城市垃圾卫生填埋场防渗层的安全设计.pdf

收稿日期:2002202216基金项目:铁道部科技研究开发项目(2002Z003)作者简介:李启彬(1969-),男,博士研究生.文章编号:025822724(2003)0120064206城市垃圾卫生填埋场防渗层的安全设计李启彬,刘丹,杨立中(西南交通大学环境科学与工程学院,四川 成都610031)摘 要:在综合考虑防渗层防渗性能、截污能力以及场址区环境容量3要素的基础上,以某填埋场为研究背景,通过土柱实验确定填埋场主要污染物之一Cl-在防渗层中运移的相关参数,并根据填埋场水文地质条件确定场址区地下水体的环境容量.研究表明防渗层上渗滤液水头对填埋场中污染物进入地下水环境的总量影响很大,最后对填埋场防渗层进行了设计.关键词:防渗;安全设计;污染控制;填埋场中图分类号:X705 文献标识码:ASafety Design of Impervious Liner of Solid Waste LandfillL I Qi2bin,L IU Dan,YAN G Li2zhong(School of Environmental Sci.and Eng.,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract:The permeability and filtration capacity of liners and capacity of a landfill site areinvestigated to design safe impervious liners of solid waste landfill.The permeability of the mainpollutant,Cl-,of a solid waste landfill isobtained with soil column test.The capacity of the landfillsite is determined by taking geological and hydrogeological propertiesof the site.It is shown that thewater head of leachate on the impervious layer affects greatly the total amount of pollutantsinfiltrating to underground water.A design of impervious layers for the solid landfill is presented asan example.Key words:seepage control;safety design;pollution control;landfill 为有效控制城市垃圾卫生填埋场产生的渗滤液,建设合格的防渗层是关键.目前广泛采用的防渗层有2类,一是土工膜,一是粘土.前者防渗性能好,但成本高;后者作为自然资源,易得且经济,通过对其合理设计和施工也可满足相关要求,作者就对其安全设计作一研究.在我国现有有关填埋场的法规中1,2,对防渗层要求主要是渗透系数k110-7cm/s,但都没有考虑防渗层的截污能力,更谈不上考虑场址区地下水体的环境容量问题.在已有的文献中,同样未将防渗层截污能力与防渗性能有效结合3.本研究在综合考虑防渗层防渗性能、截污能力以及场址区环境容量3要素基础上,以某填埋场为研究背景,通过土柱模拟实验确定相关参数,再根据场址区水文地质特征确定环境容量,最后进行该填埋场粘土防渗层的最终设计.1 土柱实验 实验分2组进行,土柱装置采用 220.5 0.50.005 0.0050.002 0.002不均匀系数曲率系数粘土2.7645.3525.4919.86030.9341.8112.7614.4114.51.1粉质粘土2.7232.7021.7011.000.7643.1732.4111.9110.4334.50.4表2 实验土柱装土情况Tab.2Summary of the experimental soil columns土柱类型及编号粘土土柱A1A2A3A4粉质粘土土柱B13B2B3B4B5土柱长度/cm201020202020102020装土密度/(gcm-3)1.551.551.601.471.501.571.571.571.50土料含水量/%272727272520252525注:3表示该土柱中含粘土8%.2 实验结果及分析2.1 土柱的渗透性变化 图1和图2分别是粘土柱和粉质粘土柱渗透系数的变化曲线.在图1中,各粘土柱的渗透系数都低于10-7cm/s,表明上述粘土具有很好的防渗性能,能满足卫生填埋场天然粘土类渗透系数必须 10-7cm/s的要求.实验进行到28 d时部分粘土柱渗透系数出现波动的情况,是空压机故障造成的,从中也可看出过薄或过松的土层的渗透性更易受土层上渗滤液水头波动的影响.图1 粘土柱渗透系数变化曲线图2 粉质粘土柱渗透系数变化曲线Fig.1The permeability of clay columnsFig.2The permeability of sandy clay columns图2中,各粉质粘土柱的渗透系数都在10-7cm/s以上,超过了防渗层对渗透系数的要求,说明直接将这种粉质粘土用于防渗层是不安全的.土柱B2含水量比土柱B4低5%,其渗透系数也比B4柱高出一倍多,表明在压实密度相同的土层中,含水量低者防渗性能也差.这点与Garcia2Bengochea等4研究结论一致.实验后期,粘土柱B1,B2和B4渗透系数下降,是由于渗过土柱的有机物被微生物分解,产生气体形成回压使水箱中渗滤液不能流到土柱上部,导致土柱缺水而影响渗出水量.实验结果表明成都粘土渗透系数比粉质粘土低近2个数量级,再对比分析2种土料的基本性质,可见除颗粒组成差异外,还与粉质粘土曲率系数未介于13之间,属级配不良土类有关5.56第1期李启彬等:城市垃圾卫生填埋场防渗层的安全设计 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/值得一提的是粉质粘土中加入8%成都粘土的B1柱,虽然密度仅1.50 gcm-3,但其渗透系数却比含水量相同、密度为1.57 gcm-3的纯粉质粘土土柱低了近一半,达到了210-7cm/s以下.据此,若继续增加粘土含量或加大压实密度则可使其k10-7cm/s6,7.这就为那些天然土层渗透性达不到防渗要求的填埋场提供了一种补救途径,即在当地土壤中加入一定比例的粘土等材料后再用于防渗层施工就可以满足防渗要求.2.2 渗出液COD浓度变化 图3和图4分别是成都粘土土柱和粉质粘土土柱的渗出液中COD浓度的变化曲线,实验期间输入土柱的渗滤液COD平均浓度COD为1 500 mg/L.图3 粘土柱渗出液COD浓度COD变化趋势图4 粉质粘土柱渗出液COD浓度COD变化趋势Fig.3The COD concentration of clay columnFig.4The COD concentration of sandy clayeffluent leachatevs.timecolumn effluent leachatevs.time试验开始时,2组实验土柱渗出液COD浓度均呈下降态势,然后逐渐攀升,最后达到基本稳定.因实验土柱中固有有机物的渗出,初期渗出液COD浓度较高.随着实验进行,土柱中固有有机物的渗出量逐渐衰减,表现为渗出液COD浓度逐渐降低.此后,由于土中固有有机物对实验结果的影响越来越小,而土料对有机物的吸附、络合逐渐达到饱和,加之水动力弥散作用的影响,各土柱渗出液中有机污染物浓度又开始逐渐升高.而从实验开始之日起,土柱中固有微生物获得足够的营养、食物和水分后就开始迅速繁衍,消耗越来越多的有机物,使得土柱渗出液中有机污染物浓度不会增至渗滤液输入浓度水平.而当微生物的繁衍到一定程度后,受土柱内空间、营养和食物等方面的影响和限制,其种群和数量就会稳定在一定的水平,微生物消耗的有机物量也会维持在一定的范围内,最终使土柱渗出液中有机污染物浓度达到基本稳定.对比2组模拟土柱实验结果,可发现粘土对渗滤液COD的净化能力比粉质粘土强,较厚的土层、压实时含水量较高的土层也有利于渗滤液中有机污染物的去除.2.3 渗出液中Cl-浓度变化 图5和图6分别是Cl-在成都粘土土柱和粉质粘土土柱中的运移变化曲线.对比图5和图6可看出Cl-突破粘土所需的时间比突破粉质粘土所需的时间长,因而粘土比粉质粘土更能阻滞Cl-在土层中的迁移;越密的土层越能阻滞Cl-的迁移;越厚的土层越不利于Cl-的迁移;土层压实时较最优含水量高的含水量也不利于Cl-的迁移.在防渗层土2水系统中,污染物的阻滞和迁移主要受物理、化学和生物作用机理的影响8.对Cl-迁移产生影响的主要因素是水动力弥散,其它象化学反应、吸附等对其中运移影响甚小,而Cl-又是垃圾填埋场渗滤液中一种主要无机污染物,一些文献还将其作为防渗层风险设计的控制要素9,10.在一维地下水系统中,如果忽略弥散系数与时间、空间的关系,保守性物质的运移方程可表征为11D52C5x2-v5C5x+W=5C5t(1)式中:C为污染物浓度,mg/L;D为污染物弥散系数,m2/d;v为孔隙水流速,m/d;W 为污染物源汇项;x为距污染源距离,m.式(1)适用于Cl-在垃圾填埋场防渗层中迁移的计算.当不考虑源汇项且污染源稳定时,式(1)存在解析解66西 南 交 通 大 学 学 报第38卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图5 粘土柱渗出液中Cl-浓度Cl-变化趋势图6 粉质粘土柱渗出液中Cl-浓度Cl-变化趋势Fig.5The Cl-concentration of clay columnFig.6The Cl-concentration of sandy clay columneffluent leachatevs.timeeffluent leachatevs.timeC(x,t)=C02erfcx-vt2Dt+expvxDerfcx+vt2Dt,(2)式中:erfc(y)=(2/)yexp(-t2)dt为余误差函数11;C(x,t)为t时刻距防渗层顶部距离为x处的Cl-浓度,mg/L;C0为渗入防渗层的Cl-浓度,mg/L;D为Cl-弥散系数,m2/d;v为孔隙水流速,m/d;W为污染物源汇项;x为距防渗层顶部的距离,m;t为时间,d.在实验结果中,粉质粘土土柱渗出液中Cl-浓度先降后升,同时成都粘土土柱渗出液中Cl-起始浓度也较高,表明实验初期这2种土中都存在着固有Cl-被洗出的现象,因而在进行分析时必须考虑Cl-源项,在以往文献中还未见这一作法.由于实验初期粉质粘土土柱渗出液中Cl-浓度逐步下降,可见源项在不断衰减.为确定该源项衰减方式,将实验土柱A1的结果分别按幂函数衰减和指数函数衰减两种方式进行拟合,最后将拟合数据与实测数据之差的平方和(Ci-Ci0)2作为目标函数,目标函数最小的方案是最有效的方案.当土中固有Cl-按指数函数衰减时,式(2)变为C(x,t)=C02erfcx-vt2Dt+expvxDerfcx+vt2Dt+Sxexp(-k0t),(3)式中:S为土中固有Cl-源项,mg/(Lm-1);k0为土中固有Cl-衰减系数,d-1.当土中固有Cl-按幂函数衰减时,式(2)变为C(x,t)=C02erfcx-vt2Dt+expvxDerfcx+vt2Dt+Sxt-k0.(4)尽管实验过程中Cl-输入浓度存在一定的波动,但总体上波动较小.为方便数据处理,将Cl-考虑为稳定输入源,并将实验期间Cl-平均浓度考虑为输入浓度.将粘土土柱A1的实验结果分别按式(2)(4)进行拟合,拟合计算过程按梯度法进行.结果表明,考虑源项后拟合比不考虑源项拟合理想,而源项按指数函数衰减比按幂函数衰减拟合更理想.因此后面就对渗透系数符合填埋场防渗层要求的其余粘土土柱的Cl-源项按指数函数衰减进行拟合,表3就是粘土土柱实验的拟合计算结果.表3Cl-源项按指数衰减时的拟合结果Tab.3Parameters of Cl-decaying exponentially in clay column土柱编号弥散系数D/(m2/d)Cl-源项系数S/(mg/(Lm-1)Cl-源项衰减系数k0/d-A16.32310-41 507.30.039 080A21.07310-42 974.60.013 140A31.84110-41 542.60.008 867A41.34210-31 622.70.047 430为了对拟合参数的有效性和合理性有一个更直观的认识,将拟合后的参数反演于土柱A1A4,反演76第1期李启彬等:城市垃圾卫生填埋场防渗层的安全设计 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/结果表明总体上拟合效果较好,基本上能反映Cl-在土柱中的运移趋势,一般误差都在10%以内.特别是后期实测值与反演计算值之间误差 5%,表明了将上述参数用于中长期预测的可能性与有效性.3 防渗层安全设计实例 因填埋前大量废旧金属已被分捡,我国的城市垃圾卫生填埋场所产生的渗滤液中重金属离子浓度一般都比较低,加之渗滤液通过粘土防渗层时其中的重金属离子还要与粘土发生吸附、离子交换、沉淀等反应,因而重金属离子对填埋场周围地下水体的影响相对较小.同时渗滤液通过粘土防渗层后,因各种物理、化学特别是微生物的降解作用而使渗出液中有机污染物浓度在一定范围内达到基本稳定,因而在填埋场投入运行一段时间后,有机污染物对填埋场地下水体的影响程度也基本不随时间发生变化.故在对粘土防渗层进行安全设计时就以Cl-为控制要素,并对有机污染物(COD)的污染情况进行检验.某填埋场位于构造剥蚀浅切脊状低山的山谷里,场底潜水含水层平均厚度5.0 m,渗透系数变化于1.1310-33.8710-4cm/s之间,水力梯度为0.02.3.1 场址区地下水环境容量计算 根据该填埋场场址区水文地质特征可计算出填埋场下潜水流速为0.019 50.006 7 m/d,则填埋场下单宽潜水流量为0.0980.033 m2/d.设计计算时按下限值0.033 m2/d考虑.根据填埋场场址区地下水功能要求,此处地下水应满足 类地下水质量标准,即地下水中Cl-浓度应低于250 mg/L.由于当地地下水中Cl-背景值为120 mg/L,则地下水中由渗滤液通过防渗层渗入的Cl-不得高于130 mg/L.由于填埋场下单宽潜水流量为0.033 m2/d,因此要求在潜水流向上渗过每m填埋场的Cl-总质量不得超过4 290 mg/d.再考虑一安全系数ks=2,则渗过整个潜水流向上每m填埋场的Cl-总质量不得超过2 145 mg/d.3.2 防渗层截污能力计算 将表3中拟合参数代入式(3),用于计算不同厚度不同密度的粘土防渗层在不同的渗滤液水头作用下通过防渗层后进入地下水体的Cl-浓度(不考虑潜水位上包气带的截污能力),再乘以渗过单位宽度填埋场的渗滤液流量(根据现场情况,潜水含水层流经填埋场场区的长度取为1 000 m),即可计算出每d在单位宽度潜水流向上从整个填埋场进入地下水的Cl-总质量.一般填埋场渗滤液Cl-浓度变化于56 420 mg/L之间12,取3 000 mg/L,且假设在计算期内Cl-浓度保持不变.在计算渗滤液通过防渗层的流速时未考虑粘土的临界水力梯度和初始水力梯表4 不同条件下防渗层最小安全设计厚度Tab.4The minimum liner thickness calculatedunder different conditionsm防渗层密度/(gcm-3)填埋场监管期限/a防渗层上渗滤液水头/m0.300.501.002.001.47201.792.483.584.80401.992.864.315.991.55201.271.752.523.34401.442.053.074.231.60200.570.801.181.64400.690.981.502.11度对渗透性的影响.在不同渗滤液水头、不同压实密度下,计算出成都粘土(含水量27%)作填埋场防渗层时渗过整个潜水流向上单位宽度填埋场的Cl-总质量不超过2 145 mg/d所需要的最小安全设计厚度,见表4.从表4中还发现渗滤液水头对防渗层安全厚度影响很大.表明正确控制防渗层上渗滤液水头的重要性,而这一点在我国以往的填埋场设计、运行管理甚至有关政策法规中常常被忽略了.3.3 防渗层设计方案选择 根据现场情况再结合我国填埋场的具体运行管理水平,在设计该填埋场粘土防渗层时渗滤液水头按1.0 m考虑,同时防渗层粘土压实含水量设计为27%,压实干密度设计为1.60 gcm3.为使填埋场每m宽度(沿整个潜水流向)每d进入地下水体中的Cl-总质量少于2 145 mg,当填埋场的责任期为40 a(其中运营期15 a,维护监管期25 a)时要求防渗层最小安全厚度为1.50 m;若填埋场按生物反应器填埋场方式运行则可将其责任期考虑为20 a(其中运营期15 a,回灌监管期5 a),此时要求防渗层最小安全厚度为1.18 m,取1.20 m.为验证上述设计方案能否满足填埋场地下水体对有机污染物浓度(类地下水高锰酸盐指数86西 南 交 通 大 学 学 报第38卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3.0 mg/L,与地表水标准进行比较后相当于COD7.5 mg/L)的要求,将模拟实验土柱基本稳定时的COD去除率用于防渗层对渗滤液COD的去除能力计算,即COD输入浓度为1 500 mg/L时其渗出液COD浓度为30 mg/L.考虑到实际填埋场情况,此处取渗滤液COD浓度为20 000 mg/L,同时根据实验情况考虑粘土层每增厚20 cm其对COD的净化能力增加25%,则COD浓度为20 000 mg/L的渗滤液通过1.2 m和1.5 m厚的防渗层后渗入填埋场地下水体的COD浓度分别为104.9 mg/L和75.0 mg/L.再根据此前计算的填埋场场址区的单宽潜水流量以及渗过单位宽度填埋场的渗滤液流量,就可计算出因渗滤液下渗而使填埋场下地下水体增加的COD浓度分别为5.61 mg/L(防渗层厚度为1.2 m的生物反应器填埋场)和3.26 mg/L(防渗层厚度为1.5 m的传统填埋场),均低于 类地下水水质指标要求,表明防渗层设计合理.若填埋场所用粘土土质不同,则应系统地按上述实验过程和计算过程进行防渗层的设计.4 结束语 在综合考虑防渗层防渗性能、截污能力和场址区环境容量3要素基础上,首先通过土柱模拟实验确定相关参数,再根据场址区水文地质特征确定环境容量,最后进行填埋场防渗层最终设计的思路既可有效利用场址区和防渗层的净化和纳污能力,又能保证填埋场安全运营,可供今后设计防渗层时借鉴.通过研究还发现:(1)成都粘土适合于铺设填埋场防渗层而实验用粉质粘土不适合;(2)实验土料中存在一定的Cl-源项,且该源项在渗滤液通过土柱时按指数衰减;(3)填埋场防渗层上渗滤液水头对填埋场进入地下水环境的污染物总量影响很大,在今后有关填埋场设计、运行和监管过程中应加以重视.参考文献:1 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