垃圾土介質中多組分氣體壓力與濃度定量表征關系初探
——以現場注氣試驗為例

樊亞茹， 王海軍， 劉 磊， 姚 遠

(1.沈陽工業大學建筑與土木工程學院， 沈陽 110870； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 3.污染泥土科學與工程湖北省重點實驗室， 武漢 430071； 4.武漢環境投資開發集團有限公司， 武漢 430019)

好氧通風處理方式可有效加速垃圾填埋場的降解穩定化，并降低滲瀝液和沼氣濃度，其原理是向填埋場內部持續不斷地供給氧氣，促進垃圾土中的有機物在有氧環境下加速降解[1]。

注氣井的有效作用范圍是設計好氧通風系統的關鍵，而明確注氣過程中垃圾堆體中氣體的分布狀態是解決這一關鍵問題的前提[2-3]。從20世紀初開始，部分學者開始關注注氣過程中氣體壓力和濃度分布特征。注氣強度可根據被修復庫區內垃圾中的有機質含量進行預測，也可基于庫區內壓力分布對單個注氣井的注入量進行推算[4]。Hrad等[5]基于現場試驗定義了單井注氣條件下的影響半徑判定方法，即氧氣濃度為5%。Cossu等[6]首次開展了單井注氣試驗，對注氣井水平方向的氣體濃度進行了監測，為評估單井有效作用范圍提供了基礎數據。王慧玲等[7]在單井注氣模式下，描述了氣體的變化情況，為現場注氣試驗提供了一定的參考。除此之外,有學者通過氣體遷移數學模型對注氣過程中氣體的分布狀態進行了預測。具有代表性的有：Cossu等[8]通過氣體壓力為變量的連續性方程解析解，給出了注氣過程中氣體壓力沿水平方向的分布。Dimitrios等[9]基于流體動力學理論構建了考慮甲烷氧化的CFD(computational fluid dynamics)耦合模型，模型考慮了有機質的好氧降解過程和氣體滲流的耦合。

由于好氧通風過程中是多個組分氣體的同步遷移和運動，如何確定多組分氣體的同步變化給預測工作帶來了挑戰。Liu等[10]通過構建考慮優勢流效應下的氣體遷移模型，模擬了注氣過程中氧氣和甲烷的分布情況。以上研究結果表明，若要實現氣體壓力和濃度分布的預測，必須通過氣體遷移連續性方程和濃度遷移對流擴散方程聯立求解得到。但計算過程復雜，操作難度大。

無論是出于對環境效益還是經濟效益的考慮，在對垃圾填埋場注氣時，通過對濃度和壓力進行監測是很有必要的。兩者之間的協同變化規律，無論對抽氣還是注氣都有參考意義[11-13]，在注入試驗中預估合理的注氣強度和時間也有參考價值。

為了進一步確定注氣過程中氣體壓力和濃度的定量表征關系，必須在注氣過程中同時監測氣體壓力和濃度。而這方面的研究工作還少有文獻報道。為此，以兩個現場注氣試驗為依托，開展氣體壓力和多組分濃度的監測試驗，分析氣體壓力與各組分濃度之間的定量表征關系特征，為好氧通風過程中多組分氣體分布狀態的評估提供關鍵理論支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 現場試驗背景條件

選取兩個典型垃圾填埋場作為試驗地點。赤壁北山路填埋場位于赤壁市赤馬港街道新屋村(原油鋪村)，北山大道與外環路(規劃)交叉路口處。場地中心地理坐標為113°56′49.13″E，29°44′44.87″N，距離市區中心約5 km。垃圾填埋齡約17年，堆體表面采用30～110 cm黏土進行了簡易覆蓋，覆蓋面積約2.53萬m2。試驗區域位于垃圾填埋場西北角，垃圾堆填深度為10～11 m處，如圖1所示。

圖1 赤壁現場試驗區域Fig.1 Chibi field test area

北洋橋垃圾填埋場位于武漢市洪山區楊春湖路，垃圾填埋齡約15年，試驗地點在I區東側，垃圾堆填深度為9～10 m處，覆蓋層自上而下依次為黏土(30～50 cm)和土工膜(1.5 mm)，如圖2所示。

圖2 北洋橋現場試驗區域Fig.2 Beiyangqiao field test area

如圖3和圖4所示，注氣試驗所用氣井包括1眼注氣井和3眼監測井，注氣井和監測井結構相同，井間距為3 m。赤壁北山路(A組)和武漢北洋橋(B組)試驗氣井的打孔段長度h2分別為2～3 m和2.5～3 m。其中H1和H2分別是覆蓋層厚度和垃圾填埋深度。

圖3 氣井布置圖Fig.3 Gas well layout

圖4 氣井詳細結構圖Fig.4 Detailed structure diagram of gas well

1.2 試驗方案

A組和B組試驗方案相同。采用注氣風機將壓縮的空氣經由現場布置的水平管路和流量計送入垂直的注氣井中，空氣依次通過氣井打孔段中的花孔和碎石層流入垃圾堆體中，同時依靠壓力梯度向注氣井周邊遷移。當各處壓力表發生變化時，即可記錄觀察每個監測井的氣體壓力和氣體濃度。

氣體壓力由壓力表直接讀出，檢測氣體濃度時需使用氣泵連接監測井的出氣端口，將氣體抽入集氣袋中，之后連接干燥過濾器，通過沼氣分析儀的主動抽氣，使氣體樣本以1 L/min速率通過氣體管道進入腔體，1.5～2 min便可得到穩定的結果。因此1.5～2 L進入傳感器即可得到測試結果。沼氣分析儀可檢測到CH4、CO2和O2三種氣體的體積分數。數據誤差CH4約為1.78%，CO2約為1.78%，O2約為1.6%。

此試驗所用的沼氣分析儀顯示器數值表示：氣體體積百分比。

A組現場試驗使用10 kPa風機向垃圾堆體通入氣體，在濃度變化較明顯的時候，每15 min記錄一次數據，隨著濃度變化幅度減小,間隔時間隨之延長，間隔30 min、間隔1 h，待氣體濃度達到穩定即實驗結束，達穩定時間約為6 h。

B組現場試驗使用5 kPa風機向垃圾堆體通入氣體，間隔30 min記錄一次數據，待氣體濃度達到穩定后停止試驗，達穩定時間約為36 h。

2 氣體壓力和濃度的計算原理

2.1 多組分氣體濃度計算表達式

氣體百分比含量與濃度之間的關系為

C=MCp/22.4

(1)

式(1)中：C為污染物濃度，以每標立方米的毫克數表示，mg/m3；Cp為污染物的濃度，10-6；M為污染物的摩爾質量，g/mol。

2.2 混合氣體分壓計算原理

在混合氣體分壓計算前，進行如下假設：①假設填埋氣體符合理想氣體狀態方程；②填埋場氣體總體積不變，溫度為常數；③因填埋場填埋齡較大，揮發性有機物占比可直接忽略。只考慮氮氣、二氧化碳、氧氣和甲烷四種主要氣體，其所占體積分數之和等于1。

(1)理想氣體狀態方程。

PiV總=niRT

(2)

式(2)中：Pi為i組分氣體分壓力，Pa；V總為氣體總體積，m3；ni為i組分的物質的量，mol；R為通用氣體常數，R=8.314 J/(mol·K)；T為氣體混合物的絕對溫度，K。

(2)混合氣體分壓定律：某組分氣體分壓的大小和它在氣體混合物中的體積分數成正比，即

Pi=P總Vi/V總

(3)

式(3)中：P總為氣體總壓力，Pa；Vi為i組分氣體分體積，m3。

(3)混合氣體各組分濃度與各分壓之間可通過理想氣體狀態方程(equation of state，ES)進行預測,即

Pi=CiRT

(4)

式(4)中：Pi為i組分的氣體分壓力，Pa，Ci為i組分氣體的濃度，mol/m3。

3 試驗結果分析

3.1 氣體壓力與濃度監測及預測結果分析——A組

3.1.1 氣體分壓與濃度定量表征關系

如圖5所示，A組試驗監測得到的各組分濃度與各分壓之間的變化規律。其中分壓由式(3)計算得到。氣體分壓與濃度之間存在明顯的線性關系，擬合優度達99%以上。根據以上數據獲得氣體分壓與濃度定量表征關系——修正后的狀態方程(modified equation of state，MES)，即

圖5 氣體分壓隨濃度變化規律(A組)Fig.5 Gas partial pressure changes with concentration(Group A)

Pi=P0+KiCi

(5)

式(5)中：P0為擬合直線在P軸上的截距，擬合所得初始壓力值,Pa；Ki為圖中擬合直線的斜率，Pi/Ci的比值，Pa/(mol·m-3)。

甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的擬合結果分別為

PCH4=(-0.36±0.90)+(2 270.59±0.14)CCH4

(6)

PCO2=(0.87±1.40)+(2 270.52±0.20)CCO2

(7)

PO2=(-2.91±2.47)+ (2 271.23±0.36)CO2

(8)

PN2=(-25.62±15.26)+(2 271.67±0.52)CN2

(9)

3.1.2 氣體分壓監測結果與預測結果對比分析

如圖6所示，A組ES模型和MES模型預測得到的各氣體組分的分壓與濃度之間的變化關系，通過對比發現：氣體壓力的監測值(MES模型)均小于計算值(ES模型)，甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的監測值和計算值的差值范圍分別為：13.48～1 691.43 Pa、63.77～1 014.05 Pa、50.19～707.98 Pa和907.81～2 752.75 Pa，四者差值都約占ES模型計算得到壓力的3.48%～3.55%。

圖6 ES模型和MES模型預測分壓關系對比(A組)Fig.6 Comparison of ES model and MES model predictive partial pressure relationship(Group A)

3.2 氣體壓力與濃度監測及預測結果分析——B組

3.2.1 氣體分壓與濃度定量表征關系

如圖7所示，通過MES模型計算得到各組分氣體壓力與濃度的表征關系也符合式(5)。其中，甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的擬合結果分別為

PCH4=(1.34±1.64)+(2 270.22±0.48)CCH4

(10)

PCO2=(-12.53±2.91)+(2 276.76±0.72)CCO2

(11)

PO2=(-0.74±0.42)+(2 274.48±0.33)CO2

(12)

PN2=(-728.41±233.52)+(2 292.44±6.17)CN2

(13)

同A組相似，可觀察出B組壓力和濃度之間也存在明顯的線性關系，各組分氣體的壓力隨著濃度的增加而呈直線增加。

3.2.2 氣體分壓監測結果與預測結果對比分析

如圖8所示，ES模型和MES模型預測得到的B組各氣體組分的分壓與濃度之間的變化關系圖。對比發現：結果與A組相同，氣體壓力的監測值(MES模型)均小于計算值(ES模型)。甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣的監測值和計算值的差值范圍分別為：1.75～665.82、191.70～875.17、51.15～620.27、6 109.07～7 158.53 Pa。甲烷差值占ES模型計算得到壓力的3.33%～3.56%。后三者差值占7.48%～7.26%。

圖8 ES模型和MES模型預測分壓關系對比(B組)Fig.8 Comparison of ES model and MES model predictive partial pressure relationship (Group B)

此外，現場監測過程還發現：A組試驗過程中，甲烷濃度由初始的濃度22.45%降至0.63%，二氧化碳濃度由11.14%降至4.49%，氧氣濃度由14.61%升至19.41%； B組試驗過程中，甲烷濃度由初始的濃度7.62%降至0.02%，二氧化碳濃度由3.03.%升至3.71%，氧氣濃度由2.99%升至16.24%。各組分氣體濃度達到穩定狀態時，氧氣濃度均未達到21%，意大利學者Cossu等也發現了類似的情況[8]。這主要是由于垃圾堆體非均質性導致存在非流動區域造成的，Yazdani等[14-15]在美國Yolo County 填埋場現場示蹤試驗發現非流動區域占總孔隙體積的10%～30%。因此，垃圾堆體的非均質性導致注氣過程中很難實現孔隙中氧氣濃度達到理想狀態。

綜上，通過A組和B組多組分氣體分壓力和濃度的計算分析，通過修正后的MES模型計算得到的壓力偏低于ES模型計算得到的壓力，因此進行現場好氧通風試驗時，需要進行原位氣體補償。

4 結論

以現場注氣試驗數據為基礎，對多組分氣體分壓和濃度進行了對比分析，得到如下結論。

(1)通過赤壁北山路(A組)和武漢北洋橋(B組)的數據分析，獲得修正后的氣體分壓與濃度定量表征關系。

(2)基于兩組現場監測數據，對ES模型和MES模型進行了比較，發現前者的壓力值皆大于后者壓力值。偏差范圍：(A組)甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣分別是：13.48～1 691.43 Pa、63.77～1 014.05 Pa、50.19～707.98 Pa和907.81～2 752.75 Pa，四者差值都占ES模型計算得到壓力的3.48%～3.55%。(B組)甲烷、二氧化碳、氧氣和氮氣：1.75～665.82 Pa、191.70～875.17 Pa、51.15～620.27 Pa和6 109.07～7 158.53 Pa。甲烷差值占ES模型計算得到的壓力的3.33%～3.56%。后三者差值占7.48%～7.26%。因此，注氣過程中氣體壓力原位監測結果需要進行適當氣體補償。

(3)監測的氧氣濃度小于理想氧氣濃度值，可能是由于垃圾堆體存在非流動區域造成的，好氧通風系統運行過程中應考慮這一因素對氣體分布的影響。