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《浙江大学》 2007年
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城市生活垃圾填埋场气体运移规律研究

魏海云  
【摘要】: 随着我国经济高速发展和城市化水平的提高,城市生活垃圾的产量急剧增加。卫生填埋是我国目前处理垃圾的主要手段,随着垃圾填埋场的大规模建设,填埋气体污染控制与资源化问题变得日益突出。城市生活垃圾填埋后,垃圾中的有机质降解产生大量气体,填埋气体的无序排放污染环境,危害周围居民的健康,同时填埋气体中的甲烷易引起爆炸和火灾。填埋气体导排不畅时,填埋场内气压力会累积,过高的气压力将影响垃圾体的沉降和稳定。因此,研究城市生活垃圾填埋场气体运移规律具有重要的现实意义。同时,垃圾填埋场气体运移是有气源的大孔隙介质渗流问题,对此问题的研究也具有重要的理论意义。 垃圾填埋场气体运移问题主要包括:垃圾产气规律(即气源)、垃圾气体渗透性(即运移路径)和填埋场气体运移模型。本文围绕这3个方面,进行了室内试验、现场测试和模拟分析,具体工作和主要结论如下: 1.本文针对国内垃圾的组分与含水量特点,研究了国内垃圾的产气规律。通过国内垃圾产气试验结果分析,选出了适合国内垃圾的Findikakis-Leckie产气模型,确定了国内垃圾的产气模型参数,并提出了多层垃圾产气率计算方法。采用Tempe仪和压力板仪,测试了垃圾的持水曲线。研究结果表明:垃圾产气率为5.8×10~(-7)~4.4×10~(-6)kg m~(-3)s~(-1),高峰产气率为1.9×10~(-6)~8.7×10~(-6)kg m~(-3)s~(-1),考虑到不同龄期的填埋垃圾,建议垃圾产气率范围取:1×10~(-7)~8.7×10~(-6)kg m~(-3)s~(-1)。 2.本文采用自制的导气试验装置,测试了苏州七子山填埋场垃圾的气体渗透系数,研究了垃圾的孔隙比、饱和度和降解程度对气体渗透系数的影响规律。试验结果表明:垃圾气体渗透系数为10~(-13)~10~(-10)m~2。气体渗透系数随垃圾的孔隙比e呈指数规律增加。饱和度S_r对气体渗透系数的影响可分为2个区段,低于分界点的饱和度(50%)时,饱和度对气体渗透系数的影响较小;高于分界点的饱和度时,气体渗透系数随饱和度的增加而呈指数规律递减,特别是完全饱和后,气体渗透系数接近于0;该分界点对应的含水量略低于垃圾田间持水量。针对国内填埋垃圾的特点,提出了由饱和度与孔隙比估算垃圾气体渗透系数的预测公式。 3.本文根据垃圾填埋场工程特点,基于多孔介质流体理论,建立了填埋垃圾气体运移的一维模型,获得了一维稳态和瞬态数值解和无覆盖层垃圾的一维稳态解析解,分析了垃圾的产气率、气体渗透系数、填埋厚度和覆盖层厚度及渗透性能对垃圾体中气压力的影响,获得了各种工况的垃圾体中气压力分布,提出了多层垃圾的气压力分析方法。 4.气体运移的一维模型分析结果表明:垃圾体中最大气压力随填埋厚度增加而增大。无覆盖层时,垃圾的产气率与气体渗透系数的比值越大,则垃圾中气压力越大。有覆盖层时,产气率的影响比垃圾气体渗透系数大,产气率主要控制气压力的大小,垃圾气体渗透系数主要控制气压力沿埋深的分布梯度。覆盖层(中间覆盖层)厚度的增加和气体渗透系数的减小都会使垃圾体中气压力整体增加。在极端情况下,垃圾气体渗透系数很低,产气率达到室内试验产气峰值,垃圾体中的最大气压力可达垃圾自重总应力45%,严重影响垃圾体边坡稳定性。同时覆盖层底面的气压力可达几十kPa量级,高于其上覆自重应力,导致覆盖层发生“管涌”甚至局部物理爆炸。建议采取填埋气体收集井来释放垃圾体中气压力。 5.本文根据垃圾填埋场工程特点,基于多孔介质流体理论,采用抽气井周气压均匀分布边界,建立了填埋垃圾气体运移的二维轴对称模型,获得了二维稳态数值解,分析了抽气井长度和抽气压力对垃圾体中气压场的影响,获得了各种工况的抽气量和气压力分布,提出“降压百分比”的概念用于判定抽气影响范围,并提出了抽气井长度和井间距的确定方法。 6.气体运移的轴对称模型分析结果表明:抽气井的降压作用明显,抽气井长度和抽气负压越大,则抽气影响范围和抽气量越大。覆盖层的厚度越大或气体渗透系数越小,则抽气影响范围和抽气量越大。抽气井长度是控制抽气影响范围的关键参数,当抽气井长度较小时,只增大抽气压力,不能保证整个垃圾体有效抽气。为了保证整个垃圾体有效抽气,建议抽气井长度取65%~75%的垃圾体厚度,抽气井间距取1.5~2.5倍抽气井长度。在此基础上,本文提出了抽气井设计方法。 7.本文对苏州七子山填埋场和上海老港生态填埋示范工程进行了现场测试和模拟分析。模拟分析和现场测试结果表明:苏州七子山填埋场中最大气压力为10~20kPa,当垃圾气体渗透系数比较低时,垃圾体中气压力会迅速增加,最大气压力可达50~60kPa。上海老港生态示范填埋场内最大气压力为10kPa左右,由于填埋垃圾只有8m厚,目前抽气井的40~50m间距明显偏大,建议抽气井间距应该取30m左右。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU993.3

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