垃圾填埋场在水平收集条件下一维气体运移模型

垃圾填埋场在水平收集条件下一维气体运移模型

【摘要】：在垃圾填埋场中的水平层上部和下部提取沼气越来越常见，一维稳态垃圾填埋气模型开发用于协助评估和设计收集系统。模型可用模拟一层垃圾气体压力分布在各种操作条件，包括上部和下部边界给定的流量和压力，该模型可预测填埋场中最大压力的位置，已经能够形成多大的真空压力，必须应用于特定气体收集在水平集气层。模型的实用程序说明了几个感兴趣的场景。在一个垃圾填埋渗滤液收集系统，如果没有气体收集，相当大的气体压力可以在底部形成，垃圾填埋场渗滤液收集系统在开始设计时就应考虑，影响真空参数包括：垃圾深度产气率。垃圾的渗透系数的评价表明不单独依赖渗滤液收集系统用来移除气体，因此模型可用来说明一个水平在衬垫下层结合气体从底部抽取的垃圾填埋场。提出了几个建议用于改善垃圾填埋场气体收集效率。

1介绍

在美国城市固体垃圾填埋场通常配备垃圾填埋气收集系统来满足监管要求,解决环境和安全问题并控制的气味。传统的垃圾填埋场气体收集方法涉及到在垃圾体中安装大半径竖井和随后应用真空方法在腐烂的垃圾中提取沼气（主要是是甲烷和二氧化碳）。当一个垃圾体填埋场达到最终阶段和配有一个低渗透率的覆盖层时，竖井的使用是最有效的。然而在一些情况下，垃圾填埋场运营商面对在垃圾填埋场达到最终阶段之前早些时候释放气体时收集气体的需要。例如美国环境保护局发表新能源性能标准指导表明大型填埋场要处理每年至少50吨非甲烷有机物。为防止超过规定非甲烷有机物排放量被超过，气体的收集和控制系统必须在30个月内安装。最新颁布的要求规定生化垃圾填埋场安装并使用气体收集控制系统已经比传统的垃圾填埋场的时间提前很多。

在垃圾体达到最终阶段之前垃圾填埋场运营商可以使用几种可供选择填埋气收集技术。水平井可以在垃圾体中放置，当足够的垃圾添加后，气体收集系统就能够工作。渗滤液收集系统（LCS）被设计用来促进从垃圾体中排出渗滤液，包括垃圾体下衬垫系统之上有渗透性的介质，因此这也可以用来当做集气系统。覆盖在垃圾和土体的土工膜能够减少和阻挡气体从表面和边坡散溢。使用所有这些技术，可以想象一个垃圾填埋气收集系统可以在设计中根本没有竖井。

如综上所述填埋气运移模型能够有助于工程师设计气体收集系统。数学模型来模拟填埋气产生，构成和运移在之前已经发表。在填埋场中关于竖向抽取气体大量的解析和数值模型已经发展。.young模拟平流气体运移和压力在填埋场中水平抽气井在单相等温二维稳态条

件下数值和解析模型。Findikakisand Leckie1979和Fadel （1995）利用单相一维对流扩散数值模型模拟竖向气压分布和气体生产迁移到填埋场表面处成分随时间的变化。这些模型进行数值求解本质上很复杂，在应用于填埋场抽气设计中很困难。

这篇文章提出了一个数值模型用来在填埋场中顶部和底部给定压力（或流量）的情况下稳态气体压力分布。这个模型与。Findikakisand Leckie （1979）和Fadel （1995）的部分相似，但是模拟了填埋场中发生在上部和下部的气体流动。因此模型能够评估气体通过使用渗滤液收集和覆盖系统抽取的场景。模型也可能有效用于在垃圾体中配有提取系统的垃圾填埋场，可以近似为水平集气层。作者通过解决了几个在填埋场设计中典型的问题来说明模型的使用方法。

2模型发展

2.1概念化的物理特性

下面分析的物理问题假定气体在填埋场一竖向长度上均匀产生，垃圾体横向长度远大于竖向长度。这种假设将问题从三维简化为一维。在上下两层边界上，有两个条件要考虑：压力 或者流量给定。然而可能存在中间态的边界条件，流量和压力都给定，这可能在垃圾填埋场设计阶段寻求发展。

层间的气体产生速率的变化的响应时间远小于气体本身速率的时间。因此，在层间压力的形成和随后气体的运动可被认为与气体产生速率达到顺势平衡。这种假定有效的将问题归为以为稳态问题。填埋场中气体产生速率确实随时间变化，这解释了使用随时间变化的气体生成速率成功解决瞬态问题。层间的气体运移的主要驱动力是气体生成和各种设计改进用于维护边界等的结合，其中包括泵对活性气体的提取。因此，气体生成的主要运移方式被认为是扩散的影响。有了这个概念，气体压力和层间运动基于物理方法简单的建模表达如下。

2.2控制方程的发展

填埋场中气体垂直对流运输表达式如下：

M z

c v t c z g +∂∂-=∂∂)(θ （１） 其中g θ表示气体体积含量（单位气体气体/垃圾体积），c 气体浓度(质量/体积)， t 表示时间为z 垂直坐标，z v 为竖向气相达西流速，M 是单位垃圾体积气体生成速率。 气相的达西定律表达如下

z

p k v z z ∂∂-=μ （2） 其中z k 是填埋材料的竖向渗透系数，μ是气体动力粘度

气体浓度可以用绝对气压关系表达：

RT

p c = （3） 其中R 气体常数，T 是绝对温度。将式（2）和式（3）代入（1）中可得

M z p RT p k Z RT p t z

g +⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

∂∂∂∂=⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

∂∂,μθ

(4) 假定空间中渗透系数和温度恒定，式（4）可以表达

M RT

z p p Z k t p g

g z θμθ+⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂∂∂=∂∂

(5) 考虑在稳态的情况下

M k RT

dz dp p dz d z

μ+⎭⎬⎫⎩⎨⎧=0

(6) 定义

M k RT

z

μα=

(7) 式（6）可以写为

0=+⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

αdz dp p dz d

（8） 式（8）非线性二阶常微分方程转换形式为

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

=22p dz d dz dp

p

（9） 化简得

α-=⎭⎬⎫

⎩⎨⎧22

22p dz d

（10） 将式（10）积分得

κα+-=⎭⎬⎫

⎩⎨⎧z p dz d 22

（11）