不同降解阶段填埋垃圾体的气体渗透特性研究

将样品垃圾按不同压实密度填入测渗箱中( 新鲜 及混合垃圾为 0. 6, 0. 7, 0. 8, 0. 9 ∀ 103 kg m- 3, 腐熟 垃圾按 0. 8, 0. 9, 1. 0, 1. 1, 1. 2 ∀ 103 kg m- 3) , 并严格 密闭, 开启空气压缩机, 测量流量及垃圾体两端的压 差。改变流量, 可得在某种压实密度, 不同流量下的 渗透系数的变化情况。不同方向上的渗透系数通过 改变气流方向来测定。
式中: q, K , J 为张量, q 为流过垃圾体的气体流
量, m3 m- 2s- 1; K 为渗透系数, m2 ( Pa s) - 1; J 为流
经垃圾体气体的压力梯度, Pa m- 1。
考虑实际填埋中垃圾在水平方向( x, y 方向) 受力
基本相同, 所以可以认为填埋垃圾体在 x, y 方向的渗
加, K h、K v 值降低, 用最小二乘法对实验结果进行回 归分析得出, 渗透系数 K h、K v 与含水率 呈线性函 数关系( 相关系数 R2 #0 89) , 见图 4。新鲜垃圾、腐 熟垃圾渗透系数K h、K v 均随含水率 的增加呈线性 规律递减, 表明垃圾体中含水率的增加对渗透系数 的影响不如压实密度的增加那样显著。 2. 3 垃圾体不同方向上渗透系数的变化
由于压实密度对渗透系数的影响十分显著, 在 填埋气收集系统规划设计时, 要根据 不同填埋场具 体情况, 充分考虑压实密度不同对填 埋气迁移运动 所带来的影响。 2. 2 含水率对渗透系数的影响
垃圾在填埋降解过程中, 垃圾体 中含水率受垃 圾自身带水、自然降水、有机垃圾降解释出水份以及 蒸发等因素的影响, 在不同降解阶段 含水率波动较 大, 特别是在垃圾填埋的初期, 垃圾体中含水率是比 较高的, 而在腐熟阶段含水率下降较多。因此, 了解 垃圾在不同降解阶段渗透系数随含水率的变化对填 埋气迁移有重要意义。本次实验分别测定了新鲜生 活垃圾、腐熟垃圾在不同含水率下的渗透系数. 新鲜 垃圾初始含水率为 44. 3% , 在压实密度为 0. 9 t m- 3 时, 其饱和含水率约为 48. 5% 。腐熟垃圾初始含水 率为 9. 3% , 饱和含水率为 29. 9% 。测定结果表明, 在同一压实密度下, 随着填埋垃圾体含水率 的增
透系数相同, 即 K xx= K yy, 若将 K xx, K yy表示成横向渗
透系数 K h; K zz为竖向渗透系数 K v, 则填埋垃圾体的 渗透特性 K 可用二秩张量( K h, K v) 来反映。根据 J.
Bear 的研究[ 4] , 对于二秩对称张量渗透系数 K , 在三
个相互正交 的坐标轴中, 张量的矩 阵具有对角 线形
Study on Gas Permeability of Compacted MSW under Different Decomposing Stage; PENG Xu ya, YU Yi, LIU Guo tao ( Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China) Abstract: In this paper, a method for measuring gas permeability Kh, Kv of compacted MSW under different compacted densities and different water contents by a landfill lysimeter has been proposed. Gas permeability of compacted MSW in three decomposing stages ( fresh MSW, half decomposed, and full decomposed) were studied by this method. The results indicate that gas permeability Kh , Kv decline with compacted density increment in exponential relation for all three decomposing stage MSW and decline with water content in crease in linear relation for fresh and full decomposed MSW; Compacted MSW in three decomposing stages has typical feature of hetero geneous porous media. In typical compacted densities, gas permeability K h in horizontal direction are 3. 5~ 27. 3 times of K v in vertical direction ( compacted direction) ; Keywords: MSW; decomposing; landfill gas; gas permeability; compacted density
式, 则( 1) 式变为:
收稿日期: 2002- 06- 25 修回日期: 2002- 09- 25 基金项目: 国家自然科学基金( 项目编号: 59978053) 作者简介: 彭绪亚( 1963- ) , 男, 重庆人, 副教授, 主要从事环境工程研究。
中国沼气 Chian Biogas 2003, 21 ( 1)
表 1 不同降解阶 段气体渗透系数随压实密度的变化情况
压实密度
/ 103kg m- 3
0. 6
0. 7
0. 8
0. 9
1. 0
1. 1
1. 2
Kv / 10- 5m2 ( Pa s) - 1
3. 96
0. 849
0. 182
0. 102
-
-
-
新鲜垃圾
K h / 10- 5m2 ( Pa s) - 1
10
中国沼气 Chian Biogas 2003, 21 ( 1)
关系数 R #0. 95) , 见图 2, 图 3。由图中可见, 随着压 实密度 的增加, 垂直方向渗透系数 K v 较水平方向
渗透系数 K h 下降更快, 说明压实密度对 K v 比 K h 影 响更大, 特别对于腐熟垃圾和混合垃圾更是如此。
4. 68
0. 910
0. 247
0. 086
0. 036
6. 47
3. 17
1. 47
0. 687
0. 233
根据多孔介质流体力学理论知道, 多孔介质的渗 透特性直接与介质内孔隙率有关, 且与压实程度呈负
指数关 系[ 4] 。三 种不 同 降解 阶段 垃 圾的 渗 透系 数 K h, K v 随压实密度的变化均较好地满足这一规律( 相
进、排气箱间( 即被测垃圾体两端) 用塑料导气管连接 一微压计, 以测定垃圾体两端的气压差; 气体由小型 空气压缩机 供给, 经 稳压箱稳压均 流后送入测 渗装 置, 气体流量用调节阀进行调节。 1. 3 实验材料及实验方法
本次实验分别以新鲜垃圾、腐熟垃圾、以及新鲜 垃圾和腐熟垃圾的混合物为实验对象, 分别反映垃圾 刚进入填埋场、腐熟过程中及充分腐熟三种不同降解 状态。新鲜垃圾取自重庆市沙坪坝区一垃圾转运站, 垃圾主要成分是易腐厨余垃圾、纸类、橡塑类、木竹、 煤灰、尘土等; 腐熟垃圾取自重庆市一垃圾填埋场, 填 埋时间 12 年; 用新鲜垃圾和腐熟垃圾的混合物( 各占 50% , 重量百分比) 代表腐熟过程中的垃圾。对上述 三组样品垃圾分别测定其气体渗透系数以反映填埋 垃圾在不同降解阶段的气体渗透特性。样品垃圾每 次取样 30 kg。
垃圾填埋降解过程中会产生大量的填 埋气 ( Landfill gas) , 对环境污染大, 持续时间长, 且存在 易 燃、易爆的危险, 是垃圾填埋的主要污染物。建立导 气系统对填埋气进行控制, 是现代卫生填埋的关键技 术之一。把握填埋气在不同降解阶段垃圾体中的迁 移特性, 是填埋气污染控制与回收利用工程的重要基 础, 国内目前还较少有这方面研究的报道[ 1] , 这种状 况与我国填埋气污染控制与资源化利用的迫切需要 有较大差距。本文通过对模拟填埋垃圾体气体渗透 特性的测定, 研究了垃圾体不同降解阶段气体渗透特 性的差异, 并测定了垃圾体在不同方向、不同压实密 度下渗透系数的变化情况。本实验研究结果可为填 埋气污染控制与回收利用工程实践提供参考依据。
1 实验的理论依据及方法
1. 1 实验理论依据 填埋垃圾体是一种气、液、固三相共存的复合体
系, 是典型的各向异性多孔介质。研究表明, 填埋气 在垃圾体中的迁移 运动满足 Darcy 定理[ 2, 3] , 对于各 向异性介质, Darcy 定律可写为如下形式[ 4] :
q= K J
( 1)
或:
qi = KijJj ( i , j = x , y , z )
29. 8
10. 5
3. 54
1. 16
-
-
-
Kv / 10- 5m2 ( Pa s) - 1
4. 62
0. 632
0. 186
0. 059
-
-
-
混合垃圾
K h / 10- 5m2 ( Pa s) - 1
18. 8
8. 32
3. 98
1. 61
-
-
-
腐熟垃圾
Kv / 10- 5m2 ( Pa s) - 1 K h / 10- 5m2 ( Pa s) - 1
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中国沼气 Chian Biogas 2003, 21 ( 1)
不同降解阶段填埋垃圾体的气体渗透特性研究
彭绪亚, 余 毅, 刘国涛