1 引 言
滲濾液在填埋體內(nèi)的流動和水分分布是生物反應(yīng)器填埋技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵[ 1 ] ,而垃圾的滲透性是影響填埋體內(nèi)水流運(yùn)動和水分分布的主要因素。因此,確定垃圾的滲透性對于生物反應(yīng)器填埋技術(shù)中回灌和收集設(shè)施的設(shè)計(jì)非常重要。垃圾的滲透系數(shù)可采用現(xiàn)場試驗(yàn)確定,Oweis等[ 2 ]和Townsend等[ 3 ]分別采用抽水試驗(yàn)和大尺寸試坑滲漏試驗(yàn),測試了實(shí)際填埋場中垃圾的滲透系數(shù)[ 2, 3 ] ,現(xiàn)場測得的滲透系數(shù)值相差幾個數(shù)量級( 1E26～1E23 cm / s) 。由于現(xiàn)場試驗(yàn)成本高,測試結(jié)果差異較大,因此采用實(shí)驗(yàn)室方法確定垃圾的滲透系數(shù)有重要的意義。Grace等[ 4 ] 、Korfiatis等[ 5 ]和陸曉平等[ 6 ]采用常水頭測滲裝置,分別對取自填埋場的垃圾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測定, 由于采用的測試容器較小(直徑不超過10 cm) ,所得測試結(jié)果的代表性較差。Chen等[ 7 ]采用上流式常水頭滲透系數(shù)法,利用直徑38 cm,高122 cm的容器分別對紙、紙和塑料的混合物以及紙、塑料和庭院垃圾的混合物進(jìn)行測試,其測試物質(zhì)不能完全代表實(shí)際填埋場的垃圾。垃圾的滲透性與垃圾的性質(zhì)和垃圾的壓實(shí)程度密切相關(guān),與穩(wěn)定化垃圾(陳垃圾)相比,新鮮垃圾含水率高,有機(jī)質(zhì)含量大,新鮮垃圾和陳垃圾的滲透性必然存在差異。比較新鮮城市生活垃圾和陳垃圾的滲透系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究還未見報道。本研究的目的是確定這2種不同性質(zhì)的垃圾在不同壓實(shí)密度下的滲透性。
2 實(shí)驗(yàn)部分
2. 1 測試裝置
測試柱直徑38 cm,高120 cm。PVC管,壁厚112 cm。用PVC平板封底,厚1. 2 cm。距管底10 cm處設(shè)支撐平板,厚1. 0 cm。支撐板上開孔,孔直徑0. 5 cm,開孔間距2 cm ×2 cm。測試柱側(cè)壁離底面5 cm高處設(shè)一內(nèi)徑為2 cm的進(jìn)水口,進(jìn)水口向上每隔15 cm設(shè)一測壓孔,孔徑0. 5 cm。測壓孔連接高3. 5 m的水柱測壓管。測試柱側(cè)壁上設(shè)高度為
60 cm,寬4 cm的視窗。裝置示意圖見圖1。
圖1 滲透系數(shù)測試裝置示意圖Fig11 The apparatus for hydraulic conductivity measurement
3套測試裝置的進(jìn)水口并聯(lián),由同一個高位水箱供水,以同時控制3個測試柱內(nèi)的水力梯度。
2. 2 實(shí)驗(yàn)材料
新鮮垃圾取自上海市某居民區(qū)生活垃圾壓縮轉(zhuǎn)運(yùn)站,取樣當(dāng)天從20箱垃圾中隨機(jī)取4箱。陳垃圾取自上海市老港填埋場,填埋齡3 a。新鮮垃圾的成分為:食品垃圾(廚余果皮類垃圾)占69. 1% ,塑料占10. 0% ,紙張占14. 0% ,玻璃占1. 6% ,織物占3.5%,金屬占0. 4% ,其他1. 4% ,均以質(zhì)量比例計(jì)。陳垃圾中:塑料13. 5% ,織物0. 5% ,紙張1. 5% ,金屬2. 5% ,玻璃3. 0%,竹木2. 5%,其他渣土碎石碎屑76. 5%。垃圾裝填前將金屬、玻璃容器等大塊難破碎物剔除,并對塑料等較大物料破碎至特征粒徑小于415 cm。人工混合垃圾,采用4分法均勻等分垃圾,每份垃圾重約5 kg,裝袋備用。
2. 3 垃圾裝填
根據(jù)設(shè)定的裝填垃圾壓實(shí)密度,確定分層裝填垃圾量。裝填時,先在垃圾柱底部放一層約10 cm厚的陶粒層,之后分層壓實(shí)(每放入一層5～10 cm松散垃圾后即壓實(shí)) 。壓實(shí)采用人工方法,壓實(shí)工具為金屬桿(直徑2 cm鍍鋅水管)和圓盤錘(直徑12 cm) ,以模擬實(shí)際填埋場鋼輪壓實(shí)機(jī)的壓實(shí)作用。每次裝一定量垃圾壓實(shí)到一定厚度后,開始自下而上緩慢進(jìn)水,以保證垃圾充分浸潤飽和,同時盡量避免水流對垃圾的浮力抬升作用。當(dāng)壓實(shí)垃圾表面有水溢出時,再填入下一層垃圾,重復(fù)壓實(shí)和浸潤過程。最終垃圾壓實(shí)厚度約60 cm。用頂蓋壓住垃圾,避免垃圾隨水流上浮。
2. 4 測試方法
采用常水頭滲透系數(shù)測試法,由高位水箱同時向3個測試柱供水。根據(jù)高位水箱的液面高度、出水口水位和測試柱中垃圾層的高度,確定測試時的水力梯度,其取值分別為0. 5、1. 0、2. 0。不重新裝填垃圾,水力梯度由小到大進(jìn)行測試。垃圾的壓實(shí)密度分別為:新鮮垃圾, 0. 50、0. 75、0. 95 t/m3 (分別記為新1、新2、新3) ;陳垃圾, 0. 95、1. 20、1. 40 t/m3(分別記為陳1、陳2、陳3) 。供水一段時間后開始測試,待測壓管讀數(shù)穩(wěn)定后開始記錄測試結(jié)果。測試過程中發(fā)現(xiàn),新1和陳1在水力梯度為0. 5 (最小值)時,水流速度過大,不符合達(dá)西定律中水流為層流的要求,不適于采用達(dá)西定律計(jì)算滲透系數(shù)。由于實(shí)際填埋場內(nèi)垃圾的壓實(shí)密度也不會如此之低,故不再進(jìn)行這2個壓實(shí)密度下的滲透實(shí)驗(yàn)。另外,新2和新3在水力梯度為0. 5時不出水,水力梯度達(dá)到113時,才開始有水流出,因此,新鮮垃圾的滲透系數(shù)測試過程中水力梯度的變化次序?yàn)? 1. 3、2. 0、015。
2. 5 計(jì)算方法
根據(jù)設(shè)定的水力梯度和測得的出水流量,利用
3 結(jié)果與討論
3. 1 測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定過程
滲透系數(shù)隨測試時間變化過程見圖2。初始階段,新鮮垃圾的水流通量極小;計(jì)算滲透系數(shù)甚低,之后迅速上升,達(dá)到峰值后逐漸下降,直至走平。陳垃圾柱的滲透系數(shù)測試初始階段沒有出現(xiàn)水流通量極小的情況,初始階段垃圾的滲透系數(shù)曲線迅速上升,達(dá)到峰值后緩慢下降,最后逐漸走平。
圖2 滲透系數(shù)隨時間變化的測試值Fig. 2 Temporal p rofile of hydraulic conductivityof different test columns
對于新鮮垃圾,由于垃圾表面具有憎水性,因而垃圾裝填過程中雖采取了強(qiáng)化垃圾飽和的措施,但憎水性表面附著的空氣仍可能使垃圾處于不飽和狀態(tài),因而初始階段測試柱的水流通量極低。隨后,在水流的作用下,一方面垃圾中殘留的空氣逐漸被水流帶出,垃圾的飽和度提高,另一方面,水流的沖擊作用也使得垃圾內(nèi)部出現(xiàn)較大孔隙,使水流通量迅速增大,這種過程在測試柱內(nèi)自上而下進(jìn)行,一定時間后,水流穿透測試柱,表現(xiàn)為滲透系數(shù)迅速增大,直至出現(xiàn)一個峰值。對于陳垃圾,由于降解作用,垃圾憎水性表面少,易于飽和,因而初始階段滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于新鮮垃圾,而未出現(xiàn)滲透系數(shù)極低的情況。比較初始階段不同壓實(shí)密度下垃圾滲透系數(shù)的峰值:新鮮垃圾壓實(shí)密度為0. 75 t/m3 時的滲透系數(shù)峰值( 4. 9E23 cm / s)大于壓實(shí)密度為0. 95 t/m3的測試柱(3. 4E23 cm / s) ;而對于陳垃圾,壓實(shí)密度為1. 2 t/m3 時峰值為3. 3E23 cm / s,而壓實(shí)密度為1. 4 t/m3 時僅為5. 0E24 cm / s。這說明,壓實(shí)密度越
大,初始階段水流的作用對測試柱內(nèi)部垃圾的沖擊作用越小。滲透系數(shù)值隨后逐漸下降直至走平的原因,可能是垃圾柱內(nèi)部小顆粒物料隨水流的運(yùn)動。小顆粒物料在水流的作用下向上運(yùn)動,在測試柱上部局部積累和重新排列,從而使測試柱滲透系數(shù)值逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。為了驗(yàn)證小顆粒的局部積累和重新排列對垃圾滲透性的影響,對垃圾中細(xì)小顆粒的滲透系數(shù)值進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)1 mm方孔篩篩得的垃圾顆粒,裝填入一直徑9 cm,高30 cm的有機(jī)玻璃柱內(nèi),測試滲透系數(shù)。垃圾壓實(shí)密度為1. 0 t/m3 ,測得細(xì)小顆粒層的滲透系數(shù)值約為1E25cm / s (見圖3) ,該值小于新鮮垃圾和陳垃圾的測試結(jié)果。這說明小顆粒的局部積累和重新排列是滲透系數(shù)測試值隨時間逐漸下降直至走平的重要原因。
圖3 小顆粒滲透系數(shù)的測試結(jié)果Fig13 Temporal p rofiles of hydraulic conductivityof the small particle column
3. 2 新鮮垃圾和陳垃圾的滲透系數(shù)
根據(jù)測試穩(wěn)定后的出水流量和水力梯度,分別計(jì)算各工況下的滲透系數(shù)值,計(jì)算結(jié)果見表1。新鮮垃圾在壓實(shí)密度為0. 75～0. 95 t/m3 時,滲透系數(shù)值為1. 04E203～1. 61E203 cm / s,陳垃圾在壓實(shí)密度為1. 2 ～1. 4 t/m3 時,滲透系數(shù)在1. 11E204 ～1113E203 cm / s之間。
相同的壓實(shí)密度下,新鮮垃圾的滲透系數(shù)小于陳垃圾:壓實(shí)密度同為0. 95 t/m3 時,新鮮垃圾的滲透系數(shù)為1. 49E203 cm / s,而陳垃圾則水流通量過大,測得結(jié)果無法用于滲透系數(shù)的計(jì)算。垃圾的孔隙率、孔隙大小和聯(lián)通程度是決定垃圾的滲透性的主要因素。垃圾的孔隙率可由垃圾顆粒的真密度和壓實(shí)密度計(jì)算而得,新鮮垃圾的真密度為1. 2～1. 3 t/m3 ,而陳垃圾的真密度為1. 8～2. 1 t/m3[ 8, 9 ] 。在相同的壓實(shí)密度下,陳垃圾的孔隙率遠(yuǎn)大于新鮮垃圾。由計(jì)算可得,壓實(shí)密度為0195 t/m3時,新鮮垃圾的孔隙率為30%左右,而陳垃圾的孔隙率大于50%,因而相同壓實(shí)密度下陳垃圾的滲透系數(shù)必然大于新鮮垃圾。計(jì)算得壓實(shí)密度為0. 95 t/m3 的新鮮垃圾和壓實(shí)密度為1. 2 t/m3 的陳垃圾的孔隙率均為30%左右,雖然2種垃圾中的孔隙大小和聯(lián)通程度必然存在差異,但由于孔隙率相近,因而測得2種垃圾的滲透系數(shù)相近,都在1E23 cm / s左右。
3. 3 壓實(shí)密度對滲透系數(shù)的影響
壓實(shí)密度對2種垃圾的穩(wěn)定后滲透系數(shù)值的影響不同。對于陳垃圾,壓實(shí)密度越大,滲透系數(shù)越小,壓實(shí)密度從1. 2 t/m3 增大到114 t/m3 時,滲透系數(shù)減小了84%。而對于新鮮垃圾,滲透系數(shù)隨壓實(shí)密度增大而減小的關(guān)系并不明顯,比較壓實(shí)密度分別為0. 75和0. 95 t/m3 的結(jié)果,壓實(shí)密度大的測試柱滲透系數(shù)反而較大,這與其他文獻(xiàn)的結(jié)果是相悖的[ 6 ] 。考察2個壓實(shí)密度下新鮮垃圾測試柱不同高度的滲透系數(shù)(圖4)發(fā)現(xiàn):壓實(shí)密度為0195 t/m3 的測試柱,沿水流方向(自下而上)滲透系數(shù)逐漸減小,而壓實(shí)密度為0. 75 t/m3 的測試柱中段滲透系數(shù)明顯較大, 而上段滲透系數(shù)最小, 且與壓實(shí)密度為0195 t/m3的測試柱的上段結(jié)果相近。這表明壓實(shí)密度較小時,水流運(yùn)動對測試柱內(nèi)垃圾的沖擊顯然較大;壓實(shí)密度較小時,測試柱內(nèi)易出現(xiàn)大孔隙溝道流,使垃圾的滲透性明顯增大。而在測試柱上段,由于垃圾中的小顆粒的夾帶遷移、局部富集和重新排列的作用,使此段垃圾的滲透系數(shù)最小。壓實(shí)密度較大時,測試柱內(nèi)水流沖擊造成的大孔隙溝流作用并不顯著,垃圾顆粒的重新排列使垃圾的滲透性沿水流方向逐漸降低。由于垃圾成分相同,兩種壓實(shí)密度下垃圾中小顆粒物質(zhì)相似,水流的夾帶遷移作用使小顆粒物質(zhì)在測試柱頂部富集重排,從而使得測試柱頂部滲透系數(shù)值相近,因而不同壓實(shí)密度下測試柱的平均滲透系數(shù)值相近。
圖4 測試柱不同高度的滲透系數(shù)Fig. 4 Hydraulic conductivity at different altitudes
3. 4 測試條件對滲透系數(shù)測定值的影響
3. 4. 1 水力梯度
根據(jù)達(dá)西定律,水力梯度與垃圾的滲透系數(shù)無關(guān)。但實(shí)驗(yàn)過程中水力梯度對滲透系數(shù)測試結(jié)果卻有較大影響。水力梯度過小,水流無法克服垃圾的阻力而穿透測試柱, 而水力梯度過大,會因水流量過大而造成對垃圾顆粒的夾帶遷移作用較大,使垃圾中孔隙的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的改變,從而影響測試結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)中,新鮮垃圾初始時刻水力梯度為0. 5時,未形成水流,而水力梯度從1. 3增大到2. 0時,除末端外,測試柱其他各段滲透系數(shù)增大了40% ～70%。考慮到實(shí)際填埋場中非飽和狀態(tài)下滲濾液重力自流時的水力梯度為1,因此,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試滲透系數(shù)時,應(yīng)將水力梯度控制在1左右。
3. 4. 2 測試時間
本研究采用的上流式常水頭滲透系數(shù)測試方法參照的是土壤滲透系數(shù)測試方法[ 10 ] 。土壤和城市生活垃圾的性質(zhì)差異,使得垃圾滲透系數(shù)的測試過程必然與土壤測試存在差異。在土壤滲透系數(shù)測試中,土壤的孔隙結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生改變,而由于測試柱內(nèi)水流對垃圾顆粒物的夾帶遷移作用,垃圾內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的改變,會使實(shí)驗(yàn)過程中滲透系數(shù)值隨時間變化。垃圾的滲透系數(shù)測試的所需的時間應(yīng)比土壤測試更長。本實(shí)驗(yàn)中,新鮮垃圾測試柱在150～170h后逐漸穩(wěn)定,陳垃圾柱在150 h后滲透系數(shù)值逐漸穩(wěn)定,因此,垃圾的滲透系數(shù)測試時間應(yīng)大于150 h。實(shí)際填埋場中,在水流對小顆粒物質(zhì)的夾帶遷移作用下,填埋層底部小顆粒物質(zhì)的累積和重新排列同樣會使排水層之上的垃圾層滲透性逐漸減小。本研究觀測的結(jié)果間接地反映了填埋場內(nèi)垃圾滲透系數(shù)的變化過程,同時測得的結(jié)果可作為填埋場內(nèi)滲濾液回灌和收集設(shè)施設(shè)計(jì)的依據(jù)。
4 結(jié) 論
(1) 新鮮垃圾壓實(shí)密度為0. 75～0. 95 t/m3 之間時,滲透系數(shù)值約為1. 26E203～1. 43E203 cm / s。陳垃圾在壓實(shí)密度分別為1. 2和1. 4 t/m3 時,滲透系數(shù)為8129E204和1. 35E204 cm / s。垃圾的組成和孔隙率的差異是造成垃圾的滲透性不同的重要原因。
(2)垃圾的滲透系數(shù)受壓實(shí)密度和垃圾組分的影響。對于陳垃圾壓實(shí)密度越大,滲透系數(shù)越小。而新鮮垃圾則由于其不均勻性和垃圾顆粒局部累積與重新排列,使壓實(shí)密度與滲透系數(shù)測試值的相關(guān)性不十分明顯,但壓實(shí)密度較低時,測試柱中易形成大孔隙溝流,使測試柱內(nèi)局部滲透系數(shù)增大。
(3)測試過程中水流對小顆粒物質(zhì)的夾帶遷移而導(dǎo)致的小顆粒物質(zhì)的局部累積、重新排列的作用和測試柱內(nèi)部溝流的形成,使測試柱上部邊界處的滲透系數(shù)最小。小顆粒物質(zhì)隨水流的運(yùn)動與大孔隙水流通道的形成和改變,是測試過程中垃圾滲透系數(shù)變化的原因。
(4)與典型的土壤滲透系數(shù)測試相比,測試城市生活垃圾的滲透系數(shù)時,水力梯度應(yīng)控制在1左右,測試時間應(yīng)大于150 h。
參考文獻(xiàn)
[ 1 ] W. A. Straub, D. R. Lynch. Models of landfill leaching:Moisture flow and inorganic strength. Journal of Environ2mental Engineering, 1982, 108 (2) : 231～249
[ 2 ] I. S. Oweis, D. A. Smith, R. B. Ellwood. Hydrauliccharacteristics of municipal refuse. Journal of GeotechnicalEngineering, 1990, 116 (4) : 539～553
[ 3 ] T. G. Townsend,W. L. Miller, J. F. K. Earle. Leachate2recy2cle infiltration ponds. Journal of Environmental Engineer2ing, 1995, 121 (6) : 465～471
[ 4 ] N. Grace. Anevaluation of the anaerobic biodegradabilityand hydraulic conductivity of shredded solid waste genera2ted on the campus of the University Florida [Msc thesis ].University of Florida,USA, 1989122～28
[ 5 ] G. P. Korfiatis, A. C. Demetracopoulos, E. G. Nawy.Moisture transport in a solid waste column. Journal E. E.E. E. E. E. E. E. THZ〗1984, 110 (4) : 780～796
[ 6 ] 陸曉平,朱俊高,嚴(yán)蘊(yùn),等. 垃圾填埋場固體廢棄物滲透性試驗(yàn)研究. 河海大學(xué)學(xué)報, 2001, 29 ( sup. ) : 135～138
