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城市固废降解—固结—溶质迁移耦合行为及稳定化研究

刘海龙  
【摘要】:随着工业化和城市化的高速发展,城市固废产量大幅提高,我国城市固废处理形势十分严峻。区别于传统工程土,固废组分种类繁多,各组分性质差异显著,在被填埋后会发生复杂的生化降解反应,产生大量渗滤液和填埋气,其工程力学特性发生改变。填埋场中复杂的生化降解、液气渗流、压缩变形以及溶质迁移行为相互耦合相互影响,稳定化时间长达几年至数十年,在服役过程中易发生填埋堆体失稳滑坡、沉降变形、填埋气体无序排放以及渗滤液渗漏污染地下水土四大类环境岩土工程问题。城市固废填埋场不仅是一种大型土工构筑物,还是一个复杂的生物反应器,深入研究填埋场稳定化过程中多场相互作用规律是防控潜在环境灾变、解决填埋场中环境岩土工程问题的关键,对我国填埋场设计、施工以及运营管理均有重要意义。本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究”(2012CB719800)的课题“填埋体多场相互作用及液气调控”(2012CB719802)的资助下,开展了城市固废填埋场稳定化过程中多场相互作用的理论研究,通过数值模拟方法研究城市固废填埋场中降解-固结-溶质迁移耦合行为机理。本文主要研究内容和成果如下:(1)基于城市固废生化降解特性提出了以纤维素为主要可降解底物,考虑含水率、底物含量以及VFA浓度影响的两阶段厌氧降解模型,该模型可用于计算固废生化降解过程中的固相质量损失、胞内水释放、填埋气产生以及渗滤液中化学溶质(VFA和甲烷菌)浓度的变化。(2)总结了城市固废包括压缩特性、液气渗透特性、溶质迁移特性在内的工程力学特性。城市固废的压缩性会随生化降解过程变化,可用应力-降解压缩模型描述固废压缩变形过程中的应力及降解程度与应变的关系。我国新鲜固废相比发达国家固废易压缩,最终沉降量大。城市固废持水特性以及液、气渗流特性受生化降解和压缩共同影响,van-Genutchen模型可用于描述固废的持水曲线及计算固废液、气相对渗透系数。城市固废渗滤液中化学溶质迁移可通过对流、分子扩散、机械弥散以及吸附/解吸附四种方式进行,溶质迁移过程受孔隙水流速、孔隙几何特性以及化学溶质浓度梯度影响。(3)基于城市固废生化降解特性及工程力学特性,以生化降解为核心,建立了反应填埋场中多场相互作用机理的城市固废降解-固结-溶质迁移三维耦合模型,耦合模型主要求解变量包括孔隙水压、孔隙气压、位移以及渗滤液中VFA和甲烷菌浓度。采用有限元法对耦合模型进行了数值求解,并对模型求解结果进行了初步验证。将耦合模型的应用拓展到骨架可降解土类材料,分析了骨架可降解土与传统工程土饱和固结规律的差异,结果表明:对于骨架可降解土,在生化反应或物理力学的作用下会发生固相质量损失,导致骨架强度弱化、工程力学特性改变,在渗透系数不变的情况下孔压消散速率慢,最终沉降量大,且沉降的发展滞后于孔压消散过程。(4)基于城市固废降解-固结-溶质迁移耦合模型,针对填埋场中多场相互作用规律进行研究,结果表明固废在固结过程中发生生化降解反应,产生大量渗滤液和填埋气,改变堆体中应力场分布。压缩会引起体积含水量增加,加速填埋初期的固废水解速率。孔隙水渗流会影响化学溶质浓度场分布,通过主动调控改变化学溶质浓度分布可以显著改变固废生化降解速率从而影响其固结行为。(5)基于城市固废降解-固结-溶质迁移耦合模型,对填埋场中典型工程问题进行分析,指出相比于低厨余固废含量填埋场,以我国为代表的典型高厨余固废含量填埋场在填埋初期会通过降解产生大量渗滤液,可导致堆体水位雍高、液气运移相互阻滞,同时其固废骨架弱化现象明显,降解压缩更大,固废孔隙随着龄期增加变得疏松,可能使堆体在填埋高度增加的过程中出现突然塌陷现象。结合杭州天子岭填埋场示范工程进行渗滤液回灌效果评估,结果表明渗滤液回灌技术通过调节填埋堆体中降解环境可加速我国典型高厨余固废含量填埋场的稳定化进程,有效降低渗滤液VFA浓度减轻污染负荷,解除酸化抑制使堆体进入稳定甲烷化阶段的时间大幅提前,增加填埋初期的降解产气量,加速堆体沉降稳定化。(6)基于填埋场中多场相互作用规律研究,建立了包括生化降解、填埋气产量以及堆体沉降三个方面的填埋场稳定化评价指标体系。提出了现场取样测试与数值模拟相结合的填埋场稳定化评估及预测方法。应用此方法对西安江村沟填埋场稳定化过程进行预测,并与低厨余固废含量填埋场的稳定化规律行比较,结果表明我国高厨余固废含量填埋场稳定化过程呈现明显的分阶段性,在填埋初期的快速降解阶段C/L迅速下降,渗滤液中污染物浓度显著升高,同时产生大量填埋气,堆体沉降显著。为防控的潜在环境灾变以及提高固废资源化利用给出了快速降解阶段的工程建议。(7)提出填埋场沉降与容量简化计算方法,对堆体沉降与固废减量化处理的关系进行研究,结果表明同一个填埋场中固废减量率随填埋场埋深的增加而增加,填埋场高度越高固废减量率越高。发展大型集约化填埋可以显著提高土地利用效率,增强固废减量化处理能力,对已有填埋场采取调控措施加速达到稳定化状态后进行扩建有助于缓解固废产量不断增加所带来的环境压力,是我国未来填埋处理技术的发展方向。针对不同运营措施对填埋场沉降与容量的影响进行参数分析,结果表明:提高初始压实程度可以显著减少填埋过程中的沉降,有效提高库容,填埋高度越低,提高压实程度带来的增容收益越大;调控降解环境对于增加库容的效果有限,但可显著减少工后沉降加速沉降稳定化,有利于填埋场内部设施维护;高渗滤液水位会降低固废受到的上覆应力,大幅降低填埋场库容,渗滤液水位越高,固废处理量越低。(8)将三维降解-固结-溶质迁移耦合模型转化为轴对称形式,结合西安江村沟填埋场现场抽气试验研究了考虑堆体中渗滤液水位的填埋场抽气竖井周围填埋气运移规律,结果表明试验所在区域固废填埋龄期较短处于快速降解阶段,降解产生的渗滤液补给量大、产气速率快,在试验过程中未观测到明显降水漏斗以及气压降压漏斗。渗滤液水位以下填埋气积聚严重,高饱和度区域抽气竖井影响范围很小,在计算抽气井影响半径时必须考虑堆体内渗滤液水位以及降解产生渗滤液的影响。参数敏感性分析结果指出降低堆体水位可以显著降低孔隙气压,提高抽气竖井影响半径,当堆体渗滤液主水位不变时,抽气竖井内水位变化对竖井影响半径的影响不明显。基于上述分析结果给出了相应的工程建议。


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