多场耦合作用下垃圾填埋场内液气运移规律研究

Landfill gas (LFG) emission and explosion, leachate leakage and diffusion, landfill deformation and instability are the main hazards in municipal solid waste (MSW) landfills, which are closely related to the migration and blocking of leachate and LFG. In this research, the effects of MSW composition, degradation age and saturation on leachate and gas permeability are investigated through large-scale permeability tests, and the multi-field interaction mechanisms in landfills are studied by large-scale model testing. Based on the above, considering the influences of biodegradation on MSW engineering characteristics and the anisotropic permeability of landfill leachate and gas, a solid-liquid-gas-chemical-thermo coupling model can be established. Then, the landfill leachate-gas migration law can be developed considering coupling multi-field effects. Moreover, the control methods of the leachate-gas migration can be developed under the optimal degradation environments, and the design criteria of the landfill leachate and gas collection and removal systems will be established. It can be seen that this research is the important foundation for evaluating the safety and environmental effects of landfills, and is also the key basis for rational design of waste landfills. Moreover, this project can help deepen our knowledge on the leachate-gas coupling migration in anisotropic and degradable materials, and promote the theory development of the leachate-gas coupling migration in landfills.

填埋气体的泄露与爆炸、渗滤液的渗漏与扩散以及垃圾堆体的变形与失稳是目前垃圾填埋场存在的主要灾害问题，这与填埋场内液、气运移及其受阻密切相关。本课题通过研发大型垃圾土渗透仪和导气装置，研究垃圾土组分、龄期和饱和度等因素对垃圾土液气渗透特性的影响规律；通过大型室内模型试验，研究垃圾体固、液、气、化、热相互作用机制；考虑生物降解对垃圾工程特性衰变的影响以及液气渗透特性的各向异性，建立填埋体固-液-气-化-热多场耦合作用模型；然后，分析多场耦合作用下填埋场内液气运移规律，提出填埋场最优降解环境的液气运移调控措施及导排系统设计方法。本课题的研究对填埋场的安全性和环境效应的分析，以及现代卫生填埋场的科学设计都有重要的意义；本课题将促进人们对高度非均质、可降解材料中液气运移特性的深入认识，推动垃圾土中液气耦合运移理论的发展和完善。

填埋气体的泄露与爆炸、渗滤液的渗漏与扩散以及垃圾堆体的变形与稳定是目前垃圾填埋场存在的主要灾害问题，这和填埋场内液气运移及其受阻密切相关。本课题自主研发了大型渗滤液渗透仪和双向气体渗透仪，开展了垃圾体液气渗透试验，研究了垃圾组分、龄期、饱和度和颗粒尺寸等因素对垃圾土渗透特性的影响规律，结合大量现有试验数据，提出了考虑组分、孔隙率等影响的垃圾土持水曲线参数确定方法和非饱和水力耦合模型；开展了垃圾体大型直剪试验，研究了垃圾组分、龄期等对垃圾抗剪强度参数的影响规律，提出了考虑生化降解作用的垃圾体应力-应变本构关系模型，并开展了高密度电法含水率现场试验，测定了垃圾填埋场真实液气三维时空分布，发现由于低渗、汇流等原因形成的局部高含水率区；基于有限体积法，建立了填埋体固-液-气-化-热耦合作用模型，编制了OpenFOAM多场耦合计算程序，研究了垃圾填埋场中多场相互作用规律，并将液气分布、应力分布、pH值和溶质浓度等计算结果与已有渗流和多场耦合模型试验进行了验证，吻合良好，证明了耦合模型的合理性；采用上述OpenFOAM填埋场多场耦合计算平台，分析了渗滤液回灌对垃圾填埋场液气运移规律的影响，提出了厌氧反应填埋场回灌加速稳定化调控方法；考虑垃圾体沿深度的非均匀性，通过大量工况归一分析，提出了填埋场气体收集系统和覆盖系统设计方法；研究了垃圾物理力学特性、曝气井构造、曝气压强和生化反应相变参数对好氧垃圾填埋场内液气运移和稳定化进程的影响，提出了垃圾填埋场曝气联合回灌的主动调控措施。本课题的研究对已建垃圾填埋场的生态安全和稳定性的合理分析与评价，以及填埋场液、气导排系统的科学设计都有重大的意义，将促进对垃圾体复杂特性及多场相互作用关系的深入理解，推动垃圾土中多场耦合作用理论的发展和完善，为填埋场治理和安全设计提供重要决策支持。