垃圾填埋场:填埋气发电技术应用

本文就填埋气国内外应用情况进行了描述,并对填埋气发电实际应用中的主要技术问题尤其是填埋气产量预测和发电机组性能进行了探讨,为开展填埋气发电技术应用提供了一定的指导价值。填埋场内垃圾经过厌氧分解将产生大量的填埋气(LFG),填埋气产生可以简单归结为二个基本阶段,见下图。     

垃圾填埋气的产生及其影响因素分析

通过对垃圾填埋降解过程及其影响因素的分析, 讨论了加速垃圾填埋气产生及填埋场稳定化的措施及方法     

生活垃圾回收利用现状及技术

本文分析了我国城市生活垃圾填埋场填埋气体回收利用现状,对填埋气回收利用技术进行了分析和比较,并提出了填埋气体回收利用技术发展方向.     

垃圾填埋场填埋气提纯利用的探讨

我国现有的垃圾处理方式中约80%采用填埋。垃圾填埋场所产生的填埋气处于无控制排放状态,利用提纯技术将填埋气转化为天然气,能最大程度实现填埋气资源的价值,可以变废为宝,为民造福。     

垃圾填埋场地利用中的气体阻隔和承载力强化

以重庆某已封场非规范垃圾填埋场为例,分析了在该填埋场地上进行防渗和稳定化处理的工程措施效果。通过分析不同深度填埋垃圾中的生物可降解物质(BDM)含量及填埋气中的CH4含量,评判垃圾填埋场的稳定化程度,据此采用帷幕灌浆技术对该场地进行处理,以达到气体防渗和地基稳定性条件。结果表明:该填埋场表层13 m深度以内的垃圾体稳定化程度较低,而填埋深度超过13 m的垃圾体基本稳定。实施帷幕灌浆后,可切断垃圾填埋场与周边建筑工程间填埋气的横向通道,填埋气中的CH4含量1%,可满足《生活垃圾填埋场稳定化场地利用技术要求》(GB/T 25179—2010)中高度利用的要求;另外,地基承载力为240~320 kPa,可满足工程设计要求。由此说明,帷幕灌浆技术可以实现对已封场非规范垃圾填埋场地进行安全利用。     

环境土工基本理论及工程应用

随着工业化和城市化的快速发展,各类固体废弃物产量迅速增大,地下水土污染不断加剧,人类赖以生存的环境日益恶化。岩土工程研究者力图利用岩土工程的原理和方法来研究和解决这样的环境问题,并逐步形成了岩土工程学科的一个新兴分支——环境土工。环境土工问题伴随着生化反应、物理变化和机械运动等过程,目前国内外尚未建立统一的基本理论体系。该文论述了土体的生化反应、骨架变形、孔隙水运移、溶质迁移和孔隙气运移机理,并建立了考虑生化反应-骨架变形-水气运移-溶质迁移耦合作用的模型及其控制方程,界定并明确了模型参数及测试方法;揭示了高厨余城市固体废弃物填埋场存在严重的生化降解酸化抑制、骨架弱化和液气传导相互阻滞现象,以及城市固体废弃物压缩变形和液气产生及运移、污染物迁移与土体固结相互作用、污染物击穿防污屏障及覆盖屏障防水闭气的内在机理;结合笔者研究团队近二十年的环境土工研究和工程实践积累,总结了所提出的填埋场固废降解程度、渗滤液产量、填埋气收集率、填埋体沉降与填埋场容量、填埋场边坡稳定、防污屏障服役寿命评价方法以及所研发的填埋场液气立体导排、新型防污屏障和TDR污染土勘察技术的合理性和可靠性,并给出了工程应用实例。     

垃圾卫生填埋场的填埋气和渗滤液处理及综合利用

北神树垃圾卫生填埋场于1997年1月开始正式填埋垃圾,于2002年-2004年建成了垃圾填埋气收集、利用和垃圾渗滤液处理设施.垃圾填埋气可用来发电,为填埋场的渗滤液处理设施和日常生活提供电能.渗滤液经过膜生物反应器(MBR)/纳滤(NF)/反渗透(RO)处理,出水不仅可用来冲刷路面、降尘和清洗垃圾运输、作业车辆,还可满足绿地用水要求,真正实现垃圾填埋过程中产生的二次污染物的综合循环利用.     

CDM机制与填埋气回收利用

本文分析了我国填埋气回收利用项目申请清洁发展机制的发展现状和趋势,描述了申请清洁发展机制（CDM）的关键问题和解决方法。国家有关部门应该充分利用清洁发展机制或制定自有的类似的市场机制,引导国内填埋场自发主动地回收利用填埋气,以提高填埋场的管理运营能力并实现温室气体减排。     

分层填埋垃圾体中气体一维稳态运移规律

针对垃圾填埋场分层填埋特点,提出了填埋垃圾产气率和导气系数分层计算方法,建立了分层填埋垃圾体中气体一维稳态运移分析模型,分析了垃圾的产气率、导气系数和封顶覆盖层的气密性对气压力大小及分布的影响,并探讨了垃圾填埋龄期对气压力分布的影响规律。分析结果表明:对于均质垃圾体,产气率与导气系数的比值越大,则填埋气压力越大;对于含封顶覆盖层的垃圾体,产气率主要控制气压力大小,导气系数控制气压力沿填埋深度分布梯度。封顶覆盖层厚度的增加或其导气系数的降低将使填埋气释放量减少,则气压力整体提高。垃圾填埋龄期越大,则垃圾体中气压力越小。     

垃圾填埋场沉降变形条件下气-水-固耦合动力学模型研究

基于多孔介质流气–水–固耦合和微生物降解理论,建立描述这一复杂动力学行为的二维气–水–固耦合数学模型,并给出耦合模型的数值格式。通过数值仿真实现垃圾填埋体的变形沉降及气体产生和迁移演化过程的可视化,得到气体压力及产气量随填埋年份的变化规律。数值计算结果表明:填埋体内总应力及孔隙度的改变与垃圾降解变化规律一致;抽气过程使场内气体压力得到释放;由于沉降作用填埋场内水相饱和度有增大的趋势,其中底部变化较顶部明显;此外,气井产量的变化与气体迁移单相模型的计算结果基本吻合,验证耦合模型的可靠性,其研究成果为垃圾填埋场沉降控制与气体资源化利用提供技术支持和理论依据。     

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。     

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。     

基于模糊渗流理论的垃圾填埋气运移数学模型研究

介质的非均质性和各向异性导致填埋场渗透率跨越好几个数量级,加之目前还没有足够先进的检测手段对填埋场内部进行观测,渗透率很难准确确定,同时刻意追求其精确值也是与现实不符的。本文通过对填埋气运移规律的分析,基于模糊渗流理论建立了垃圾填埋气运移的数学模型,并利用模糊结构元的方法得到一维理想模糊渗流问题的解析解。这为填埋气控制系统的设计以及环境影响预测和评价提供了理论依据,为研究煤层气、石油污染等地下渗流问题开辟了一条新的途径。     

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。     

季节性气候变化对填埋场温度分布影响的研究

基于热传导理论,根据能量守恒原理与傅立叶定律,建立了填埋场内温度传输的数学模型,并利用有限单元法进行了数值求解.数值模拟结果显示:在夏季,随着深度的增加,温度逐渐降低;冬季则相反.这是由于垃圾土的热传导系数不高,比热较大,而且使得温度的分布在空间上产生了滞后.在填埋场表层及浅层区域,由于受到传热效应的作用,其温度值几乎与外界大气温度一致.所建立的数值模型可以仿真填埋场内温度在空间上的分布变化规律,不仅为填埋气体产量和环境评价的研究提供理论依据,而且可为填埋场的气体收集系统和相关设计提供技术支持.     

An incremental model to assess the environmental impact of cap cover systems on MSW landfill emissions

Landfill cap covers are designed to contain fugitive methane emissions and to prevent uncontrolled leachate infiltration. The objective of this paper is to propose a method for assessing their impact on the mitigation of landfill greenhouse gas emissions using a new dedicated model (IMAGE-Landfill) that takes into account the different steps of landfill management history as well as the incremental methane production from the different cells. In particular, different collection and oxidation efficiencies are considered depending on the landfill operation, on its life step and on the chosen cap cover system. Two different theoretical single cell case studies and one real-scale landfill were used to calibrate the IMAGE-Landfill model. The results highlight that, depending on the selected cap cover lining system, the potential greenhouse gas emissions may be divided by a factor 2.5-7, even if no energy is recovered from the collected methane.This model is a useful tool for landfill operators to model methane production, but also to select the most appropriate cover type for each step of the landfill lifetime. Finally, this research appeals for a better consideration of environmental impacts when designing landfill barriers.     

非饱和土质覆盖层多组分气体运移机理研究

为研究土质覆盖层中各组分气体的运移规律,进行了土柱注气试验,并通过多组分气体运移理论对试验结果进一步分析。分析结果表明:在注入气体总流量不变的情况下,改变注入气体的组分,会显著影响土柱中各组分气体分布;多组分气体运移理论能较好地预测各组分气体的运移;表观气相渗透系数不是一常数,与气压大小相关;体相扩散是影响各组分气体分布规律的主要因素,通过改变有效二元扩散系数,调整各组分气体分布,可以提高土质覆盖层中甲烷氧化效果。