垃圾填埋场灾变过程的温度–渗流–应力–化学耦合效应研究

 针对当前垃圾填埋场灾变过程预测与控制的迫切需求,结合垃圾填埋场及其周围复杂而特殊的环境地质条件,从温度–渗流–应力–化学(T-H-M-C)多场耦合角度深入分析垃圾填埋场灾变过程的演化机制与开展多场耦合研究的必要性。提出填埋气体运移的微生物降解–温度–渗流(B-T-H)耦合模型、考虑好氧和厌氧微生物降解作用的垃圾渗沥液污染物迁移转化渗流–微生物降解–化学(H-B-C)耦合模型、复合衬垫系统污染物运移渗流–化学(H-C)耦合模型以及考虑热量变化和水蒸气迁移过程对开裂过程影响的填埋场封场覆盖系统干燥开裂温度–渗流–应力(T-H-M)耦合模型,为垃圾填埋场灾变过程的预测和安全性评价提供有效的分析手段。提出一套多场耦合测试分析方法与试验技术,开发集监测、控制与数据采集于一体的填埋场中污染物传输的多场耦合测试分析系统。形成一套填埋场污染物多参数远程同步监测方法与技术,研制集实时监测与视频监督于一体的垃圾填埋场污染物远程在线监督系统。针对多场耦合作用下封场覆盖系统开裂问题,提出新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术(EST)。上述研究成果可为垃圾填埋场灾变过程的预防与控制提供科学手段和技术支持,同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展具有重要的理论意义和应用价值。     

垃圾填埋场的环境土工问题

垃圾填埋场是一种具有衬垫和气液收集系统的特殊土工构筑物.城市生活垃圾是一种特殊的土,其颗粒大、成份复杂,填埋体内温度高;渗滤液的溶质对吸力产生影响;垃圾的压缩性与降解有关,而垃圾的强度受纤维状"加筋"相的影响;渗滤液的渗漏引起土体和地下水的污染,污染物迁移包括对流、扩散和吸附三种方式;填埋体的沉降和稳定性还要考虑固-液...     

城市生活垃圾填埋场固液气耦合一维固结模型

建立了一维固、液、气三相耦合的大孔隙垃圾固结数学模型。把垃圾视为大孔隙介质,假定基质吸力等于0,即孔隙气压等于孔隙液压,把填埋场简化为非稳定单向渗流场。模型中采用了Gibson和Lo一维压缩流变模型及Landgem产气方程,结合了达西定律、气体状态方程、有效应力原理和多孔介质流体动力学理论。填埋场的沉降按封场前和封场后两个阶段分别计算,封场前填埋场接受垃圾,导致堆载压力增加,而封场后的填埋场堆载压力保持不变。垃圾堆填时产生的超孔隙压力按Hilf分析法计算。运用差分法对固、气耦合问题进行了数值求解。计算结果表明:气压随深度增加而增大,透气率大的填埋场其气压消散速率快。在堆填期,气压随时间增加而增大;封场后,气压逐渐消散。气压增加,导致填埋场沉降速率和容量减小。     

考虑气固耦合填埋场沉降数学模型

为研究城市生活垃圾填埋场孔隙气压对沉降的影响程度，把填埋场简化为非稳定单向气体渗流场，采用Gibson和Lo一维压缩模型及U．S．EPA Landgem产气方程，结合达西定律、气体状态方程、有效应力原理和多孔介质流体动力学理论，建立了考虑气固耦合的填埋场沉降计算模型。填埋场的沉降按封场前和封场后2个阶段分别计算，封场前填埋场接受垃圾，堆填压力增加，而封场后的堆填压力保持不变。运用差分法求解的结果表明，填埋场垃圾体内孔隙气压与深度、时间和透气率等因素有关。封场前，气压随深度和时间的增加而增加：封场后，气压随时间逐渐消散。高透气率的填埋场有较高的气体消散速率。封场前气压的增加减小了填埋场沉降速率，从而导致填埋场的容量减少。提出在填埋场沉降计算和边坡稳定分析时考虑气压影响的必要性。     

城市生活垃圾填埋场沉降分析与计算

城市生活垃圾填埋场无论在填埋过程中还是封顶后都会产生显著的沉降.填埋场的沉降一方面可以增加场区的垃圾消纳量,另一方面将对填埋场的维护和场地再利用产生不利影响.垃圾填埋体的沉降受垃圾土的自重压缩和有机质降解的综合影响.本文从分析填埋场沉降机理人手,提出填埋体的沉降由主沉降、次沉降和有机物分解沉降三部分组成,并给出了沉降估算公式;结合工程实例分析了填埋体的沉降过程,计算表明,一座设计容量为472万m3,设计填埋高度73m的填埋场的扩容率可达97%;封顶后的最终沉降约为填埋高度的10%.文中提出了实行分区填埋、分层压实和加速有机物分解等控制填埋场沉降的建议.     

考虑降解率下的垃圾土降解压缩量计算模型

从无机物质量不变出发,在考虑降解率与密度变化的情况下,围绕垃圾土的密度、质量与体积三者关系,结合由自配试样进行降解试验获得的降解率规律,推导了垃圾土一维降解压缩模型。研究结果表明,降解压缩量与初始时刻有机物的体积百分含量、降解率及初始高度有关,且成正比关系。利用该模型对重庆市某垃圾填埋场的有机物降解沉降量进行了计算,可以看出降解沉降量与时间呈指数函数关系,在填埋初期降解沉降速率较大,随着时间推移,降解沉降量趋于稳定。     

适宜降解条件下填埋场的沉降模型及案例分析

填埋场的沉降和容量分析对其填埋期及封场后的运营有着重要意义。综合比较了不同的填埋场沉降分析模型,总结了各种填埋体压缩试验和现场沉降监测结果。如果生物降解被抑制,蠕变引起的压缩量相对较小,大部分力学压缩将在较短时间内完成;完善并改进了生物降解压缩模型,并通过案例分析与现场孔隙比沿深度的变化进行了比较。该模型能用于描述常压力下的试样压缩,也能分析分层堆填填埋场的容量分析和封场后沉降,尤其适用于降解条件适宜的情况。模型中采用的参数可以通过压缩试验或反分析沉降资料的方法获得。通过案例分析发现,改善填埋期间填埋体的降解条件能够有效地提高填埋场的容量,减少封场后沉降的潜力。如果不考虑填埋过程、填埋高度、初始有机质含量、填埋场降解条件,即使有了一定的沉降观测资料,单纯采用经验公式去分析封场后沉降也并不合理。     

考虑垃圾体沉降的生物反应器填埋场 渗滤液回灌运移规律

生物反应器填埋场在渗滤液的回灌过程中,垃圾体会产生较大的沉降变形,这主要是由于填埋体的自重和生物降解所致。由于沉降变形会导致生物反应器填埋场中垃圾体的孔隙比减小,孔隙比的减小会影响垃圾体的渗透系数和填埋场所能容纳的渗滤液量。为了研究考虑垃圾体沉降的生物反应器填埋场渗滤液回灌运移规律,根据质量守恒原理,以修正的Darcy定理为基础,结合Elagroudy等人提出的沉降模型,建立了考虑垃圾体沉降的生物反应器填埋场渗滤液回灌的计算模型,应用该模型研究了非饱和条件下渗滤液在生物反应器填埋场中的运移规律,分析了回灌强度、垃圾体初始孔隙比、初始含水率和组成成份等参数变化对垃圾体含水率和填埋场单位表面积回灌量的影响规律。     

填埋场封场后的次沉降计算

探讨了封场后填埋场的沉降机理以及填埋体中有机质的降解规律,提出了在分析填埋场封场后的沉降时应单独考虑由于填埋体降解引起的体积减少的观点。提出了分析有机质降解引起的沉降的理论模型,并利用该模型解释了实测中出现的在次压缩后期沉降对数曲线斜率增大的现象。在理想条件下,填埋场的降解沉降为最终降解沉降和一衰减项的乘积。填埋场的最终降解沉降率取决于填埋体的可降解有机质含量和一无量纲数M,其物理含义为降解速率与填埋时间的乘积;而衰减项则是填埋体降解速率和时间的函数。     

考虑城市固体废弃物（MSW）生化降解的力–气耦合一维沉降模型及计算

为模拟城市固体废弃物（MSW）考虑生化降解的力–气耦合沉降过程,从MSW的生化降解规律、力–气耦合相互作用两个方面分别进行研究。通过对MSW生化降解试验的分析,提出描述MSW生化降解规律新的公式,力–气耦合相互作用模型中结合了Darcy定律、Fick定律、理想气体状态方程、多孔介质流体运移理论、有效应力原理,通过非饱和土气相本构模型对时间的偏导将耦合作用表达和气体运移联系起来,MSW的应力–应变关系采用了考虑蠕变作用的Gibson和Lo流变模型。该模型结合降解沉降得到的解答能够反映孔隙气压力和总沉降的变化规律。模型验证结果表明,模型计算结果和试验结果能比较好的吻合,由于降解作用,孔压值在初始阶段会迅速上升,达到最大值后又逐渐下降,对于9.5 kPa恒载作用下的填埋体,最终应变可以达到16.7%。     

深圳下坪垃圾卫生填埋场沼气收集与利用方式研究

填埋场沼气 (LFG)是垃圾卫生填埋场产生的可利用资源 ,其发生量预测的准确性、沼气的收集及利用方式是投资者最为关心三大因素 ,本文针对深圳下坪卫生填埋场 ,对其沼气发生量进行预测 ,并提出LFG竖向收集向下导出、集中处理后发电的工艺路线     

Numerical analysis of moisture and gas transport in earthen final covers considering effects of vapor and temperature gradient

Biochemical decomposition of high kitchen wastes in landfills in China results in (i) a high content of vapor in landfill gas (LFG) and (ii) a noticeable temperature gradient across the earthen final cover (EFC). Yet, it is unclear how vapor and temperature gradients affect moisture and gas transport through EFC and microbial aerobic methane oxidation (MAMO). A theoretical model of moisture-gas-heat reactive transport considering MAMO and effects of vapor flow and temperature gradients was developed, and a series of parametric studies were included. The model was verified by published test results. The parametric simulation results show that vapor from landfill wastes can replenish water to EFCs in dry seasons, which results in (i) the relief of water shortage of vegetation and MAMO and (ii) LFG emission reduction. Effects of vapor inflow become more significant under larger temperature gradient. In cold seasons, temperature gradients can promote MAMO to reduce methane emissions, and enhance evaporation to reduce percolation. When evaporation rate at the surface exceeds 30 times vapor influx, vapor inflow has negligible effects on moisture and gas transport in EFCs. Neglecting effects of vapor and temperature gradient can lead to misjudgments on anti-seepage performance and methane emission reduction performance of EFCs.     

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。     

考虑垃圾体成层性的渗滤液回灌运移规律

渗滤液回灌不仅能处理渗滤液、节约费用和保护环境,而且加速了填埋场稳定化,增加了产气率。以上海某填埋场四期工程为计算模型,本文考虑垃圾土沉降导致的成层性,运用SEEP/W有限元软件模拟渗滤液喷洒回灌。垃圾土在自重作用下会产生较大的沉降变形,导致垃圾土的孔隙率随深度变化,残余含水量、饱和含水量及饱和渗透系数也随之变化。在数值模拟中,以VGM(van-Genuchten-Mualem)函数描述垃圾土渗透系数与基质吸力关系,以流量边界模拟填埋场顶部、底部的渗滤液回灌和导排,分析了回灌过程中渗滤液的饱和-非饱和渗流情况,进而探讨了垃圾土成层性、回灌强度和排水流量对渗滤液运移规律的影响。     

软土地区城市固体垃圾填埋场设计实例分析

基于软土地区某垃圾填埋场的设计，提出在软土地区设计垃圾填埋场所必须考虑的问题，并指出在软土地区，由土工膜的变形要求控制的地基不均匀沉降和消除由于软弱地基的存在而引起的边坡失稳的可能性成为垃圾填埋场设计的重要原则。     

污泥与生活垃圾混合填埋产沼的模拟实验研究

通过城市生活垃圾与污水厂脱水污泥的混合填埋模拟实验，研究了添加污泥对垃圾降解及填埋气产生过程的影响，实验结果表明，在填埋垃圾中添加污泥起到了接种微生物的作用，加快了有机垃圾的降解与填埋气的产生，产气速率较生活垃圾直接填埋提高30％以上，填埋气中CH4浓度可达到64％，与没有添加污泥相比，填埋气中CH4含量有较大幅度的提高，有利于填埋气的资源化利用，同时也可为污泥的资源化利用提供经济可行的途径。     

Engineering properties for high kitchen waste content municipal solid waste

Engineering properties of municipal solid waste(MSW) depend largely on the waste's initial composition and degree of degradation.MSWs in developing countries usually have a high kitchen waste content(called HKWC MSW).After comparing and analyzing the laboratory and field test results of physical composition,hydraulic properties,gas generation and gas permeability,and mechanical properties for HKWC MSW and low kitchen waste content MSW(called LKWC MSW),the following findings were obtained:(1) HKWC MSW has a higher initial water content(IWC) than LKWC MSW,but the field capacities of decomposed HKWC and LKWC MSWs are similar;(2) the hydraulic conductivity and gas permeability for HKWC MSW are both an order of magnitude smaller than those for LKWC MSW;(3)compared with LKWC MSW,HKWC MSW has a higher landfill gas(LFG) generation rate but a shorter duration and a lower potential capacity;(4) the primary compression feature for decomposed HKWC MSW is similar to that of decomposed LKWC MSW,but the compression induced by degradation of HKWC MSW is greater than that of LKWC MSW;and(5) the shear strength of HKWC MSW changes significantly with time and strain.Based on the differences of engineering properties between these two kinds of MSWs,the geo-environmental issues in HKWC MSW landfills were analyzed,including high leachate production,high leachate mounds,low LFG collection efficiency,large settlement and slope stability problem,and corresponding advice for the management and design of HKWC MSW landfills was recommended.