高厨余垃圾生化—水力—力学相互作用大型模型试验及应用

发布时间：2018-03-04 20:23

本文选题：城市生活垃圾　切入点：高厨余　出处：《浙江大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：目前,我国城市生活垃圾的年产生量已达到2.4亿吨,且仍以每年8-10%高速增长。“无害化、减量化、资源化”填埋是我国当前及今后可预见时期内处理城市生活垃圾的必然选择和主要方式。深入研究高厨余垃圾生化-水力-力学相互作用规律,有助于控制和解决高厨余垃圾填埋场的填埋体失稳流滑、渗滤液渗透、填埋气扩散等环境岩土工程问题。本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究”(2012CB719800)的课题“填埋体多场相互作用及液气调控”(2012CB719802)的资助下,开展了高厨余垃圾填埋体大型模型和填埋柱试验,研究了生化-水力-力学相互作用规律,建立了持水量模型和液气传导模型,提出了填埋场渗滤液产量评估、液气运移相互阻滞控制以及控制灾变源的分阶段调控等方法,主要获得了以下结论:(1)大型模型试验方法:开展了 CELL1和CELL2两组大型模型试验,模型尺寸分别为5.O×5.O×7.5m和5.O×4.2×7.5m,试验历时分别为1050天和710天,分别研究竖向一维和轴对称二维液气传导条件下的高厨余垃圾生化-水力-力学相互作用规律;通过垃圾层顶部加载模拟了上覆填埋荷载,通过水位升降和通气试验分别测试了液相和气相渗透系数,通过熟化渗滤液和升温后的渗滤液回灌研究了加速降解调控效果;监测了渗滤液收集量、水位、土压力、沉降、温度、渗滤液水质(包括pH、COD、BOD、VFA、氨氮、碱度等)和填埋气组分(包括CH4、CO2、O2等)。同时,利用TDR、ERT和气压管测试了垃圾体的液气赋存形态,揭示了重力水排空状态下滞水层的存在以及液面以下垃圾体内孔隙气压力的累积-消散现象,孔隙气压力消散前的峰值压力高于孔隙水压力值1～13 kPa。(2)垃圾自身产液规律及填埋场渗滤液产量评估方法:高厨余垃圾填埋2个月后,在全覆盖和重力导排条件下,自身渗滤液产量可达垃圾填埋量的26.5～29.4%,为1年内总产量的96%;高厨余垃圾自身产液量占我国南方填埋场渗滤液总产量的55～70%以上;填埋柱试验结果揭示了高厨余垃圾的持水量随降解时间呈指数形式下降,随上覆应力呈半对数线性下降的变化规律,且持水量的变化与应力路径无关;建立了考虑应力压缩和生化降解作用的持水量预测模型,提出了增大高厨余垃圾堆体的脱水速率和脱水量的工程建议;提出了考虑降雨入渗量、垃圾自身产液量和垃圾填埋进程的高厨余垃圾填埋场渗滤液产量评估方法,计算结果与杭州天子岭第二填埋场的渗滤液产量实测数据吻合较好。(3)渗滤液水位壅高及其对应力场的影响:高厨余垃圾填埋完成后,渗滤液水位达到垃圾体厚度88%,竖向堆载32.2 kPa后,水位超过垃圾层顶面1.7 m以上;造成高厨余垃圾填埋体渗滤液水位高的原因主要包括垃圾自身产液量大、压缩变形量大和液面以下淤积气体量大;其中,液面以下淤积气体对渗滤液水位的贡献为22～28%;渗滤液水位快速壅高后,垃圾的自重有效应力接近于0kPa,降低水位可使自重有效应力发挥作用,增大上覆荷载可进一步提高有效应力。(4)液气运移相互阻滞规律及分离立体导排方法:液面以下垃圾体含气量从13%上升至21%时,液相渗透系数从10-5 m/s量级下降至10-6 m/s量级;水位下降过程中,液面以下垃圾体内淤积的气体膨胀,含气量增大,液相渗透系数降低;基于达西定律、vG-M模型和Kozeny-Carman模型,建立了高厨余垃圾的液气传导模型,揭示了液气运移相互阻滞规律;提出了高厨余垃圾填埋场的液气分离立体导排系统,并在深圳下坪和杭州天子岭填埋场得到了成功应用,渗滤液水位降低了 5-10m,填埋气收集量和收集率提高了 2-4倍,同时增强了垃圾堆体的稳定性。(5)应力和降解作用下的压缩规律。高厨余垃圾填埋2个月后,压缩应变量可达33～47%,为1年内总压缩应变量的94～96%;新鲜高厨余垃圾的修正主压缩系数C'C为0.323-0.381,降解2.5年后降至0.215;胞内水析出压缩造成新鲜高厨余垃圾的C'c显著高于新鲜低厨余和老龄期高厨余垃圾;液面以下垃圾体内孔隙气压力的积聚导致回弹变形的出现;填埋柱试验结果揭示了高厨余垃圾的压缩应变随降解时间呈指数形式下降,随上覆应力呈半对数线性下降的变化规律,且压缩应变的变化与应力路径无关。(6)生化降解规律及加速降解方法:高厨余垃圾填埋初期渗滤液VFA迅速升高抑制了产甲烷进程,采用熟化渗滤液回灌措施可以加速产甲烷;垃圾体温度低于20℃时,甲烷化反应减缓,采用升温后的渗滤液回灌措施能够提高垃圾体温度,并加速甲烷化;高厨余垃圾厌氧降解过程中渗滤液氨氮浓度持续上升,通过间歇性通风供氧措施能够有效降低氨氮浓度;高厨余垃圾填埋后2个月内,10～13%产气潜力随渗滤液导排而流失。(7)填埋场降解稳定化过程及分阶段调控方法:利用大型模型试验结果验证了生化-水力-力学耦合理论模型,获得了可用于高厨余垃圾填埋体耦合理论模拟的全套参数;基于课题组提出的以水解度、胞内水释放度、产甲烷度和固结度作为评估指标,现场钻孔取样测试与耦合理论模拟相结合的高厨余垃圾填埋场的稳定化评估方法,将高厨余垃圾填埋场的稳定化过程划分为快速降解、慢速降解和后稳定化三个阶段,并提出了控制灾变源的分阶段调控方法。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X799;TU43

【参考文献】