城市生活垃圾填埋場(chǎng)氣壓分布一維穩(wěn)態(tài)分析模型

馬小飛等

摘要：

掌握填埋場(chǎng)氣壓分布是填埋氣災(zāi)害控制和資源化利用的基礎(chǔ)。提出了分層垃圾填埋體氣壓分布一維穩(wěn)態(tài)分析模型及求解方法。該模型可分析含有給定抽氣壓力或給定抽氣流量水平導(dǎo)氣層的填埋體氣壓分布。采用該模型探討了垃圾分層特征、封頂覆蓋層下和填埋體內(nèi)的高滲透性水平導(dǎo)氣層、填埋體底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣導(dǎo)排通道對(duì)填埋體氣壓分布的影響規(guī)律。通過(guò)參數(shù)分析得到以下結(jié)論：填埋體垃圾不考慮產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)隨垃圾埋深增加而減?。óa(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)按埋深平均）會(huì)高估填埋體內(nèi)氣壓；封頂覆蓋層下和填埋體內(nèi)設(shè)置水平導(dǎo)氣層可有效降低填埋體內(nèi)氣壓；填埋體底部填埋氣導(dǎo)排通道對(duì)填埋氣氣壓較大的深部垃圾降壓效果較明顯。分析結(jié)果表明，該模型可指導(dǎo)填埋氣收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如水平導(dǎo)氣層位置和間距布置及抽氣功率選擇等。

關(guān)鍵詞：

填埋場(chǎng)；分層垃圾；氣壓；填埋氣收集系統(tǒng)；導(dǎo)氣層

城市生活垃圾中含有大量的有機(jī)質(zhì)，填埋后發(fā)生生化降解，產(chǎn)生大量主要成分為溫室氣體甲烷和二氧化碳的填埋氣（其中甲烷體積約占一半）。填埋氣無(wú)序排放，會(huì)加劇全球氣候變暖，同時(shí)造成巨大的能源浪費(fèi)（甲烷具有資源化利用價(jià)值）。垃圾填埋體中填埋氣導(dǎo)排運(yùn)移受阻造成的氣體累積和氣壓上升，易引發(fā)填埋體失穩(wěn)和物理爆炸；另一方面，填埋氣與空氣混合極易引發(fā)化學(xué)爆炸[13]。現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場(chǎng)應(yīng)當(dāng)科學(xué)設(shè)計(jì)填埋氣導(dǎo)排和收集系統(tǒng)，控制填埋體氣壓，防止填埋氣相關(guān)災(zāi)害，有效收集填埋氣以資源化利用。

馬小飛，等：城市生活垃圾填埋場(chǎng)氣壓分布一維穩(wěn)態(tài)分析模型

掌握填埋場(chǎng)內(nèi)氣壓分布規(guī)律是合理設(shè)計(jì)填埋氣導(dǎo)排和收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Findikakis等[4]和ElFadel等[56]提出了單相一維對(duì)流擴(kuò)散運(yùn)移模型，僅考慮填埋氣從填埋體頂部排出情況，分析了填埋體中氣壓和氣體組分隨時(shí)間的變化規(guī)律。Townsend等[7]建立了均質(zhì)垃圾填埋體氣壓分布模型，分析了垃圾產(chǎn)氣速率、填埋厚度和固有滲透系數(shù)對(duì)氣壓分布的影響，并針對(duì)填埋場(chǎng)頂部導(dǎo)氣層和底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣收集的情況分析了填埋氣收集對(duì)填埋體氣壓分布的影響。上述模型均假設(shè)填埋體為均質(zhì)，然而實(shí)際填埋場(chǎng)垃圾因填埋作業(yè)順序的原因，工程特性在深度方向具有明顯的分層特征。填埋垃圾的產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)隨填埋深度增加而減小[89]，上述已有模型無(wú)法考慮填埋垃圾產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)的分層特征對(duì)氣壓分布的影響。魏海云等[8]提出了分層填埋體氣壓的有限差分分析模型，該模型在填埋體沿深度方向空間離散求解。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于豎井抽氣條件下的填埋場(chǎng)氣壓分布研究較多[1011]，水平導(dǎo)氣層對(duì)氣壓分布的影響規(guī)律研究還較少。

提出可考慮填埋體分層特征和水平導(dǎo)氣層的氣壓一維穩(wěn)態(tài)分析模型，采用線(xiàn)性表達(dá)式描述填埋體邊界條件和層間連續(xù)條件，提出給定氣壓和給定填埋氣流量?jī)煞N分析水平導(dǎo)氣層的方法，并給出了相應(yīng)的求解方法，通過(guò)4個(gè)例子分析了垃圾產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)分層特征、封頂覆蓋層下和填埋體內(nèi)的高滲透性水平導(dǎo)氣層、填埋體底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣導(dǎo)排通道對(duì)填埋體氣壓分布的影響規(guī)律，指導(dǎo)填埋氣收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1分析模型

考慮實(shí)際填埋場(chǎng)垃圾生化降解時(shí)間隨埋深增大的規(guī)律，針對(duì)填埋垃圾的分層特征提出以下氣壓分析模型。將填埋體分為n層，各層厚度為hi，產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)分別為ai和Ki，如圖1所示，填埋體總厚度為H，z為垃圾埋深，第i層和第i+1層層間界面埋深為zi。各層可為具有不同填埋齡期的垃圾層、水平導(dǎo)氣層、封頂覆蓋層或中間覆蓋層。

圖1分層垃圾填埋體模型圖

填埋體中某一層材料（垃圾層、導(dǎo)氣層或覆蓋層）的填埋氣流動(dòng)可根據(jù)多孔介質(zhì)流體力學(xué)理論[12]采用一維氣體流動(dòng)控制方程表示：

式中：Ki為固有滲透系數(shù)，m2；ρi為填埋氣密度，kg/m3；pi為氣體壓力，Pa；μ為填埋氣粘滯系數(shù)，137×10-5 kg/（m·s）；ng為垃圾含氣率，無(wú)量綱；ai為產(chǎn)氣速率，即單位體積垃圾在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)填埋氣質(zhì)量，kg/（m3·s），其中導(dǎo)氣層和覆蓋層ai為零。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，填埋氣密度與氣壓存在如下關(guān)系：

填埋體的頂部邊界條件一般可設(shè)為給定氣壓（即大氣壓）。底部邊界條件通常填埋氣流量為零，即底部無(wú)填埋氣外漏情況，滲瀝液水位雍高的中國(guó)填埋場(chǎng)多可采用該底部邊界條件；另外，根據(jù)Townsend等[7，17]和Fredenslund等[18]，其他國(guó)家低水位填埋場(chǎng)，如滲濾液導(dǎo)排層水頭控制在30 cm以?xún)?nèi)[19]，底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣導(dǎo)排通道，如在導(dǎo)排層上部鋪設(shè)導(dǎo)氣管單獨(dú)導(dǎo)排填埋場(chǎng)深部填埋氣，底部邊界條件可設(shè)為給定氣壓（如直接與大氣相連作為填埋氣導(dǎo)排通道）或給定填埋氣流量（與抽氣措施相連作為填埋氣導(dǎo)排通道）。上述邊界條件可表示為：

2模型運(yùn)用

填埋場(chǎng)氣壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要針對(duì)垃圾表層，鮮有隨深度的分層氣壓監(jiān)測(cè)資料。采用Townsend等[7]的單層均質(zhì)填埋體算例及魏海云等[8]的分層填埋體算例驗(yàn)證了本文提出模型，并分析了垃圾填埋齡期、低滲透性的中間覆蓋層因素對(duì)填埋氣氣壓分布的影響。本文重點(diǎn)分析垃圾分層特征、封頂覆蓋層下和填埋體內(nèi)的高滲透性水平導(dǎo)氣層、填埋體底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣導(dǎo)排通道對(duì)填埋場(chǎng)氣壓分布的影響。填埋場(chǎng)堆體高度為30 m，填埋速率為3 m/a，分析時(shí)將填埋體分5層，每層厚度為6 m，各層垃圾齡期取其平均值。填埋垃圾的產(chǎn)氣速率a隨填埋齡期的變化規(guī)律根據(jù)《生活垃圾填埋場(chǎng)填埋氣體收集處理及利用工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ 133-2009）中的公式確定，即

式中：t為填埋垃圾齡期，a；a（t）為填埋垃圾在填埋齡期t的產(chǎn)氣速率，m3/a；M為填埋垃圾的重量，t；L0為單位重量垃圾的最大產(chǎn)氣量，m3/t；k為填埋垃圾產(chǎn)氣速率常數(shù)，1/a。文中L0取150 m3/t，k取濕潤(rùn)、中等濕潤(rùn)氣候范圍內(nèi)值0.12，填埋垃圾密度取800 kg/m3。

深度小于18 m的填埋垃圾固有滲透系數(shù)根據(jù)Jain等[9]的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值，深度超過(guò)18 m的填埋垃圾固有滲透系數(shù)根據(jù)魏海云[20]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得固有滲透系數(shù)隨深度變小趨勢(shì)變緩的規(guī)律取值。填埋場(chǎng)封場(chǎng)時(shí)各垃圾層產(chǎn)氣速率a和固有滲透系數(shù)K具體取值如表1所示：

模型邊界條件采用頂部邊界條件為給定氣壓（大氣壓），底部邊界條件為給定零流量。下面分析除說(shuō)明外均采用上述封場(chǎng)時(shí)垃圾分層產(chǎn)氣速率、固有滲透系數(shù)取值和邊界條件。

2.1垃圾分層特征對(duì)氣壓分布的影響

首先，采用本文模型分析垃圾分層與否對(duì)封場(chǎng)時(shí)填埋體內(nèi)氣壓計(jì)算結(jié)果的影響（圖2）。若產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)均分層取值，氣壓梯度在層間處具有明顯變化，這是由于層間固有滲透系數(shù)不同產(chǎn)生的。若固有滲透系數(shù)分層取值而產(chǎn)氣速率取各層平均值，氣壓梯度仍在層間處呈現(xiàn)明顯變化，但由于產(chǎn)氣速率取值按埋深平均后，深部垃圾產(chǎn)氣速率高于其實(shí)際值，加上深部垃圾的固有滲透系數(shù)較低，因此填埋體底部氣壓明顯高于產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)均分層取值的分析結(jié)果。若產(chǎn)氣速率分層取值而固有滲透系數(shù)取各層平均值，氣壓梯度無(wú)上述層間突變現(xiàn)象，但由于固有滲透系數(shù)取值按埋深平均后，淺部垃圾固有滲透系數(shù)低于其實(shí)際值，而淺部垃圾因填埋齡期較短而產(chǎn)氣速率較高，因此填埋體淺部氣壓明顯高于產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)均分層取值的分析結(jié)果。若產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)均取各層平均值，填埋體氣壓整體明顯高于產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)均分層取值分析結(jié)果，例如深度12 m處高出88%?？梢?jiàn)，產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)按埋深平均取值計(jì)算會(huì)顯著高估填埋體內(nèi)氣壓。本文得到的無(wú)覆蓋條件下填埋體氣壓值與文獻(xiàn)報(bào)道的無(wú)覆蓋條件下氣壓計(jì)算值相近[78]。

圖2垃圾分層特征對(duì)氣壓分布的影響

2.2土質(zhì)封頂覆蓋層下設(shè)置水平導(dǎo)氣層對(duì)氣壓分布的影響

與垃圾相比，土質(zhì)覆蓋層固有滲透系數(shù)明顯較小，假設(shè)填埋體表面設(shè)有一厚度為1 m[13，2123]、固有滲透系數(shù)為1.0×10-14m2[21]的土質(zhì)封頂覆蓋層。由圖3可見(jiàn)，設(shè)置土質(zhì)封頂覆蓋層后封場(chǎng)填埋體表面氣壓增大為10.7 kPa，該部位氣壓過(guò)大可影響土質(zhì)封頂覆蓋層穩(wěn)定性。如在土質(zhì)封頂覆蓋層設(shè)置一厚度為60 cm、固有滲透系數(shù)為3.0×10-9m2的高滲透性水平導(dǎo)氣層[16]。氣壓的減小值與水平導(dǎo)氣層抽氣速率q基本成正比例關(guān)系。當(dāng)水平導(dǎo)氣層抽氣速率為9.0×10-6 kg/（m2·s）時(shí)，填埋體表面氣壓下降至0.9 kPa?？梢?jiàn)，水平導(dǎo)氣層可有效減小填埋體表面氣壓。填埋場(chǎng)工程設(shè)計(jì)中可根據(jù)土質(zhì)封頂覆蓋層下氣壓控制要求，根據(jù)本文模型分析結(jié)果指導(dǎo)合理選擇抽氣泵。

圖3封頂覆蓋層下設(shè)置水平導(dǎo)氣層對(duì)氣壓分布的影響

2.3填埋體內(nèi)水平導(dǎo)氣層對(duì)氣壓分布的影響

在填埋體內(nèi)設(shè)置水平導(dǎo)氣層是高效收集填埋氣的一種常用手段。假定在填埋體埋深12和24 m處各設(shè)有一厚度為60 cm的水平導(dǎo)氣層（導(dǎo)氣層上下兩層垃圾厚度各減小30 cm），其固有滲透系數(shù)為30×10-9m2，并假設(shè)12和24 m處導(dǎo)氣層抽氣速率分別為q1和q2。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)q2=0 kg/（m2·s）時(shí)，q1從2.0×10-6 kg/（m2·s）增大到4.0×10-6 kg/（m2·s），12 m埋深導(dǎo)氣層以下垃圾的填埋氣氣壓在相同埋深處均降低了0.24 kPa，即導(dǎo)氣層以下氣壓分布曲線(xiàn)形態(tài)不隨導(dǎo)氣層抽氣速率變化而變化。這是由于穩(wěn)態(tài)條件下導(dǎo)氣層下部氣壓分布形狀由該部分的產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)決定。當(dāng)抽氣速率為2.0×10-6 kg/（m2·s）的導(dǎo)氣層從埋深12 m處下降至埋深24 m處時(shí)，底部最大氣壓降低幅度從13%增大到49%，但12 m以上垃圾氣壓分布沒(méi)有變化。這是因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)條件下填埋體底部至12 m處的垃圾產(chǎn)氣速率a不變，且該部分填埋氣出流量恒定，故對(duì)于12 m以上產(chǎn)氣速率a不變的垃圾氣壓分布不變。由上述分析可見(jiàn)，填埋體內(nèi)設(shè)置水平導(dǎo)氣層可有效降低填埋體內(nèi)的氣壓；相同抽氣速率條件下，填埋體內(nèi)水平導(dǎo)氣層埋深越深降壓效果越好；本文模型可指導(dǎo)水平導(dǎo)氣層位置和間距布置及合理選擇抽氣功率。

圖4填埋體內(nèi)設(shè)置水平導(dǎo)氣層對(duì)氣壓分布的影響

2.4填埋體底部填埋氣導(dǎo)排通道對(duì)氣壓分布的影響

國(guó)外低水位填埋場(chǎng)底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣導(dǎo)排通道[7，1718]。下面分析填埋體底部填埋氣導(dǎo)排通道集氣速率q對(duì)氣壓分布的影響。由圖5可見(jiàn)，填埋氣氣壓減小值隨集氣速率q的增大而增大。集氣速率為2.0×10-6kg/（m2·s）時(shí)，底部填埋氣氣壓由無(wú)氣體導(dǎo)排時(shí)的2.05 kPa下降至0.43 kPa，下降幅度為79%；而埋深12 m處填埋氣氣壓下降幅度僅為28%。其最大氣壓則是由無(wú)氣體導(dǎo)排時(shí)的2.05 kPa下降至0.93 kPa，降幅為55%，且其位置由底部上升至埋深21 m處。由上述分析可見(jiàn)，填埋體底部填埋氣導(dǎo)排通道可有效減小填埋體內(nèi)填埋氣氣壓，特別是接近導(dǎo)排通道的深部垃圾填埋氣氣壓。

圖5填埋體底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣

導(dǎo)排通道對(duì)氣壓分布的影響

3結(jié)論

提出了分層垃圾填埋體氣壓分布一維穩(wěn)態(tài)分析模型，并提出頂部邊界為給定氣壓、底部邊界為給定氣壓或流量工況的求解方法，分析了垃圾分層特征、封頂覆蓋層下和填埋體內(nèi)高滲透性的水平導(dǎo)氣層、填埋體底部滲瀝液導(dǎo)排系統(tǒng)兼作填埋氣導(dǎo)排通道對(duì)填埋場(chǎng)氣壓分布的影響，并得到如下結(jié)論：填埋體均質(zhì)化模型（產(chǎn)氣速率和固有滲透系數(shù)按埋深平均）會(huì)顯著高估填埋體內(nèi)氣壓，填埋體氣壓分析宜采用分層模型；封頂覆蓋層下和填埋體內(nèi)設(shè)置水平導(dǎo)氣層可有效減小填埋體氣壓，在相同抽氣速率條件下水平導(dǎo)氣層埋深越深降壓效果越好；填埋體底部填埋氣導(dǎo)排通道對(duì)填埋氣氣壓較大的深部垃圾降壓效果較明顯；本文模型可指導(dǎo)填埋氣導(dǎo)氣系統(tǒng)布置及合理選擇抽氣功率。

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（編輯胡玲）