樊亞茹， 王海軍， 劉 磊， 姚 遠

(1.沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 3.污染泥土科學與工程湖北省重點實驗室， 武漢 430071； 4.武漢環(huán)境投資開發(fā)集團有限公司， 武漢 430019)

好氧通風處理方式可有效加速垃圾填埋場的降解穩(wěn)定化，并降低滲瀝液和沼氣濃度，其原理是向填埋場內(nèi)部持續(xù)不斷地供給氧氣，促進垃圾土中的有機物在有氧環(huán)境下加速降解[1]。

注氣井的有效作用范圍是設計好氧通風系統(tǒng)的關(guān)鍵，而明確注氣過程中垃圾堆體中氣體的分布狀態(tài)是解決這一關(guān)鍵問題的前提[2-3]。從20世紀初開始，部分學者開始關(guān)注注氣過程中氣體壓力和濃度分布特征。注氣強度可根據(jù)被修復庫區(qū)內(nèi)垃圾中的有機質(zhì)含量進行預測，也可基于庫區(qū)內(nèi)壓力分布對單個注氣井的注入量進行推算[4]。Hrad等[5]基于現(xiàn)場試驗定義了單井注氣條件下的影響半徑判定方法，即氧氣濃度為5%。Cossu等[6]首次開展了單井注氣試驗，對注氣井水平方向的氣體濃度進行了監(jiān)測，為評估單井有效作用范圍提供了基礎數(shù)據(jù)。王慧玲等[7]在單井注氣模式下，描述了氣體的變化情況，為現(xiàn)場注氣試驗提供了一定的參考。除此之外,有學者通過氣體遷移數(shù)學模型對注氣過程中氣體的分布狀態(tài)進行了預測。具有代表性的有：Cossu等[8]通過氣體壓力為變量的連續(xù)性方程解析解，給出了注氣過程中氣體壓力沿水平方向的分布。Dimitrios等[9]基于流體動力學理論構(gòu)建了考慮甲烷氧化的CFD(computational fluid dynamics)耦合模型，模型考慮了有機質(zhì)的好氧降解過程和氣體滲流的耦合。

由于好氧通風過程中是多個組分氣體的同步遷移和運動，如何確定多組分氣體的同步變化給預測工作帶來了挑戰(zhàn)。Liu等[10]通過構(gòu)建考慮優(yōu)勢流效應下的氣體遷移模型，模擬了注氣過程中氧氣和甲烷的分布情況。以上研究結(jié)果表明，若要實現(xiàn)氣體壓力和濃度分布的預測，必須通過氣體遷移連續(xù)性方程和濃度遷移對流擴散方程聯(lián)立求解得到。但計算過程復雜，操作難度大。

無論是出于對環(huán)境效益還是經(jīng)濟效益的考慮，在對垃圾填埋場注氣時，通過對濃度和壓力進行監(jiān)測是很有必要的。兩者之間的協(xié)同變化規(guī)律，無論對抽氣還是注氣都有參考意義[11-13]，在注入試驗中預估合理的注氣強度和時間也有參考價值。

為了進一步確定注氣過程中氣體壓力和濃度的定量表征關(guān)系，必須在注氣過程中同時監(jiān)測氣體壓力和濃度。而這方面的研究工作還少有文獻報道。為此，以兩個現(xiàn)場注氣試驗為依托，開展氣體壓力和多組分濃度的監(jiān)測試驗，分析氣體壓力與各組分濃度之間的定量表征關(guān)系特征，為好氧通風過程中多組分氣體分布狀態(tài)的評估提供關(guān)鍵理論支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 現(xiàn)場試驗背景條件

選取兩個典型垃圾填埋場作為試驗地點。赤壁北山路填埋場位于赤壁市赤馬港街道新屋村(原油鋪村)，北山大道與外環(huán)路(規(guī)劃)交叉路口處。場地中心地理坐標為113°56′49.13″E，29°44′44.87″N，距離市區(qū)中心約5 km。垃圾填埋齡約17年，堆體表面采用30～110 cm黏土進行了簡易覆蓋，覆蓋面積約2.53萬m2。試驗區(qū)域位于垃圾填埋場西北角，垃圾堆填深度為10～11 m處，如圖1所示。

圖1 赤壁現(xiàn)場試驗區(qū)域Fig.1 Chibi field test area

北洋橋垃圾填埋場位于武漢市洪山區(qū)楊春湖路，垃圾填埋齡約15年，試驗地點在I區(qū)東側(cè)，垃圾堆填深度為9～10 m處，覆蓋層自上而下依次為黏土(30～50 cm)和土工膜(1.5 mm)，如圖2所示。

圖2 北洋橋現(xiàn)場試驗區(qū)域Fig.2 Beiyangqiao field test area

如圖3和圖4所示，注氣試驗所用氣井包括1眼注氣井和3眼監(jiān)測井，注氣井和監(jiān)測井結(jié)構(gòu)相同，井間距為3 m。赤壁北山路(A組)和武漢北洋橋(B組)試驗氣井的打孔段長度h2分別為2～3 m和2.5～3 m。其中H1和H2分別是覆蓋層厚度和垃圾填埋深度。

圖3 氣井布置圖Fig.3 Gas well layout

圖4 氣井詳細結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Detailed structure diagram of gas well

1.2 試驗方案

A組和B組試驗方案相同。采用注氣風機將壓縮的空氣經(jīng)由現(xiàn)場布置的水平管路和流量計送入垂直的注氣井中，空氣依次通過氣井打孔段中的花孔和碎石層流入垃圾堆體中，同時依靠壓力梯度向注氣井周邊遷移。當各處壓力表發(fā)生變化時，即可記錄觀察每個監(jiān)測井的氣體壓力和氣體濃度。

氣體壓力由壓力表直接讀出，檢測氣體濃度時需使用氣泵連接監(jiān)測井的出氣端口，將氣體抽入集氣袋中，之后連接干燥過濾器，通過沼氣分析儀的主動抽氣，使氣體樣本以1 L/min速率通過氣體管道進入腔體，1.5～2 min便可得到穩(wěn)定的結(jié)果。因此1.5～2 L進入傳感器即可得到測試結(jié)果。沼氣分析儀可檢測到CH4、CO2和O2三種氣體的體積分數(shù)。數(shù)據(jù)誤差CH4約為1.78%，CO2約為1.78%，O2約為1.6%。

此試驗所用的沼氣分析儀顯示器數(shù)值表示：氣體體積百分比。

A組現(xiàn)場試驗使用10 kPa風機向垃圾堆體通入氣體，在濃度變化較明顯的時候，每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，隨著濃度變化幅度減小,間隔時間隨之延長，間隔30 min、間隔1 h，待氣體濃度達到穩(wěn)定即實驗結(jié)束，達穩(wěn)定時間約為6 h。

B組現(xiàn)場試驗使用5 kPa風機向垃圾堆體通入氣體，間隔30 min記錄一次數(shù)據(jù)，待氣體濃度達到穩(wěn)定后停止試驗，達穩(wěn)定時間約為36 h。

2 氣體壓力和濃度的計算原理

2.1 多組分氣體濃度計算表達式

氣體百分比含量與濃度之間的關(guān)系為

C=MCp/22.4

(1)

式(1)中：C為污染物濃度，以每標立方米的毫克數(shù)表示，mg/m3；Cp為污染物的濃度，10-6；M為污染物的摩爾質(zhì)量，g/mol。

2.2 混合氣體分壓計算原理

在混合氣體分壓計算前，進行如下假設：①假設填埋氣體符合理想氣體狀態(tài)方程；②填埋場氣體總體積不變，溫度為常數(shù)；③因填埋場填埋齡較大，揮發(fā)性有機物占比可直接忽略。只考慮氮氣、二氧化碳、氧氣和甲烷四種主要氣體，其所占體積分數(shù)之和等于1。

(1)理想氣體狀態(tài)方程。

PiV總=niRT

(2)

式(2)中：Pi為i組分氣體分壓力，Pa；V總為氣體總體積，m3；ni為i組分的物質(zhì)的量，mol；R為通用氣體常數(shù)，R=8.314 J/(mol·K)；T為氣體混合物的絕對溫度，K。

(2)混合氣體分壓定律：某組分氣體分壓的大小和它在氣體混合物中的體積分數(shù)成正比，即

Pi=P總Vi/V總

(3)

式(3)中：P總為氣體總壓力，Pa；Vi為i組分氣體分體積，m3。

(3)混合氣體各組分濃度與各分壓之間可通過理想氣體狀態(tài)方程(equation of state，ES)進行預測,即

Pi=CiRT

(4)

式(4)中：Pi為i組分的氣體分壓力，Pa，Ci為i組分氣體的濃度，mol/m3。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 氣體壓力與濃度監(jiān)測及預測結(jié)果分析——A組

3.1.1 氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系

如圖5所示，A組試驗監(jiān)測得到的各組分濃度與各分壓之間的變化規(guī)律。其中分壓由式(3)計算得到。氣體分壓與濃度之間存在明顯的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度達99%以上。根據(jù)以上數(shù)據(jù)獲得氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系——修正后的狀態(tài)方程(modified equation of state，MES)，即

圖5 氣體分壓隨濃度變化規(guī)律(A組)Fig.5 Gas partial pressure changes with concentration(Group A)

Pi=P0+KiCi

(5)

式(5)中：P0為擬合直線在P軸上的截距，擬合所得初始壓力值,Pa；Ki為圖中擬合直線的斜率，Pi/Ci的比值，Pa/(mol·m-3)。

甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的擬合結(jié)果分別為

PCH4=(-0.36±0.90)+(2 270.59±0.14)CCH4

(6)

PCO2=(0.87±1.40)+(2 270.52±0.20)CCO2

(7)

PO2=(-2.91±2.47)+ (2 271.23±0.36)CO2

(8)

PN2=(-25.62±15.26)+(2 271.67±0.52)CN2

(9)

3.1.2 氣體分壓監(jiān)測結(jié)果與預測結(jié)果對比分析

如圖6所示，A組ES模型和MES模型預測得到的各氣體組分的分壓與濃度之間的變化關(guān)系，通過對比發(fā)現(xiàn)：氣體壓力的監(jiān)測值(MES模型)均小于計算值(ES模型)，甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的監(jiān)測值和計算值的差值范圍分別為：13.48～1 691.43 Pa、63.77～1 014.05 Pa、50.19～707.98 Pa和907.81～2 752.75 Pa，四者差值都約占ES模型計算得到壓力的3.48%～3.55%。

圖6 ES模型和MES模型預測分壓關(guān)系對比(A組)Fig.6 Comparison of ES model and MES model predictive partial pressure relationship(Group A)

3.2 氣體壓力與濃度監(jiān)測及預測結(jié)果分析——B組

3.2.1 氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系

如圖7所示，通過MES模型計算得到各組分氣體壓力與濃度的表征關(guān)系也符合式(5)。其中，甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的擬合結(jié)果分別為

PCH4=(1.34±1.64)+(2 270.22±0.48)CCH4

(10)

PCO2=(-12.53±2.91)+(2 276.76±0.72)CCO2

(11)

PO2=(-0.74±0.42)+(2 274.48±0.33)CO2

(12)

PN2=(-728.41±233.52)+(2 292.44±6.17)CN2

(13)

同A組相似，可觀察出B組壓力和濃度之間也存在明顯的線性關(guān)系，各組分氣體的壓力隨著濃度的增加而呈直線增加。

3.2.2 氣體分壓監(jiān)測結(jié)果與預測結(jié)果對比分析

如圖8所示，ES模型和MES模型預測得到的B組各氣體組分的分壓與濃度之間的變化關(guān)系圖。對比發(fā)現(xiàn)：結(jié)果與A組相同，氣體壓力的監(jiān)測值(MES模型)均小于計算值(ES模型)。甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的監(jiān)測值和計算值的差值范圍分別為：1.75～665.82、191.70～875.17、51.15～620.27、6 109.07～7 158.53 Pa。甲烷差值占ES模型計算得到壓力的3.33%～3.56%。后三者差值占7.48%～7.26%。

圖8 ES模型和MES模型預測分壓關(guān)系對比(B組)Fig.8 Comparison of ES model and MES model predictive partial pressure relationship (Group B)

此外，現(xiàn)場監(jiān)測過程還發(fā)現(xiàn)：A組試驗過程中，甲烷濃度由初始的濃度22.45%降至0.63%，二氧化碳濃度由11.14%降至4.49%，氧氣濃度由14.61%升至19.41%； B組試驗過程中，甲烷濃度由初始的濃度7.62%降至0.02%，二氧化碳濃度由3.03.%升至3.71%，氧氣濃度由2.99%升至16.24%。各組分氣體濃度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，氧氣濃度均未達到21%，意大利學者Cossu等也發(fā)現(xiàn)了類似的情況[8]。這主要是由于垃圾堆體非均質(zhì)性導致存在非流動區(qū)域造成的，Yazdani等[14-15]在美國Yolo County 填埋場現(xiàn)場示蹤試驗發(fā)現(xiàn)非流動區(qū)域占總孔隙體積的10%～30%。因此，垃圾堆體的非均質(zhì)性導致注氣過程中很難實現(xiàn)孔隙中氧氣濃度達到理想狀態(tài)。

綜上，通過A組和B組多組分氣體分壓力和濃度的計算分析，通過修正后的MES模型計算得到的壓力偏低于ES模型計算得到的壓力，因此進行現(xiàn)場好氧通風試驗時，需要進行原位氣體補償。

4 結(jié)論

以現(xiàn)場注氣試驗數(shù)據(jù)為基礎，對多組分氣體分壓和濃度進行了對比分析，得到如下結(jié)論。

(1)通過赤壁北山路(A組)和武漢北洋橋(B組)的數(shù)據(jù)分析，獲得修正后的氣體分壓與濃度定量表征關(guān)系。

(2)基于兩組現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對ES模型和MES模型進行了比較，發(fā)現(xiàn)前者的壓力值皆大于后者壓力值。偏差范圍：(A組)甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣分別是：13.48～1 691.43 Pa、63.77～1 014.05 Pa、50.19～707.98 Pa和907.81～2 752.75 Pa，四者差值都占ES模型計算得到壓力的3.48%～3.55%。(B組)甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣：1.75～665.82 Pa、191.70～875.17 Pa、51.15～620.27 Pa和6 109.07～7 158.53 Pa。甲烷差值占ES模型計算得到的壓力的3.33%～3.56%。后三者差值占7.48%～7.26%。因此，注氣過程中氣體壓力原位監(jiān)測結(jié)果需要進行適當氣體補償。

(3)監(jiān)測的氧氣濃度小于理想氧氣濃度值，可能是由于垃圾堆體存在非流動區(qū)域造成的，好氧通風系統(tǒng)運行過程中應考慮這一因素對氣體分布的影響。