填埋場滲濾液水位對填埋氣收集的影響研究

劉海龍，何海杰，蘭吉武

(1.大連海事大學 道路與橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116026； 2.浙江大學 巖土工程研究所， 浙江 杭州 310058；3.浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310058)

填埋場滲濾液水位對填埋氣收集的影響研究

劉海龍1，何海杰2,3，蘭吉武2,3

(1.大連海事大學 道路與橋梁工程研究所， 遼寧 大連 116026； 2.浙江大學 巖土工程研究所， 浙江 杭州 310058；3.浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室， 浙江 杭州 310058)

為研究我國填埋場中氣體運移規律建立了考慮我國城市固廢組分特點的填埋場液-氣運移耦合模型，應用此模型對西安江村溝填埋場現場抽氣試驗進行模擬分析。結果表明：抽氣豎井影響半徑隨飽和度升高明顯縮小；抽氣豎井影響范圍隨堆體水位下降而顯著提高，降低堆體水位可顯著提高填埋氣收集效率。根據分析結果建議對于典型高廚余固廢含量填埋場，在設計抽氣豎井間距時應考慮高廚余垃圾組分特點及降解規律，并且采取相應措施對填埋場中滲濾液水位進行控制，以提高填埋氣收集效率。

填埋氣；抽氣豎井；滲濾液水位；影響半徑；數值模擬

城市固廢中含有大量可降解有機質，在填埋后通過生化降解反應可產生大量以甲烷和二氧化碳為主要成分的填埋氣。據報道我國城市固廢每年累計產生填埋氣超過130億m3，但我國目前填埋氣收集率僅為25%～40%，約為發達國家的一半，固廢資源化利用率存在明顯差距[1]，絕大多數填埋氣無序的排放到大氣中，浪費了大量天然氣資源，加劇了溫室效應，造成大氣污染。另一方面，填埋氣中含有大量甲烷及少量有異味的組分(如硫化氫等)，任意排放會影響周邊居住環境，甚至導致火災或爆炸事故的發生。為提高我國填埋氣收集利用水平，必須對填埋場中氣體運移規律進行研究。

國內外學者對填埋場中氣體運移規律進行了很多研究工作，例如： Nastev M等[2]在考慮溫度場的基礎上，模擬了填埋場中液相與多組分氣相的耦合運移規律；Chen Y C等[3]建立模型對抽氣豎井中氣壓分布規律進行求解；陳家軍等[4]在氣體等密度假定下進行了含水率對堆體氣壓分布規律的參數敏感性分析；彭緒亞等[5]基于氣體滲透系數不變以及豎井內各處氣體流量相等的假定，建立了填埋氣軸對稱運移模型；薛強等[6]建立了填埋場氣-固-熱多場耦合模型；魏海云[7]建立了多層填埋場氣體運移模型，研究了垃圾非均質性及中間覆蓋層對填埋氣運移規律的影響。由于填埋場內部嚴重非均質，導致堆體中滲流規律極為復雜，多數已有研究忽略了填埋場中液相分布及滲流對填埋氣運移規律的影響，部分考慮填埋場中液-氣聯合運移的研究[1,8-9]也將堆體中滲濾液水位對氣體運移的影響進行簡化。我國城市固廢具有高廚余含量、高初始含水率的特點，在填埋初期會大量產生滲濾液，因此在我國城市固廢填埋場中普遍存在滲濾液水位雍高的問題[10]，填埋氣運移規律與發達國家“干墳墓”型填埋場存在區別。填埋場中液、氣運移相互阻滯[11]使目前研究成果難以準確描述我國典型組分城市固廢填埋場中填埋氣運移規律。

本文在考慮我國典型高廚余固廢特點的基礎上，針對豎井抽氣問題建立了填埋場液-氣運移耦合模型，應用此模型模擬西安江村溝填埋場現場抽氣試驗過程，分析了滲濾液水位對抽氣豎井影響范圍的影響。

1 填埋場液-氣運移耦合模型

填埋場中豎井抽氣問題是典型的軸對稱問題，根據單元體中質量守恒關系[7]，可分別得到氣相和液相的連續方程如下：

(1)

(2)

式中：n為固廢孔隙率；S為液相飽和度；ρg、ρw分別為孔隙氣和孔隙水密度；Mgr和Mgz分別為r方向和z方向的孔隙氣體通量；vwr和vwz分別為r方向和z方向孔隙水流速；fg、fw分別為單位體積固廢中降解產生填埋氣和滲濾液的源項。

在等溫假定下，根據理想氣體狀態方程有：

(3)

且液相飽和度可以表示為基質吸力s的函數：

(4)

徑向(r)和豎向(z)的孔隙氣體通量及孔隙水流速根據達西定律可以分別表示為：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ksr和ksz分別為固廢r和z方向固有滲透系數；krG和krL分別為固廢液、氣相對滲透系數，可根據Van-Genuchten模型計算[10]。

固廢孔隙體積的變化量由壓縮導致的孔隙壓縮和降解導致的孔隙擴大共同決定。在小變形假定下，固廢孔隙率與豎向壓縮應變 的關系可表示為：

(9)

式中：εz根據Chen Y M等[12]建立的城市固廢應力-降解耦合壓縮模型確定；fv(t)為可降解組分固相體積損失速率。

(10)

(11)

由于控制方程形式較為復雜，為便于閱讀將除求解變量之外的其他部分寫成字母系數的項的形式，控制方程式(10)、式(11)中各系數項具體表達式如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Bwu=ρwS

(18)

Iw=fw-ρwSfv(t)

(19)

2 模型應用

江村溝填埋場是西安市區唯一的生活垃圾處理設施，占地約73.33hm2，總容積超4 900萬m3。為測試填埋場產氣潛力及指導填埋氣高效收集利用進行了現場抽氣試驗。在抽氣豎井周圍四個方向共布置16口氣壓監測井和16口水位監測井，為了保證填埋氣收集效率，在試驗區域25 m范圍內鋪設了土工膜(見圖1)。

圖1江村溝填埋場抽氣試驗

為研究新鮮垃圾降解產生滲濾液對填埋氣運移的影響，筆者采用填埋場液-氣耦合運移模型模擬了距堆體表面10 m范圍內齡期0～1 a的垃圾抽氣試驗過程。根據試驗場地條件設計數學模型如圖2所示，模型豎向尺寸根據垃圾齡期及運營記錄取為10 m，徑向取5倍計算高度(即50 m)以保證模擬精度[7]；抽氣豎井長10 m，頂部3 m范圍無孔，豎井半徑尺寸0.4 m。具體邊界條件及初始值設置如下：

圖2軸對稱計算模型

邊界1、2設置氣相邊界條件為聯通大氣(即孔隙氣壓為0 kPa)。邊界1為試驗鋪設土工膜及黃土覆蓋層區域，厚度30 cm，假定其氣相滲透系數為較低常數(1.5×10-10cm/s)。試驗過程中無降雨入滲，液相邊界無流量。邊界3氣體無徑向流量，總水頭根據試驗前期勘察結果取6.8 m。邊界4為黃土中間覆蓋層頂部，勘察結果表明存在堆體水位，可認為下層垃圾產生的填埋氣無法通過飽和區域向上運移，考慮到黃土覆蓋層滲透性較低，因此假定滲濾液無法穿過覆蓋層向下滲流。邊界5設置為井周等壓邊界，井壁上各處氣壓相等，等于抽氣試驗負壓(-1 kPa、-3 kPa、-5 kPa)，井內水位試驗過程通過水泵抽水保持穩定，控制為距頂部8 m。抽氣井上段(邊界6)無孔，因此設置為無流量邊界。固廢堆體求解域初始條件孔隙氣壓為0 kPa，滲濾液水位6.8 m。

考慮抽氣試驗過程中短時間內垃圾降解產水、產氣速率變化不大，因此在本文的分析中將其簡化為常數。模型使用有限元軟件COMSOL Multiphysics中的PDE基本模塊聯立求解控制方程式(10)、式(11)，計算使用的主要參數如表1所示。

表1 模型計算參數

水位模擬結果與水位監測井實測結果對比如圖3所示，堆體水位模擬結果與試驗過程中實測值對應良好。本文研究的新鮮垃圾填埋齡期不足1年，廚余組分通過填埋初期的水解反應會釋放大量胞內水，形成滲濾液[11]，雖然試驗過程中通過水泵持續抽水的方式進行水位控制，但由于滲濾液產量大，導致試驗過程中無明顯降水漏斗出現。當滲濾液水位較高導致抽氣豎井內形成水封時，工程實踐表明此時抽氣豎井的集氣效率很低。必須采取堆體降水作業，解除水封形成有效導氣通道，才能滿足填埋氣收集要求。

不同抽氣負壓工況下(-1 kPa、-3 kPa以及-5 kPa)孔隙氣壓分布模擬結果與實測值對比如圖4所示。隨著試驗過程中抽氣負壓的提高，填埋氣收集量逐漸增加，但由于固廢堆體內部正處于產氣高峰期，堆體中孔隙氣壓并未形成明顯的氣壓下降漏斗(見圖4)，這與齡期較老的填埋場中抽氣試驗結果[1]存在顯著差異。滲濾液水位的存在會導致填埋氣積聚，滲濾液水位以下存在正氣壓，影響填埋氣有效收集。對比抽氣豎井四個方向的氣壓檢測結果可以看出，除9#—12#監測井一線以外，其他三個方向基本上越靠近抽氣豎井氣壓越低，而9#—12#監測井一線氣壓監測規律則相反，距離抽氣豎井越遠氣壓越低，推測在這一線可能存在黃土覆蓋層施工缺陷，氣體存在其他運移通道。因此填埋場運營過程中應保證施工質量，避免中間覆蓋層破裂而導致的填埋氣無序排放，這樣可以提高填埋氣收集效率。另一方面，本文模擬采用了頂部無液相流量的邊界條件，工程實際中若存在降雨入滲或滲濾液回灌等工況，填埋堆體中液、氣滲透性將不斷變化，更加復雜[13-14]。如頂部存在降雨入滲，填埋氣運移將受到阻礙，導致堆體中氣壓升高[15]，氣體運移的各向異性進一步增強，此時對于抽氣井影響范圍應進一步分析討論。

圖3堆體滲濾液水位模擬結果

3 抽氣井影響范圍

抽氣井影響范圍可以用抽氣前、后氣壓降低的百分比表示，氣壓下降10%的位置可以作為抽氣豎井的影響半徑[12]。當抽氣負壓為-5 kPa，堆體中氣壓穩定時降壓百分比分布如圖5所示，可以看出抽氣井影響半徑為2.1 m～12.3 m，且影響半徑隨堆體飽和度升高而顯著縮小。抽氣豎井內水位以下影響半徑為2.1 m～2.5 m，而頂部低飽和度區域的抽氣井影響半徑則超過12 m，遠大于水位以下影響半徑。由此可見在設計抽氣豎井間距時必須充分考慮填埋堆體內水位分布及滲流的不利影響，并且在填埋過程中控制滲濾液水位，防止出現堆體水位雍高，以保證抽氣豎井實際影響范圍符合設計要求。

圖4 不同抽氣負壓下孔隙氣壓模擬結果

圖5抽氣負壓-5 kPa時抽氣井影響半徑分布

若通過主動降水將堆體內滲濾液水位降低3 m，在相同抽氣負壓(-5 kPa) 下填埋堆體中孔隙氣壓會顯著降低，抽氣豎井影響半徑明顯提高，增加到12.8 m～26.8 m，在距堆體頂部6.1 m以下時影響范圍才開始縮小(見圖6)，可見控制堆體中滲濾液水位可有效提高抽氣豎井影響半徑。

圖6堆體降水后孔隙氣壓和抽氣井影響半徑分布(抽氣負壓-5 kPa)

4 結 論

本文建立了體現我國高廚余含量固廢特點的液-氣耦合運移模型，并結合西安江村溝填埋場現場抽氣試驗模擬了降解產生滲濾液及堆體水位對填埋氣收集的影響，可以得到以下結論：

(1) 抽氣豎井影響半徑隨堆體飽和度升高而顯著降低。設計抽氣豎井間距時應充分考慮堆體水位影響，尤其對于可產生大量滲濾液的新鮮垃圾。不考慮填埋初期降解產生滲濾液將導致抽氣豎井間距設計值偏大，按此布置抽氣豎井會導致垃圾產氣高峰時期填埋氣收集率低于期望水平。

(2) 采取主動調控措施降低堆體滲濾液水位可顯著提高抽氣豎井影響范圍，是提高填埋氣收集效率的有效手段。對于我國典型高廚余固廢含量填埋場，新鮮垃圾填埋初期的滲濾液水位控制是提高填埋氣資源化利用率的關鍵，建議在工程實踐中采用垃圾填埋前預處理脫水或填埋堆體中主動降水的方式來保證產氣高峰階段填埋氣的有效收集利用。

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InfluencesofLeachateLevelonLandfillGasCollection

LIU Hailong1, HE Haijie2,3, LAN Jiwu2,3

(1.InstituteofRoadandBridgeEngineering,DalianMaritimeUniversity,Dalian,Liaoning116026,China; 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310058,China; 3.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310058,China)

In order to study landfill gas migration rule in China, a hydraulic-gas coupled model is developed based on characteristics of MSW in China. The extracting test on Jiangcungou landfill is investigated by using the model proposed in this paper. The results show that the influence radius of extract well decrease due to the increase of saturation significantly, and increase when leachate level in landfill drops. Keeping a low leachate level is an effective way to improve the landfill gas collection efficiency. According to the analysis results, some suggestions are proposed for high kitchen waste content landfill management which are the component characteristics and degradation law of MSW with high kitchen waste content should be considered in design of extraction wells spacing, leachate level in landfill has to be controlled to improve the efficiency of landfill gas collection.

landfillgas;extractionwell;leachatelevel;influenceradius;numericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.022

2017-04-20

2017-05-29

中央高校基本科研業務費專項資金項目(3132017026；3132014326)

劉海龍(1985—)，男，遼寧丹東人，博士，主要從事環境巖土工程的教學和科研工作。E-mail:lhl.zju@live.com

TU43；X705

A

1672—1144(2017)05—0129—05