垃圾土介質(zhì)中多組分氣體壓力與濃度定量表征關(guān)系初探
——以現(xiàn)場(chǎng)注氣試驗(yàn)為例

樊亞茹， 王海軍， 劉 磊， 姚 遠(yuǎn)

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870； 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071； 3.污染泥土科學(xué)與工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071； 4.武漢環(huán)境投資開發(fā)集團(tuán)有限公司， 武漢 430019)

好氧通風(fēng)處理方式可有效加速垃圾填埋場(chǎng)的降解穩(wěn)定化，并降低滲瀝液和沼氣濃度，其原理是向填埋場(chǎng)內(nèi)部持續(xù)不斷地供給氧氣，促進(jìn)垃圾土中的有機(jī)物在有氧環(huán)境下加速降解[1]。

注氣井的有效作用范圍是設(shè)計(jì)好氧通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵，而明確注氣過(guò)程中垃圾堆體中氣體的分布狀態(tài)是解決這一關(guān)鍵問(wèn)題的前提[2-3]。從20世紀(jì)初開始，部分學(xué)者開始關(guān)注注氣過(guò)程中氣體壓力和濃度分布特征。注氣強(qiáng)度可根據(jù)被修復(fù)庫(kù)區(qū)內(nèi)垃圾中的有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行預(yù)測(cè)，也可基于庫(kù)區(qū)內(nèi)壓力分布對(duì)單個(gè)注氣井的注入量進(jìn)行推算[4]。Hrad等[5]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)定義了單井注氣條件下的影響半徑判定方法，即氧氣濃度為5%。Cossu等[6]首次開展了單井注氣試驗(yàn)，對(duì)注氣井水平方向的氣體濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，為評(píng)估單井有效作用范圍提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。王慧玲等[7]在單井注氣模式下，描述了氣體的變化情況，為現(xiàn)場(chǎng)注氣試驗(yàn)提供了一定的參考。除此之外,有學(xué)者通過(guò)氣體遷移數(shù)學(xué)模型對(duì)注氣過(guò)程中氣體的分布狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。具有代表性的有：Cossu等[8]通過(guò)氣體壓力為變量的連續(xù)性方程解析解，給出了注氣過(guò)程中氣體壓力沿水平方向的分布。Dimitrios等[9]基于流體動(dòng)力學(xué)理論構(gòu)建了考慮甲烷氧化的CFD(computational fluid dynamics)耦合模型，模型考慮了有機(jī)質(zhì)的好氧降解過(guò)程和氣體滲流的耦合。

由于好氧通風(fēng)過(guò)程中是多個(gè)組分氣體的同步遷移和運(yùn)動(dòng)，如何確定多組分氣體的同步變化給預(yù)測(cè)工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。Liu等[10]通過(guò)構(gòu)建考慮優(yōu)勢(shì)流效應(yīng)下的氣體遷移模型，模擬了注氣過(guò)程中氧氣和甲烷的分布情況。以上研究結(jié)果表明，若要實(shí)現(xiàn)氣體壓力和濃度分布的預(yù)測(cè)，必須通過(guò)氣體遷移連續(xù)性方程和濃度遷移對(duì)流擴(kuò)散方程聯(lián)立求解得到。但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，操作難度大。

無(wú)論是出于對(duì)環(huán)境效益還是經(jīng)濟(jì)效益的考慮，在對(duì)垃圾填埋場(chǎng)注氣時(shí)，通過(guò)對(duì)濃度和壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)是很有必要的。兩者之間的協(xié)同變化規(guī)律，無(wú)論對(duì)抽氣還是注氣都有參考意義[11-13]，在注入試驗(yàn)中預(yù)估合理的注氣強(qiáng)度和時(shí)間也有參考價(jià)值。

為了進(jìn)一步確定注氣過(guò)程中氣體壓力和濃度的定量表征關(guān)系，必須在注氣過(guò)程中同時(shí)監(jiān)測(cè)氣體壓力和濃度。而這方面的研究工作還少有文獻(xiàn)報(bào)道。為此，以兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)注氣試驗(yàn)為依托，開展氣體壓力和多組分濃度的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，分析氣體壓力與各組分濃度之間的定量表征關(guān)系特征，為好氧通風(fēng)過(guò)程中多組分氣體分布狀態(tài)的評(píng)估提供關(guān)鍵理論支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)背景條件

選取兩個(gè)典型垃圾填埋場(chǎng)作為試驗(yàn)地點(diǎn)。赤壁北山路填埋場(chǎng)位于赤壁市赤馬港街道新屋村(原油鋪村)，北山大道與外環(huán)路(規(guī)劃)交叉路口處。場(chǎng)地中心地理坐標(biāo)為113°56′49.13″E，29°44′44.87″N，距離市區(qū)中心約5 km。垃圾填埋齡約17年，堆體表面采用30～110 cm黏土進(jìn)行了簡(jiǎn)易覆蓋，覆蓋面積約2.53萬(wàn)m2。試驗(yàn)區(qū)域位于垃圾填埋場(chǎng)西北角，垃圾堆填深度為10～11 m處，如圖1所示。

圖1 赤壁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域Fig.1 Chibi field test area

北洋橋垃圾填埋場(chǎng)位于武漢市洪山區(qū)楊春湖路，垃圾填埋齡約15年，試驗(yàn)地點(diǎn)在I區(qū)東側(cè)，垃圾堆填深度為9～10 m處，覆蓋層自上而下依次為黏土(30～50 cm)和土工膜(1.5 mm)，如圖2所示。

圖2 北洋橋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域Fig.2 Beiyangqiao field test area

如圖3和圖4所示，注氣試驗(yàn)所用氣井包括1眼注氣井和3眼監(jiān)測(cè)井，注氣井和監(jiān)測(cè)井結(jié)構(gòu)相同，井間距為3 m。赤壁北山路(A組)和武漢北洋橋(B組)試驗(yàn)氣井的打孔段長(zhǎng)度h2分別為2～3 m和2.5～3 m。其中H1和H2分別是覆蓋層厚度和垃圾填埋深度。

圖3 氣井布置圖Fig.3 Gas well layout

圖4 氣井詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Detailed structure diagram of gas well

1.2 試驗(yàn)方案

A組和B組試驗(yàn)方案相同。采用注氣風(fēng)機(jī)將壓縮的空氣經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)布置的水平管路和流量計(jì)送入垂直的注氣井中，空氣依次通過(guò)氣井打孔段中的花孔和碎石層流入垃圾堆體中，同時(shí)依靠壓力梯度向注氣井周邊遷移。當(dāng)各處壓力表發(fā)生變化時(shí)，即可記錄觀察每個(gè)監(jiān)測(cè)井的氣體壓力和氣體濃度。

氣體壓力由壓力表直接讀出，檢測(cè)氣體濃度時(shí)需使用氣泵連接監(jiān)測(cè)井的出氣端口，將氣體抽入集氣袋中，之后連接干燥過(guò)濾器，通過(guò)沼氣分析儀的主動(dòng)抽氣，使氣體樣本以1 L/min速率通過(guò)氣體管道進(jìn)入腔體，1.5～2 min便可得到穩(wěn)定的結(jié)果。因此1.5～2 L進(jìn)入傳感器即可得到測(cè)試結(jié)果。沼氣分析儀可檢測(cè)到CH4、CO2和O2三種氣體的體積分?jǐn)?shù)。數(shù)據(jù)誤差CH4約為1.78%，CO2約為1.78%，O2約為1.6%。

此試驗(yàn)所用的沼氣分析儀顯示器數(shù)值表示：氣體體積百分比。

A組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用10 kPa風(fēng)機(jī)向垃圾堆體通入氣體，在濃度變化較明顯的時(shí)候，每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，隨著濃度變化幅度減小,間隔時(shí)間隨之延長(zhǎng)，間隔30 min、間隔1 h，待氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定即實(shí)驗(yàn)結(jié)束，達(dá)穩(wěn)定時(shí)間約為6 h。

B組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)使用5 kPa風(fēng)機(jī)向垃圾堆體通入氣體，間隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，待氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定后停止試驗(yàn)，達(dá)穩(wěn)定時(shí)間約為36 h。

2 氣體壓力和濃度的計(jì)算原理

2.1 多組分氣體濃度計(jì)算表達(dá)式

氣體百分比含量與濃度之間的關(guān)系為

C=MCp/22.4

(1)

式(1)中：C為污染物濃度，以每標(biāo)立方米的毫克數(shù)表示，mg/m3；Cp為污染物的濃度，10-6；M為污染物的摩爾質(zhì)量，g/mol。

2.2 混合氣體分壓計(jì)算原理

在混合氣體分壓計(jì)算前，進(jìn)行如下假設(shè)：①假設(shè)填埋氣體符合理想氣體狀態(tài)方程；②填埋場(chǎng)氣體總體積不變，溫度為常數(shù)；③因填埋場(chǎng)填埋齡較大，揮發(fā)性有機(jī)物占比可直接忽略。只考慮氮?dú)?、二氧化碳、氧氣和甲烷四種主要?dú)怏w，其所占體積分?jǐn)?shù)之和等于1。

(1)理想氣體狀態(tài)方程。

PiV總=niRT

(2)

式(2)中：Pi為i組分氣體分壓力，Pa；V總為氣體總體積，m3；ni為i組分的物質(zhì)的量，mol；R為通用氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)；T為氣體混合物的絕對(duì)溫度，K。

(2)混合氣體分壓定律：某組分氣體分壓的大小和它在氣體混合物中的體積分?jǐn)?shù)成正比，即

Pi=P總Vi/V總

(3)

式(3)中：P總為氣體總壓力，Pa；Vi為i組分氣體分體積，m3。

(3)混合氣體各組分濃度與各分壓之間可通過(guò)理想氣體狀態(tài)方程(equation of state，ES)進(jìn)行預(yù)測(cè),即

Pi=CiRT

(4)

式(4)中：Pi為i組分的氣體分壓力，Pa，Ci為i組分氣體的濃度，mol/m3。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 氣體壓力與濃度監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果分析——A組

3.1.1 氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系

如圖5所示，A組試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到的各組分濃度與各分壓之間的變化規(guī)律。其中分壓由式(3)計(jì)算得到。氣體分壓與濃度之間存在明顯的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度達(dá)99%以上。根據(jù)以上數(shù)據(jù)獲得氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系——修正后的狀態(tài)方程(modified equation of state，MES)，即

圖5 氣體分壓隨濃度變化規(guī)律(A組)Fig.5 Gas partial pressure changes with concentration(Group A)

Pi=P0+KiCi

(5)

式(5)中：P0為擬合直線在P軸上的截距，擬合所得初始?jí)毫χ?Pa；Ki為圖中擬合直線的斜率，Pi/Ci的比值，Pa/(mol·m-3)。

甲烷、二氧化碳、氧氣和氮?dú)獾臄M合結(jié)果分別為

PCH4=(-0.36±0.90)+(2 270.59±0.14)CCH4

(6)

PCO2=(0.87±1.40)+(2 270.52±0.20)CCO2

(7)

PO2=(-2.91±2.47)+ (2 271.23±0.36)CO2

(8)

PN2=(-25.62±15.26)+(2 271.67±0.52)CN2

(9)

3.1.2 氣體分壓監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

如圖6所示，A組ES模型和MES模型預(yù)測(cè)得到的各氣體組分的分壓與濃度之間的變化關(guān)系，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：氣體壓力的監(jiān)測(cè)值(MES模型)均小于計(jì)算值(ES模型)，甲烷、二氧化碳、氧氣和氮?dú)獾谋O(jiān)測(cè)值和計(jì)算值的差值范圍分別為：13.48～1 691.43 Pa、63.77～1 014.05 Pa、50.19～707.98 Pa和907.81～2 752.75 Pa，四者差值都約占ES模型計(jì)算得到壓力的3.48%～3.55%。

圖6 ES模型和MES模型預(yù)測(cè)分壓關(guān)系對(duì)比(A組)Fig.6 Comparison of ES model and MES model predictive partial pressure relationship(Group A)

3.2 氣體壓力與濃度監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果分析——B組

3.2.1 氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系

如圖7所示，通過(guò)MES模型計(jì)算得到各組分氣體壓力與濃度的表征關(guān)系也符合式(5)。其中，甲烷、二氧化碳、氧氣和氮?dú)獾臄M合結(jié)果分別為

PCH4=(1.34±1.64)+(2 270.22±0.48)CCH4

(10)

PCO2=(-12.53±2.91)+(2 276.76±0.72)CCO2

(11)

PO2=(-0.74±0.42)+(2 274.48±0.33)CO2

(12)

PN2=(-728.41±233.52)+(2 292.44±6.17)CN2

(13)

同A組相似，可觀察出B組壓力和濃度之間也存在明顯的線性關(guān)系，各組分氣體的壓力隨著濃度的增加而呈直線增加。

3.2.2 氣體分壓監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

如圖8所示，ES模型和MES模型預(yù)測(cè)得到的B組各氣體組分的分壓與濃度之間的變化關(guān)系圖。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：結(jié)果與A組相同，氣體壓力的監(jiān)測(cè)值(MES模型)均小于計(jì)算值(ES模型)。甲烷、二氧化碳、氧氣和氮?dú)獾谋O(jiān)測(cè)值和計(jì)算值的差值范圍分別為：1.75～665.82、191.70～875.17、51.15～620.27、6 109.07～7 158.53 Pa。甲烷差值占ES模型計(jì)算得到壓力的3.33%～3.56%。后三者差值占7.48%～7.26%。

圖8 ES模型和MES模型預(yù)測(cè)分壓關(guān)系對(duì)比(B組)Fig.8 Comparison of ES model and MES model predictive partial pressure relationship (Group B)

此外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程還發(fā)現(xiàn)：A組試驗(yàn)過(guò)程中，甲烷濃度由初始的濃度22.45%降至0.63%，二氧化碳濃度由11.14%降至4.49%，氧氣濃度由14.61%升至19.41%； B組試驗(yàn)過(guò)程中，甲烷濃度由初始的濃度7.62%降至0.02%，二氧化碳濃度由3.03.%升至3.71%，氧氣濃度由2.99%升至16.24%。各組分氣體濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，氧氣濃度均未達(dá)到21%，意大利學(xué)者Cossu等也發(fā)現(xiàn)了類似的情況[8]。這主要是由于垃圾堆體非均質(zhì)性導(dǎo)致存在非流動(dòng)區(qū)域造成的，Yazdani等[14-15]在美國(guó)Yolo County 填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)示蹤試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非流動(dòng)區(qū)域占總孔隙體積的10%～30%。因此，垃圾堆體的非均質(zhì)性導(dǎo)致注氣過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)孔隙中氧氣濃度達(dá)到理想狀態(tài)。

綜上，通過(guò)A組和B組多組分氣體分壓力和濃度的計(jì)算分析，通過(guò)修正后的MES模型計(jì)算得到的壓力偏低于ES模型計(jì)算得到的壓力，因此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)好氧通風(fēng)試驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行原位氣體補(bǔ)償。

4 結(jié)論

以現(xiàn)場(chǎng)注氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)多組分氣體分壓和濃度進(jìn)行了對(duì)比分析，得到如下結(jié)論。

(1)通過(guò)赤壁北山路(A組)和武漢北洋橋(B組)的數(shù)據(jù)分析，獲得修正后的氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系。

(2)基于兩組現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)ES模型和MES模型進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)前者的壓力值皆大于后者壓力值。偏差范圍：(A組)甲烷、二氧化碳、氧氣和氮?dú)夥謩e是：13.48～1 691.43 Pa、63.77～1 014.05 Pa、50.19～707.98 Pa和907.81～2 752.75 Pa，四者差值都占ES模型計(jì)算得到壓力的3.48%～3.55%。(B組)甲烷、二氧化碳、氧氣和氮?dú)猓?.75～665.82 Pa、191.70～875.17 Pa、51.15～620.27 Pa和6 109.07～7 158.53 Pa。甲烷差值占ES模型計(jì)算得到的壓力的3.33%～3.56%。后三者差值占7.48%～7.26%。因此，注氣過(guò)程中氣體壓力原位監(jiān)測(cè)結(jié)果需要進(jìn)行適當(dāng)氣體補(bǔ)償。

(3)監(jiān)測(cè)的氧氣濃度小于理想氧氣濃度值，可能是由于垃圾堆體存在非流動(dòng)區(qū)域造成的，好氧通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)考慮這一因素對(duì)氣體分布的影響。