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垃圾堆体沉降对填埋气体收集效能的影响

文档作者：易摇富1,许摇越1,田摇宇2,姜丰洋3 文档来源： 1. 辽宁工程技术大学土木与交通学院 2. 武汉市环境卫生科学研究院 3. 中国建筑第八工程局有限公司大连分公司,			点击数：
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水利水电科技进展,2014,34(3)摇Tel:025 83786335摇E鄄mail:jz@ hhu. edu. cn摇http: / / kkb. hhu. edu. cn
第34 卷第3 期
Vol. 34 No. 3
水利水电科技进展
Advances in Science and Technology of Water Resources
2014 年5 月
May 2014
基金项目:国家自然科学基金(51209197,11002153);武汉市青年科技晨光计划(2013070104010030)
作者简介:易富(1978—),男,河北张家口人,副教授,博士,主要从事环境岩土工程等研究。E鄄mail:yifu9716@163. com
DOI:10. 3880/ j. issn. 1006 7647. 2014. 03. 007
垃圾堆体沉降对填埋气体收集效能的影响
易摇富1,许摇越1,田摇宇2,姜丰洋3
(1. 辽宁工程技术大学土木与交通学院,辽宁阜新摇123000;2. 武汉市环境卫生科学研究院,湖北武汉摇430071;
3. 中国建筑第八工程局有限公司大连分公司,辽宁大连摇116400)
摘要:为分析填埋场上覆载荷引起的变形沉降以及垃圾自身降解作用对气体迁移特性的影响,采用
多孔介质气固耦合和生物降解理论,构建了填埋气体迁移的H鄄M 耦合模型,通过数值模拟方法分
析有无载荷作用对填埋气体储存及迁移规律的影响。结果表明:考虑载荷作用时,底部气体的压力
值明显高于顶部,且底部与顶部气体压力差值的变化趋势较无载荷作用时更明显;随着填埋年限的
增加,填埋场内部气体压力逐渐降低;考虑载荷作用时场内气体压力值高于不考虑载荷作用的情
况,封场1a 后二者气体压力差值为0郾045 kPa,但10 a 后压力差值达0郾346 kPa;考虑载荷作用时气
井收集量比不考虑载荷作用时高14郾8%;载荷的作用在一定的程度上增大了抽气井影响半径的辐
射范围。因此,上覆载荷引起的沉降变形对垃圾填埋气体的收集量影响显著,在设计填埋气体收集
控制系统时应考虑该因素。
关键词:垃圾填埋气体;抽气井;气固耦合模型;气体收集效能
中图分类号:X705摇摇摇文献标志码:A摇摇摇文章编号: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
摇摇垃圾填埋气体收集效能的预测和评价一直是国
际环境岩土工程领域研究的热点和难点[1鄄3] 。由于
生活垃圾自身的生物降解作用和填埋场上覆载荷的
影响,垃圾堆体的渗透特性随时间和空间发生改
变[4] ,因此,开展载荷作用对垃圾填埋气体迁移规
律的影响研究,对于合理预测填埋气体的收集效能
具有重要的现实意义。
国内外学者在填埋气体的产生及迁移规律的预
测方面开展了大量研究。Li 等[5] 建立了二维径向
流模型,考虑了垃圾的降解、气体间弥散作用以及填
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埋场的沉降变形,模拟了填埋气体的产生及运移规
律,提出了气井分布的优化方法。Chen 等[6] 通过建
立被动式气井抽气的二维数学模型,模拟了纽约市
的Fresh Kill 填埋场,预测了抽气井的有效半径。
Mehrdad 等[7] 在文献[6]的基础上从空间角度出发
建立了一个模拟填埋场气体产出和运移的三维模
型,揭示了填埋场内部气体运移和压力变化的规律。
Gustavo 等[8] 通过现场监测试验, 测得了Belo
Horizonte 填埋场6 a 内的沉降数据,并修正了H鄄M
耦合模型。谢焰等[9] 将填埋场简化为非稳定单向
气体渗流场,建立了考虑气固耦合的填埋场沉降计
算模型,分析了场内孔隙气压对沉降的影响。薛强
等[10] 通过建立气水固三相耦合模型,模拟了垃圾
填埋场变形沉降和气体产生及迁移演化规律。Tinet
等[11] 和Raudel 等[12] 也进行了类似的模拟研究。这
些研究为本文开展载荷引起的沉降变形对填埋气体
迁移规律及收集效能的影响研究提供了借鉴。
在垃圾降解过程中,大颗粒物质的分解使得内
部孔隙变大,在外载荷的作用下,垃圾土因骨架间的
应力平衡被破坏而发生沉降变形,直接导致底部垃
圾的密度高于顶部。此外,载荷的作用使孔隙中的
气体承受上方垃圾的压力,并且这部分压力会通过
气体传递给下方的垃圾骨架,因此填埋场内存在气
固耦合作用。为此,本文以多孔介质气固耦合和生
物降解理论为基础,构建了填埋气体释放的H鄄M 耦
合模型,并通过数值仿真分析预测了填埋场内气体
压力的分布情况,分析了有无载荷作用对填埋场气
井收集效能的影响。
1摇气固耦合模型的建立
1. 1摇气相渗流运动方程
填埋场内气体运动连续性方程[13] 可表示为
鄣(兹g籽g)
鄣t + Ñ(兹g籽gvg) = 琢(1)
式中:籽g 为气体密度,kg/ m3;兹g 为孔隙度;vg 为气体
流速,m/ s;琢为产气速率,m3 / (kg·a)。
垃圾堆体的产气速率琢采用一级动力学模型
求解,可表示为
琢= C移3
i = 1
Ai 姿i e-姿it (2)
式中:C 为单位质量的垃圾产生的气体体积,m3 / kg;
Ai 为垃圾组分i 的质量分数,% ;姿i 为垃圾组分i 生
物分解参数,a-1;i =1,2,3,分别表示易降解、中等降
解和难降解垃圾。
假设填埋场内气体为CH4,气体压力Pg 满足理
想气体方程,则
Pg = 籽gRT
M (3)
式中:Pg 为气体压力,Pa;R 为比例常数,J/ (mol·
K);T 为温度,K;M 为气体摩尔质量,g/ mol。1. 2摇固相变形方程
填埋场内固体垃圾的质量随着填埋年限的增加
逐渐变化,固相质量连续性方程可写为
鄣[(1 - n)籽s]
鄣t + Ñ[(1 - n)籽svs] = Ms (4)
式中:n 为不考虑液相存在时的垃圾体孔隙度;籽s 为
垃圾土的密度,kg/ m3;vs 为固体颗粒运动的绝对速
度,m/ s;Ms 为固体垃圾的质量变化率,a-1。
结合方程(2),Ms 可表示为
Ms = 籽sY琢(5)
式中:Y 为常数。
考虑固相颗粒的压缩,假设其为弹性变形,于是
固体密度和气体压力之间的关系可表示为
鄣籽s
籽s鄣t = 鄣Pg
K0鄣t (6)
式中:K0 为弹性模量,Pa。
当不考虑水相流动,即饱和度为常量时,考虑垃
圾固体变形及生物降解条件下的气固耦合方程[5] ,
方程(1)可写为
鄣(n籽g)
鄣t = 籽g 鄣着
鄣t + Y琢
籽s
+ n
籽g
鄣籽g 鄣
æèç
öø÷
t (7)
摇摇展开式(4)中的固相质量连续性方程有
(1 - n) 鄣籽s 鄣t - 籽s 鄣n
鄣t + (1 - n)籽s 鄣着
鄣t = Ms (8)
摇摇方程(4) ~ (8)的推导均建立在小变形假定的
基础上,将方程(5)(6)(7)代入方程(8)可得
(1 - n) 鄣Pg
K0鄣t - n 鄣着
鄣t = 1 + 1籽( )
s
Y琢(9)
填埋垃圾应力应变关系[10] 可表示为
着·
= [a + b(1 - e浊t )] 鄣滓忆
鄣t (10)
式中:a、b 为常量,Pa-1,本文取a =3郾8伊10-7Pa-1、b =
5郾8伊10-7kPa-1;浊为垃圾堆体的压缩速率,a-1;滓忆为
上覆载荷引起的有效应力,Pa。
有效应力可通过式(11)计算[14] : 滓忆= 滓0 + SgPg (11)
其中滓0 = - 乙z2
z1(兹g籽g + 籽s)gdz
式中:滓0 为垃圾自重引起的总应力,Pa;Sg 为气体饱
和度;z 为填埋场高度,m;z1 为填埋场底部的高度,
m;z2 为填埋场顶部的高度,m。
2摇气固耦合模型的应用
根据前文所建立的气固耦合模型,采用Matlab
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语言编制了仿真计算程序,模拟某垃圾填埋场运行
过程中气体的分布及气井收集量的变化, 拟建长
80 m 、高16 m 的二维计算模型。以气井为中心,规
定在径向某一圆柱区域内当CH4 回收率大于90%
时,该区域至气井圆心的距离Rr 即为影响半径[15鄄16] 。
模型的边界条件:左右边界水平位移为零,抽气井边
界气体压力P1 =P0(P0 为大气压),顶部边界P2 =P0,
底部边界P3 和右侧边界P4 均为零。
已知气井直径为0郾6 m,高度为11 m,气井间距
为80 m,垃圾的初始压实密度为900 kg/ m3,易降解
垃圾的质量分数A1 =15% ,中等降解垃圾质量分数
A2 =55% ,难降解垃圾质量分数A3 =30% ,易降解垃
圾生物分解参数姿1 =0郾1368a-1,中等降解垃圾生物
分解参数姿2 =0郾023 a-1,难降解垃圾生物分解参数
姿3 =0郾017a-1。单位质量的垃圾所产生的气体体积
C = 421郾98 m3 / kg,CH4 气体的黏滞系数为1郾54 伊
10-5Pa·s。垃圾堆体的压缩速率浊=1郾17 a-1。
图1 给出了不同垃圾填埋封场年限以及有无载
荷作用下气体压力Pg 随填埋场高度H 的变化规
律。由于填埋气体的产出速率随时间的增长逐渐减
小,封场1 a 后气体的压力值要高于封场10 a 后的
压力值;由于垃圾上覆载荷的作用,底部垃圾孔隙内
的气体压力值较大,越靠近底部,气体压力值越大,
且底部与顶部气体压力差值的变化趋势较无载荷作
用时更明显。
图1摇垃圾堆体气体压力随高度的变化规律
图2 给出了有无载荷作用下填埋场内部气体压
力随时间的变化规律。随着填埋年限的增长,垃圾
降解逐渐趋于稳定,场内气体压力变小。考虑载荷
作用下的气体压力值高于不考虑载荷作用的情况,
封场1 a 后二者气体压力差值较小,仅为0郾045 kPa,
但10 a 后压力差值达0郾346 kPa。差值变化的原因
主要是考虑载荷作用时垃圾中大颗粒物质的降解破
坏了垃圾骨架间的平衡,且降解时间越长,骨架越松
散,堆体在上覆载荷的作用下发生沉降变形,使得垃
圾的孔隙度变小,气流通道变窄,导致压力较大。而
不考虑载荷作用时,随时间的增长,垃圾孔隙度变化
不大,气体流动通畅,故压力偏小。
图2摇垃圾堆体气体压力随时间的变化规律
图3 给出了有无载荷作用下气井收集量Q 随时
间的变化规律。填埋初期,垃圾降解速率较快,考虑
载荷作用时,填埋1 a 后气井收集量可达到90 m3 / h;
随着时间的延长,气体有效压力区间减小,流速减
缓,直接导致气井收集量下降。考虑载荷作用时气
井收集量比不考虑载荷作用时高14郾8%,主要是由
于无载荷作用时,垃圾孔隙度和渗透率均为定值,影
响气井收集量的仅为产气速率。
图3摇气井收集量随时间的变化规律
图4 给出了有无载荷作用下抽气井影响半径
Rr 随时间的变化规律。随着时间的增长,影响半径
均出现大幅下降;有载荷作用时,场内气压升高,故
而气井的影响半径大于无载荷作用的情况,且后期
逐渐趋于稳定。
3摇结摇论
以多孔介质气固耦合和生物降解理论为基础,
构建了填埋场气体迁移的H鄄M 耦合模型,对比分析
了有无载荷作用下填埋气体压力分布和气井收集量
的变化规律,结果表明:考虑载荷作用时,填埋场底
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图4摇抽气井影响半径随时间的变化规律
部气体的压力值明显高于顶部,且底部与顶部气体压
力差值的变化趋势较无载荷作用时更明显;随着填埋
年限的增加,填埋场内部气体压力逐渐降低;考虑载
荷作用时场内的气体压力值高于不考虑载荷作用的
情况,封场1 a 后二者气体压力差值为0郾045 kPa,但
10 a 后压力差值达到0郾346 kPa;考虑载荷作用时气
井收集量比不考虑载荷作用时高14郾8%;载荷的作
用在一定的程度上增大了抽气井影响半径的辐射
范围。
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and Engineering, 2008, 59 ( 3 ): 751鄄755. ( in
Chinese))
(收稿日期:2013 05 29摇编辑:骆超)
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