垃圾填埋场在水平收集条件下一维气体运移模型

垃圾填埋场在水平收集条件下一维气体运移模型【摘要】：在垃圾填埋场中的水平层上部和下部提取沼气越来越常见，一维稳态垃圾填埋气模型开发用于协助评估和设计收集系统。

模型可用模拟一层垃圾气体压力分布在各种操作条件，包括上部和下部边界给定的流量和压力，该模型可预测填埋场中最大压力的位置，已经能够形成多大的真空压力，必须应用于特定气体收集在水平集气层。

模型的实用程序说明了几个感兴趣的场景。

在一个垃圾填埋渗滤液收集系统，如果没有气体收集，相当大的气体压力可以在底部形成，垃圾填埋场渗滤液收集系统在开始设计时就应考虑，影响真空参数包括：垃圾深度产气率。

垃圾的渗透系数的评价表明不单独依赖渗滤液收集系统用来移除气体，因此模型可用来说明一个水平在衬垫下层结合气体从底部抽取的垃圾填埋场。

提出了几个建议用于改善垃圾填埋场气体收集效率。

1介绍在美国城市固体垃圾填埋场通常配备垃圾填埋气收集系统来满足监管要求,解决环境和安全问题并控制的气味。

传统的垃圾填埋场气体收集方法涉及到在垃圾体中安装大半径竖井和随后应用真空方法在腐烂的垃圾中提取沼气（主要是是甲烷和二氧化碳）。

当一个垃圾体填埋场达到最终阶段和配有一个低渗透率的覆盖层时，竖井的使用是最有效的。

然而在一些情况下，垃圾填埋场运营商面对在垃圾填埋场达到最终阶段之前早些时候释放气体时收集气体的需要。

例如美国环境保护局发表新能源性能标准指导表明大型填埋场要处理每年至少50吨非甲烷有机物。

为防止超过规定非甲烷有机物排放量被超过，气体的收集和控制系统必须在30个月内安装。

最新颁布的要求规定生化垃圾填埋场安装并使用气体收集控制系统已经比传统的垃圾填埋场的时间提前很多。

在垃圾体达到最终阶段之前垃圾填埋场运营商可以使用几种可供选择填埋气收集技术。

水平井可以在垃圾体中放置，当足够的垃圾添加后，气体收集系统就能够工作。

渗滤液收集系统（LCS）被设计用来促进从垃圾体中排出渗滤液，包括垃圾体下衬垫系统之上有渗透性的介质，因此这也可以用来当做集气系统。

覆盖在垃圾和土体的土工膜能够减少和阻挡气体从表面和边坡散溢。

使用所有这些技术，可以想象一个垃圾填埋气收集系统可以在设计中根本没有竖井。

如综上所述填埋气运移模型能够有助于工程师设计气体收集系统。

数学模型来模拟填埋气产生，构成和运移在之前已经发表。

在填埋场中关于竖向抽取气体大量的解析和数值模型已经发展。

.young模拟平流气体运移和压力在填埋场中水平抽气井在单相等温二维稳态条件下数值和解析模型。

Findikakisand Leckie1979和Fadel （1995）利用单相一维对流扩散数值模型模拟竖向气压分布和气体生产迁移到填埋场表面处成分随时间的变化。

这些模型进行数值求解本质上很复杂，在应用于填埋场抽气设计中很困难。

这篇文章提出了一个数值模型用来在填埋场中顶部和底部给定压力（或流量）的情况下稳态气体压力分布。

这个模型与。

Findikakisand Leckie （1979）和Fadel （1995）的部分相似，但是模拟了填埋场中发生在上部和下部的气体流动。

因此模型能够评估气体通过使用渗滤液收集和覆盖系统抽取的场景。

模型也可能有效用于在垃圾体中配有提取系统的垃圾填埋场，可以近似为水平集气层。

作者通过解决了几个在填埋场设计中典型的问题来说明模型的使用方法。

2模型发展2.1概念化的物理特性下面分析的物理问题假定气体在填埋场一竖向长度上均匀产生，垃圾体横向长度远大于竖向长度。

这种假设将问题从三维简化为一维。

在上下两层边界上，有两个条件要考虑：压力 或者流量给定。

然而可能存在中间态的边界条件，流量和压力都给定，这可能在垃圾填埋场设计阶段寻求发展。

层间的气体产生速率的变化的响应时间远小于气体本身速率的时间。

因此，在层间压力的形成和随后气体的运动可被认为与气体产生速率达到顺势平衡。

这种假定有效的将问题归为以为稳态问题。

填埋场中气体产生速率确实随时间变化，这解释了使用随时间变化的气体生成速率成功解决瞬态问题。

层间的气体运移的主要驱动力是气体生成和各种设计改进用于维护边界等的结合，其中包括泵对活性气体的提取。

因此，气体生成的主要运移方式被认为是扩散的影响。

有了这个概念，气体压力和层间运动基于物理方法简单的建模表达如下。

2.2控制方程的发展填埋场中气体垂直对流运输表达式如下：M zc v t c z g +∂∂-=∂∂)(θ （１） 其中g θ表示气体体积含量（单位气体气体/垃圾体积），c 气体浓度(质量/体积)， t 表示时间为z 垂直坐标，z v 为竖向气相达西流速，M 是单位垃圾体积气体生成速率。

气相的达西定律表达如下zp k v z z ∂∂-=μ （2） 其中z k 是填埋材料的竖向渗透系数，μ是气体动力粘度气体浓度可以用绝对气压关系表达：RTp c = （3） 其中R 气体常数，T 是绝对温度。

将式（2）和式（3）代入（1）中可得M z p RT p k Z RT p t zg +⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂∂∂=⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂,μθ(4) 假定空间中渗透系数和温度恒定，式（4）可以表达M RTz p p Z k t p gg z θμθ+⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂∂∂=∂∂(5) 考虑在稳态的情况下M k RTdz dp p dz d zμ+⎭⎬⎫⎩⎨⎧=0(6) 定义M k RTzμα=(7) 式（6）可以写为0=+⎭⎬⎫⎩⎨⎧αdz dp p dz d（8） 式（8）非线性二阶常微分方程转换形式为⎭⎬⎫⎩⎨⎧=22p dz d dz dpp（9） 化简得α-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧2222p dz d（10） 将式（10）积分得κα+-=⎭⎬⎫⎩⎨⎧z p dz d 22（11）κ是积分常数，再次积分得λκα++--=z z p 2222 （12） 2.3压力随深度曲线通过引入新的常数β和γ ，式（12）可以写成γβα++-=z z p 2 （13） 只有一个正根具有物理意义，β和γ的值必须通过边界条件来确定。

式（10）是一个二阶常微分方程。

2.4两个边界都给定压力当上下边界的压力u p 和l p 都给时，β和γ可以通过式（13）计算得出。

uu u z z z p z p ---+=1222121ααβ （14a ）u u u z z p βαγ-+=22 （14b ）2.5一边给定压力 另一边给定流量 如果一个边界定义为i 压力定义为i p , 另一个边界定义为j ，气体流量定义为ω β可以通过后一种边界确定ωμ=j z z dz dp RT p k （15） 用表达式代替p ，代入（13）中ωβαμ=+-)2(21j z z RT k （16） 式（16）解得βωμαβzj k RT z 22+= (17a) 在另一方面，当压力在另外一边给定时，将β计算出的值代入到式（13）中，解得γ为i i i z z p βαγ-+=22 （17b ）3应用和结果 本节在示意图（1）中描述了上述垃圾填埋场发展模型的使用。

经调查气体在填埋场中的分布有一系列不同的回收方式，包括气体只在底部收集，气体只在顶部收集，或者从底部和顶部两者结合收集。

几个模型参数的影响做了评估。

除了已经注明的另外的参数包括垃圾渗透率21210m -，气体粘度)/(1037.15s m kg ⋅⨯-，温度C 25(气体生成)/(104.437s m kg ⋅⨯-被选中作为填埋场典型的条件，推导选用一般的甲烷生产潜能和气体生成速率参数对垃圾填埋气模型。

图1填埋场示意图在顶部指定压力在底部指定流量基于如上述和接下来几个场景的典型的填埋场参数，假设空隙中充满着气相，填埋气扩散系数与水进入空气中类似，在模型中气体压力范围内遇到的如下描述，最大的扩散流量和平流通量经计算为3101.1-⨯。

这说明填埋气中扩散流量可忽视地远小于平流通量，在工程角度这是可接受的省略。

3.1在无通量边界预测最大气压该模型第一次展示了在一个常见的有衬垫的填埋场中气体压力的形成过程。

在这节中，填埋场底部被认为是无通量边界，所有的气体向上运动散溢的大气中。

图2给出了估计基于方程式的气体压力剖面。

在这个场景中，在表面的压力为大气压，气体压力随深度增加，最大的压力在底部形成。

随着填埋场深度的增加，最大的气压力增加。

以35米高度为例，最大气压在底部已经超过了30厘米的水头高度。

以此类似的方式，产气率随着填埋场高度增加而增加，气体压力在填埋场中增加。

图2底部无流量压力随深度曲线图二中气体压力的大小可以引起设计工程师的兴趣，在默认的假设下模型中预测压力的水头高度达到30厘米，填埋场深度35米。

此时恰巧等于填埋成渗滤液最大的容许高度。

在一层渗滤液上的气体压力将会增加衬垫层上渗滤液的静水压力值。

通过适当的解释，管理机构需要考虑潜在的气体压力在渗滤液中，在设计中是否需要被考虑进去。

然而，这些潜在的影响确实证明，工程师需要考虑气体压力形成的影响和抽取天然气可能的要求。

尤其是当生物填埋场气体生成率增加时，将会导致更大的压力。

在图二中类似的压力曲线，在先前的研究中已经被展示。

在先前的研究中，填埋场底部被假定为无流量边界，但这可能不能够精确的描述现代垃圾填埋场。

高渗透性的排水材料被放置在衬垫顶部和垃圾体下部，保证渗滤液被排出。

这一层在填埋场中也被当做气体收集层。

在下面的部分中，模型将会使用渗滤液收层检验气体收集。

3.2渗滤液收集系统气体收集模型用来评定多大的抽气压力能够恰当的从填埋场中渗滤液收集系统中抽出气体。

以及不同的抽气压力分别能抽出多少的气体。

图3展示了在填埋场中不同的抽气压力形成的压力曲线。

填埋场顶部被设置为标准大气压，假定填埋场高度为20米。

图3中的一条曲线展示了当没有抽气流量时的压力曲线。

图3中也展示了抽气压力为生产率分别为25%，50%，100%的压力曲线。

当抽气系统被维持在大气式，50%的气体从底部渗滤液收集系统散逸。

在大多数现代填埋场中的情况是一些气体从底部被收集出去，但是底部不能维持足够底的气压力。

在模拟条件下，采用-10厘米水头的真空压力能够把填埋气全部抽出，一个附加的压力能够把气体全部抽到填埋场表面。

图3在不同收集率的情况下气体压力曲线在默认的参数下，模型表明将气体全部从填埋场中抽出具有可行性。

然而10厘米水头的负压在填埋场中的气体收集系统中难以实现。

所需要的抽气压力需要依赖几个因素，填埋场的深度，垃圾体的气体渗透系数。

这几个参数的影响已经被检验，并展示在在图4中，(a)中展示了3种气体压力曲线，每个情况中100%的填埋气被抽出。

默认的填埋场高度和渗透系数不变，但是产气率是变化的。

图中表明了，当填埋气生成率变大时，需要用更大的抽气负压才能保证将气体100%抽出。

这种增大的条件可能在湿润的填埋场环境中实现，比如生化填埋场。