垃圾填埋场封场后气体产出及释放规律研究*

刘 磊，薛 强，梁 冰，赵 颖

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2.辽宁工程技术大学力学与工程科学系，辽宁 阜新 123000）

垃圾填埋场封场后气体产出及释放规律研究*

刘 磊1，2，薛 强1，梁 冰2，赵 颖1

（1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2.辽宁工程技术大学力学与工程科学系，辽宁 阜新 123000）

以生物降解和多孔介质渗流理论为基础，建立了填埋气体产出和释放的耦合动力学模型。仿真预测的结果表明：垃圾降解产气和气体迁移释放2个过程相互联系，都不能被忽略；垃圾填埋场上方所设置的覆盖层对气体向外部释放有良好的抑制作用。

垃圾填埋场;填埋气体;降解；释放；耦合模型

城市生活垃圾日益增多，由垃圾填埋气体（LFG）引发的安全隐患和环境问题得到了社会各界的广泛关注，因此，LFG的资源化利用已成为国内外学者研究的焦点。LFG在填埋场内的释放是一个极其复杂的动力学过程，不同垃圾组分具有不同的降解能力，产气速率也存在很大区别，在模拟LFG抽排过程时，垃圾组分的产气规律是不可忽略的重要指标之一。另一方面，填埋场内含有相当数量的储水，由于垃圾土具有良好的渗透性能，这些储水含量也在不断变化，即水分的运动伴随在LFG产出及演化迁移的整个过程。因此，确定生物反应器填埋场内LFG的迁移规律是准确预测气井LFG产生量的基础和前提［1-3］。为此，笔者将垃圾填埋场视为非饱和传输介质，建立了考虑垃圾有机降解水分作用条件下LFG迁移演化的非线性耦合数学模型，模拟了LFG抽排过程中气体压力及抽气量的动态变化过程，分析了覆盖层设置对控制垃圾填埋场上方LFG无序释放的可行性，并对填埋气体抽气量的计算结果与现场监测值进行了对比分析，验证了模型的可靠性，对于填埋气体的污染控制及其资源化利用具有重要的现实意义。

1 气体产出及释放耦合模型的建立

垃圾填埋场作为一个巨大的生物反应器系统，存在一系列复杂的物理、化学及生物反应，由于化学产气模型比较复杂，不易应用于实际工程，一般使用一级动力学模型评估有机物降解速率。通常将垃圾的组成物分为3类：第一类为易降解材料，如食物残余和其它有机废物等；第二类为中度降解材料，如木材和草木等；第三类为难降解材料。LFG产气速率模型可写为［4］：

式中：Fg为生活垃圾中各组分产气速率之和；i=1，2，3，分别代表难降解、一般降解和易降解垃圾；L为单位体积垃圾体的总产气量，通常取421.98；Ai为常数，组分i所占的比例；λi为有机物反应速率常数；T为填埋后的持续时间（a）：

式中：Y为纵向坐标；D为填埋场深度；T0为封场完成年份；Tf为填埋作业年份；Ts为当前时刻至计算结束的时间。

生物反应器填埋场中LFG迁移连续性方程为：

式中：n为孔隙度；ρa为气体密度（kg/m3）；Sa为气体饱和度；va为气体Darcy流速：

式中：Pa为气体压力；k为垃圾土固有渗透率（m2）；kra为气体相对渗透系数；μa为气体黏性系数（Pa·s），可用函数表示［5］：

式中：ψij为无量纲常数；xj为气体组分j所占摩尔比例值。

此外，LFG作为一种混合气体含有多种组分，这里主要考虑CH4、CO2、N2、O24种气体。同时引入总压力P（Pa）：

根据理想气体状态方程：

式中：R/M为气体常数 （J/（kg·K））；T为气体温度（K）。

水分运动方程可表示为：

式中：ρw为水分密度；θw为水相体积含水率，θw=nSw；水相的可压缩性可通过下式表示：

式中：Pw为水压力；Pw0为参考水压力；ρw0为参考密度；βw为水相可压缩系数；水流速度满足Darcy定律：

式中：krw为水相相对渗透系数；μw为水相黏性系数 （kg/（m·s））。

在垃圾土孔隙结构中填埋气体与水分共存，彼此间存在相互驱替的特性，这些性质不受有机物降解及场内化学反应的控制，即物理关系——K-S-P模型，有如下定义：

Pc为毛管压力；Se为有效饱和度，表达式为：

式中：S为实际饱和度；Sr为剩余饱和度；Sm为最大饱和度。

此外，相对渗透系数与饱和度之间可用如下关系式表示：

式中：Sew为水相有效饱和度。

2 预测结果与分析

为了实现填埋场内LFG迁移过程的可视化，模拟了一假设条件下单井抽气系统，填埋场深15 m，气井按场深的70%设计，底部为不透边界，计算参数见表1［6-8］，模拟结果如图1～5 。

LFG压力等值线分布如图2，越靠近抽气井位置的压力等值线分布越密集，且近似垂直，这表明LFG在注井收集的过程中以横向迁移运动为主。距离抽气井越远，等值线间的间隔就越大，等值线的倾斜度越低，且趋向水平，气体运动方向由水平向垂直方向过渡。

垃圾填埋场封场后的覆盖层除了防止降水渗入、减少（或消除） 渗沥液，还可防止LFG无序排放，一般用防渗屏障来描述。通常，设计厚度为0.5～2.0 m。为了进一步分析抽气前后LFG的释放规律，我们分别模拟了覆盖层厚度为0 m和1 m的情况。结果表明：在填埋场上方加盖覆盖层后，多余的填埋气体无法释放，系统内气体压力也随之增大，如图3所示，这主要是由于覆盖层由黏土（弱渗透介质）组成，它的固有渗透率（10-13m2）比填埋层的垃圾块体低1个数量级，压力变化曲线趋向平缓，气体压力的增量随深度的增加而变大，这说明覆盖封闭效果越好越适合填埋场内LFG的收集和控制。

图4给出了LFG抽气量随时间的变化规律。抽气早期LFG流量呈近似线性下降趋势，随着时间的推移，下降幅度逐渐减小，且年份越久抽气量越小。这一变化过程符合实际填埋场内填埋气体的产气规律。

表1 模型计算参数

为了验证数学模型的可靠性，将模拟结果与金口垃圾卫生填埋场试验区（2005年封闭）抽气2 a内的抽气量监测数据进行了对比，如图5可知：抽气量的测试结果为近似线性变化，与计算结果的变化规律一致；测试值均比计算值小，这主要是由于模拟结果前提是甲烷含量无损失，而现场测试无法达到这一条件，如填埋区域的封闭效果以及有机垃圾的填埋均匀度等。

3 结论

1）以生物化学和多孔介质渗流理论为基础，建立了生物降解产气及迁移释放耦合动力学模型，并考虑了水分作用对气体释放特性的影响。模拟了封场后填埋场内部气体压力和流量的变化情况。

2）填埋场内LFG在注井收集的过程中以横向迁移运动为主，抽气系统的运行释放了填埋场内部气体压力；气体有向大气释放的趋势，在填埋场上方设置覆盖层对抑制气体外泄及增加气井产量有显著效果；计算参数的优化选取是合理预测填埋场抽气量的关键，通过与现场测试结果的对比分析验证了所建立模型的可靠性，为生物反应器填埋场中LFG的污染控制和收集利用提供了理论依据和技术支持。

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［5］ Mehrdad H，Halil I K，Theodore T T，et al.Computer Simulation of Gas Generation and Transport in Landfills-I：Quasi-steady-state Condition［J］.Chem Eng Sci，2002，57 （13）：2475-2501.

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［8］ Vigneault H，Lefebvre R，Nastev M.Numerical Simulation of the Radius of Influence for Landfill Gas Wells［J］.Soil Sci Soc Am，2004，3：909-916.

Landfill Gas Generation and Emission in Closed Landfill Sites

Liu Lei1,2,Xue Qiang1,Liang Bing2,Zhao Ying1
（1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan Hubei 430071;2.Department of Mechanics and Engineering Sciences,Liaoning Technical University,Fuxin Liaoning 123000）

Based on the bio-degradation and porous media seepage theory,the coupling dynamic model of gas generation and emission have been developed.The simulation forecasting results showed that interconnection of landfill gas generation and gas flow can not be neglected.The final cover layer of landfill site had well inhibiting effect on gas emission outside.

waste landfill site；landfill gas；degradation；emission；coupling model

X701

A

1005－8206（2010） 01－0019－03

国家自然科学基金项目 (50874102)；国家“十一五”科技支撑项目子课题（2006bac06b0）；湖北省重大科技开发项目（2008AC008）；湖北省自然科学基金计划青年杰出人才项目（2007ABB039）；辽宁省高校创新团队项目

2009-11-05

刘磊（1982—），博士，主要从事环境岩土工程及多场多相流耦合理论研究。共发表论文21篇，其中，SCI收录1篇，EI收录13篇，取得专利10项，参与完成了国家自然科学基金项目11项，获湖北省科技进步二等奖1项。

E-mail：lgdliulei@163.com。