渗流场-应力场耦合作用下的垃圾填埋气体运移的数值分析
我国城市生活垃圾90％以上采用填埋的方式进行处置，每年向环境释放的垃圾填埋气体(简称LFG)达100 万吨以上，由LFG 引发的安全隐患和环境问题得到了社会各界的广泛关注。十一五期间，把主要污染物减排10％作为约束性指标列入规划，并制定了污染减排“三大体系”，CDM（清洁发展机制）进入我国，由于刚刚启动，为我们提供了一种机遇和挑战，因此，LFG 是否具有开发价值，已成为国内外学者研究的热点和焦点问题。LFG 在填埋场内的释放是一个极其复杂的动力学过程，固体颗粒的运动伴随在LFG 演化迁移的整个过程，为此，本文提出了将垃圾填埋场视为非饱和传输介质的构想，在现有研究成果的基础上，主要对城市生活垃圾（MSW）中有机物降解规律和垃圾填埋场的沉降问题进行了初步研究，并考虑了渗流场、应力场耦合作用下LFG 抽排过程中气体压力、饱和度及模型参数的灵敏度分析，为LFG 的污染控制和资源化利用提供了理论依据和技术支持。主要成果包括以下几个方面： (1) 深入分析了垃圾土的压缩机理和力学特性，提出了垃圾土水特征曲线参数模型，并对不同模型参数进行了参数灵敏度分析，研究了不同参数对对水分运移的影响规律，为土壤水分运动基本参数的选取提供技术依据； (2) 通过对垃圾填埋体变形的影响因素的研究，得出了不同的垃圾成分对垃圾填埋体沉降的影响以及垃圾中有机物、无机物的比例不同对沉降的影响规律，为进一步研究垃圾填埋场稳定性提供了条件； (3) 自行研制了一套MSW 沉降监测仪器，结合有机质降解机理，确定合理的降解模型，并开展了四种工况条件(自然状态、温控状态、应力状态、降雨状态)下有机物降解引起的MSW 沉降试验，测量降解过程中有机质降解率以及产生的水气质量的变化规律，分析了MSW 沉降与时间之间的规律以及各因素对有机质降解的影响，为模型的建立和参数的选取提供理论依据； (4) 融合室内试验研究及已有的现场监测试验结果，建立了LFG 产气速率模型，并将其作为内源项引入LFG 迁移控制方程，得到了渗流场及应力场两场耦合作用下LFG 迁移的数学模型，为定量化地分析填埋场中污染物运移规律提供了科学指导； (5) 采用Galerkin 有限元法对模型进行了离散，给出了渗流场及应力场两场耦合控制方程的数值格式，利用编制的有限元程序进行动态可视化模拟，模拟结果表明：考虑耦合的气体压力的变化较未考虑耦合情况的气体压力小，主要由于非耦合中没有考虑应力场的影响，并且垃圾填埋场中都是分层压实填埋，因此存在上覆压力，以及垃圾本身自重，改变孔隙结构分布，孔隙度发生变化，同时影响气体压力变化，导致气压变小，因此，在填埋场的气体控制系统的优化设计及环境影响预测和评价时必需考虑耦合对气体运移的影响。 以上的研究成果为垃圾填埋体沉降及垃圾填埋气体运移的动力学行为分析提供理论依据，同时可为垃圾填埋场的稳定性研究及垃圾填埋气体控制系统优化设计的实施提供技术支持，具有重要的指导意义和应用价值。
- 作者：
- 杨勇
- 学位授予单位：
- 武汉工业学院
- 专业名称：
- 机械设计及理论
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2008年
- 导师姓名：
- 薛强；刘建军
- 中图分类号：
- X705
- 关键词：
- 渗流场；应力场；垃圾填埋；气体运移
- landfill gas；seepage field；stress field；numerical simulation；organic matter degradation；sensitivity analysis；resource utilization
- 基金项目：
- 国家自然科学%武汉市青年科技晨光计划