城市生活垃圾填埋场气压分布一维稳态分析模型

摘要：
　　掌握填埋场气压分布是填埋气灾害控制和资源化利用的基础。提出了分层垃圾填埋体气压分布一维稳态分析模型及求解方法。该模型可分析含有给定抽气压力或给定抽气流量水平导气层的填埋体气压分布。采用该模型探讨了垃圾分层特征、封顶覆盖层下和填埋体内的高渗透性水平导气层、填埋体底部渗沥液导排系统兼作填埋气导排通道对填埋体气压分布的影响规律。通过参数分析得到以下结论：填埋体垃圾不考虑产气速率和固有渗透系数随垃圾埋深增加而减小（产气速率和固有渗透系数按埋深平均）会高估填埋体内气压；封顶覆盖层下和填埋体内设置水平导气层可有效降低填埋体内气压；填埋体底部填埋气导排通道对填埋气气压较大的深部垃圾降压效果较明显。分析结果表明，该模型可指导填埋气收集系统设计，如水平导气层位置和间距布置及抽气功率选择等。
　　关键词：
　　填埋场；分层垃圾；气压；填埋气收集系统；导气层
　　城市生活垃圾中含有大量的有机质，填埋后发生生化降解，产生大量主要成分为温室气体甲烷和二氧化碳的填埋气（其中甲烷体积约占一半）。填埋气无序排放，会加剧全球气候变暖，同时造成巨大的能源浪费（甲烷具有资源化利用价值）。垃圾填埋体中填埋气导排运移受阻造成的气体累积和气压上升，易引发填埋体失稳和物理爆炸；另一方面，填埋气与空气混合极易引发化学爆炸[13]。现代卫生填埋场应当科学设计填埋气导排和收集系统，控制填埋体气压，防止填埋气相关灾害，有效收集填埋气以资源化利用。
　　马小飞，等：城市生活垃圾填埋场气压分布一维稳态分析模型
　　掌握填埋场内气压分布规律是合理设计填埋气导排和收集系统设计的基础。Findikakis等[4]和ElFadel等[56]提出了单相一维对流扩散运移模型，仅考虑填埋气从填埋体顶部排出情况，分析了填埋体中气压和气体组分随时间的变化规律。Townsend等[7]建立了均质垃圾填埋体气压分布模型，分析了垃圾产气速率、填埋厚度和固有渗透系数对气压分布的影响，并针对填埋场顶部导气层和底部渗沥液导排系统兼作填埋气收集的情况分析了填埋气收集对填埋体气压分布的影响。上述模型均假设填埋体为均质，然而实际填埋场垃圾因填埋作业顺序的原因，工程特性在深度方向具有明显的分层特征。填埋垃圾的产气速率和固有渗透系数随填埋深度增加而减小[89]，上述已有模型无法考虑填埋垃圾产气速率和固有渗透系数的分层特征对气压分布的影响。魏海云等[8]提出了分层填埋体气压的有限差分分析模型，该模型在填埋体沿深度方向空间离散求解。国内学者对于竖井抽气条件下的填埋场气压分布研究较多[1011]，水平导气层对气压分布的影响规律研究还较少。
　　提出可考虑填埋体分层特征和水平导气层的气压一维稳态分析模型，采用线性表达式描述填埋体边界条件和层间连续条件，提出给定气压和给定填埋气流量两种分析水平导气层的方法，并给出了相应的求解方法，通过4个例子分析了垃圾产气速率和固有渗透系数分层特征、封顶覆盖层下和填埋体内的高渗透性水平导气层、填埋体底部渗沥液导排系统兼作填埋气导排通道对填埋体气压分布的影响规律，指导填埋气收集系统设计。
　　1分析模型
　　考虑实际填埋场垃圾生化降解时间随埋深增大的规律，针对填埋垃圾的分层特征提出以下气压分析模型。将填埋体分为n层，各层厚度为hi，产气速率和固有渗透系数分别为ai和Ki，如图1所示，填埋体总厚度为H，z为垃圾埋深，第i层和第i+1层层间界面埋深为zi。各层可为具有不同填埋龄期的垃圾层、水平导气层、封顶覆盖层或中间覆盖层。
　　图1分层垃圾填埋体模型图
　　填埋体中某一层材料（垃圾层、导气层或覆盖层）的填埋气流动可根据多孔介质流体力学理论[12]采用一维气体流动控制方程表示：
　　式中：Ki为固有渗透系数，m2；ρi为填埋气密度，kg/m3；pi为气体压力，Pa；μ为填埋气粘滞系数，137×10-5 kg/（m·s）；ng为垃圾含气率，无量纲；ai为产气速率，即单位体积垃圾在单位时间内的产填埋气质量，kg/（m3·s），其中导气层和覆盖层ai为零。
　　根据理想气体状态方程，填埋气密度与气压存在如下关系：