生物-化学-热耦合效应条件下填埋气体产出的动力学机理研究

The methods in terms of the laboraotry tests and theory analysis and numerical simulation will be used to study the characteristic of the landfill gas generation with the substrate and temperature conditions, to understand the dynamic mechanism of landfill gas generation under the effect of bio-chemical-thermal coupling, which was the key scientific method assessing the methane utility in landfill. The crossed method of multi-subjects was used including bio-chemistry, environmental science and seepage mechanics, to know the variation of reaction rate, gas generation rate and thermal emission rate with the parameters of the substrate concentration, landfill time, water content and pH, and so on. In combination with the experiment result, the dynamic model of the gas generation with the effect of bio-chemical-thermal coupling was developed, and its numerical method was given for describing the gas generation by the effect of the ambient environmental factors cross the degradaition phase. The simulation results must be verified with the laboratory testing data. The achievement will be better improve the seepage mechanics and bio-degradation dynamic theory, and supply the methods for controlling the disaster induced by landfill gas emission and design and management of the utility of the methane.

围绕垃圾填埋场沼气开发过程中的关键性科学问题，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，开展有机底物、温度等环境因素影响下填埋气体的产出规律研究，揭示生物-化学-热耦合作用条件下填埋气体的产出动力学机理；采用生物化学、环境科学和渗流力学等多学科交叉的方法，探索底物浓度、填埋龄期、含水率、pH值等物性参数对垃圾降解反应过程中底物反应速率、填埋气体产出速率和热释放速率的变化规律；结合试验研究结果，建立综合描述生物-化学-热耦合效应条件下填埋气体产出过程表征的耦合动力学模型，并给出耦合模型的数值计算方法，实现不同环境因素影响下（整个降解反应阶段）填埋气体产出特征的定量分析；将计算结果与室内试验结果进行对比分析，并相互验证。研究成果不仅为深入分析垃圾填埋场沼气资源贮存及分布状态奠定了理论基础，同时为垃圾填埋场沼气发电工程的优化设计和运营管理提供科学依据。

围绕垃圾填埋场沼气开发过程中的关键性科学问题，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，开展有机物、温度等环境因素影响下填埋气体的产出规律研究，揭示生物-化学-热耦合作用条件下填埋气体的产出动力学机理；采用生物化学、环境科学和渗流力学等多学科交叉的方法，探索关键因素对填埋气体产出速率和热释放速率的变化规律；开展了不同菌剂条件下生活垃圾降解产气试验。添加菌剂垃圾所产气能力明显高于未添加菌剂的垃圾。添加菌剂中垃圾的甲烷产出时间均比未添加菌剂提前了。添加菌剂中垃圾中在两个产气阶段的产气速率明显高于未添加菌剂中垃圾。添加菌剂中垃圾的累积甲烷产量较未添加菌剂分别提高了 8.5% 和 19.3%。研究了不同载荷、不同含水率对垃圾堆体固有渗透率和孔隙度变化规律的影响，并构建了固有渗透率与孔隙度之间的协同表征模型。结果表明：压实密度与上覆载荷呈指数递增的变化形式；随着含水率的增大，垃圾固有渗透率显著降低；垃圾固有渗透率随孔隙度的减小呈现指数递减，传统K-C模型无法描述这一变化规律，而幂函数形式协同表征模型均与试验结果达到了良好的拟合效果，验证了两种模型的可靠性；随着模型尺度的增大，固有渗透率从10-15m2量级增加至10-12m2量级，孔隙度从0.378增加至0.685. 建立了综合描述生物-化学-热耦合效应条件下填埋气体产出过程表征的耦合动力学模型，并开展了不同环境因素影响下（整个降解反应阶段）填埋气体产出特征的定量分析；模拟结果表明：温度对有机物的分解影响显著，并导致沼气产出速率的增加。填埋深度对气体产出速率影响显著，主要是由于有机物降解能力受到大气温度和堆体内部降解反应的影响。为了进一步提高沼气收集系统的收集效率，提出了垃圾填埋场井群优化调控方法，对沼气井的分布、数量和收集效率进行了优化，并以我国某垃圾填埋场为背景开展了现场应用。现场监测试验表明，使用该方法后，沼气的收集效率明显提高，前两年的收集效率提高到74%。.研究成果不仅为深入分析垃圾填埋场沼气资源贮存及分布状态奠定了理论基础，同时为垃圾填埋场沼气发电工程的优化设计和运营管理提供科学依据。