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垃圾堆体沉降对填埋气体收集效能的影响

2014-03-22姜丰洋

水利水电科技进展 2014年3期
关键词:填埋场气井耦合

易 富,许 越,田 宇,姜丰洋

(1.辽宁工程技术大学土木与交通学院,辽宁 阜新 123000;2.武汉市环境卫生科学研究院,湖北 武汉 430071;3.中国建筑第八工程局有限公司大连分公司,辽宁 大连 116400)

垃圾填埋气体收集效能的预测和评价一直是国际环境岩土工程领域研究的热点和难点[1-3]。由于生活垃圾自身的生物降解作用和填埋场上覆载荷的影响,垃圾堆体的渗透特性随时间和空间发生改变[4],因此,开展载荷作用对垃圾填埋气体迁移规律的影响研究,对于合理预测填埋气体的收集效能具有重要的现实意义。

国内外学者在填埋气体的产生及迁移规律的预测方面开展了大量研究。Li等[5]建立了二维径向流模型,考虑了垃圾的降解、气体间弥散作用以及填埋场的沉降变形,模拟了填埋气体的产生及运移规律,提出了气井分布的优化方法。Chen等[6]通过建立被动式气井抽气的二维数学模型,模拟了纽约市的Fresh Kill填埋场,预测了抽气井的有效半径。Mehrdad等[7]在文献[6]的基础上从空间角度出发建立了一个模拟填埋场气体产出和运移的三维模型,揭示了填埋场内部气体运移和压力变化的规律。Gustavo等[8]通过现场监测试验,测得了Belo Horizonte填埋场6 a内的沉降数据,并修正了H-M耦合模型。谢焰等[9]将填埋场简化为非稳定单向气体渗流场,建立了考虑气-固耦合的填埋场沉降计算模型,分析了场内孔隙气压对沉降的影响。薛强等[10]通过建立气-水-固三相耦合模型,模拟了垃圾填埋场变形沉降和气体产生及迁移演化规律。Tinet等[11]和Raudel等[12]也进行了类似的模拟研究。这些研究为本文开展载荷引起的沉降变形对填埋气体迁移规律及收集效能的影响研究提供了借鉴。

在垃圾降解过程中,大颗粒物质的分解使得内部孔隙变大,在外载荷的作用下,垃圾土因骨架间的应力平衡被破坏而发生沉降变形,直接导致底部垃圾的密度高于顶部。此外,载荷的作用使孔隙中的气体承受上方垃圾的压力,并且这部分压力会通过气体传递给下方的垃圾骨架,因此填埋场内存在气-固耦合作用。为此,本文以多孔介质气-固耦合和生物降解理论为基础,构建了填埋气体释放的H-M耦合模型,并通过数值仿真分析预测了填埋场内气体压力的分布情况,分析了有无载荷作用对填埋场气井收集效能的影响。

1 气-固耦合模型的建立

1.1 气相渗流运动方程

填埋场内气体运动连续性方程[13]可表示为

(1)

式中:ρg为气体密度,kg/m3;θg为孔隙度;vg为气体流速,m/s;α为产气速率,m3/(kg·a)。

垃圾堆体的产气速率α采用一级动力学模型求解,可表示为

(2)

式中:C为单位质量的垃圾产生的气体体积,m3/kg;Ai为垃圾组分i的质量分数,%;λi为垃圾组分i生物分解参数,a-1;i=1,2,3,分别表示易降解、中等降解和难降解垃圾。

假设填埋场内气体为CH4,气体压力Pg满足理想气体方程,则

(3)

式中:Pg为气体压力,Pa;R为比例常数,J/(mol·K);T为温度,K;M为气体摩尔质量,g/mol。

1.2 固相变形方程

填埋场内固体垃圾的质量随着填埋年限的增加逐渐变化,固相质量连续性方程可写为

(4)

式中:n为不考虑液相存在时的垃圾体孔隙度;ρs为垃圾土的密度,kg/m3;vs为固体颗粒运动的绝对速度,m/s;Ms为固体垃圾的质量变化率,a-1。

结合方程(2),Ms可表示为

Ms=ρsYα

(5)

式中:Y为常数。

考虑固相颗粒的压缩,假设其为弹性变形,于是固体密度和气体压力之间的关系可表示为

(6)

式中:K0为弹性模量,Pa。

当不考虑水相流动,即饱和度为常量时,考虑垃圾固体变形及生物降解条件下的气-固耦合方程[5],方程(1)可写为

(7)

展开式(4)中的固相质量连续性方程有

(8)

方程(4)~(8)的推导均建立在小变形假定的基础上,将方程(5)(6)(7)代入方程(8)可得

(9)

填埋垃圾应力-应变关系[10]可表示为

(10)

式中:a、b为常量,Pa-1,本文取a=3.8×10-7Pa-1、b=5.8×10-7kPa-1;η为垃圾堆体的压缩速率,a-1;σ′为上覆载荷引起的有效应力,Pa。

有效应力可通过式(11)计算[14]:

σ′=σ0+SgPg

(11)

式中:σ0为垃圾自重引起的总应力,Pa;Sg为气体饱和度;z为填埋场高度,m;z1为填埋场底部的高度,m;z2为填埋场顶部的高度,m。

2 气-固耦合模型的应用

根据前文所建立的气-固耦合模型,采用Matlab语言编制了仿真计算程序,模拟某垃圾填埋场运行过程中气体的分布及气井收集量的变化, 拟建长80 m 、高16 m 的二维计算模型。以气井为中心,规定在径向某一圆柱区域内当CH4回收率大于90%时,该区域至气井圆心的距离Rr即为影响半径[15-16]。模型的边界条件:左右边界水平位移为零,抽气井边界气体压力P1=P0(P0为大气压),顶部边界P2=P0,底部边界P3和右侧边界P4均为零。

已知气井直径为0.6 m,高度为11 m,气井间距为80 m,垃圾的初始压实密度为900 kg/m3,易降解垃圾的质量分数A1=15%,中等降解垃圾质量分数A2=55%,难降解垃圾质量分数A3=30%,易降解垃圾生物分解参数λ1=0.136 8 a-1,中等降解垃圾生物分解参数λ2=0.023 a-1,难降解垃圾生物分解参数λ3=0.017a-1。单位质量的垃圾所产生的气体体积C=421.98 m3/kg,CH4气体的黏滞系数为1.54×10-5Pa·s。垃圾堆体的压缩速率η=1.17 a-1。

图1给出了不同垃圾填埋封场年限以及有无载荷作用下气体压力Pg随填埋场高度H的变化规律。由于填埋气体的产出速率随时间的增长逐渐减小,封场1 a后气体的压力值要高于封场10 a后的压力值;由于垃圾上覆载荷的作用,底部垃圾孔隙内的气体压力值较大,越靠近底部,气体压力值越大,且底部与顶部气体压力差值的变化趋势较无载荷作用时更明显。

图1 垃圾堆体气体压力随高度的变化规律

图2给出了有无载荷作用下填埋场内部气体压力随时间的变化规律。随着填埋年限的增长,垃圾降解逐渐趋于稳定,场内气体压力变小。考虑载荷作用下的气体压力值高于不考虑载荷作用的情况,封场1 a后二者气体压力差值较小,仅为0.045 kPa,但10 a后压力差值达0.346 kPa。差值变化的原因主要是考虑载荷作用时垃圾中大颗粒物质的降解破坏了垃圾骨架间的平衡,且降解时间越长,骨架越松散,堆体在上覆载荷的作用下发生沉降变形,使得垃圾的孔隙度变小,气流通道变窄,导致压力较大。而不考虑载荷作用时,随时间的增长,垃圾孔隙度变化不大,气体流动通畅,故压力偏小。

图2 垃圾堆体气体压力随时间的变化规律

图3给出了有无载荷作用下气井收集量Q随时间的变化规律。填埋初期,垃圾降解速率较快,考虑载荷作用时,填埋1 a后气井收集量可达到90 m3/h;随着时间的延长,气体有效压力区间减小,流速减缓,直接导致气井收集量下降。考虑载荷作用时气井收集量比不考虑载荷作用时高14.8%,主要是由于无载荷作用时,垃圾孔隙度和渗透率均为定值,影响气井收集量的仅为产气速率。

图3 气井收集量随时间的变化规律

图4给出了有无载荷作用下抽气井影响半径Rr随时间的变化规律。随着时间的增长,影响半径均出现大幅下降;有载荷作用时,场内气压升高,故而气井的影响半径大于无载荷作用的情况,且后期逐渐趋于稳定。

图4 抽气井影响半径随时间的变化规律

3 结 论

以多孔介质气-固耦合和生物降解理论为基础,构建了填埋场气体迁移的H-M耦合模型,对比分析了有无载荷作用下填埋气体压力分布和气井收集量的变化规律,结果表明:考虑载荷作用时,填埋场底部气体的压力值明显高于顶部,且底部与顶部气体压力差值的变化趋势较无载荷作用时更明显;随着填埋年限的增加,填埋场内部气体压力逐渐降低;考虑载荷作用时场内的气体压力值高于不考虑载荷作用的情况,封场1 a后二者气体压力差值为0.045 kPa,但10 a后压力差值达到0.346 kPa;考虑载荷作用时气井收集量比不考虑载荷作用时高14.8%;载荷的作用在一定的程度上增大了抽气井影响半径的辐射范围。

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