摘 要

垃圾土在好氧降解过程中释放大量的热能导致温度变化，温度变化规律的定量模拟对于垃圾填埋场好氧通风系统的安全运行具有重要意义。本文以多孔介质渗流力学和热传导理论为基础，建立了好氧通风过程中渗流-温度耦合的数学模型，该模型由内能变化项、热传导项、对流项和内热源项组成。采用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件地球科学模块进行了典型好氧通风工况条件下填埋场温度分布的模拟，结合武汉金口垃圾填埋场好氧通风过程中温度的长期现场监测数据，将监测数据与模拟结果进行了比对，初步验证了该模拟的可靠性，并在此基础上开展了通气条件、回灌条件和季节变化对好氧反应过程中垃圾堆体温度变化影响的模拟，结果表明：通气速度和通气温度对填埋场内部温度峰值的影响相对很小，峰值降幅仅为2.3%和0.5%；渗沥液回灌速度和回灌温度对垃圾堆体内温度影响较大，温度峰值降幅分别达19.9%和8.1%；填埋场内部20m深度范围内的温度会受地表季节性温度变化的影响。以上成果为好氧通风系统运行过程中温度预测及安全调控提供了理论依据。

关键词：垃圾填埋；好氧降解；渗流-温度耦合；模拟

Abstract

In the process of aerobic degradation of waste soil, there is vast amount of heat energy released and accumulated in the landfill, which resulting in temperature changes. Quantitative simulation of temperature changes is of great significance and importance for the safe operation of aerobic ventilation systems in landfill sites. Based on heat conduction theory and porous media seepage mechanics, the seepage-temperature coupling mathematical model in aerobic ventilation process was established in this paper, and the model consists of internal energy change term, heat conduction term, convection term and internal heat source term. The Earth Science Module of COMSOL Multiphysics simulation software was used to carry out the typical aerobic landfill temperature distribution under the working condition of ventilation simulation, combined with the long-term field monitoring data from Wuhan Jinkou landfill. The results preliminarily verify the reliability of the simulation, and on the basis of which, the influence of aeration conditions, recirculation conditions and seasonal changes on temperature changes is studied. The results show that the influence of aeration speed and aeration temperature on the peak of the internal temperature of the landfill site is relatively small, peak decline is only 2.3% and 0.5%, while the recirculation rate and temperature of leachate have more influence on the internal temperature of the landfill, and the peak temperature decrease by 19.9% and 8.1% respectively. And the temperature within the depth range of 20m inside the landfill will be affected by seasonal surface temperature changes. The above results help set theoretical basis for temperature prediction and safety control in the operation of aerobic ventilation system.

Key Words：landfill；aerobic degradation；seepage-temperature coupling；simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 城市固体废弃物处置研究现状 2

1.2.1 国内外填埋技术的发展 2

1.2.2 城市固体废弃物的组成 2

1.2.3 回灌型生物反应器填埋场的研究现状 3

1.2.4 好氧降解技术原理 4

1.2.5 好氧降解热效应研究现状 8

1.2.6 垃圾填埋场温度分布研究现状 9

1.3 本文的主要工作 9

第2章 好氧通风过程中渗流—温度耦合模型 11

2.1 垃圾土中气体渗流 11

2.2 垃圾的热传导特性 12

2.3 热释放速率 15

2.4 渗流-温度耦合模型的建立 16

第3章 典型好氧通风工艺填埋场温度分布的模拟 21

3.1 模型建立 21

3.1.1 几何及边界条件 21

3.1.2 热释放速率 23

3.1.3 季节性变化条件 23

3.2 垃圾降解热释放对温度场的影响 24

3.3 考虑对流-回灌-降解对温度场的影响 26

3.3.1 通气强度对温度场的影响 27

3.3.2 通气温度对温度场的影响 28

3.3.3 回灌强度对温度场的影响 29

3.3.4 回灌温度对温度场的影响 30

3.4 季节变化对温度场的影响 30

3.5 模型适用性分析 31

3.6 分析与讨论 32

第4章 结论 34

参考文献 35

致谢 38

第1章 绪论

1.1 引言

随着我国几十年来的不断发展进步，综合国力进一步提升，经济上实现了持续向好的发展势头，民生层面人民生活有了明显的改善，城市化发展带来的城市人口激增、经济持续向好的发展以及随同不断提升的居民生活质量要求，这一系列因素带来了大量的城市生活垃圾，而且随着社会的发展与进步，城市生活垃圾的产量也有日渐增多的趋势。当社会发展的脚步遇到如此多的城市生活垃圾，首要问题就是该如何以一种合适的方式对它们进行处理，生活垃圾的处理问题已然成为限制社会经济不断进步、制约城市化进程持续发展的重要问题之一^[1-6]。当前情况下，中国对于城市生活垃圾主要采取填埋的方式进行垃圾处理，即采用人们所熟知的垃圾填埋场，我国的垃圾填埋技术起步较晚，现存大量传统的厌氧型填埋场，这种厌氧型填埋场存在一系列弊端，例如填埋场内的垃圾降解过程缓慢、垃圾降解产生的渗沥液成分复杂且后期难以处理、难以实现土地资源的再利用等，因此，国内外学者普遍关注如何使填埋场稳定化进程加快，这种新型技术对于整个社会发展也有重要意义和价值^[7]。

相对于传统的厌氧型填埋场，目前提出了一种好氧生物反应器填埋技术，这项技术旨在通过人为控制的方法，将适量的氧气和水分供给填埋场中进行好氧反应的微生物，得到所需氧气和水分的微生物将会保持良好的种群结构，同时保有旺盛的生长与代谢能力，因而促进对填埋场中有机成分的降解转化进程，因此，相比于厌氧填埋场和准好氧填埋场而言，目前的新型好氧生物反应器填埋场中有机成分可以被更快地降解，而且对于垃圾中的一些碱金属离子以及氮、磷等元素显示出更好的除去效果，可以在更短时间内实现有机垃圾生物转化，因此使用这种处理技术可以明显缩短填埋场的稳定周期，是非常明显的优势^[7，8]。