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(guó)城市固廢處理形勢(shì)十分嚴(yán)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(huì)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(chǎng)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(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾年至數(shù)十年，在服役過(guò)程中易發(fā)生填埋堆體失穩(wěn)滑坡、沉降變形、填埋氣體無(wú)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(wèn)題。城

2、市固廢填埋場(chǎng)不僅是一種大型土工構(gòu)筑物，還是一個(gè)復(fù)雜的生物反應(yīng)器，深入研究填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程中多場(chǎng)相互作用規(guī)律是防控潛在環(huán)境災(zāi)變、解決填埋場(chǎng)中環(huán)境巖土工程問(wèn)題的關(guān)鍵，對(duì)我國(guó)填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)管理均有重要意義。
　　本文在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)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(chǎng)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(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程中多場(chǎng)相互作用的理論研究，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究城市固廢填埋場(chǎng)中降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合行為機(jī)理。本文主要研究?jī)?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(jì)算固廢生化降解過(guò)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(huì)隨生化降解過(guò)程變化，可用應(yīng)力-降解壓縮模型描述固廢壓縮變形過(guò)程中的應(yīng)力及降解程度與應(yīng)變的關(guān)系。我國(guó)新鮮固廢相比發(fā)達(dá)國(guó)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(jì)算固廢液、氣相對(duì)滲透系數(shù)。城市固廢滲濾液中化學(xué)溶質(zhì)遷移可通過(guò)對(duì)流、分子擴(kuò)散、機(jī)械彌散以及吸附/解吸附四種方式

5、進(jìn)行，溶質(zhì)遷移過(guò)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(chǎng)中多場(chǎng)相互作用機(jī)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(duì)耦合模型進(jìn)行了數(shù)值求解，并對(duì)模型求解結(jié)果進(jìn)行了初步驗(yàn)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(duì)于骨架可降解土，在生化反應(yīng)或物理力學(xué)的作用下會(huì)發(fā)生固相質(zhì)量損失，導(dǎo)致骨架強(qiáng)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(guò)程。
　　(4)基于城市固廢降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型，針對(duì)填埋場(chǎng)中多場(chǎng)相互作用規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明固廢在固結(jié)過(guò)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(chǎng)分布。壓縮會(huì)引起體積含水量增加，加速填

7、埋初期的固廢水解速率。孔隙水滲流會(huì)影響化學(xué)溶質(zhì)濃度場(chǎng)分布，通過(guò)主動(dòng)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(duì)填埋場(chǎng)中典型工程問(wèn)題進(jìn)行分析，指出相比于低廚余固廢含量填埋場(chǎng)，以我國(guó)為代表的典型高廚余固廢含量填埋場(chǎng)在填埋初期會(huì)通過(guò)降解產(chǎn)生大量滲濾液，可導(dǎo)致堆體水位雍高、液氣運(yùn)移相互阻滯，同時(shí)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(guò)程中出現(xiàn)突然塌陷現(xiàn)象。結(jié)合杭州天子嶺填埋場(chǎng)示范工程進(jìn)行滲濾液回灌效果評(píng)估，結(jié)果表明滲濾液回灌技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)填埋堆體中降解環(huán)境可加速我國(guó)典型高廚余固廢含量填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化進(jìn)程，有效降低滲濾液VFA濃度減輕污染負(fù)荷，解除酸化抑制使堆體進(jìn)入穩(wěn)定甲烷化階段的時(shí)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(chǎng)中多場(chǎng)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(gè)方

9、面的填埋場(chǎng)穩(wěn)定化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。提出了現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合的填埋場(chǎng)穩(wěn)定化評(píng)估及預(yù)測(cè)方法。應(yīng)用此方法對(duì)西安江村溝填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與低廚余固廢含量填埋場(chǎng)的穩(wěn)定化規(guī)律行比較，結(jié)果表明我國(guó)高廚余固廢含量填埋場(chǎng)穩(wěn)定化過(guò)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(shí)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(chǎng)沉降與容量簡(jiǎn)化計(jì)算方法，對(duì)堆體沉降與固廢減量化處理的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明同一個(gè)填埋場(chǎng)中固廢減量率隨填埋場(chǎng)埋深的增加而增加，填埋場(chǎng)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(qiáng)固廢減量化處理能力，對(duì)已有填埋場(chǎng)采取調(diào)控措施加速達(dá)到穩(wěn)定化狀態(tài)后進(jìn)行擴(kuò)建有助于緩解固廢產(chǎn)量不斷增加所帶來(lái)的環(huán)境壓力，是我國(guó)未來(lái)填埋處理技術(shù)的發(fā)展方向。針對(duì)不同運(yùn)營(yíng)措施對(duì)填埋場(chǎng)沉降與容量的影響進(jìn)行參數(shù)分析，結(jié)果表明:提高初始?jí)簩?shí)程

11、度可以顯著減少填埋過(guò)程中的沉降，有效提高庫(kù)容，填埋高度越低，提高壓實(shí)程度帶來(lái)的增容收益越大;調(diào)控降解環(huán)境對(duì)于增加庫(kù)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(chǎng)內(nèi)部設(shè)施維護(hù);高滲濾液水位會(huì)降低固廢受到的上覆應(yīng)力，大幅降低填埋場(chǎng)庫(kù)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(duì)稱形式，結(jié)合西安江村溝填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)抽氣試驗(yàn)研究了考慮堆體中滲濾液水位的填埋場(chǎng)抽氣豎井周圍填埋氣運(yùn)移規(guī)

12、律，結(jié)果表明試驗(yàn)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(bǔ)給量大、產(chǎn)氣速率快，在試驗(yàn)過(guò)程中未觀測(cè)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(yán)重，高飽和度區(qū)域抽氣豎井影響范圍很小，在計(jì)算抽氣井影響半徑時(shí)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(shí)，抽氣豎井內(nèi)水位變化對(duì)豎井影響半徑的影響不明顯?；谏鲜?/p>