高廚余垃圾生化-水力-力學(xué)相互作用大型模型試驗(yàn)及應(yīng)用.pdf

1、目前，我國城市生活垃圾的年產(chǎn)生量已達(dá)到2.4億噸，且仍以每年8-10％高速增長。“無害化、減量化、資源化”填埋是我國當(dāng)前及今后可預(yù)見時(shí)期內(nèi)處理城市生活垃圾的必然選擇和主要方式。深入研究高廚余垃圾生化-水力-力學(xué)相互作用規(guī)律，有助于控制和解決高廚余垃圾填埋場的填埋體失穩(wěn)流滑、滲濾液滲透、填埋氣擴(kuò)散等環(huán)境巖土工程問題。
　　本文在國家重點(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”(201

2、2CB719800)的課題“填埋體多場相互作用及液氣調(diào)控”(2012CB719802)的資助下，開展了高廚余垃圾填埋體大型模型和填埋柱試驗(yàn)，研究了生化-水力-力學(xué)相互作用規(guī)律，建立了持水量模型和液氣傳導(dǎo)模型，提出了填埋場滲濾液產(chǎn)量評(píng)估、液氣運(yùn)移相互阻滯控制以及控制災(zāi)變?cè)吹姆蛛A段調(diào)控等方法，主要獲得了以下結(jié)論:
　　(1)大型模型試驗(yàn)方法:開展了CELL1和CELL2兩組大型模型試驗(yàn)，模型尺寸分別為5.0×5.0×7.5m和5.0×

3、4.2×7.5m，試驗(yàn)歷時(shí)分別為1050天和710天，分別研究豎向一維和軸對(duì)稱二維液氣傳導(dǎo)條件下的高廚余垃圾生化-水力-力學(xué)相互作用規(guī)律;通過垃圾層頂部加載模擬了上覆填埋荷載，通過水位升降和通氣試驗(yàn)分別測(cè)試了液相和氣相滲透系數(shù)，通過熟化滲濾液和升溫后的滲濾液回灌研究了加速降解調(diào)控效果;監(jiān)測(cè)了滲濾液收集量、水位、土壓力、沉降、溫度、滲濾液水質(zhì)（包括pH、COD、BOD、VFA、氨氮、堿度等）和填埋氣組分（包括CH4、CO2、O2等）。同時(shí)

4、，利用TDR、ERT和氣壓管測(cè)試了垃圾體的液氣賦存形態(tài)，揭示了重力水排空狀態(tài)下滯水層的存在以及液面以下垃圾體內(nèi)孔隙氣壓力的累積-消散現(xiàn)象，孔隙氣壓力消散前的峰值壓力高于孔隙水壓力值1～13 kPa。
　　(2)垃圾自身產(chǎn)液規(guī)律及填埋場滲濾液產(chǎn)量評(píng)估方法:高廚余垃圾填埋2個(gè)月后，在全覆蓋和重力導(dǎo)排條件下，自身滲濾液產(chǎn)量可達(dá)垃圾填埋量的26.5～29.4％，為1年內(nèi)總產(chǎn)量的96％;高廚余垃圾自身產(chǎn)液量占我國南方填埋場滲濾液總產(chǎn)量的55

5、～70％以上;填埋柱試驗(yàn)結(jié)果揭示了高廚余垃圾的持水量隨降解時(shí)間呈指數(shù)形式下降，隨上覆應(yīng)力呈半對(duì)數(shù)線性下降的變化規(guī)律，且持水量的變化與應(yīng)力路徑無關(guān);建立了考慮應(yīng)力壓縮和生化降解作用的持水量預(yù)測(cè)模型，提出了增大高廚余垃圾堆體的脫水速率和脫水量的工程建議;提出了考慮降雨入滲量、垃圾自身產(chǎn)液量和垃圾填埋進(jìn)程的高廚余垃圾填埋場滲濾液產(chǎn)量評(píng)估方法，計(jì)算結(jié)果與杭州天子嶺第二填埋場的滲濾液產(chǎn)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好。
　　(3)滲濾液水位壅高及其對(duì)應(yīng)力

6、場的影響:高廚余垃圾填埋完成后，滲濾液水位達(dá)到垃圾體厚度88％，豎向堆載32.2 kPa后，水位超過垃圾層頂面1.7 m以上;造成高廚余垃圾填埋體滲濾液水位高的原因主要包括垃圾自身產(chǎn)液量大、壓縮變形量大和液面以下淤積氣體量大;其中，液面以下淤積氣體對(duì)滲濾液水位的貢獻(xiàn)為22～28％;滲濾液水位快速壅高后，垃圾的自重有效應(yīng)力接近于0 kPa，降低水位可使自重有效應(yīng)力發(fā)揮作用，增大上覆荷載可進(jìn)一步提高有效應(yīng)力。
　　(4)液氣運(yùn)移相互阻

7、滯規(guī)律及分離立體導(dǎo)排方法:液面以下垃圾體含氣量從13％上升至21％時(shí)，液相滲透系數(shù)從10-5 m/s量級(jí)下降至10-6 m/s量級(jí);水位下降過程中，液面以下垃圾體內(nèi)淤積的氣體膨脹，含氣量增大，液相滲透系數(shù)降低;基于達(dá)西定律、vG-M模型和Kozeny-Carman模型，建立了高廚余垃圾的液氣傳導(dǎo)模型，揭示了液氣運(yùn)移相互阻滯規(guī)律;提出了高廚余垃圾填埋場的液氣分離立體導(dǎo)排系統(tǒng)，并在深圳下坪和杭州天子嶺填埋場得到了成功應(yīng)用，滲濾液水位降低了5

8、-10m，填埋氣收集量和收集率提高了2-4倍，同時(shí)增強(qiáng)了垃圾堆體的穩(wěn)定性。(5)應(yīng)力和降解作用下的壓縮規(guī)律。高廚余垃圾填埋2個(gè)月后，壓縮應(yīng)變量可達(dá)33～47％，為1年內(nèi)總壓縮應(yīng)變量的94～96％;新鮮高廚余垃圾的修正主壓縮系數(shù)C'C為0.323-0.381，降解2.5年后降至0.215;胞內(nèi)水析出壓縮造成新鮮高廚余垃圾的C'C顯著高于新鮮低廚余和老齡期高廚余垃圾;液面以下垃圾體內(nèi)孔隙氣壓力的積聚導(dǎo)致回彈變形的出現(xiàn);填埋柱試驗(yàn)結(jié)果揭示了高

9、廚余垃圾的壓縮應(yīng)變隨降解時(shí)間呈指數(shù)形式下降，隨上覆應(yīng)力呈半對(duì)數(shù)線性下降的變化規(guī)律，且壓縮應(yīng)變的變化與應(yīng)力路徑無關(guān)。
　　(6)生化降解規(guī)律及加速降解方法:高廚余垃圾填埋初期滲濾液VFA迅速升高抑制了產(chǎn)甲烷進(jìn)程，采用熟化滲濾液回灌措施可以加速產(chǎn)甲烷;垃圾體溫度低于20℃時(shí)，甲烷化反應(yīng)減緩，采用升溫后的滲濾液回灌措施能夠提高垃圾體溫度，并加速甲烷化;高廚余垃圾厭氧降解過程中滲濾液氨氮濃度持續(xù)上升，通過間歇性通風(fēng)供氧措施能夠有效降低氨氮

10、濃度;高廚余垃圾填埋后2個(gè)月內(nèi)，10～13％產(chǎn)氣潛力隨滲濾液導(dǎo)排而流失。
　　(7)填埋場降解穩(wěn)定化過程及分階段調(diào)控方法:利用大型模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了生化-水力-力學(xué)耦合理論模型，獲得了可用于高廚余垃圾填埋體耦合理論模擬的全套參數(shù);基于課題組提出的以水解度、胞內(nèi)水釋放度、產(chǎn)甲烷度和固結(jié)度作為評(píng)估指標(biāo)，現(xiàn)場鉆孔取樣測(cè)試與耦合理論模擬相結(jié)合的高廚余垃圾填埋場的穩(wěn)定化評(píng)估方法，將高廚余垃圾填埋場的穩(wěn)定化過程劃分為快速降解、慢速降解和后穩(wěn)定