填埋场渗滤液水位对填埋气收集的影响研究

刘海龙，何海杰，兰吉武

(1.大连海事大学 道路与桥梁工程研究所， 辽宁 大连 116026； 2.浙江大学 岩土工程研究所， 浙江 杭州 310058；3.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室， 浙江 杭州 310058)

填埋场渗滤液水位对填埋气收集的影响研究

刘海龙1，何海杰2,3，兰吉武2,3

(1.大连海事大学 道路与桥梁工程研究所， 辽宁 大连 116026； 2.浙江大学 岩土工程研究所， 浙江 杭州 310058；3.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室， 浙江 杭州 310058)

为研究我国填埋场中气体运移规律建立了考虑我国城市固废组分特点的填埋场液-气运移耦合模型，应用此模型对西安江村沟填埋场现场抽气试验进行模拟分析。结果表明：抽气竖井影响半径随饱和度升高明显缩小；抽气竖井影响范围随堆体水位下降而显著提高，降低堆体水位可显著提高填埋气收集效率。根据分析结果建议对于典型高厨余固废含量填埋场，在设计抽气竖井间距时应考虑高厨余垃圾组分特点及降解规律，并且采取相应措施对填埋场中渗滤液水位进行控制，以提高填埋气收集效率。

填埋气；抽气竖井；渗滤液水位；影响半径；数值模拟

城市固废中含有大量可降解有机质，在填埋后通过生化降解反应可产生大量以甲烷和二氧化碳为主要成分的填埋气。据报道我国城市固废每年累计产生填埋气超过130亿m3，但我国目前填埋气收集率仅为25%～40%，约为发达国家的一半，固废资源化利用率存在明显差距[1]，绝大多数填埋气无序的排放到大气中，浪费了大量天然气资源，加剧了温室效应，造成大气污染。另一方面，填埋气中含有大量甲烷及少量有异味的组分(如硫化氢等)，任意排放会影响周边居住环境，甚至导致火灾或爆炸事故的发生。为提高我国填埋气收集利用水平，必须对填埋场中气体运移规律进行研究。

国内外学者对填埋场中气体运移规律进行了很多研究工作，例如： Nastev M等[2]在考虑温度场的基础上，模拟了填埋场中液相与多组分气相的耦合运移规律；Chen Y C等[3]建立模型对抽气竖井中气压分布规律进行求解；陈家军等[4]在气体等密度假定下进行了含水率对堆体气压分布规律的参数敏感性分析；彭绪亚等[5]基于气体渗透系数不变以及竖井内各处气体流量相等的假定，建立了填埋气轴对称运移模型；薛强等[6]建立了填埋场气-固-热多场耦合模型；魏海云[7]建立了多层填埋场气体运移模型，研究了垃圾非均质性及中间覆盖层对填埋气运移规律的影响。由于填埋场内部严重非均质，导致堆体中渗流规律极为复杂，多数已有研究忽略了填埋场中液相分布及渗流对填埋气运移规律的影响，部分考虑填埋场中液-气联合运移的研究[1,8-9]也将堆体中渗滤液水位对气体运移的影响进行简化。我国城市固废具有高厨余含量、高初始含水率的特点，在填埋初期会大量产生渗滤液，因此在我国城市固废填埋场中普遍存在渗滤液水位雍高的问题[10]，填埋气运移规律与发达国家“干坟墓”型填埋场存在区别。填埋场中液、气运移相互阻滞[11]使目前研究成果难以准确描述我国典型组分城市固废填埋场中填埋气运移规律。

本文在考虑我国典型高厨余固废特点的基础上，针对竖井抽气问题建立了填埋场液-气运移耦合模型，应用此模型模拟西安江村沟填埋场现场抽气试验过程，分析了渗滤液水位对抽气竖井影响范围的影响。

1 填埋场液-气运移耦合模型

填埋场中竖井抽气问题是典型的轴对称问题，根据单元体中质量守恒关系[7]，可分别得到气相和液相的连续方程如下：

(1)

(2)

式中：n为固废孔隙率；S为液相饱和度；ρg、ρw分别为孔隙气和孔隙水密度；Mgr和Mgz分别为r方向和z方向的孔隙气体通量；vwr和vwz分别为r方向和z方向孔隙水流速；fg、fw分别为单位体积固废中降解产生填埋气和渗滤液的源项。

在等温假定下，根据理想气体状态方程有：

(3)

且液相饱和度可以表示为基质吸力s的函数：

(4)

径向(r)和竖向(z)的孔隙气体通量及孔隙水流速根据达西定律可以分别表示为：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：ksr和ksz分别为固废r和z方向固有渗透系数；krG和krL分别为固废液、气相对渗透系数，可根据Van-Genuchten模型计算[10]。

固废孔隙体积的变化量由压缩导致的孔隙压缩和降解导致的孔隙扩大共同决定。在小变形假定下，固废孔隙率与竖向压缩应变 的关系可表示为：

(9)

式中：εz根据Chen Y M等[12]建立的城市固废应力-降解耦合压缩模型确定；fv(t)为可降解组分固相体积损失速率。

(10)

(11)

由于控制方程形式较为复杂，为便于阅读将除求解变量之外的其他部分写成字母系数的项的形式，控制方程式(10)、式(11)中各系数项具体表达式如下：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Bwu=ρwS

(18)

Iw=fw-ρwSfv(t)

(19)

2 模型应用

江村沟填埋场是西安市区唯一的生活垃圾处理设施，占地约73.33hm2，总容积超4 900万m3。为测试填埋场产气潜力及指导填埋气高效收集利用进行了现场抽气试验。在抽气竖井周围四个方向共布置16口气压监测井和16口水位监测井，为了保证填埋气收集效率，在试验区域25 m范围内铺设了土工膜(见图1)。

图1江村沟填埋场抽气试验

为研究新鲜垃圾降解产生渗滤液对填埋气运移的影响，笔者采用填埋场液-气耦合运移模型模拟了距堆体表面10 m范围内龄期0～1 a的垃圾抽气试验过程。根据试验场地条件设计数学模型如图2所示，模型竖向尺寸根据垃圾龄期及运营记录取为10 m，径向取5倍计算高度(即50 m)以保证模拟精度[7]；抽气竖井长10 m，顶部3 m范围无孔，竖井半径尺寸0.4 m。具体边界条件及初始值设置如下：

图2轴对称计算模型

边界1、2设置气相边界条件为联通大气(即孔隙气压为0 kPa)。边界1为试验铺设土工膜及黄土覆盖层区域，厚度30 cm，假定其气相渗透系数为较低常数(1.5×10-10cm/s)。试验过程中无降雨入渗，液相边界无流量。边界3气体无径向流量，总水头根据试验前期勘察结果取6.8 m。边界4为黄土中间覆盖层顶部，勘察结果表明存在堆体水位，可认为下层垃圾产生的填埋气无法通过饱和区域向上运移，考虑到黄土覆盖层渗透性较低，因此假定渗滤液无法穿过覆盖层向下渗流。边界5设置为井周等压边界，井壁上各处气压相等，等于抽气试验负压(-1 kPa、-3 kPa、-5 kPa)，井内水位试验过程通过水泵抽水保持稳定，控制为距顶部8 m。抽气井上段(边界6)无孔，因此设置为无流量边界。固废堆体求解域初始条件孔隙气压为0 kPa，渗滤液水位6.8 m。

考虑抽气试验过程中短时间内垃圾降解产水、产气速率变化不大，因此在本文的分析中将其简化为常数。模型使用有限元软件COMSOL Multiphysics中的PDE基本模块联立求解控制方程式(10)、式(11)，计算使用的主要参数如表1所示。

表1 模型计算参数

水位模拟结果与水位监测井实测结果对比如图3所示，堆体水位模拟结果与试验过程中实测值对应良好。本文研究的新鲜垃圾填埋龄期不足1年，厨余组分通过填埋初期的水解反应会释放大量胞内水，形成渗滤液[11]，虽然试验过程中通过水泵持续抽水的方式进行水位控制，但由于渗滤液产量大，导致试验过程中无明显降水漏斗出现。当渗滤液水位较高导致抽气竖井内形成水封时，工程实践表明此时抽气竖井的集气效率很低。必须采取堆体降水作业，解除水封形成有效导气通道，才能满足填埋气收集要求。

不同抽气负压工况下(-1 kPa、-3 kPa以及-5 kPa)孔隙气压分布模拟结果与实测值对比如图4所示。随着试验过程中抽气负压的提高，填埋气收集量逐渐增加，但由于固废堆体内部正处于产气高峰期，堆体中孔隙气压并未形成明显的气压下降漏斗(见图4)，这与龄期较老的填埋场中抽气试验结果[1]存在显著差异。渗滤液水位的存在会导致填埋气积聚，渗滤液水位以下存在正气压，影响填埋气有效收集。对比抽气竖井四个方向的气压检测结果可以看出，除9#—12#监测井一线以外，其他三个方向基本上越靠近抽气竖井气压越低，而9#—12#监测井一线气压监测规律则相反，距离抽气竖井越远气压越低，推测在这一线可能存在黄土覆盖层施工缺陷，气体存在其他运移通道。因此填埋场运营过程中应保证施工质量，避免中间覆盖层破裂而导致的填埋气无序排放，这样可以提高填埋气收集效率。另一方面，本文模拟采用了顶部无液相流量的边界条件，工程实际中若存在降雨入渗或渗滤液回灌等工况，填埋堆体中液、气渗透性将不断变化，更加复杂[13-14]。如顶部存在降雨入渗，填埋气运移将受到阻碍，导致堆体中气压升高[15]，气体运移的各向异性进一步增强，此时对于抽气井影响范围应进一步分析讨论。

图3堆体渗滤液水位模拟结果

3 抽气井影响范围

抽气井影响范围可以用抽气前、后气压降低的百分比表示，气压下降10%的位置可以作为抽气竖井的影响半径[12]。当抽气负压为-5 kPa，堆体中气压稳定时降压百分比分布如图5所示，可以看出抽气井影响半径为2.1 m～12.3 m，且影响半径随堆体饱和度升高而显著缩小。抽气竖井内水位以下影响半径为2.1 m～2.5 m，而顶部低饱和度区域的抽气井影响半径则超过12 m，远大于水位以下影响半径。由此可见在设计抽气竖井间距时必须充分考虑填埋堆体内水位分布及渗流的不利影响，并且在填埋过程中控制渗滤液水位，防止出现堆体水位雍高，以保证抽气竖井实际影响范围符合设计要求。

图4 不同抽气负压下孔隙气压模拟结果

图5抽气负压-5 kPa时抽气井影响半径分布

若通过主动降水将堆体内渗滤液水位降低3 m，在相同抽气负压(-5 kPa) 下填埋堆体中孔隙气压会显著降低，抽气竖井影响半径明显提高，增加到12.8 m～26.8 m，在距堆体顶部6.1 m以下时影响范围才开始缩小(见图6)，可见控制堆体中渗滤液水位可有效提高抽气竖井影响半径。

图6堆体降水后孔隙气压和抽气井影响半径分布(抽气负压-5 kPa)

4 结 论

本文建立了体现我国高厨余含量固废特点的液-气耦合运移模型，并结合西安江村沟填埋场现场抽气试验模拟了降解产生渗滤液及堆体水位对填埋气收集的影响，可以得到以下结论：

(1) 抽气竖井影响半径随堆体饱和度升高而显著降低。设计抽气竖井间距时应充分考虑堆体水位影响，尤其对于可产生大量渗滤液的新鲜垃圾。不考虑填埋初期降解产生渗滤液将导致抽气竖井间距设计值偏大，按此布置抽气竖井会导致垃圾产气高峰时期填埋气收集率低于期望水平。

(2) 采取主动调控措施降低堆体渗滤液水位可显著提高抽气竖井影响范围，是提高填埋气收集效率的有效手段。对于我国典型高厨余固废含量填埋场，新鲜垃圾填埋初期的渗滤液水位控制是提高填埋气资源化利用率的关键，建议在工程实践中采用垃圾填埋前预处理脱水或填埋堆体中主动降水的方式来保证产气高峰阶段填埋气的有效收集利用。

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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

中央高校基本科研业务费专项资金项目(3132017026；3132014326)

刘海龙(1985—)，男，辽宁丹东人，博士，主要从事环境岩土工程的教学和科研工作。E-mail:lhl.zju@live.com

TU43；X705

A

1672—1144(2017)05—0129—05