城市生活垃圾填埋場穩(wěn)定化評估

劉海龍, 周家偉, 陳云敏, 李育超, 詹良通

(1. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 杭州 310027； 2. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州310058;3. 浙江大學(xué) 建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310027)

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城市生活垃圾填埋場穩(wěn)定化評估

劉海龍1,2, 周家偉3, 陳云敏1,2, 李育超1,2, 詹良通1,2

(1. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 杭州 310027； 2. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州310058;3. 浙江大學(xué) 建筑設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310027)

建立城市生活垃圾填埋場穩(wěn)定化評價指標(biāo)體系,包括垃圾降解、產(chǎn)氣潛力釋放以及堆體沉降穩(wěn)定.基于填埋場降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型,提出取樣測試與數(shù)值模擬結(jié)合的填埋場穩(wěn)定化評估方法；將此方法應(yīng)用于西安江村溝填埋場.結(jié)果表明,我國典型高廚余垃圾含量填埋場的穩(wěn)定化過程分為3階段.快速降解階段:垃圾纖維素/木質(zhì)素迅速下降,沉降明顯；慢速降解階段:垃圾水解及填埋氣產(chǎn)生速率明顯降低,沉降速率緩慢；達(dá)到穩(wěn)定化階段后,纖維素/木質(zhì)素變化非常緩慢,大部分產(chǎn)氣潛力完成釋放,沉降基本完成.3個評價指標(biāo)變化過程存在差異,降解穩(wěn)定化指標(biāo)是其中最主要的評價指標(biāo).根據(jù)分析結(jié)果建議運營管理中采用滲濾液回灌調(diào)節(jié)堆體降解環(huán)境以避免酸化抑制,穩(wěn)定甲烷化階段初期做好臨時覆蓋提高填埋氣收集效率,封場作業(yè)應(yīng)選擇在沉降速率較低時進行.

城市生活垃圾；填埋場；穩(wěn)定化；評價指標(biāo)；數(shù)值模擬

隨著工業(yè)化和城市化的高速發(fā)展,城市生活垃圾產(chǎn)量顯著增加,填埋是目前我國城市生活垃圾的主要處置方法.填埋場穩(wěn)定化是包含多方面的綜合概念：沉降穩(wěn)定、大部分滲濾液及填埋氣已產(chǎn)生、滲濾液水質(zhì)達(dá)到環(huán)境污控排放標(biāo)準(zhǔn)等,整個過程通常需要幾十年甚至上百年[1-2],期間如運營管理不當(dāng)可能發(fā)生一系列環(huán)境災(zāi)害,如堆體邊坡失穩(wěn)、滲濾液滲漏污染地下水土、填埋氣無序排放甚至爆炸等[3].另一方面,填埋場占地面積大,采取調(diào)控措施加速其穩(wěn)定化可提前進行場地二次開發(fā),充分利用土地資源.因此,填埋場穩(wěn)定化過程研究具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟意義.

目前填埋場穩(wěn)定化評價指標(biāo)選取尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),一般從填埋氣(組分、產(chǎn)量及產(chǎn)氣速率)、滲濾液(產(chǎn)量及水質(zhì)變化)、垃圾中可降解物質(zhì)含量以及沉降等方面入手建立穩(wěn)定化評價體系[2,4].Barlaz[5]建議采用可降解物質(zhì)含量指標(biāo)表征垃圾降解穩(wěn)定化程度,通過總結(jié)大量對現(xiàn)場鉆孔垃圾樣降解特性的研究發(fā)現(xiàn)：垃圾中纖維素與木質(zhì)素含量的比值(RC/L)隨填埋深度(或齡期)增加而衰減,衰減程度受垃圾組分、含水率等多種因素影響.雖然垃圾的工程力學(xué)特性與降解過程存在關(guān)聯(lián)[3],但僅用可降解物質(zhì)含量表征填埋場穩(wěn)定化程度無法充分滿足填埋氣收集方案設(shè)計或庫容規(guī)劃等方面的要求.王羅春等[6-7]在積累了大量室內(nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,選取滲濾液、填埋氣以及沉降等多方面指標(biāo),采用指數(shù)評價方法給出了填埋場穩(wěn)定化級別劃分的建議標(biāo)準(zhǔn).這些研究中評價指標(biāo)的選取涵蓋了填埋場穩(wěn)定化過程的各個方面,可對填埋場當(dāng)前穩(wěn)定化狀態(tài)進行全面判斷,但指數(shù)分析法采用簡化的指數(shù)衰減模型預(yù)測各評價指標(biāo)未來的發(fā)展趨勢,無法反映填埋場穩(wěn)定化過程中各指標(biāo)之間相互聯(lián)系相互影響的機理,對填埋場未來穩(wěn)定化發(fā)展趨勢的預(yù)測可能存在偏差.

本文在已有的基礎(chǔ)上建立填埋場穩(wěn)定化評價指標(biāo)體系,從可降解物質(zhì)含量、填埋氣產(chǎn)量、和堆體沉降3個主要方面描述填埋場穩(wěn)定化過程,提出鉆孔取樣測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的填埋場穩(wěn)定化評估方法.采用此方法對西安江村溝填埋場穩(wěn)定化過程進行模擬和預(yù)測,分析該填埋場穩(wěn)定化過程中垃圾生化降解、填埋氣釋放、沉降變形間相互聯(lián)系相互影響的機理；總結(jié)我國典型高廚余垃圾含量填埋場穩(wěn)定化過程中各評價指標(biāo)變化規(guī)律；并對此類填埋場運營管理措施提出建議.

1 填埋場穩(wěn)定化評價指標(biāo)體系

1.1 降解穩(wěn)定化指標(biāo)

厭氧降解為填埋場中主導(dǎo)的生化反應(yīng),填埋場中垃圾的厭氧降解過程可簡化為水解-甲烷化二階段形式[8].垃圾中可降解固相物質(zhì)在微生物作用下水解為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和氫氣、二氧化碳等,導(dǎo)致其固相質(zhì)量損失、工程力學(xué)特性改變.水解反應(yīng)的中間產(chǎn)物在甲烷菌作用下進一步轉(zhuǎn)化生成甲烷及二氧化碳等填埋氣[3].這一過程會產(chǎn)生大量滲濾液、填埋氣以及污染物,引起堆體沉降,是填埋場中復(fù)雜固-液-氣-化多場相互作用的源頭,因此生化降解是填埋場穩(wěn)定化過程最重要的方面.

纖維素是城市生活垃圾中可降解組分的主要化學(xué)成分,纖維素與木質(zhì)素含量之比(下文中簡稱為RC/L)反映了降解過程中填埋場中可降解物質(zhì)剩余情況,RC/L的變化直接體現(xiàn)了水解反應(yīng)的結(jié)果,可以作為垃圾降解程度的表征指標(biāo)[3,8].通過在填埋場鉆孔取得垃圾樣,采用范式纖維洗滌法[9]可以較方便地測得城市生活垃圾的RC/L.不同地區(qū)填埋場中垃圾組分不同,導(dǎo)致其RC/L初始值存在較大差異[5],單純使用RC/L難以準(zhǔn)確反映某特定填埋場中垃圾降解穩(wěn)定化程度.因此本文定義相對值參數(shù)Λ1作為填埋場降解穩(wěn)定化指標(biāo)：

(1)

式中：RC/L(t)為齡期t時垃圾RC/L,RC/L(t0)為填埋堆體表層新鮮垃圾RC/L.

1.2 填埋氣穩(wěn)定化指標(biāo)

填埋氣的主要成分是二氧化碳和甲烷,對填埋氣進行收集處理不僅是城市生活垃圾資源化的重要環(huán)節(jié),還可以減少碳排放,環(huán)境收益顯著.填埋氣的產(chǎn)生是垃圾降解過程中甲烷化反應(yīng)的體現(xiàn).受填埋場中復(fù)雜降解環(huán)境的影響,甲烷化反應(yīng)與水解反應(yīng)往往并不同步.我國典型高廚余垃圾含量填埋場中可能存在水解中間產(chǎn)物(VFA)大量積聚,形成酸化環(huán)境從而抑制甲烷化反應(yīng)進行的現(xiàn)象[10],因此需要對填埋場穩(wěn)定化過程中填埋氣的產(chǎn)生進行單獨分析.垃圾最終產(chǎn)氣潛力(L0)與其組分有關(guān),不同時期、不同國家和地區(qū)的垃圾最終產(chǎn)氣潛力存在明顯差距[11].本文定義相對值參數(shù)Λ2表示穩(wěn)定化過程中產(chǎn)氣潛力釋放程度,以此作為填埋氣穩(wěn)定化指標(biāo)：

(2)

式中：L0為城市生活垃圾最終產(chǎn)氣潛力,Lr為城市生活垃圾殘余產(chǎn)氣潛力,L(t)為單位質(zhì)量垃圾在齡期t時累積產(chǎn)氣量.

1.3 沉降穩(wěn)定化指標(biāo)

填埋場庫容是衡量其對城市生活垃圾處理能力的重要指標(biāo),填埋堆體的累計沉降量可達(dá)到總填埋高度的25%～50%[12],合理利用填埋過程中的沉降可顯著增加庫容,提高土地使用效率.另外,通過調(diào)控措施加速沉降穩(wěn)定化可以減少工后沉降,延長堆體內(nèi)部管線服役壽命.填埋規(guī)模差異導(dǎo)致不同填埋場穩(wěn)定化過程中沉降量不同,本文定義相對值參數(shù)Λ3表示穩(wěn)定化過程中沉降發(fā)展?jié)摿?作為沉降穩(wěn)定化指標(biāo)：

(3)

式中：S(t)為齡期t時堆體平均沉降,S∞為堆體平均最終沉降.

水解反應(yīng)是穩(wěn)定化過程中降解產(chǎn)液、產(chǎn)氣、產(chǎn)污染物以及垃圾工程力學(xué)特性變化的源頭,Λ1是3個評價指標(biāo)中最重要的指標(biāo).Λ2體現(xiàn)了甲烷化反應(yīng)的結(jié)果,可為填埋氣收集利用方案設(shè)計提供依據(jù).Λ3反映了垃圾在生化相變過程中工程力學(xué)特性的改變,對填埋場庫容管理及擴建方案設(shè)計等提供依據(jù).這3個評價指標(biāo)相互聯(lián)系、相互影響,其變化規(guī)律體現(xiàn)了填埋場中復(fù)雜的固-液-氣-化耦合作用.

2 填埋場穩(wěn)定化評估方法

圖1 城市固廢填埋場穩(wěn)定化評估流程Fig.1 Stabilization evaluation process of municiple solid waste (MSW) landfill

同一組分垃圾在不同的環(huán)境(如：不同的含水量、pH、以及溫度等)下降解規(guī)律并不相同.填埋場內(nèi)部的滲濾液運移導(dǎo)致不同埋深處垃圾降解環(huán)境不均勻,現(xiàn)場鉆孔取樣可以獲得不同深度垃圾在填埋場實際環(huán)境中的降解程度,結(jié)合其他監(jiān)測數(shù)據(jù)可以較準(zhǔn)確地反映該填埋場當(dāng)前的穩(wěn)定化狀態(tài).將現(xiàn)場取得的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,便可進一步分析填埋場全壽命周期的穩(wěn)定化過程,為指導(dǎo)填埋場設(shè)計運營、制定調(diào)控措施加速穩(wěn)定化以及防控潛在環(huán)境災(zāi)變提供科學(xué)依據(jù).據(jù)此提出如圖1所示的填埋場穩(wěn)定化評估方法,具體實施過程如下.

1)在填埋場鉆孔取得不同深度的垃圾樣,采用范氏纖維洗滌法[9]測得不同埋深垃圾RC/L.

2)根據(jù)運營記錄得到不同埋深垃圾所對應(yīng)的齡期,將鉆孔樣RC/L與埋深的關(guān)系轉(zhuǎn)化為RC/L與填埋齡期的關(guān)系.

3)取填埋場表層新鮮垃圾進行組分分析,確定各組分初始含量.根據(jù)組分分析結(jié)果及鉆孔樣RC/L與齡期的關(guān)系率定垃圾生化降解特性參數(shù).

4)根據(jù)已填埋垃圾組分特點或類似的工程條件結(jié)合文獻(xiàn)[3]研究成果中推薦取值范圍確定垃圾工程力學(xué)特性參數(shù).在條件允許情況下可使用現(xiàn)場取得的鉆孔樣進行降解壓縮試驗及液、氣滲透試驗,根據(jù)試驗結(jié)果率定垃圾工程力學(xué)特性參數(shù).

5)使用填埋場降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型模擬該填埋場的穩(wěn)定化過程,根據(jù)3個穩(wěn)定化評價指標(biāo)計算結(jié)果評估該填埋場穩(wěn)定化狀態(tài)并預(yù)測未來穩(wěn)定化過程中各項評價指標(biāo)的發(fā)展趨勢.

本文采用文獻(xiàn)[3]建立的填埋場降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型模擬填埋場中復(fù)雜的液/氣運移、壓縮變形以及化學(xué)溶質(zhì)遷移行為,可以從填埋體尺度對其穩(wěn)定化過程進行研究.耦合模型的控制方程包括考慮垃圾壓縮性變化的力學(xué)平衡方程(式(4))、分別考慮降解產(chǎn)生滲濾液和填埋氣的孔隙水、氣運移方程(式(5)和(6))以及考慮降解產(chǎn)生化學(xué)溶質(zhì)的多組分溶質(zhì)遷移方程(式(7)).

(4)

(5)

RT·Na+Ca,

(6)

(7)

式中：耦合模型求解變量包括位移u、孔隙水壓uw、孔隙氣壓ua以及化學(xué)溶質(zhì)(VFA和甲烷菌)濃度ci.式(4)～(7)中各項存儲系數(shù)矩陣分別表示考慮降解影響的城市生活垃圾工程力學(xué)特性,具體包括：1)降解過程中固相質(zhì)量損失、滲濾液/填埋氣產(chǎn)生以及VFA和甲烷菌濃度變化源項；2)應(yīng)力和降解耦合效應(yīng)下的垃圾壓縮系數(shù)；3)考慮降解影響的垃圾持水曲線及水氣滲透特性.限于篇幅,各存儲矩陣的具體表達(dá)形式及物理含義詳見文獻(xiàn)[3]的相關(guān)研究成果.P為應(yīng)變算子矩陣,b為體力,vw為孔隙水流速,Na為孔隙氣體通量,R為理想氣體常數(shù),T為華氏溫度.

3 工程應(yīng)用

采用上述方法對西安江村溝填埋場的穩(wěn)定化過程進行了模擬和預(yù)測.江村溝填埋場是西安市區(qū)唯一的生活垃圾處理設(shè)施,占地約7.3×105m2,總?cè)莘e超過4.9×107m3,為山谷型填埋場,現(xiàn)有坡高70～80 m.該填埋場正在進行擴建,擴建堆體最終設(shè)計填埋高度120 m,為目前國內(nèi)最高垃圾堆體邊坡；對已填埋庫區(qū)的穩(wěn)定化過程進行分析有助于指導(dǎo)擴建工程的設(shè)計和施工.

鉆孔取樣勘察點數(shù)量、位置以及鉆孔深度根據(jù)《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》(CJJ 176-2012)[13]設(shè)計,勘探鉆孔設(shè)計深度15～50 m.使用XY-100型鉆機進行鉆孔取樣作業(yè),雙層雙動巖芯管鉆具取芯,全孔干鉆并采用跟管鉆進.采用上提活閥式取土器,連續(xù)壓入法或擊入法采取垃圾樣,按每隔2 m取1個原狀樣(如圖2所示).

圖2 江村溝填埋場的現(xiàn)場鉆孔取樣Fig.2 Drilling samples from Jiangcungou landfill

以其中1個勘察點為例進行填埋場穩(wěn)定化分析.該勘察點鉆孔深度40 m,取樣范圍包括江村溝填埋場二期(最長齡期12.5 a)和三期工程(齡期不超過3.5 a),垃圾鉆孔樣濕容重11～13 kN/m3.選取表層埋深小于1 m的新鮮垃圾樣和7個不同埋深鉆孔樣采用范式纖維洗滌法分別測試其RC/L,如表1所示.結(jié)果表明，RC/L隨齡期增加而減少,相對于新鮮垃圾,齡期為1 a的垃圾RC/L明顯降低,當(dāng)齡期進一步增加時RC/L衰減速度變慢.

對新鮮垃圾進行組分分析,其中包含廚余垃圾56.9%、草木1.9%、紙類8.9%、纖維2.5%、塑料12.1%,以及惰性物質(zhì)18.1%(均為濕基).可見江村溝填埋場屬于典型的高廚余垃圾含量填埋場.

根據(jù)RC/L與填埋齡期關(guān)系以及垃圾組分分析結(jié)果率定得到耦合模型中垃圾生化降解特性參數(shù)如表2所示,其中各參數(shù)物理意義詳見文獻(xiàn)[3]的研究成果,垃圾工程力學(xué)特性參數(shù)參考文獻(xiàn)[3]中推薦取值范圍選取.

表1 城市生活垃圾纖維素與木質(zhì)素含量之比測試結(jié)果

Tab.1 Ratio of cellulose to lignin for drilled samples and fresh MSW

埋深/m填埋齡期/aRC/LΛ1表層02.801.003.81.01.210.436.81.01.160.4116.82.50.850.3019.82.50.820.2925.83.50.710.2528.83.50.680.2439.812.50.410.15

表2 城市生活垃圾生化降解特性參數(shù)

Tab.2 Biochemical degradation characteristic parameters for MSW

生化降解特性參數(shù)取值初始纖維素含量/(kg·m-3)59.9初始木質(zhì)素含量/(kg·m-3)21.4惰性物質(zhì)含量/(kg·m-3)68.5最優(yōu)降解條件下水解速率/(kg·m-3·d-1)0.50(廚余)0.01(其他)甲烷菌最大繁殖速率/(d-1)0.045甲烷菌繁殖半飽和速率常數(shù)/(kg·m-3)4VFA消耗系數(shù)0.08VFA對水解反應(yīng)抑制常數(shù)/(d-1)0.10VFA對甲烷化反應(yīng)抑制常數(shù)/(d-1)0.06

結(jié)合鉆孔勘察點現(xiàn)場情況使用填埋場降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型模擬并預(yù)測鉆孔深度范圍內(nèi)生活垃圾填埋單元穩(wěn)定化過程.根據(jù)鉆孔深度設(shè)置計算單元高度40 m,不考慮填埋過程,假設(shè)一次性填埋完成；取樣區(qū)域底部導(dǎo)排系統(tǒng)工作正常且堆體頂部鋪設(shè)有黃土防滲覆蓋層,在運營過程中無滲濾液回灌等主動調(diào)控措施；勘察點位置遠(yuǎn)離抽氣豎井及導(dǎo)氣盲溝,假定產(chǎn)生的填埋氣均通過頂部排出.計算模型初始條件以及邊界設(shè)置如圖3所示.

圖3 江村溝填埋場穩(wěn)定化分析一維算例Fig.3 One-dimensional case for stabilization processanalysis of Jiangcungou landfill

降解穩(wěn)定化指標(biāo)Λ1隨齡期變化的模擬結(jié)果如圖4所示,模擬結(jié)果與鉆孔樣實測值(見表1)接近.填埋1 a后Λ1迅速降低至0.42,大部分廚余組分在這一階段被快速消耗.此后降解速率顯著變慢,水解反應(yīng)的主要底物變?yōu)榧堫惖绕渌山到饨M分.15 a后Λ1降至0.16,此后降解速率趨于穩(wěn)定,RC/L平均衰減速率低于0.01 a-1,Λ1變化非常緩慢,此時江村溝填埋場達(dá)到降解穩(wěn)定化狀態(tài).我國高廚余垃圾填埋場典型降解穩(wěn)定化時間為10～23 a[7,14-16],而對于發(fā)達(dá)國家的低廚余垃圾填埋場,填埋齡期15～30 a以上的垃圾降解基本停止[5].由于低廚余垃圾填埋場中主要可降解物質(zhì)是水解速率較低的紙類垃圾[3],降解穩(wěn)定化時間總體相比我國填埋場更長.

圖4 降解穩(wěn)定化指標(biāo)隨時間變化Fig.4 Change of degradation stabilization index with time

根據(jù)Λ1變化趨勢可將江村溝填埋場降解穩(wěn)定化過程劃分為3個階段：齡期1 a以內(nèi)的垃圾處于快速降解階段,廚余組分迅速消耗；齡期1～15 a的垃圾處于慢速降解階段,以紙類等其他可降解組分的降解反應(yīng)為主,水解速率顯著變慢；齡期15 a以上的垃圾達(dá)到生化降解穩(wěn)定化,大部分可降解物質(zhì)被消耗,Λ1基本穩(wěn)定.

填埋氣穩(wěn)定化指標(biāo)Λ2隨齡期變化模擬結(jié)果見圖5.垃圾降解過程中水解與甲烷化反應(yīng)的相互聯(lián)系、相互影響使Λ2與Λ1的變化規(guī)律接近又存在區(qū)別.在快速降解階段水解反應(yīng)占主導(dǎo),廚余組分的快速水解導(dǎo)致滲濾液中揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度cVFA顯著升高(見圖6),在約93 d時VFA濃度達(dá)到峰值24.6 g/L.VFA積聚形會成酸化環(huán)境抑制甲烷化反應(yīng)進行,導(dǎo)致填埋氣生成速率較低[10,17],使Λ2的下降滯后于Λ1.

甲烷化反應(yīng)速率隨產(chǎn)甲烷微生物的生長提高,VFA作為甲烷化反應(yīng)底物,其濃度開始下降,到380 d時已降至4 g/L以下.邵立明等[17]的研究表明中性條件下使垃圾能夠快速進入甲烷化階段的VFA濃度不應(yīng)超過4 g/L,這時VFA對甲烷化反應(yīng)的抑制作用不明顯.因此可認(rèn)為江村溝填埋場中垃圾在填埋后1 a左右進入穩(wěn)定甲烷化階段,此時填埋氣產(chǎn)生速率迅速上升,Λ2逐漸接近Λ1.

圖5 填埋氣釋放穩(wěn)定化指標(biāo)隨時間變化Fig.5 Change of landfill gas stabilization index with time

圖6 底部收集滲濾液揮發(fā)性脂肪酸(VFA)濃度隨時間變化Fig.6 Change of VFA concentration in leachate collected at bottom with time

進入穩(wěn)定甲烷化狀態(tài)后VFA的生成和消耗速率達(dá)到平衡,穩(wěn)定化后期VFA濃度始終保持較低水平.穩(wěn)定化前期VFA濃度會顯著影響垃圾水解及甲烷化反應(yīng)速率[17],是重要的降解環(huán)境參數(shù).通過測試填埋初期滲濾液中VFA濃度可以判斷堆體內(nèi)部是否存在酸化抑制問題以及協(xié)助預(yù)測堆體進入穩(wěn)定甲烷化階段的時間.

進入慢速降解階段后甲烷化反應(yīng)速率受VFA濃度限制而下降.從圖5中可見，在2 a后Λ2下降速率明顯變慢,此時Λ2為0.38.根據(jù)垃圾組分分析結(jié)果,采用IPCC方法[11]可得到的江村溝填埋場中垃圾最終產(chǎn)氣潛力為144 L/kg,即2 a后殘余產(chǎn)氣潛力僅為54.72 L/kg.可見對于該填埋場，初期2 a是填埋氣收集利用的重要時期,建議在填埋作業(yè)同時設(shè)置水平導(dǎo)氣盲溝,并做好臨時覆蓋,防止填埋氣任意排放,提高產(chǎn)氣高峰期的填埋氣收集效率.

需要注意的是,滲濾液從底部導(dǎo)排層排出會導(dǎo)致部分產(chǎn)氣潛力流失,因此慢速降解階段后期通過頂部集氣量計算得到的Λ2將大于Λ1,兩者的差距即為產(chǎn)氣潛力流失,這體現(xiàn)了運營措施對填埋氣收集效率的影響.工程實踐中可通過滲濾液回灌的方式減少產(chǎn)氣潛力流失.15 a后計算得到的累計產(chǎn)氣量達(dá)102.24 L/kg,之后產(chǎn)氣速率很低,填埋后30 a計算得到的累計產(chǎn)氣量僅增加8.64 L/kg,可以認(rèn)為填埋后15 a該填埋場達(dá)到填埋氣穩(wěn)定化.

根據(jù)產(chǎn)氣速率的變化,江村溝填埋場填埋氣穩(wěn)定化過程可分為3個階段：填埋初期2 a為快速產(chǎn)氣階段；2～15 a為慢速產(chǎn)氣階段；15 a后為填埋氣穩(wěn)定化階段.填埋初期可采用調(diào)質(zhì)滲濾液回灌的方法調(diào)節(jié)降解環(huán)境,避免酸化環(huán)境抑制填埋氣產(chǎn)生.對收集的高VFA濃度新鮮滲濾液可處理后回灌到已進入穩(wěn)定甲烷化階段的其他填埋單元.一方面可以補充產(chǎn)氣潛力,另一方面可以達(dá)到污染物減量處理的效果.

圖7 沉降穩(wěn)定化指標(biāo)隨時間變化Fig.7 Change of settlement stabilization index with time

沉降穩(wěn)定化指標(biāo)Λ3隨齡期變化模擬結(jié)果如圖7所示,填埋初期垃圾降解速率快(見圖4),生化相變效應(yīng)導(dǎo)致垃圾工程力學(xué)特性發(fā)生顯著改變,骨架剛度弱化,在自重作用下發(fā)生明顯沉降.填埋1 a后Λ3降低至0.65,即完成總壓縮量的35%.進行填埋作業(yè)時應(yīng)對堆體內(nèi)部鋪設(shè)的管線設(shè)施進行加固抗沉降處理，防止初期的快速沉降導(dǎo)致設(shè)施破壞失效.填埋15 a后Λ3=0.07,即93%的壓縮變形已完成,之后平均沉降速率約為3.5 cm/a,符合《生活垃圾填埋場穩(wěn)定化場地利用技術(shù)要求》GBT25170-2010[1]中建議標(biāo)準(zhǔn)(沉降速率1～5 cm/a),可認(rèn)為填埋后15 a江村溝填埋場達(dá)到沉降穩(wěn)定化.在慢速降解階段后期，沉降速率較低時進行封場有利于保護封場覆蓋系統(tǒng),避免由于過大的不均勻沉降影響服役壽命.

目前已有的城市生活垃圾壓縮模型均未能建立垃圾壓縮性參數(shù)與降解程度表征指標(biāo)(如：RC/L等)的直接聯(lián)系,因此計算得到的Λ3與Λ1變化過程存在差異.如獲得降解對垃圾壓縮性的影響關(guān)系,便可對填埋場降解-固結(jié)-溶質(zhì)遷移耦合模型進行完善.

4 結(jié) 論

(1)本文提出的3個穩(wěn)定化評價指標(biāo)變化過程的差異體現(xiàn)了填埋場中生化降解、液氣運移、壓縮變形以及溶質(zhì)遷移等復(fù)雜行為的相互聯(lián)系和相互影響.其中，生化降解是填埋場中多場相互作用的核心,是穩(wěn)定化過程中最重要的方面.鉆孔取樣測試RC/L能反應(yīng)垃圾在填埋場中實際降解情況,可以降解穩(wěn)定化指標(biāo)為主,初步判斷填埋場穩(wěn)定化程度.

(2)我國典型高廚余垃圾填埋場穩(wěn)定化過程呈現(xiàn)明顯的分階段性.在快速降解階段，RC/L迅速下降,滲濾液VFA濃度顯著升高,堆體沉降明顯.進入慢速降解階段后,RC/L下降速率和填埋氣產(chǎn)生速率明顯降低,VFA濃度保持較低水平,沉降速率緩慢.對于江村溝填埋場中的垃圾,在填埋后15 a大部分可降解物質(zhì)已被消耗,填埋氣產(chǎn)生速率很低,沉降基本完成,可認(rèn)為此時該填埋場達(dá)到穩(wěn)定化標(biāo)準(zhǔn).

(3)高廚余垃圾含量填埋場在穩(wěn)定甲烷化階段初期產(chǎn)氣速率明顯上升,是填埋氣收集利用的最佳時機,應(yīng)做好臨時覆蓋,防止填埋氣任意排放,提高收集效率.快速降解階段可采取調(diào)質(zhì)滲濾液回灌來降低VFA濃度,以避免形成酸化環(huán)境抑制填埋氣產(chǎn)生.填埋初期沉降顯著,應(yīng)對堆體內(nèi)部管線設(shè)施應(yīng)進行加固抗沉降處理,在沉降速率較低時期封場有利于封場覆蓋系統(tǒng)維護.將新鮮滲濾液收集處理后回灌入穩(wěn)定甲烷化的填埋單元可減少產(chǎn)氣潛力損失,提高垃圾資源化水平,同時達(dá)到污染物減量處理的效果.

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Evaluation of municipal solid waste landfill stabilization

LIU Hai-long1,2, ZHOU Jia-wei3, CHEN Yun-min1,2, LI Yu-chao1,2, ZHAN Liang-tong1,2

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;2.MOEKeyLaboratoryofSoftSoilsandGeoenvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China;3.ArchitechturalDesignandReasearchInstitute,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China))

A stabilization evaluation index system was proposed, including the degradation degree of municipal solid waste (MSW), the release of landfill gas production potential and the consolidation degree of landfill. Based on the biodegradation-consolidation-solute migration coupled model, an evaluation method of MSW landfill stabilization was proposed by combining field test with numerical simulation. The stabilization process of Jiangcungou landfill in Xi’an was investigated by using the proposed method. Results show that the stabilization process of high kitchen waste content landfills can be divided into three stages. The ratio of cellulose to lignin in MSW decreases rapidly during the fast degradation stage, when obvious settlement occurs. During the slow degradation stage, hydrolysis rate is slow and settlement develops slowly. When landfills reach stabilization stage, the ratio of cellulose to lignin of MSW changes very slowly; most of landfill gas potential has been released; the settlement stabilization is completed basically. The change processes of three evaluation indexes are different, of which the degradation stabilization index is the main one. According to above analysis results, leachate recirculation can be used to adjust the degradation environment in landfills, which is helpful to avoid acidification. Temporary cover can improve landfill gas collection efficiency at the beginning of stabilized methanogenic stage. The closure should be operated when the settlement rate is low.

municipal solid waste (MSW); landfill; stabilization; evaluation index; numerical simulation

2015-12-18.

國家“973”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項目(2012CB719800).

劉海龍(1985—),男,博士生,從事環(huán)境巖土工程研究.ORCID: 0000-0002-4889-7967. E-mail: lhl.zju@live.com 通信聯(lián)系人：周家偉,男,高級工程師，博士.ORCID: 0000-0002-6202-9699. E-mail: 1027195963@qq.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.12.013

TU 43；X 705

A

1008-973X(2016)12-2336-07