考虑甲烷氧化作用下填埋场复合覆盖层气体耦合机理研究

Methane (CH4) emission has become increasingly essential for landfills, which contribute to a significant fraction of the total anthropogenic methane emission globally. Methane is the important greenhouse gas, and controlling methane emissions from landfills is an effective measurement to mitigate effect of greenhouse. In order to understand the limits and dynamics of CH4 oxidation in landfill cover soils, we design the experiment of CH4 oxidation in landfill cover soil, and investigate the CH4 oxidation rate as a function of temperature, soil moisture, CH4 and O2 concentration, pressure and cover material and so on. Reveal the mechanism of methane oxidation in landfill cover. Then the multi-field coupling model of landfill gas migration through landfill cover considering effect of methane oxidation is proposed in the environment of temperature field, seepage field, stress field and other fields in landfill cover layer. The model proposed will be solved by the COMSOL Multiphysics software. The reliability of the coupling model was validated by comparing the simulated data on gas concentrations with the measured data. And then the design of landfill cover type will be put forward, to solve the defect of landfill and greenhouse gas control for part of landfills, and mitigate the impact of greenhouse effect on the environment.

填埋场释放的甲烷已成为全球人为释放甲烷量的重要组成，且影响程度持续增加。甲烷是重要的温室气体，控制填埋场甲烷气体的排放是减缓温室效应的有效措施。本课题首先设计填埋场土质覆盖层和含土工膜的复合覆盖层中甲烷氧化试验，通过对填埋场覆盖层中甲烷气体氧化特性的试验研究，分析影响甲烷氧化的主要作用因素，包括温度、含水量、甲烷和氧气含量、压力及覆盖层材料等。在试验结果基础上建立各影响因素与甲烷氧化速率间的定量关系式。揭示填埋场复合覆盖层中甲烷氧化作用机理，在温度场、渗流场、压力场等多场作用环境下，建立考虑甲烷氧化作用时填埋场复合覆盖层中气体的多场耦合运移模型。利用多物理场耦合分析软件COMSOL求解所建立模型，将试验结果与模型数值结果对比验证模型的正确性。进而提出填埋场覆盖层的设计类型，解决部分填埋场填埋气排放的控制缺陷，以期减缓温室效应对环境的影响。

甲烷是重要的温室气体，控制填埋场甲烷气体的排放是减缓温室效应的有效措施。生物覆盖层甲烷氧化技术是适合我国现阶段大量中小型填埋场甲烷减排要求的技术。本课题在此背景下，调研和分析了填埋场复杂土质覆盖层中甲烷氧化试验研究成果，分析了影响甲烷氧化的主要作用因素，包括温度、含水量、甲烷和氧气含量、压力及覆盖层材料等。在试验结果的基础上建立各影响因素与甲烷氧化速率间的定量关系式。揭示填埋场复合覆盖层中甲烷氧化作用机理，建立了非饱和覆盖层中甲烷氧化解析模型，并研究了模型解析解。在温度场、渗流场、压力场等多场作用环境下，建立考虑甲烷氧化作用时填埋场复合覆盖层中气体的多场耦合运移模型，分析了各参数对甲烷运移的影响，并给出覆盖层长期运营建设指标的建议。进而提出填埋场覆盖层的设计类型，解决部分填埋场填埋气排放的控制缺陷，以期减缓温室效应对环境的影响。. 本课题重点分析了覆盖层甲烷氧化作用机理，并在现有的解析和数值模型中考虑了甲烷氧化的作用，提出了甲烷氧化在控制填埋气释放过程中与其他影响因素之间的关系，并给出了更为全面的填埋气运移评价模型。具体评价了大气压强波动对填埋气的运移影响，以及考虑甲烷氧化作用下填埋气运移的突破机理。指出了复合填埋场覆盖层填埋气控制中的关键影响因素，并给出具体解决标准。对于模型给定的情况，气体运移前期（如小于50h），渗透率对气体浓度变化的影响仅有不足3%，而压强和填埋场覆盖层厚度的对气体浓度影响可以达到31%。本项目比较了不同类型的填埋场覆盖层对甲烷氧化作用的影响，对今后填埋场覆盖层的设计有指导性的意义，并有很好的工程应用前景。