液體回灌對生活垃圾好氧反應溫度變化影響的模擬預測

梁仕華， 何 超*， 張 雄， 劉 磊， 張建龍

(1.廣東工業大學土木與交通工程學院， 廣州 510006； 2.武漢環境投資開發集團有限公司， 武漢 430019；3.中國科學院巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室， 武漢 430071；4.中國科學院巖土力學研究所污染泥土科學與工程湖北省重點實驗室， 武漢 430071)

好氧生物反應器技術是目前垃圾填埋場原位修復的主流方式之一[1-2]。填埋場好氧反應過程中垃圾堆體溫度變化幅度遠大于傳統的厭氧型垃圾填埋場。由于垃圾堆體內貯存氧氣和甲烷的混合氣體，溫度的升高會影響通風系統的安全、持續運行，甚至引發火災和爆炸事故[3]。因此，實現對好氧反應過程中垃圾堆體溫度變化的預測對于好氧反應器的運營和管理起到關鍵作用。

溫度是影響好氧生物反應器安全運行的關鍵因素。Read等[4]認為好氧填埋場的最適合溫度為5℃，滲濾液回灌是控制填埋場溫度的優選方法之一；王慧玲等[5]開展輸氧抽氣現場試驗，填埋場氧氣含量上升可加速垃圾中的有機質降解反應，監測發現垃圾體溫度顯著上升，尤其在試驗區非飽和帶的垃圾體中部溫度上升幅度最大，達到42～45 ℃；Jafari等[6]觀測到填埋場抽氣井口處于好氧區域，氧氣濃度接近大氣濃度，相比厭氧區域，抽氣井附近區域溫度上升迅速，熱量向四周擴散，最高可達到90 ℃，影響通風系統的安全運行；?ncü等[7]嘗試高壓、低壓通氣和持續、間斷通氣方案，監測到在填埋場某些區域溫度達到70 ℃，但為避免火災或爆炸風險，不得不臨時停止部分通風方案。部分學者針對有效影響半徑、曝氣模式等影響因素對好氧生物反應器的運行效率進行了深入研究[8]。但針對滲濾液回灌方案對好氧生物反應器的溫度特性影響的試驗研究尚少。

好氧反應過程中垃圾堆體溫度的變化主要通過熱平衡方程進行分析。Yesiller等[9]對美國密歇根州的某垃圾填埋場進行監測，發現溫度保持在 50～65 ℃，使用Heat Content模型分析表明垃圾堆體溫度與廢物深度、降雨量、初始溫度和季節性溫度變化相關；Hanson等[10]以瞬態非線性熱傳導理論為基礎，使用階梯函數分析好氧和厭氧階段熱量關系，使用指數增長-衰減函數模型模擬填埋場不同深度的熱量產生，得出覆蓋層與固廢表面之前的溫度關系，在考慮填埋場所在地的氣候條件下，可確定不同深度的垃圾分解凈產熱量；Emmi等[11]基于指數增長-衰減函數模型，設置環境、空氣與填埋場熱交換等邊界條件，得出熱負荷函數以確定可從填埋場提取的總能量。目前，中外理論模型很少涉及液體回灌對填埋場熱交換的影響，鮮有考慮液體回灌對好氧反應過程中溫度變化的定量預測模型。因此，開展液體回灌對垃圾好氧反應過程中溫度變化的定量模擬研究，對于優化好氧通風運行方案和保障通風運行安全具有普遍的現實意義。

提出修正的兩階段氧氣消耗速率——熱平衡模型，模擬計算了滲濾液回灌、通風速率和垃圾熱傳導性對好氧生物反應器溫度特性的影響，對比分析室內試驗結果，可較為準確地預測垃圾好氧通風過程中的溫度變化，以期為填埋場好氧通風系統的高效、安全、持續運行提供理論指導。

1 熱平衡方程的構建

Lefebvre等[12]針對好氧生物反應器提出熱平衡方程：

(1)

式(1)中：ρs為垃圾密度；ρg為氣體密度；Cg為氣體比熱容；z為垃圾填埋深度，m；T為溫度，錯誤！未找到引用源。；t為時間，d；Cs為垃圾比熱容；λs為垃圾熱傳導系數；U為沼氣過濾率；Q為源匯項，其計算公式為

(2)

式(2)中：A為好氧反應產熱；ε為孔隙比；Vm為氣體摩爾體積；RO2為氧氣消耗速率。

當不考慮氣體對流對熱量交換的影響時，方程(1)可寫為

(3)

Borglin等[13]監測400 d內好氧生物反應器的氧氣消耗速率，對數據進行分析擬合，提出氧氣消耗速率方程為

RO2=-0.5ln(t)+2.9

(4)

方程(4)是在假設好氧生物反應在開始階段即為氧氣消耗速率的峰值的前提下提出的，實際上微生物在進行有機質分解的過程中，氧氣消耗速率是從0逐漸上升到峰值，而非初始即為峰值。提出了兩階段氧氣消耗速率模型，如式(5)所示：

(5)

式(5)中：t為時間，d，若t≤2.2，則t=t1;t≥2.2，則t=t2；β為修正系數，相關性系數r2=0.983。

將修正的氧氣消耗速率式(5)代入熱平衡方程(3)中，得到以修正氧氣消耗速率方程為基礎的熱平衡模型：

(6)

(7)

式(7)中：Qb為源匯項。

當考慮液體回灌對溫度的影響時，得到氧氣消耗速率方程為基礎的熱平衡方程[14]：

(8)

式(8)中：ρw為水的密度；Cw為水的比熱容；Qw為滲濾液回灌速度，m·s-1；T0為垃圾初始溫度；H為垃圾堆體高度，m。

當考慮氣體對流對熱量引起變化時，方程(3)可寫為

(9)

式(9)中：ρg為氣體密度；Cg氣體比熱容；Vg為氣體速度，m·s-1。

垃圾作為一種混合物，綜合考慮垃圾土骨架，水，氣體的熱容參數，得到垃圾的等效熱傳導系數方程[15]：

λeq=nswρwCwαw+nsgρgCgαg+(1-n)ρsCsαs

(10)

式中(10)：λeq為等效熱傳導系數；n為垃圾孔隙度；sw、sg分別為液體、氣體飽和度；αw、αg、αs分別為液體、氣體和垃圾熱擴散系數。

2 模擬方案

為了使模擬結果具備可驗證性，選取Nag等[16]開展的考慮滲濾液回灌、注氣條件下生活垃圾好氧反應試驗為模擬對象，以保證模型參數與實驗條件一致，建模分析反應器的好氧熱平衡。該試驗為一個圓柱形好氧生物反應器(高1 m，直徑0.15 m，垃圾高度0.7 m)，監測了不同滲濾液回灌強度和通氣強度條件下垃圾堆體溫度隨降解反應時間的變化。反應器四壁保持恒溫30 ℃，外界氣壓為一個標準大氣壓，下端注氣，滲濾液從上端回灌，溫度監測點位于堆體中心。具體邊界條件及反應器示意圖如圖1所示，模擬實驗方案如表1所示，模擬參數如表2所示。

仿真計算在COMSOL Multiphysics軟件Heat Transfer Module(傳熱模塊)和Fluid Flow Module(滲流模塊)基礎上二次開發完成。

P為反應器外的氣壓；Patm為標準大氣壓；T為反應器四壁溫度；T0表示恒溫30 ℃；城市生活垃圾(municipal solid waste，MSW)圖1 反應器示意圖Fig.1 Reactor schematic

表1 好氧生物反應器模擬方案Table 1 Aerobic bioreactor simulation program

表2 模擬參數

3 模擬結果

3.1 垃圾好氧反應器溫度隨時間變化特征

通風強度、滲濾液回灌對垃圾的生物降解過程中的溫度變化起到關鍵作用。對比只考慮化學降解、考慮氣體交換和滲濾液回灌三種情況與Nag等[16]的試驗結果，如圖2所示。由圖2可以觀察到：僅考慮微生物降解反應影響的反應器在第30 d左右達到溫度峰值56.42 ℃；考慮氣體交換對好氧反應器的影響，峰值溫度下降3.6%；15 ℃液體回灌對垃圾堆體溫度影響最大，峰值溫度為42.85 ℃，比僅考慮降解反應的反應器降低24.1%，在溫度達到峰值后同一時間下溫度至少降低24.8%。僅考慮液體回灌的條件下，模擬結果較好地擬合室內試驗結果。在溫度達到峰值后，隨著時間增長，溫度逐漸平穩下降。垃圾溫度達到峰值后呈下降趨勢，這與反應器的有機物降解程度有關[17-18]，隨著有機物降解反應的進行，微生物可利用的有機組分含量持續減少，產熱能力下降，并最終逐漸接近環境溫度，同時高蒸發速率可帶走部分熱量[19]。

R1×1、R1×2、R1×3分別對應表1第二行的三種反應器圖2 好氧反應器溫度與時間的關系Fig.2 The relationship between temperature and time of aerobic reactor

3.2 滲濾液回灌強度對好氧反應器溫度特性的影響

液體(水)具備高比熱容的特性，在滲濾液回灌過程中，液體吸熱能力的強弱對垃圾堆體溫度有顯著影響，滲濾液回灌量對溫度的影響如圖3所示。在其他條件相同的情況下，隨著每周滲濾液回灌量增加，平穩后的溫度逐漸下降，峰值溫度可從 51.5 ℃(每周500 mL)下降到36.5 ℃(每周1 500 mL)，下降幅度達到29.1%。由圖4可知，滲濾液初始溫度越高，對垃圾堆體的降溫效果越不明顯。液體溫度每相差10 ℃，對垃圾溫度的影響最多可達4.0 ℃。

圖3 滲濾液回灌量對溫度的影響Fig.3 Effect of leachate recirculation on temperature

圖4 滲濾液溫度對溫度的影響Fig.4 Effect of leachate temperature on temperature

3.3 注氣強度對好氧反應器溫度特性的影響

在不同氣體流動模式下，氣體在反應器中熱交換存在差異，最終反應在垃圾堆體的溫度變化，對通氣強度的影響進行靈敏性分析，如圖5所示。不同通氣強度的垃圾在較為接近的時間達到各自的峰值溫度；隨著通氣強度的提高，垃圾的峰值溫度出現下降，低通風強度下的垃圾峰值溫度為54.13 ℃，比高強度通風下的垃圾降低3.43%。在不考慮氧氣濃度對微生物活性的影響前提下，通風強度對垃圾堆體溫度影響較小。

圖5 注氣強度對溫度的影響Fig.5 Effect of gas injection on temperature

3.4 等效熱傳導系數對好氧反應器溫度特性的影響

圖6為不同等效熱傳導系數對溫度變化的影響。隨著等效熱傳導系數增加，反應器溫度不斷下降，溫度下降幅度逐漸減小，達到峰值溫度所需時間減少。等效熱傳導系數為0.3的反應器在第58 d達到溫度峰值，等效熱傳導系數為1.0的反應器則在第43 d達到溫度峰值，提早25.9%。溫度下降階段，等效傳導系數越大，溫度下降幅度越小，系數為1.0和0.3的下降溫度分別為2.34 ℃和6.73 ℃，分別下降了5.14%和8.06%。

圖6 等效熱傳導系數對溫度的影響Fig.6 Effect of equivalent heat transfer coefficient on temperature

4 討論

對比滲濾液回灌和注氣兩個因素，液體回灌對溫度影響最大，這主要受液體的比熱容影響。液體(水)的比熱容是氣體比熱容的3 256倍，相同體積下，升高相同的溫度，液體需要更多的熱量。隨著每周滲濾液回灌量增加，峰值溫度可從54.99 ℃(每周500 mL)下降到39.1 ℃(每周1 500 mL)，下降幅度達到23.11%。滲濾液的初始溫度與垃圾的溫度變化有密切的關系。液體溫度每相差10 ℃，對垃圾溫度的影響最多可達4.0 ℃。因此，在運用好氧生物反應器技術時，需考慮不同季節的滲濾液溫度和水溫對滲濾液回灌的影響。

在不考慮氧氣濃度對微生物活性的影響前提下，通風強度對垃圾堆體溫度的影響較小；垃圾均在較為接近的時間達到各自的峰值溫度，通氣強度的提高會導致垃圾的峰值溫度下降。等效熱傳導系數靈敏性分析有利于深入了解其對溫度特性的影響。等效熱傳導系數越大，反應器溫度越小，溫度下降幅度逐漸減小，達到峰值溫度所需時間減少，這意味著溫度下降階段持續時間越長，在宏觀角度上表明垃圾填埋場中的垃圾種類和熱力學屬性對溫度特性起到至關重要的影響。

5 結論

好氧生物反應器中微生物的氧氣消耗速率呈現先上升后下降的趨勢，提出兩階段氧氣消耗速率模型來描述好氧反應過程中的熱釋放效應。模擬結果表明，液體回灌可使垃圾峰值溫度至少降低24.1%。模擬結果較好地擬合Mitali室內試驗結果。

滲濾液回灌強度和滲濾液初始溫度對垃圾的溫度有明顯影響。隨著每周滲濾液回灌量增加，峰值溫度可從51.5 ℃(每周500 mL)下降到36.5 ℃(每周1 500 mL)，下降幅度達到29.1%。液體溫度每相差10 ℃，對垃圾溫度的影響最多可達4.0 ℃。在運用好氧生物反應器技術時，需考慮不同季節的滲濾液溫度的影響。

在不考慮氧氣濃度對微生物活性的影響前提下，通風強度對垃圾堆體溫度的影響較小。等效熱傳導系數對好氧反應器溫度特性的影響顯著。