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好氧生物反应器填埋场中气体注入、产生及运移的拟稳态模拟研究

作　者: 孙益彬
导　师: 孙巍
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 好氧生物反应器填埋场反应机理填埋气体三维气体运移模型 gPROMS 压力分布经济通风量
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来，城市化不断发展，城市建设用地越来越紧，原先的许多简易垃圾填埋场又被开发为城市建设用地。然而，简易垃圾填埋场稳定周期可达数十年，期间持续有CH4等气体产生，近十几年来国内外曾发生过多起简易垃圾填埋场火灾和爆炸等事故，若在其上或附近进行城市建设，危险性不言而喻；此外，简易垃圾填埋场大多缺少防渗层和气、液导排系统，因而导致渗滤液及填埋气排放处于无控状态，这将对附近居民和环境造成潜在的危害，因此如何解除简易垃圾填埋场所带来的安全隐患，对其快速、高效的治理是急需解决的问题。生物反应器填埋场的出现为简易垃圾填埋场治理提供了可能的方法，它对加速垃圾降解效果显著。虽然好氧生物反应器填埋场治理技术在国外已有应用，但由于目前关于生物反应器填埋场的理论研究几乎都是基于厌氧的，且两者在垃圾生化降解反应和气体运移机理上存在显著差异，因此若直接借鉴其设计和运行经验则缺乏针对性；此外，国外好氧治理技术应用对象多是卫生填埋场，而我国的治理对象以底部无防渗层的简易垃圾填埋场为主，两者在设定通风量和注水量等参数值上存在一定差异。所以，简易垃圾填埋场好氧治理项目运行过程中通风量和注水量等操作参数选取急需得到相应的理论依据和参考。针对上述情况，本文主要做了如下几方面的研究：(1)对改造好氧生物反应器填埋场填埋垃圾好氧生化降解反应过程进行了全面分析，认识到填埋垃圾是由许许多多的颗粒组成(填埋过程中通过机械破碎和压实)，基于此，本文将垃圾好氧生化降解反应单元假设为大小均一的球体颗粒，进而从单个颗粒入手，将其分为中部厌氧区和周边好氧区，综合考虑氧浓度、垃圾底物浓度、微生物浓度、温度和含水率等因素对好氧生化降解反应的影响，建立较完善的好氧生化降解反应机理模型(球形颗粒尺度)；(2)对采用通风单井作为末端通风设施的改造好氧生物反应器填埋场填埋气体运移特点进行了详细研究，充分考虑了对流和扩散两种传递过程，在柱坐标系下建立好氧生物反应器填埋场三维填埋气体运移模型(实际工程尺度)，并将其与好氧生化降解反应机理模型(垃圾颗粒尺度)和填埋垃圾含水率分布模型(实际工程尺度)相结合，利用gPROMS软件编程，实现了模型的两种尺度耦合求解，得出好氧生物反应器填埋场中填埋气体压力分布；(3)在保证改造好氧生物反应器填埋场氧气供应充足的前提下，确定其经济通风量，实现降低风机负荷、减少好氧生物反应器填埋场运行费用的目的；在注水量适宜且保证渗滤液不下渗的前提下，确定适宜的井间距，使其更有利于填埋垃圾好氧生化降解反应的进行，为好氧生物反应器填埋场的设计和运行提供指导，以利于该治理方法的推广。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-17
符号说明  17-20
第一章文献综述  20-33
  1.1 生活垃圾及其处理现状  20-22
  1.2 简易垃圾填埋场存在的问题及其解决思路  22-26
  1.3 生物反应器填埋场填埋气体运移模型的国内外研究现状  26-30
  1.4 立题意义  30-31
  1.5 本课题的创新之处  31
  1.6 本文的研究内容  31-33
第二章好氧生物反应器填埋场中气体注入、产生及运移的过程分析  33-47
  2.1 好氧通风技术  33-37
    2.1.1 填埋场好氧通风技术的历史背景  33
    2.1.2 填埋场好氧通风方式及意义  33-34
    2.1.3 好氧生物反应器填埋场通风及气体导排系统  34-37
      2.1.3.1 通风方式和通风系统组成  34-36
      2.1.3.2 通风量  36
      2.1.3.3 通风时间  36-37
      2.1.3.4 通风压力  37
      2.1.3.5 通风功率  37
  2.2 好氧降解反应机理及主要影响因素  37-42
    2.2.1 好氧生物反应器填埋场填埋气特点  37-38
    2.2.2 好氧生物反应器填埋场反应机理及过程  38-40
      2.2.2.1 好氧降解反应原理  38
      2.2.2.2 氧气在好氧生化降解中的消耗  38-39
      2.2.2.3 稳定化过程阶段划分  39-40
    2.2.3 好氧生化降解的主要影响因素  40-42
      2.2.3.1 垃圾组成  40-41
      2.2.3.2 垃圾组分含量  41
      2.2.3.3 垃圾堆体温度  41-42
      2.2.3.4 垃圾堆体含水率  42
      2.2.3.5 氧气浓度  42
  2.3 好氧填埋气气体运移过程分析  42-45
    2.3.1 好氧填埋气气体运移特点  43-44
    2.3.2 氧气传递特性简介  44-45
  2.4 本章小结  45-47
第三章模型方程的建立与求解  47-63
  3.1 质量守恒模型  47-54
    3.1.1 参数拟合模型  48-50
      3.1.1.1 填埋单元结构简图  48
      3.1.1.2 模型基本假设  48
      3.1.1.3 模型方程的建立  48-50
    3.1.2 气体运移三维机理模型  50-54
      3.1.2.1 模型基本假设  51
      3.1.2.2 模型方程的建立  51-54
  3.2 氧气消耗速率动力学模型  54-60
    3.2.1 填埋颗粒平面示意图  55
    3.2.2 模型基本假设  55
    3.2.3 模型方程的建立  55-60
      3.2.3.1 中部厌氧区域模型公式  56-58
      3.2.3.2 周边好氧层模型公式  58-60
  3.3 模型联合求解方式  60-61
  3.4 模型求解工具介绍  61-62
  3.5 本章小结  62-63
第四章好氧生物反应器填埋场填埋气体压力分布的模拟与讨论  63-79
  4.1 某简易垃圾填埋场好氧治理项目概况  63-64
  4.2 参数拟合模型的应用  64-66
    4.2.1 模型方程参数  64
    4.2.2 模型方程边界条件  64-65
    4.2.3 结果与分析  65-66
    4.2.4 结论与不足  66
  4.3 含水率分布模型与气体运移模型的耦合应用  66-78
    4.3.1 模型方程参数  67-68
    4.3.2 模型方程边界条件  68-69
    4.3.3 结果与分析  69-78
      4.3.3.1 模拟现行改造好氧生物反应器填埋场  69-72
      4.3.3.2 现行改造好氧生物反应器填埋场参数调整  72-75
      4.3.3.3 井间距对填埋气体压力分布影响  75-76
      4.3.3.4 垃圾组成对填埋气体压力分布影响  76-78
  4.4 本章小结  78-79
第五章结论与展望  79-80
参考文献  80-84
致谢  84-85
研究成果及发表的学术论文  85-86
作者和导师简介  86-87
硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  87-88

好氧生物反应器填埋场中气体注入、产生及运移的拟稳态模拟研究

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