城市生活垃圾固液氣耦合壓縮試驗(yàn)和理論研究.pdf

1、城市生活垃圾，又稱城市固體廢棄物(MunicipalSolidWaste簡(jiǎn)稱MSW)，是指在城市居民日常生活中或?yàn)槌鞘腥粘Ｉ钐峁┓?wù)的活動(dòng)中產(chǎn)生的固體廢棄物。衛(wèi)生填埋法是我國(guó)目前處理MSW的主要手段，而且作為MSW處理的終極方法必將長(zhǎng)期存在。垃圾堆體的變形、穩(wěn)定、填埋氣體的遷移以及滲濾液通過(guò)襯墊系統(tǒng)的滲漏與擴(kuò)散是填埋場(chǎng)建設(shè)中的四個(gè)主要環(huán)境巖土工程問(wèn)題。 MSW的工程特性以及填埋場(chǎng)中滲流、變形及穩(wěn)定機(jī)理比傳統(tǒng)的土力學(xué)更為復(fù)雜，

2、而導(dǎo)致這些機(jī)理復(fù)雜性的根本原因是填埋場(chǎng)中固、液、氣相互影響或耦合作用。本文從MSW工程特性、固液氣相互作用試驗(yàn)、壓縮機(jī)理、沉降計(jì)算方法和固液氣相互作用數(shù)學(xué)模型等幾個(gè)方面對(duì)填埋場(chǎng)固液氣相互作用問(wèn)題進(jìn)行研究?？偨Y(jié)了環(huán)境工程學(xué)中關(guān)于MSW穩(wěn)定化進(jìn)程的研究成果，研制了MSW固液氣相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)(發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?00510060477.x)。試驗(yàn)系統(tǒng)具有溫度控制、滲濾液回灌、加壓、氣體和液體收集等功能，能模擬填埋場(chǎng)中MSW的生化和應(yīng)力狀態(tài)。5

3、kg人工配制的MSW試樣裝入直徑為190mm的試樣室(試樣初始高度為320mm)，在150kPa壓力下進(jìn)行降解壓縮試驗(yàn)的結(jié)果表明，溫度是影響降解的主要因素，回灌能加快產(chǎn)氣速率，在400kPa的氣壓下(絕對(duì)氣壓)，降解仍能繼續(xù)進(jìn)行。在溫度為41℃和回灌的條件下，6個(gè)月后降解已基本完成；氣相色譜/質(zhì)譜分析結(jié)果表明，氣體組分主要為CH4、CO2和H2O。保持試樣室容積不變，并處于密閉不透氣狀態(tài)，在高速產(chǎn)氣階段，試樣室氣壓在7d內(nèi)增加了150k

4、Pa。初始孔隙比為3.93的試樣降解完成后，總的應(yīng)變?yōu)?.44，其中主壓縮應(yīng)變?yōu)?.20，降解壓縮應(yīng)變?yōu)?.24。采用產(chǎn)氣量作為垃圾降解程度指標(biāo)，初步確定以最后3d的產(chǎn)氣量小于總產(chǎn)氣量1％作為垃圾降解完成的標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)的變形量作為垃圾的最終變形量。 建立了考慮降解的一維固、液、氣三相耦合的固結(jié)模型。模型把填埋場(chǎng)簡(jiǎn)化為非穩(wěn)定單向滲流場(chǎng)，把垃圾視為以粗粒成分占優(yōu)的大孔隙介質(zhì)，假定基質(zhì)吸力可以忽略。模型把已降解的固相作為匯項(xiàng)，把降解產(chǎn)

5、生的氣體和液體作為源項(xiàng)，采用了Gibson和Lo一維壓縮流變模型及Landgem產(chǎn)氣方程，結(jié)合了達(dá)西定律、氣體狀態(tài)方程、有效應(yīng)力原理和多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)理論。垃圾堆填時(shí)產(chǎn)生的超孔隙壓力按Hilf分析法計(jì)算。運(yùn)用差分法對(duì)固氣耦合問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值求解。計(jì)算結(jié)果表明：氣壓隨深度增加而增大，透氣率大的填埋場(chǎng)其氣壓消散速率快。氣壓增加，導(dǎo)致填埋場(chǎng)沉降速率和容量減小。在垃圾堆填期，氣壓隨時(shí)間增加而增大，封場(chǎng)后，氣壓逐漸消散。 對(duì)MSW壓縮機(jī)

6、理進(jìn)行了研究，提出了一維壓縮模型。將MSW的孔隙分為初始孔隙和降解孔隙，初始孔隙是指填埋場(chǎng)中經(jīng)過(guò)預(yù)壓后的垃圾的孔隙，降解孔隙是指垃圾中的有機(jī)質(zhì)降解所產(chǎn)生的孔隙。MSW壓縮包括主壓縮和降解壓縮。主壓縮是指對(duì)初始孔隙的壓縮，與壓力有關(guān)。降解壓縮是指對(duì)降解孔隙的壓縮和對(duì)初始孔隙的再壓縮。降解壓縮不僅與壓力有關(guān)，而且與降解條件有關(guān)。降解條件包括可降解有機(jī)質(zhì)含量和降解速率。降解壓縮的物理本質(zhì)是由于降解導(dǎo)致垃圾的壓縮模量減小。 建立了考慮