城市固廢降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合行為及穩(wěn)定化研究.pdf

1、隨著工業(yè)化和城市化的高速發(fā)展，城市固廢產(chǎn)量大幅提高，我國城市固廢處理形勢十分嚴峻。區(qū)別于傳統(tǒng)工程土，固廢組分種類繁多，各組分性質(zhì)差異顯著，在被填埋后會發(fā)生復(fù)雜的生化降解反應(yīng)，產(chǎn)生大量滲濾液和填埋氣，其工程力學(xué)特性發(fā)生改變。填埋場中復(fù)雜的生化降解、液氣滲流、壓縮變形以及溶質(zhì)遷移行為相互耦合相互影響，穩(wěn)定化時間長達幾年至數(shù)十年，在服役過程中易發(fā)生填埋堆體失穩(wěn)滑坡、沉降變形、填埋氣體無序排放以及滲濾液滲漏污染地下水土四大類環(huán)境巖土工程問題。城

2、市固廢填埋場不僅是一種大型土工構(gòu)筑物，還是一個復(fù)雜的生物反應(yīng)器，深入研究填埋場穩(wěn)定化過程中多場相互作用規(guī)律是防控潛在環(huán)境災(zāi)變、解決填埋場中環(huán)境巖土工程問題的關(guān)鍵，對我國填埋場設(shè)計、施工以及運營管理均有重要意義。
　　本文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目“城市固體廢棄物填埋孕育環(huán)境災(zāi)害與可持續(xù)防控的基礎(chǔ)研究”(2012CB719800)的課題“填埋體多場相互作用及液氣調(diào)控”(2012CB719802)的資助下，開展了城市

3、固廢填埋場穩(wěn)定化過程中多場相互作用的理論研究，通過數(shù)值模擬方法研究城市固廢填埋場中降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合行為機理。本文主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)基于城市固廢生化降解特性提出了以纖維素為主要可降解底物，考慮含水率、底物含量以及VFA濃度影響的兩階段厭氧降解模型，該模型可用于計算固廢生化降解過程中的固相質(zhì)量損失、胞內(nèi)水釋放、填埋氣產(chǎn)生以及滲濾液中化學(xué)溶質(zhì)（VFA和甲烷菌）濃度的變化。
　　(2)總結(jié)了城市固廢包括壓縮

4、特性、液氣滲透特性、溶質(zhì)遷移特性在內(nèi)的工程力學(xué)特性。城市固廢的壓縮性會隨生化降解過程變化，可用應(yīng)力-降解壓縮模型描述固廢壓縮變形過程中的應(yīng)力及降解程度與應(yīng)變的關(guān)系。我國新鮮固廢相比發(fā)達國家固廢易壓縮，最終沉降量大。城市固廢持水特性以及液、氣滲流特性受生化降解和壓縮共同影響，van-Genutchen模型可用于描述固廢的持水曲線及計算固廢液、氣相對滲透系數(shù)。城市固廢滲濾液中化學(xué)溶質(zhì)遷移可通過對流、分子擴散、機械彌散以及吸附/解吸附四種方式

5、進行，溶質(zhì)遷移過程受孔隙水流速、孔隙幾何特性以及化學(xué)溶質(zhì)濃度梯度影響。
　　(3)基于城市固廢生化降解特性及工程力學(xué)特性，以生化降解為核心，建立了反應(yīng)填埋場中多場相互作用機理的城市固廢降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移三維耦合模型，耦合模型主要求解變量包括孔隙水壓、孔隙氣壓、位移以及滲濾液中VFA和甲烷菌濃度。采用有限元法對耦合模型進行了數(shù)值求解，并對模型求解結(jié)果進行了初步驗證。將耦合模型的應(yīng)用拓展到骨架可降解土類材料，分析了骨架可降解土與傳統(tǒng)

6、工程土飽和固結(jié)規(guī)律的差異，結(jié)果表明:對于骨架可降解土，在生化反應(yīng)或物理力學(xué)的作用下會發(fā)生固相質(zhì)量損失，導(dǎo)致骨架強度弱化、工程力學(xué)特性改變，在滲透系數(shù)不變的情況下孔壓消散速率慢，最終沉降量大，且沉降的發(fā)展滯后于孔壓消散過程。
　　(4)基于城市固廢降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型，針對填埋場中多場相互作用規(guī)律進行研究，結(jié)果表明固廢在固結(jié)過程中發(fā)生生化降解反應(yīng)，產(chǎn)生大量滲濾液和填埋氣，改變堆體中應(yīng)力場分布。壓縮會引起體積含水量增加，加速填

7、埋初期的固廢水解速率?？紫端疂B流會影響化學(xué)溶質(zhì)濃度場分布，通過主動調(diào)控改變化學(xué)溶質(zhì)濃度分布可以顯著改變固廢生化降解速率從而影響其固結(jié)行為。
　　(5)基于城市固廢降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型，對填埋場中典型工程問題進行分析，指出相比于低廚余固廢含量填埋場，以我國為代表的典型高廚余固廢含量填埋場在填埋初期會通過降解產(chǎn)生大量滲濾液，可導(dǎo)致堆體水位雍高、液氣運移相互阻滯，同時其固廢骨架弱化現(xiàn)象明顯，降解壓縮更大，固廢孔隙隨著齡期增加變得

8、疏松，可能使堆體在填埋高度增加的過程中出現(xiàn)突然塌陷現(xiàn)象。結(jié)合杭州天子嶺填埋場示范工程進行滲濾液回灌效果評估，結(jié)果表明滲濾液回灌技術(shù)通過調(diào)節(jié)填埋堆體中降解環(huán)境可加速我國典型高廚余固廢含量填埋場的穩(wěn)定化進程，有效降低滲濾液VFA濃度減輕污染負荷，解除酸化抑制使堆體進入穩(wěn)定甲烷化階段的時間大幅提前，增加填埋初期的降解產(chǎn)氣量，加速堆體沉降穩(wěn)定化。
　　(6)基于填埋場中多場相互作用規(guī)律研究，建立了包括生化降解、填埋氣產(chǎn)量以及堆體沉降三個方

9、面的填埋場穩(wěn)定化評價指標(biāo)體系。提出了現(xiàn)場取樣測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的填埋場穩(wěn)定化評估及預(yù)測方法。應(yīng)用此方法對西安江村溝填埋場穩(wěn)定化過程進行預(yù)測，并與低廚余固廢含量填埋場的穩(wěn)定化規(guī)律行比較，結(jié)果表明我國高廚余固廢含量填埋場穩(wěn)定化過程呈現(xiàn)明顯的分階段性，在填埋初期的快速降解階段C/L迅速下降，滲濾液中污染物濃度顯著升高，同時產(chǎn)生大量填埋氣，堆體沉降顯著。為防控的潛在環(huán)境災(zāi)變以及提高固廢資源化利用給出了快速降解階段的工程建議。
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10、提出填埋場沉降與容量簡化計算方法，對堆體沉降與固廢減量化處理的關(guān)系進行研究，結(jié)果表明同一個填埋場中固廢減量率隨填埋場埋深的增加而增加，填埋場高度越高固廢減量率越高。發(fā)展大型集約化填埋可以顯著提高土地利用效率，增強固廢減量化處理能力，對已有填埋場采取調(diào)控措施加速達到穩(wěn)定化狀態(tài)后進行擴建有助于緩解固廢產(chǎn)量不斷增加所帶來的環(huán)境壓力，是我國未來填埋處理技術(shù)的發(fā)展方向。針對不同運營措施對填埋場沉降與容量的影響進行參數(shù)分析，結(jié)果表明:提高初始壓實程

11、度可以顯著減少填埋過程中的沉降，有效提高庫容，填埋高度越低，提高壓實程度帶來的增容收益越大;調(diào)控降解環(huán)境對于增加庫容的效果有限，但可顯著減少工后沉降加速沉降穩(wěn)定化，有利于填埋場內(nèi)部設(shè)施維護;高滲濾液水位會降低固廢受到的上覆應(yīng)力，大幅降低填埋場庫容，滲濾液水位越高，固廢處理量越低。
　　(8)將三維降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型轉(zhuǎn)化為軸對稱形式，結(jié)合西安江村溝填埋場現(xiàn)場抽氣試驗研究了考慮堆體中滲濾液水位的填埋場抽氣豎井周圍填埋氣運移規(guī)

12、律，結(jié)果表明試驗所在區(qū)域固廢填埋齡期較短處于快速降解階段，降解產(chǎn)生的滲濾液補給量大、產(chǎn)氣速率快，在試驗過程中未觀測到明顯降水漏斗以及氣壓降壓漏斗。滲濾液水位以下填埋氣積聚嚴重，高飽和度區(qū)域抽氣豎井影響范圍很小，在計算抽氣井影響半徑時必須考慮堆體內(nèi)滲濾液水位以及降解產(chǎn)生滲濾液的影響。參數(shù)敏感性分析結(jié)果指出降低堆體水位可以顯著降低孔隙氣壓，提高抽氣豎井影響半徑，當(dāng)堆體滲濾液主水位不變時，抽氣豎井內(nèi)水位變化對豎井影響半徑的影響不明顯?；谏鲜?/p>