梁仕華， 何 超*， 張 雄， 劉 磊， 張建龍

(1.廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 廣州 510006； 2.武漢環(huán)境投資開發(fā)集團(tuán)有限公司， 武漢 430019；3.中國科學(xué)院巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071；4.中國科學(xué)院巖土力學(xué)研究所污染泥土科學(xué)與工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071)

好氧生物反應(yīng)器技術(shù)是目前垃圾填埋場原位修復(fù)的主流方式之一[1-2]。填埋場好氧反應(yīng)過程中垃圾堆體溫度變化幅度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的厭氧型垃圾填埋場。由于垃圾堆體內(nèi)貯存氧氣和甲烷的混合氣體，溫度的升高會影響通風(fēng)系統(tǒng)的安全、持續(xù)運(yùn)行，甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故[3]。因此，實(shí)現(xiàn)對好氧反應(yīng)過程中垃圾堆體溫度變化的預(yù)測對于好氧反應(yīng)器的運(yùn)營和管理起到關(guān)鍵作用。

溫度是影響好氧生物反應(yīng)器安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。Read等[4]認(rèn)為好氧填埋場的最適合溫度為5℃，滲濾液回灌是控制填埋場溫度的優(yōu)選方法之一；王慧玲等[5]開展輸氧抽氣現(xiàn)場試驗(yàn)，填埋場氧氣含量上升可加速垃圾中的有機(jī)質(zhì)降解反應(yīng)，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)垃圾體溫度顯著上升，尤其在試驗(yàn)區(qū)非飽和帶的垃圾體中部溫度上升幅度最大，達(dá)到42～45 ℃；Jafari等[6]觀測到填埋場抽氣井口處于好氧區(qū)域，氧氣濃度接近大氣濃度，相比厭氧區(qū)域，抽氣井附近區(qū)域溫度上升迅速，熱量向四周擴(kuò)散，最高可達(dá)到90 ℃，影響通風(fēng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行；?ncü等[7]嘗試高壓、低壓通氣和持續(xù)、間斷通氣方案，監(jiān)測到在填埋場某些區(qū)域溫度達(dá)到70 ℃，但為避免火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)，不得不臨時停止部分通風(fēng)方案。部分學(xué)者針對有效影響半徑、曝氣模式等影響因素對好氧生物反應(yīng)器的運(yùn)行效率進(jìn)行了深入研究[8]。但針對滲濾液回灌方案對好氧生物反應(yīng)器的溫度特性影響的試驗(yàn)研究尚少。

好氧反應(yīng)過程中垃圾堆體溫度的變化主要通過熱平衡方程進(jìn)行分析。Yesiller等[9]對美國密歇根州的某垃圾填埋場進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)溫度保持在 50～65 ℃，使用Heat Content模型分析表明垃圾堆體溫度與廢物深度、降雨量、初始溫度和季節(jié)性溫度變化相關(guān)；Hanson等[10]以瞬態(tài)非線性熱傳導(dǎo)理論為基礎(chǔ)，使用階梯函數(shù)分析好氧和厭氧階段熱量關(guān)系，使用指數(shù)增長-衰減函數(shù)模型模擬填埋場不同深度的熱量產(chǎn)生，得出覆蓋層與固廢表面之前的溫度關(guān)系，在考慮填埋場所在地的氣候條件下，可確定不同深度的垃圾分解凈產(chǎn)熱量；Emmi等[11]基于指數(shù)增長-衰減函數(shù)模型，設(shè)置環(huán)境、空氣與填埋場熱交換等邊界條件，得出熱負(fù)荷函數(shù)以確定可從填埋場提取的總能量。目前，中外理論模型很少涉及液體回灌對填埋場熱交換的影響，鮮有考慮液體回灌對好氧反應(yīng)過程中溫度變化的定量預(yù)測模型。因此，開展液體回灌對垃圾好氧反應(yīng)過程中溫度變化的定量模擬研究，對于優(yōu)化好氧通風(fēng)運(yùn)行方案和保障通風(fēng)運(yùn)行安全具有普遍的現(xiàn)實(shí)意義。

提出修正的兩階段氧氣消耗速率——熱平衡模型，模擬計(jì)算了滲濾液回灌、通風(fēng)速率和垃圾熱傳導(dǎo)性對好氧生物反應(yīng)器溫度特性的影響，對比分析室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可較為準(zhǔn)確地預(yù)測垃圾好氧通風(fēng)過程中的溫度變化，以期為填埋場好氧通風(fēng)系統(tǒng)的高效、安全、持續(xù)運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

1 熱平衡方程的構(gòu)建

Lefebvre等[12]針對好氧生物反應(yīng)器提出熱平衡方程：

(1)

式(1)中：ρs為垃圾密度；ρg為氣體密度；Cg為氣體比熱容；z為垃圾填埋深度，m；T為溫度，錯誤！未找到引用源。；t為時間，d；Cs為垃圾比熱容；λs為垃圾熱傳導(dǎo)系數(shù)；U為沼氣過濾率；Q為源匯項(xiàng)，其計(jì)算公式為

(2)

式(2)中：A為好氧反應(yīng)產(chǎn)熱；ε為孔隙比；Vm為氣體摩爾體積；RO2為氧氣消耗速率。

當(dāng)不考慮氣體對流對熱量交換的影響時，方程(1)可寫為

(3)

Borglin等[13]監(jiān)測400 d內(nèi)好氧生物反應(yīng)器的氧氣消耗速率，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合，提出氧氣消耗速率方程為

RO2=-0.5ln(t)+2.9

(4)

方程(4)是在假設(shè)好氧生物反應(yīng)在開始階段即為氧氣消耗速率的峰值的前提下提出的，實(shí)際上微生物在進(jìn)行有機(jī)質(zhì)分解的過程中，氧氣消耗速率是從0逐漸上升到峰值，而非初始即為峰值。提出了兩階段氧氣消耗速率模型，如式(5)所示：

(5)

式(5)中：t為時間，d，若t≤2.2，則t=t1;t≥2.2，則t=t2；β為修正系數(shù)，相關(guān)性系數(shù)r2=0.983。

將修正的氧氣消耗速率式(5)代入熱平衡方程(3)中，得到以修正氧氣消耗速率方程為基礎(chǔ)的熱平衡模型：

(6)

(7)

式(7)中：Qb為源匯項(xiàng)。

當(dāng)考慮液體回灌對溫度的影響時，得到氧氣消耗速率方程為基礎(chǔ)的熱平衡方程[14]：

(8)

式(8)中：ρw為水的密度；Cw為水的比熱容；Qw為滲濾液回灌速度，m·s-1；T0為垃圾初始溫度；H為垃圾堆體高度，m。

當(dāng)考慮氣體對流對熱量引起變化時，方程(3)可寫為

(9)

式(9)中：ρg為氣體密度；Cg氣體比熱容；Vg為氣體速度，m·s-1。

垃圾作為一種混合物，綜合考慮垃圾土骨架，水，氣體的熱容參數(shù)，得到垃圾的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)方程[15]：

λeq=nswρwCwαw+nsgρgCgαg+(1-n)ρsCsαs

(10)

式中(10)：λeq為等效熱傳導(dǎo)系數(shù)；n為垃圾孔隙度；sw、sg分別為液體、氣體飽和度；αw、αg、αs分別為液體、氣體和垃圾熱擴(kuò)散系數(shù)。

2 模擬方案

為了使模擬結(jié)果具備可驗(yàn)證性，選取Nag等[16]開展的考慮滲濾液回灌、注氣條件下生活垃圾好氧反應(yīng)試驗(yàn)為模擬對象，以保證模型參數(shù)與實(shí)驗(yàn)條件一致，建模分析反應(yīng)器的好氧熱平衡。該試驗(yàn)為一個圓柱形好氧生物反應(yīng)器(高1 m，直徑0.15 m，垃圾高度0.7 m)，監(jiān)測了不同滲濾液回灌強(qiáng)度和通氣強(qiáng)度條件下垃圾堆體溫度隨降解反應(yīng)時間的變化。反應(yīng)器四壁保持恒溫30 ℃，外界氣壓為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，下端注氣，滲濾液從上端回灌，溫度監(jiān)測點(diǎn)位于堆體中心。具體邊界條件及反應(yīng)器示意圖如圖1所示，模擬實(shí)驗(yàn)方案如表1所示，模擬參數(shù)如表2所示。

仿真計(jì)算在COMSOL Multiphysics軟件Heat Transfer Module(傳熱模塊)和Fluid Flow Module(滲流模塊)基礎(chǔ)上二次開發(fā)完成。

P為反應(yīng)器外的氣壓；Patm為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；T為反應(yīng)器四壁溫度；T0表示恒溫30 ℃；城市生活垃圾(municipal solid waste，MSW)圖1 反應(yīng)器示意圖Fig.1 Reactor schematic

表1 好氧生物反應(yīng)器模擬方案Table 1 Aerobic bioreactor simulation program

表2 模擬參數(shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 垃圾好氧反應(yīng)器溫度隨時間變化特征

通風(fēng)強(qiáng)度、滲濾液回灌對垃圾的生物降解過程中的溫度變化起到關(guān)鍵作用。對比只考慮化學(xué)降解、考慮氣體交換和滲濾液回灌三種情況與Nag等[16]的試驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。由圖2可以觀察到：僅考慮微生物降解反應(yīng)影響的反應(yīng)器在第30 d左右達(dá)到溫度峰值56.42 ℃；考慮氣體交換對好氧反應(yīng)器的影響，峰值溫度下降3.6%；15 ℃液體回灌對垃圾堆體溫度影響最大，峰值溫度為42.85 ℃，比僅考慮降解反應(yīng)的反應(yīng)器降低24.1%，在溫度達(dá)到峰值后同一時間下溫度至少降低24.8%。僅考慮液體回灌的條件下，模擬結(jié)果較好地?cái)M合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。在溫度達(dá)到峰值后，隨著時間增長，溫度逐漸平穩(wěn)下降。垃圾溫度達(dá)到峰值后呈下降趨勢，這與反應(yīng)器的有機(jī)物降解程度有關(guān)[17-18]，隨著有機(jī)物降解反應(yīng)的進(jìn)行，微生物可利用的有機(jī)組分含量持續(xù)減少，產(chǎn)熱能力下降，并最終逐漸接近環(huán)境溫度，同時高蒸發(fā)速率可帶走部分熱量[19]。

R1×1、R1×2、R1×3分別對應(yīng)表1第二行的三種反應(yīng)器圖2 好氧反應(yīng)器溫度與時間的關(guān)系Fig.2 The relationship between temperature and time of aerobic reactor

3.2 滲濾液回灌強(qiáng)度對好氧反應(yīng)器溫度特性的影響

液體(水)具備高比熱容的特性，在滲濾液回灌過程中，液體吸熱能力的強(qiáng)弱對垃圾堆體溫度有顯著影響，滲濾液回灌量對溫度的影響如圖3所示。在其他條件相同的情況下，隨著每周滲濾液回灌量增加，平穩(wěn)后的溫度逐漸下降，峰值溫度可從 51.5 ℃(每周500 mL)下降到36.5 ℃(每周1 500 mL)，下降幅度達(dá)到29.1%。由圖4可知，滲濾液初始溫度越高，對垃圾堆體的降溫效果越不明顯。液體溫度每相差10 ℃，對垃圾溫度的影響最多可達(dá)4.0 ℃。

圖3 滲濾液回灌量對溫度的影響Fig.3 Effect of leachate recirculation on temperature

圖4 滲濾液溫度對溫度的影響Fig.4 Effect of leachate temperature on temperature

3.3 注氣強(qiáng)度對好氧反應(yīng)器溫度特性的影響

在不同氣體流動模式下，氣體在反應(yīng)器中熱交換存在差異，最終反應(yīng)在垃圾堆體的溫度變化，對通氣強(qiáng)度的影響進(jìn)行靈敏性分析，如圖5所示。不同通氣強(qiáng)度的垃圾在較為接近的時間達(dá)到各自的峰值溫度；隨著通氣強(qiáng)度的提高，垃圾的峰值溫度出現(xiàn)下降，低通風(fēng)強(qiáng)度下的垃圾峰值溫度為54.13 ℃，比高強(qiáng)度通風(fēng)下的垃圾降低3.43%。在不考慮氧氣濃度對微生物活性的影響前提下，通風(fēng)強(qiáng)度對垃圾堆體溫度影響較小。

圖5 注氣強(qiáng)度對溫度的影響Fig.5 Effect of gas injection on temperature

3.4 等效熱傳導(dǎo)系數(shù)對好氧反應(yīng)器溫度特性的影響

圖6為不同等效熱傳導(dǎo)系數(shù)對溫度變化的影響。隨著等效熱傳導(dǎo)系數(shù)增加，反應(yīng)器溫度不斷下降，溫度下降幅度逐漸減小，達(dá)到峰值溫度所需時間減少。等效熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.3的反應(yīng)器在第58 d達(dá)到溫度峰值，等效熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.0的反應(yīng)器則在第43 d達(dá)到溫度峰值，提早25.9%。溫度下降階段，等效傳導(dǎo)系數(shù)越大，溫度下降幅度越小，系數(shù)為1.0和0.3的下降溫度分別為2.34 ℃和6.73 ℃，分別下降了5.14%和8.06%。

圖6 等效熱傳導(dǎo)系數(shù)對溫度的影響Fig.6 Effect of equivalent heat transfer coefficient on temperature

4 討論

對比滲濾液回灌和注氣兩個因素，液體回灌對溫度影響最大，這主要受液體的比熱容影響。液體(水)的比熱容是氣體比熱容的3 256倍，相同體積下，升高相同的溫度，液體需要更多的熱量。隨著每周滲濾液回灌量增加，峰值溫度可從54.99 ℃(每周500 mL)下降到39.1 ℃(每周1 500 mL)，下降幅度達(dá)到23.11%。滲濾液的初始溫度與垃圾的溫度變化有密切的關(guān)系。液體溫度每相差10 ℃，對垃圾溫度的影響最多可達(dá)4.0 ℃。因此，在運(yùn)用好氧生物反應(yīng)器技術(shù)時，需考慮不同季節(jié)的滲濾液溫度和水溫對滲濾液回灌的影響。

在不考慮氧氣濃度對微生物活性的影響前提下，通風(fēng)強(qiáng)度對垃圾堆體溫度的影響較??；垃圾均在較為接近的時間達(dá)到各自的峰值溫度，通氣強(qiáng)度的提高會導(dǎo)致垃圾的峰值溫度下降。等效熱傳導(dǎo)系數(shù)靈敏性分析有利于深入了解其對溫度特性的影響。等效熱傳導(dǎo)系數(shù)越大，反應(yīng)器溫度越小，溫度下降幅度逐漸減小，達(dá)到峰值溫度所需時間減少，這意味著溫度下降階段持續(xù)時間越長，在宏觀角度上表明垃圾填埋場中的垃圾種類和熱力學(xué)屬性對溫度特性起到至關(guān)重要的影響。

5 結(jié)論

好氧生物反應(yīng)器中微生物的氧氣消耗速率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，提出兩階段氧氣消耗速率模型來描述好氧反應(yīng)過程中的熱釋放效應(yīng)。模擬結(jié)果表明，液體回灌可使垃圾峰值溫度至少降低24.1%。模擬結(jié)果較好地?cái)M合Mitali室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。

滲濾液回灌強(qiáng)度和滲濾液初始溫度對垃圾的溫度有明顯影響。隨著每周滲濾液回灌量增加，峰值溫度可從51.5 ℃(每周500 mL)下降到36.5 ℃(每周1 500 mL)，下降幅度達(dá)到29.1%。液體溫度每相差10 ℃，對垃圾溫度的影響最多可達(dá)4.0 ℃。在運(yùn)用好氧生物反應(yīng)器技術(shù)時，需考慮不同季節(jié)的滲濾液溫度的影響。

在不考慮氧氣濃度對微生物活性的影響前提下，通風(fēng)強(qiáng)度對垃圾堆體溫度的影響較小。等效熱傳導(dǎo)系數(shù)對好氧反應(yīng)器溫度特性的影響顯著。