渗流场—应力场耦合作用下的垃圾填埋气体运移的数值分析

论文摘要

我国城市生活垃圾90%以上采用填埋的方式进行处置,每年向环境释放的垃圾填埋气体(Landfill Gas,简称LFG)达100万吨以上,由LFG引发的安全隐患和环境问题得到了社会各界的广泛关注。十一五期间,把主要污染物减排10%作为约束性指标列入规划,并制定了污染减排“三大体系”,CDM(清洁发展机制)进入我国,由于刚刚启动,为我们提供了一种机遇和挑战,因此,LFG是否具有开发价值,已成为国内外学者研究的热点和焦点问题。LFG在填埋场内的释放是一个极其复杂的动力学过程,固体颗粒的运动伴随在LFG演化迁移的整个过程,为此,本文提出了将垃圾填埋场视为非饱和传输介质的构想,在现有研究成果的基础上,主要对城市生活垃圾(MSW)中有机物降解规律和垃圾填埋场的沉降问题进行了初步研究,并考虑了渗流场、应力场耦合作用下LFG抽排过程中气体压力、饱和度及模型参数的灵敏度分析,为LFG的污染控制和资源化利用提供了理论依据和技术支持。主要成果包括以下几个方面:(1)深入分析了垃圾土的压缩机理和力学特性,提出了垃圾土水特征曲线参数模型,并对不同模型参数进行了参数灵敏度分析,研究了不同参数对对水分运移的影响规律,为土壤水分运动基本参数的选取提供技术依据;(2)通过对垃圾填埋体变形的影响因素的研究,得出了不同的垃圾成分对垃圾填埋体沉降的影响以及垃圾中有机物、无机物的比例不同对沉降的影响规律,为进一步研究垃圾填埋场稳定性提供了条件;(3)自行研制了一套MSW沉降监测仪器,结合有机质降解机理,确定合理的降解模型,并开展了四种工况条件(自然状态、温控状态、应力状态、降雨状态)下有机物降解引起的MSW沉降试验,测量降解过程中有机质降解率以及产生的水气质量的变化规律,分析了MSW沉降与时间之间的规律以及各因素对有机质降解的影响,为模型的建立和参数的选取提供理论依据;(4)融合室内试验研究及已有的现场监测试验结果,建立了LFG产气速率模型,并将其作为内源项引入LFG迁移控制方程,得到了渗流场及应力场两场耦合作用下LFG迁移的数学模型,为定量化地分析填埋场中污染物运移规律提供了科学指导;(5)采用Galerkin有限元法对模型进行了离散,给出了渗流场及应力场两场耦合控制方程的数值格式,利用编制的有限元程序进行动态可视化模拟,模拟结果表明:考虑耦合的气体压力的变化较未考虑耦合情况的气体压力小,主要由于非耦合中没有考虑应力场的影响,并且垃圾填埋场中都是分层压实填埋,因此存在上覆压力,以及垃圾本身自重,改变孔隙结构分布,孔隙度发生变化,同时影响气体压力变化,导致气压变小,因此,在填埋场的气体控制系统的优化设计及环境影响预测和评价时必需考虑耦合对气体运移的影响。以上的研究成果为垃圾填埋体沉降及垃圾填埋气体运移的动力学行为分析提供理论依据,同时可为垃圾填埋场的稳定性研究及垃圾填埋气体控制系统优化设计的实施提供技术支持,具有重要的指导意义和应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 垃圾填埋方法
• 1.2.2 垃圾气体运移的国内外研究现状
• 1.3 论文研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要工作
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 技术路线
• 1.4.3 关键性问题
• 1.4.4 创新之处
• 第2章 垃圾土的基本性质
• 2.1 垃圾土的组成与成分分析
• 2.1.1 垃圾土的物理组成
• 2.1.2 垃圾土的化学成分
• 2.1.3 垃圾土的矿构成分
• 2.2 垃圾土的基本性质指标
• 2.2.1 容重
• 2.2.2 含水量
• 2.2.3 孔隙率
• 2.2.4 透水性
• 2.2.5 持水率和凋蔫湿度
• 2.2.6 抗剪强度
• 2.3 垃圾的压缩变形特性
• 2.4 垃圾填埋气体动态迁移特性
• 2.4.1 垃圾填埋气体及其特点
• 2.4.2 垃圾填埋降解的阶段划分及其特点
• 2.4.3 垃圾填埋降解产气过程中有机物代谢
• 2.5 MSW 吸力量测
• 2.5.1 MSW 吸力影响因素
• 2.5.2 垃圾土壤水分特征曲线
• 2.5.3 垃圾土中水分运移模型的建立
• 2.5.4 数值模拟分析
• 2.5.5 模型参数的灵敏度分析
• 2.5.6 结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 有机物降解对填埋场沉降影响的研究
• 3.1 研究现状
• 3.2 生活垃圾中有机物降解的规律研究
• 3.3 试验设备
• 3.4 垃圾体基本参数测定方法
• 3.4.1 孔隙率n
• 3.4.2 天然密度试验
• 3.4.3 天然含水量试验
• 3.4.4 比重试验
• 3.4.5 有机质含量试验
• 3.5 试验计划
• 3.6 垃圾试样的制备
• 3.7 试验步骤
• 3.8 试验说明
• 3.9 试验结果分析
• 3.9.1 天然密度的试验结果及分析
• 3.9.2 天然含水量的试验结果及分析
• 3.9.3 比重的试验结果及分析
• 3.9.4 有机质含量的试验结果及分析
• 3.9.5 沉降速率与时间的变化关系
• 3.9.6 降解率与时间的变化关系
• 3.9.7 累积沉降量与时间的变化关系
• 3.9.8 孔隙率与时间的变化关系
• 3.9.9 孔隙率与沉降速率的变化关系
• 3.10 本文模型与现有各压缩沉降模型比较
• 3.11 本章小结
• 3.11.1 主要内容
• 3.11.2 存在的问题
• 第4章 渗流场-应力场耦合数值模型的建立
• 4.1 控制方程
• 4.1.1 应力场方程
• 4.1.2 渗流场方程
• 4.1.3 应力场-渗流场耦合模型
• 4.1.4 方程定解条件
• 4.2 有限元数值模型的建立
• 4.2.1 Galerkin 有限单元法
• 4.2.2 应力场的有限元方程
• 4.3 本章小结
• 第5章 数值模型的应用
• 5.1 应力场、渗流场耦合条件下LFG 迁移的数值仿真研究
• 5.1.1 无井抽气状态下的应力场与渗流场耦合分析
• 5.1.2 方程定解条件
• 5.1.3 耦合状态下的气体压力分析
• 5.1.4 单井抽气状态下的耦合分析
• 5.2 耦合非耦合对比分析
• 5.3 参数灵敏性分析
• 5.3.1 垃圾填埋体中含水量
• 5.3.2 填埋层固体渗透率分析
• 5.3.3 内源产气量w 分析
• 5.3.4 气体密度变化
• 5.4 填埋场沉降分析
• 5.5 模型与试验对比分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 有待于进一步研究解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参与的科研项目及取得研究的研究成果