(dǎo)致抽氣豎井間距設(shè)計(jì)值偏大，按此布置抽氣豎井會(huì)導(dǎo)致垃圾產(chǎn)氣高峰時(shí)期填埋氣收集率低于期望水平。

(2) 采取主動(dòng)調(diào)控措施降低堆體滲濾液水位可顯著提高抽氣豎井影響范圍，是提高填埋氣收集效率的有效手段。對(duì)于我國(guó)典型高廚余固廢含量填埋場(chǎng)，新鮮垃圾填埋初期的滲濾液水位控制是提高填埋氣資源化利用率的關(guān)鍵，建議在工程實(shí)踐中采用垃圾填埋前預(yù)處理脫水或填埋堆體中主動(dòng)降水的方式來(lái)保證產(chǎn)氣高峰階段填埋氣的有效收集利用。

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InfluencesofLeachateLevelonLandfillGasCollection

LIU Hailong1, HE Haijie2,3, LAN Jiwu2,3

(1.InstituteofRoadandBridgeEngineering,DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China; 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310058,China; 3.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310058,China)

In order to study landfill gas migration rule in China, a hydraulic-gas coupled model is developed based on characteristics of MSW in China. The extracting test on Jiangcungou landfill is investigated by using the model proposed in this paper. The results show that the influence radius of extract well decrease due to the increase of saturation significantly, and increase when leachate level in landfill drops. Keeping a low leachate level is an effective way to improve the landfill gas collection efficiency. According to the analysis results, some suggestions are proposed for high kitchen waste content landfill management which are the component characteristics and degradation law of MSW with high kitchen waste content should be considered in design of extraction wells spacing, leachate level in landfill has to be controlled to improve the efficiency of landfill gas collection.

landfillgas;extractionwell;leachatelevel;influenceradius;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.022

2017-04-20

2017-05-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(3132017026；3132014326)

劉海龍(1985—)，男，遼寧丹東人，博士，主要從事環(huán)境巖土工程的教學(xué)和科研工作。E-mail:lhl.zju@live.com

TU43；X705

A

1672—1144(2017)05—0129—05