本文是一篇土木工程论文，本文在总结了城市生活垃圾工程力学特性的基础上，着重研究了气体组分对城市生活垃圾生化降解的影响，以及填埋场内部气体组分的分布规律。建立了同时拥有好氧降解途径和厌氧降解途径的城市生活垃圾生化降解模型。
1 绪论
1.1 研究背景
随着我国社会经济的快速发展，城市化进程不断推进，城市人口不断增长，城市垃圾污染问题日益严重。其中城市固体废物已成为重要的污染源之一。目前我国城市固体废物年平均产量可达5亿吨，年增长率为8%~10%，无害化处理率仅为6%，与部分发达国家相比差距较大。如果城市固体废物长期堆放处理不当，会对土壤、水质、大气环境造成不同程度的污染，甚至严重危害人们的健康。因此加强城市固体废物处理已成为我国城市规划建设的重要组成部分[1]。我国城市生活垃圾处理方法主要包括堆肥法、焚烧法、卫生填埋法。堆肥方法：固体废物可通过高温处理储存发酵。固体废物一般易腐蚀，使用范围较小。焚烧方法：通过锅炉等相关设备焚烧城市固体废物，提高固体废物的处理效率，产生的热量可以二次利用，但在焚烧过程中会产生新的污染物。卫生填埋方法：通过防渗、土壤覆盖等相关措施填埋固体废物，避免对城市空气环境和水资源造成一定损害[2]。与其他处理方法相比，卫生垃圾填埋成本相对较低，效果相对较高。一般来说，垃圾填埋场是我国城市生活垃圾的主要处理方法。世界各地城市生活垃圾处理比例如表所示1.1所示。
我国城市生活垃圾处理中最常用的方法是填埋法。卫生填埋技术已广泛应用于许多发达和发展中国家的城市生活垃圾处理[5]。我国城市生活垃圾中餐厨垃圾成分含量远高于西方发达国家，导致我国垃圾填埋场稳定化过程中出现水位高、填埋场浅层不稳定、内衬破损、集气管道变形、填埋气火灾、渗滤液泄漏等一系列工程问题。在此基础上，提出了适合我国国情的城市生活垃圾填埋场的设计和建设方法，以提高运行管理水平，防控潜在的环境灾害源，及时控制和处理填埋场的环境污染问题。填埋场中可降解材料的生物降解发生在pH、温度、含水量、细菌等环境中。
1.2 国内外相关研究现状
1.2.1 城市生活垃圾液气运移特性研究现状
城市生活垃圾填埋后，首先会发生好氧反应，当氧气浓度低于一定水平时，会发生厌氧反应，产生大量的二氧化碳和甲烷。其中，氧的浓度是判断填埋垃圾厌氧和好氧反应的依据。但填埋场中氧气的浓度并不均匀，可能在某些区域出现好氧反应，在某些区域出现厌氧反应。如果要进行好氧调控，提高资源气体甲烷的收集效率，各组分气体的输送就成为问题的关键。
Morre等人在对称坐标系中计算气体运移时首先考虑了气体在孔隙中的扩散，但缺少了对气体对流的模拟，也没气体的组分进行区分。虽然结果不精确，但开辟了新的思考方向。Amjad Kallel使用圆筒导气装置测试圆筒中填埋垃圾的气体渗透系数。试验结果表明，填埋垃圾在圆筒中的渗透系数在10-12和10-9之间，含水量对填埋垃圾渗透系数的影响可以忽略[10]。Massmann使用地下水流动模型来模拟垃圾填埋场内部的气体流动。研究表明，气体运移方程需要满足质量守恒方程、达西定律和气体状态方程[11]。美国加州山景城垃圾填埋场工程(MVCLP)采用了EI-Fadel建立的数学模型中气体部分和热量部分的传输参数。它基于对多孔介质环境(如卫生填埋)中物理、化学和微生物变化的控制。该模型包括生物化学和温度反馈回路，以模拟其相应参数对微生物过程的影响[15~18]。TownSend提出了垃圾填埋场集气层内一维气体运移模型，得出了不同填埋层厚度、不同气体渗透系数和产气速率对集气层抽气压力的影响因素[19]。Metcalfe等人将地下水运移的对流扩散方程应用于填埋场，模拟了填埋场中的气体流动，得到了气体压力和浓度。考虑二氧化碳的溶解，最终得到气体运移模型。将模型的计算结果与加拿大双城市渥太华街垃圾填埋场的现场测试结果进行比较，结果的拟合性更好[12]。Young建立了填埋场气体迁移的二维模型，该模型描述了Arigala开发的三维Young模型。该模型描述了垃圾填埋场中气体迁移的模型规律，能够解释实际垃圾填埋场中单种气体在多孔介质中的迁移规律。在上述模型的基础上，Argali研究了不同参数对填埋场总压力和气体流量的影响。
2 城市生活垃圾生化降解及工程力学特性
2.1 引言
我国的垃圾填埋场中包含大量的可降解物质，它们在降解过程中会发生根据氧气的浓度不同，发生好氧反应或厌氧反应，在这一过程中会产生大量的填埋气、渗滤液和化学溶质[87]。填埋场垃圾土与传统工程土的力学特性有巨大差异，这是由于填埋场垃圾在生化降解反应的过程中，可降解的部分发生水解，破坏了其土体结构，导致其本构关系发生显著改变。
生化降解是传统工程土与城市生活垃圾产生区别的主要原因。本章从城市生活垃圾多组分气体运移特性、城市生活垃圾液气渗流特性、城市生活垃圾生化降解特性、城市生活垃圾压缩变形特性、城市生活垃圾溶质迁移特性五个角度对城市生活垃圾工程力学特性进行描述。
2.2 城市生活垃圾多组分气体运移特性
土体中的气体主要以对流与扩散两种方式进行运移。气体整体或某一组分的通量，都可以表示为其对应的对流通量和扩散通量之和。气体的扩散按驱动力不同可以分为两种：由气体分子间的碰撞引起的扩散称为体相扩散；由气体分子与运移通道壁间的碰撞引起的扩散称为努森扩散。
由于发生好氧反应的填埋场中气体组分含有氧气、甲烷、二氧化碳、大量氮气和气体少量气体。由于氮气基本不参与填埋场内的生化反应，把氮气和其余少量气体统一划分为第四种组分，气体性质按照氮气来计算。假设为四种气体运移：氧气，甲烷，二氧化碳和其余组分气体。
3 城市生活垃圾填埋场MBCS耦合模型 .............................. 35
3.1 引言 ................................... 35
3.2 耦合模型建立 ................................ 36
4 填埋场生化降解及内部各组分气体分布规律 ............................. 51
4.1 引言 .......................................... 51
4.2 填埋场内部的气体分布规律 ......................... 51
5 好氧调控对填埋场稳定化的影响 ........................ 66
5.1 引言 ........................... 66
5.2 通气方式对填埋场稳定化的影响 ....................... 66
5 好氧调控对填埋场稳定化的影响
5.2 通气方式对填埋场稳定化的影响
5.2.1 填埋场的通气方式
我国2010年之前所建立的填埋场基本都是厌氧型填埋场，填埋场封场之后，填埋场内部的填埋气无法和空气进行气体交换，等填埋场内部的O2消耗完成，填埋场内部整体处于厌氧环境，填埋场完成稳定化需要十几年的时间才能完成。好氧填埋场和厌氧填埋场的主要区别如图5.1所示。近几年发现向填埋场内部通入O2可以加速填埋场内部生化降解的过程，达到加速稳定化的目的。但是通过何种方式向填埋场内部通入O2，可以达到最佳的效果，有待深入研究。
厌氧填埋场产出的填埋气主要是二氧化碳，好氧填埋场产出的填埋气甲烷和二氧化碳各占一半。在两种填埋场运行时间相同的情况下，好氧填埋场沉降量在厌氧填埋场的沉降量的两倍以上。但是填埋场内部并不会只发生好氧反应或者只发生厌氧反应，氧气浓度高便发生好氧反应，氧气浓度低便发生厌氧反应，然而填埋场内部的氧气浓度并不是均匀的，填埋场内部的氧气浓度分布受到通气方式的影响，所以通气方式对填埋场稳定化起到重要作用。
6 结论与展望
6.1 主要结论
本文在总结了城市生活垃圾工程力学特性的基础上，着重研究了气体组分对城市生活垃圾生化降解的影响，以及填埋场内部气体组分的分布规律。建立了同时拥有好氧降解途径和厌氧降解途径的城市生活垃圾生化降解模型。在此基础之上建立了填埋场的多组分气体运移-生化降解-压缩变形-溶质迁移耦合模型(MBCS)。分析了气体组分影响填埋场生化降解和稳定化进程的内在机理。模拟了不同工况对填埋场气体组分分布规律的影响，对比分析了不同通气方式和填埋场覆盖层对填埋场内部生化降解影响的差异。主要研究成果如下：
（1）基于前人研究的好氧降解模型和厌氧降解模型，总结出填埋场内部氧分压低于100Pa时厌氧菌浓度达到了2mol/m3，城市生活垃圾主要发生厌氧反应，氧分压在100Pa~1000Pa之间时，厌氧反应和好氧反应在生化降解过程中共同发生重要作用，氧分压高于1000Pa时好氧菌浓度达到了4.5mo/m3城市生活垃圾主要发生好氧反应。在氧分压对填埋场生化降解作用规律的基础上，建立了受氧气浓度影响的城市生活垃圾两途径生化降解模型。
（2）分析总结了多组分气体在孔隙中的运移规律，将填埋气的运移方式简化为对流和扩散，根据是否和孔隙壁碰撞又将扩散分为体相扩散和努森扩散，将气体分子之间相互碰撞导致的体相扩散作为重点研究目标，总结处两种气体在孔隙中运移时相互影响的规律，在此基础上建立了四种气体在孔隙中运移时相互影响的规律。得到了填埋场四种气体组分(N2、O2、CO2、CH4)在填埋场内部的运移机理。
（3）建立了填埋场气体运移方程，把气体运移方程分解为多组分气体运移方程
