高食物含量垃圾生化与力学行为的研究

摘要

中国城市生活垃圾的填埋处置量在2015年已突破1.1亿吨。与西方发达国家的相比，我国生活垃圾的食物类比例较高。深入研究高食物含量垃圾填埋后的生化反应与力学行为，可指导中国填埋场的设计与运营，有助于其减少环境风险和更有效的利用场地。
　　本文在国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“城市固体废弃物填埋孕育环境灾害与可持续防控的基础研究”(2012CB719800)的资助下，以理论分析和数值模拟为主要手段，开展了高食物含量垃圾生化和力学行为的研究，得到的主要研究结论如下:
　　(1)整理归纳了我国代表性城市的生活垃圾组成和不同组分的含水率与化学物质含量。进一步计算分析了我国生活垃圾的化学性质。构建了适合描述高食物含量垃圾降解的数学模型。模型考虑纤维素类和非纤维素类物质的降解，基于组分在不受含水率抑制下的水解快慢进行降解难易的分组，采用水解-甲烷化的反应形式，考虑pH和未电离挥发性脂肪酸(VFA)的抑制作用。提出了基于垃圾的纤维素含量/木质素含量（C/L）随时间的变化来确定水解速率常数的方法。应用建立的降解模型模拟了高食物含量垃圾在填埋柱和大模型试验中的降解，模型得以验证。对不同程度的酸化抑制均进行了较好的模拟，结果显示，在VFA累积有限时，甲烷化反应受pH的一定抑制，而在VFA大量累积时，未电离VFA对水解和甲烷化反应均产生严重的抑制作用。
　　(2)对相关试验的分析发现，上覆荷载不变的情况下，垃圾的（田间）持水量与易吸水物理组分（食物、纸、木竹、织物和灰土）在垃圾中的干基比例成正比。建立了生活垃圾的产液计算方法。计算结果表明高食物含量垃圾填埋后可自身大量产液，产液受降解的作用很大，而受上覆应力的影响较小。
　　(3)建立了考虑填埋场中降解反应与力学行为间相互作用的生活垃圾耦联分析模型。通过计算垃圾单元体产液和液体在单元体之间传递导致的变化，实现了对填埋场中水和溶质运移的简化模拟。采用本文建立的考虑多种环境因素影响的降解机理模型模拟垃圾的降解，采用的产液和压缩模型分别将相同上覆荷载下垃圾持水量的变化和次压缩量直接与垃圾的固相质量损失关联，而固相质量损失通过降解模型的模拟获得。
　　(4)对高食物含量垃圾填埋体在填埋初期的降解与力学行为进行了模拟分析。发现，填埋体垃圾中产甲烷菌分布的非均匀性对其解除酸化抑制很重要;堆体的沉降和产液与其降解程度紧密相关;注入清水很难加速高食物含量垃圾的降解，回灌高产甲烷菌浓度的液体可较有效的解除酸化抑制。填埋体的长期生化降解与力学行为模拟表明:高食物含量垃圾填埋体大部分的降解、沉降与产液在填埋后可较快完成;高食物含量垃圾的整个稳定化过程可分为快速稳定化（0～2年左右）、慢速稳定化（2～10年左右）和后稳定化（10年以后）三个阶段;垃圾的C/L可作为稳定化判断的指标。
　　(5)建立了计算导排层碳酸钙沉淀的地球化学模型，并进行了验证。模拟分析发现碳酸钙沉淀与VFA降解间的关系随水质变化:CaCO3不饱和时，Ca2+和VFA的摩尔浓度减小量之比(d[Ca2+]/d[VFA])为0;在CaCO3饱和的渗滤液中，当VFA和Ca2+浓度较大时，d[Ca2+]/d[VFA]也较大，此后随着VFA的消耗，Ca2+浓度减小，d[Ca2+]/d[VFA]也变小。在Ca2+浓度小于某一值后，d[Ca2+]/d[VFA]随着Ca2+浓度的减少迅速变小。若液相碳酸浓度增大，d[Ca2+]/d[VFA]则在更大的Ca2+浓度下开始快速减小。垃圾降解造成了填埋场中的高CO2分压环境，所以d[Ca2+]/d[VFA]往往在渗滤液的Ca2+浓度仍较大时即开始显著变小。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 中国城市生活垃圾的产生及处理现状

1．2 填埋场的环境岩土问题

1．3 填埋场中的多场相互作用

1．4 研究现状

1．4．1 生活垃圾生化降解研究

1．4．2 生活垃圾工程力学特性研究

1．4．3 生活垃圾填埋体的生化力学行为研究

1．4．4 渗滤液性质与导排层淤堵关系研究

1．5 本文主要研究工作及技术路线

第2章 中国城市生活垃圾的物理和化学组成特性

2．1 引言

2．2 中国城市生活垃圾的物理组成

2．3 各垃圾物理组分的性质

2．3．1 各物理组分含水率

2．3．2 各可降解物理组分的化学组成

2．4 城市生活垃圾的初始化学组成

2．5 城市生活垃圾厌氧降解后的物理化学组成

2．6 城市生活垃圾产甲烷潜力

2．7 本章小结

第3章 城市生活垃圾降解特性与模拟

3．1 引言

3．2 降解模型的建立

3．2．1 生活垃圾可降解物质组成

3．2．2 模型结构与反应化学方程式

3．2．3 反应速率

3．3 降解模型的求解

3．4 室内试验可降解物质水解速率常数

3．5 现场可降解物质水解速率常数

3．5．1 确定方法

3．5．2 方法应用

3．5．3 对比讨论

3．6 降解模型验证与应用

3．6．1 高食物含量垃圾填埋柱试验模拟

3．6．2 高食物含量垃圾大模型试验模拟

3．6．3 降解模型对比

3．6．4 现场商食物含量垃圾单元降解预测

3．7 本章小结

第4章 城市生活垃圾产液特性与模型

4．1 引言

4．2 产液机理

4．3 降解耗水

4．4 持水量

4．5 自身产液潜力

4．6 本章小结

第5章 城市生活垃圾填埋体生化与力学行为模拟

5．1 引言

5．2 城市生活垃圾压缩特性

5．3 城市生活垃圾降解-传质-压缩耦联模型

5．4 高食物含量垃圾填埋体填埋初期生化力学行为模拟

5．4．1 城市生活垃圾初始状态与生化力学参数

5．4．2 模拟与分析

5．4．3 填埋初期注液调控效果分析

5．5 高食物含量垃圾填埋体长期生化力学行为模拟

5．5．1 生化力学行为模拟

5．5．2 稳定化阶段划分与评判指标

5．5．3 可持续填埋思路

5．6 本章小结

第6章 渗滤液性质与导排层淤堵关系分析

6．1 引言

6．2 碳酸钙沉淀计算地球化学模型

6．2．1 模型的建立

6．2．2 模型的验证与应用

6．3 渗滤液性质对碳酸钙沉淀的影响

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 进一步研究工作的展望与建议

参考文献

作者简历及发表论文情况