生活垃圾填埋場滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢研究現(xiàn)狀及新挑戰(zhàn)＊

王 前，苗前名，何品晶，徐期勇

（1. 北京大學(xué)深圳研究生院 環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 深圳 518055；2. 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

1 引言

填埋是我國生活垃圾（Municipal Solid Waste,MSW）的主要處理方式之一。2019 年，我國填埋處理量為1.09×108t，占無害化處理總量的45.6%［1］，承擔(dān)我國生活垃圾管理的“兜底”任務(wù)。滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵是全球衛(wèi)生填埋場的普遍問題，同發(fā)達(dá)國家相比，我國填埋場滲濾液產(chǎn)生量大，且具有懸浮物含量高和有機(jī)負(fù)荷大的特點(diǎn)［2］，更易造成滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵。深圳老虎坑填埋場在運(yùn)行6 a 后，其滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)滲透系數(shù)下降至約10-8m/s，遠(yuǎn)低于底層飽和生活垃圾滲透系數(shù)10-6m/s［3］。導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵會導(dǎo)致填埋堆體水位雍高、孔隙水壓力增大、邊坡穩(wěn)定性降低、滲濾液滲漏風(fēng)險加劇，進(jìn)而引發(fā)填埋場環(huán)境安全事故，嚴(yán)重影響填埋場正常運(yùn)行［4-5］。因此，掌握滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢的形成機(jī)制及影響因素，有利于提高填埋場長期運(yùn)營的穩(wěn)定性和環(huán)境安全性。近年來，隨著我國生活垃圾焚燒比例增加，大量焚燒爐渣進(jìn)入生活垃圾填埋場，給填埋場滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢帶來了新挑戰(zhàn)［6-9］。

本研究歸納總結(jié)各類滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵的工程案例，在此基礎(chǔ)上分析結(jié)垢形成機(jī)制，結(jié)合研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜和我國實(shí)際情況，提出填埋場結(jié)垢面臨的新挑戰(zhàn)，并展望填埋場滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢防治的未來發(fā)展方向。

2 填埋場導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢

2.1 淤堵案例及淤堵物主要成分

滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)的主要功能是收集填埋庫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的滲濾液，維持填埋場穩(wěn)定的水力環(huán)境，降低對周圍土壤、地下水等環(huán)境的威脅。填埋場導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵會導(dǎo)致填埋場底部滲濾液導(dǎo)排不及時，填埋場內(nèi)水位雍高，引發(fā)安全事故。近年來，淤堵問題逐漸受到世界各國關(guān)注。通過填埋場現(xiàn)場挖掘，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)排系統(tǒng)的不同部位都存在淤堵現(xiàn)象。Koerner 等［10］發(fā)現(xiàn)，在美國某填埋場中土工布是淤堵最嚴(yán)重的部位，120 d 后其滲透系數(shù)由初始的4.2×10-4m/s 降至3.1×10-8m/s；顆粒排水層孔隙率在運(yùn)行8 a 后下降了8%［11］；深圳下坪填埋場的淤堵由導(dǎo)排管內(nèi)結(jié)垢造成［12-13］；加拿大的填埋場中也出現(xiàn)了類似的情況，填埋場運(yùn)行5 a 后滲濾液管道上的結(jié)垢物厚約50 mm［14］。

表1 從填埋場和實(shí)驗(yàn)室兩方面，匯集了填埋場滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢物成分組成。結(jié)垢物主要成分包括Ca、Si、Mg、Fe 和碳酸根（CO），其總量達(dá)到78%～94%［15-16］。其中碳酸鈣（CaCO3）為主要的組成成分，結(jié)垢物中的Ca 含量達(dá)到9.4%～53.5%，CO含量達(dá)到14.1%～58.0%，Ca/CO的質(zhì)量比處于0.47～0.71［17-18］。在下坪填埋場、小澗西填埋場和長安填埋場等的結(jié)垢物中檢測到CaCO3含量占88%～92%［13,16,19-20］。

表1 填埋場淤堵成分分析Table 1 Analysis of clogging components in landfills

2.2 導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢分布及影響因素

滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)主要由土工布、顆粒排水材料、滲濾液導(dǎo)排管3 部分組成。導(dǎo)排系統(tǒng)各部分均可能發(fā)生結(jié)垢，其中土工布往往是最先發(fā)生結(jié)垢的部分，也是發(fā)生結(jié)垢最嚴(yán)重的部位［27］。土工布的主要作用是過濾、排水和防止顆粒物進(jìn)入排水管［28］。土工布結(jié)垢是導(dǎo)致土工布滲透效率降低的主要原因［29-30］，從而導(dǎo)致滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)無法收集滲濾液、滲濾液水壓超過控制水平，最終影響填埋場的穩(wěn)定性［5］。針對土工布結(jié)垢，國內(nèi)外學(xué)者在填埋場和實(shí)驗(yàn)室均開展了相關(guān)研究（表2）。研究表明土工布結(jié)垢時，滲透系數(shù)出現(xiàn)不同量級變化范圍，而垃圾成分是影響土工布結(jié)垢的重要因素，高有機(jī)質(zhì)含量的生活垃圾為微生物生長提供營養(yǎng)，同時也為化學(xué)沉淀提供必備條件，從而引發(fā)結(jié)垢［16,31］。

表2 土工布結(jié)垢研究總結(jié)Table 2 Summary of geotextile clogging research

目前關(guān)于顆粒排水材料（礫石等）結(jié)垢的研究主要集中在探究粒徑分布、流速條件和材質(zhì)等因素的影響。導(dǎo)排層材料粒徑大小與結(jié)垢情況成反比關(guān)系，流速、質(zhì)量負(fù)荷與結(jié)垢情況成正比關(guān)系［17,21］。Mclsaac 等［11］設(shè)計(jì)了不同堆積厚度（100 mm 和300 mm）、不同粒徑（19 mm 和38 mm）的礫石結(jié)垢實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行6 a 后的結(jié)果表明在飽和區(qū)域中占比45% 的孔隙存在結(jié)垢，部分飽和區(qū)域只有31%，非飽和區(qū)域則少于10%；同時38 mm 礫石比19 mm 礫石的水力傳導(dǎo)系數(shù)高。在平均粒徑10 mm 的礫石（厚300 mm）中進(jìn)行260 d 結(jié)垢實(shí)驗(yàn)后，結(jié)果表明可排水孔隙度最大降幅為53%［17］。Beaven 等［38］對比了輪胎和礫石運(yùn)行6 個月之后的結(jié)垢情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)材質(zhì)對結(jié)垢情況未引起明顯變化。

導(dǎo)排管結(jié)垢主要受管徑、填埋齡、滲濾液性質(zhì)和管道材料等因素影響。Lozecznik 等［39］采用實(shí)際滲濾液對比不同高密度聚乙烯（HDPE）管道內(nèi)徑（40、80 mm）的結(jié)垢情況，結(jié)果表明大管徑的管道積聚了更多結(jié)垢物。在不同填埋齡下，HDPE管道均出現(xiàn)明顯結(jié)垢現(xiàn)象［40］。而聚氯乙烯（PVC）材料管道在新鮮滲濾液中結(jié)垢更嚴(yán)重，這是由于化學(xué)沉淀和微生物代謝活動的共同作用，Ca2+是主要影響因素［41］。而CaCO3結(jié)垢主要受管材表面粗糙度影響［42］，細(xì)菌吸附的關(guān)鍵因素是管道硬度［43］。綜上所述，滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)不同組成成分之間結(jié)垢情況存在差異，但形成結(jié)垢的機(jī)理主要是由物理、化學(xué)和生物3 個方面因素導(dǎo)致。

3 結(jié)垢形成機(jī)制

引發(fā)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢的因素繁多，作用機(jī)理復(fù)雜，其形成機(jī)制主要有物理沉積、化學(xué)沉淀、生物結(jié)垢及物理-化學(xué)-生物耦合作用［6］（圖1）。

圖1 結(jié)垢形成種類Figure 1 Types of clogging formation

3.1 物理沉積

物理沉積是指隨著滲濾液在填埋場中的遷移，滲濾液中的顆粒物被吸附、攔截，且不斷碰撞、積累形成；從而降低了滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)的水力傳導(dǎo)系數(shù)［17］。物理沉積發(fā)生特別迅速，在實(shí)驗(yàn)室模擬場景下初始幾小時就十分明顯［44-45］；物理沉積可分為內(nèi)部和外部兩種［46］：內(nèi)部物理沉積是細(xì)小顆粒物在物理、化學(xué)作用力的影響下在孔隙內(nèi)部積累形成［30,47］；外部物理沉積是由于在導(dǎo)排材料表面形成了顆粒狀濾餅，通過保留越來越細(xì)的顆粒而逐漸堵塞導(dǎo)排材料。

滲濾液性質(zhì)是影響物理沉積的重要影響因素。當(dāng)滲濾液中總懸浮顆粒物濃度高（＞2 200 mg/L）、顆粒物粒徑較大（＞15 μm）時，滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)面臨著物理沉積的風(fēng)險［27,31］?；跐B濾液性質(zhì)和顆粒物粒徑分布特性，Liu 等［48］采用統(tǒng)一耦合有限元數(shù)值模型對物理沉積過程進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表明土工布的滲透性能在1～2 a 后從初始的10-1～10-2m/s 下降至10-8～10-9m/s，整個滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)在運(yùn)行17 a 后會徹底失效，減少餐廚垃圾填埋量是減少物理沉積的有效措施。

3.2 化學(xué)沉淀

化學(xué)沉淀是指滲濾液中Ca2+、Mg2+等金屬離子與CO等陰離子在過飽和情況下形成難溶性碳酸鹽、硫酸鹽等沉淀［25］。由于CaCO3溶度積較小，一般會先達(dá)到過飽和狀態(tài)而析出。目前填埋場和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果均表明CaCO3為主要的化學(xué)沉淀物［49-50］，其主要的物質(zhì)形態(tài)為方解石，包括緊密包裹束徑向纖維晶體和微晶晶體兩種結(jié)合形式［50］。在CaCO3形成過程中pH 和CO2分壓是兩個關(guān)鍵影響因素，兩者相互關(guān)聯(lián)，具體反應(yīng)方程式見式（1）～式（2）。

CaCO3的形成與pH、Ca2+濃度、CO濃度直接相關(guān)，揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）的緩沖作用同樣影響CaCO3沉淀過程。VFAs 的降解提高了滲濾液的pH 和堿度，從而促進(jìn)了CaCO3的形成［51］。因此，CaCO3沉淀量與VFAs 降解量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系［52］。乙酸和丙酸的降解能使pH 上升0.30～0.45，從而使?jié)B濾液中50%～70% 的Ca2+形成CaCO3［53］。乙酸、丙酸、丁酸和CaCO3之間的關(guān)系可用CaCO3產(chǎn)量系數(shù)表示，其中乙酸降解是形成CaCO3的主要因素［52］。同時結(jié)合滲濾液性質(zhì)變化，綜合采用模型對化學(xué)沉淀量進(jìn)行分析和預(yù)測［54-55］。Li 等［56］采用NICA-Donnan 模型探究了溶解性有機(jī)碳（DOC）和Ca2+、Mg2+沉淀之間的關(guān)系，結(jié)果表明DOC 更傾向于與Mg2+絡(luò)合，導(dǎo)致滲濾液中更容易形成方解石沉淀。

3.3 生物結(jié)垢

生物結(jié)垢是由于滲濾液中微生物利用滲濾液環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)在導(dǎo)排材料表面附著生長，群落不斷聚集，同時分泌胞外聚合物（EPS）而綜合形成的生物膜［57-58］。根據(jù)生物膜是否具有有機(jī)物降解活性，可分為活性生物膜和衰亡后的惰性生物膜。進(jìn)一步可把生物結(jié)垢分為活細(xì)菌、死細(xì)菌和EPS［59］。

生物結(jié)垢形成過程復(fù)雜，其影響因素眾多。生物結(jié)垢與微生物生長過程密切相關(guān)，會導(dǎo)致土工布滲透性能明顯下降［35］。微生物群落種類與滲濾液性質(zhì)存在緊密相關(guān)性，但不受導(dǎo)排填料粒徑、流速、溫度等因素的影響［17,21］。目前研究主要集中在生物結(jié)垢預(yù)測，依據(jù)VFAs 含量、Ca2+濃度等滲濾液性質(zhì)變化，可采用多種結(jié)垢模型對生物結(jié)垢情況進(jìn)行預(yù)測，包括生物結(jié)垢1D 模型［60］、生物結(jié)垢2D 模型［61-62］、生物結(jié)垢變形模型［63-64］、生物蛋糕模型［65］。

3.4 物理-化學(xué)-生物耦合作用機(jī)理

結(jié)垢影響因素眾多，淤堵是個復(fù)雜多變的過程。前期的研究表明化學(xué)沉淀與生物結(jié)垢之間并不是孤立形成，而是彼此交錯、相互促進(jìn)。在電子顯微鏡中觀測到土工布上形成的結(jié)垢物呈不均勻分布狀態(tài)，而CaCO3與生物結(jié)垢之間是相互交錯存在的［37］。滲濾液中的Ca2+不僅可以通過化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，而且可以通過微生物表面的負(fù)電荷結(jié)合到細(xì)菌表面，從而影響生物結(jié)垢。

生物結(jié)垢是一個動態(tài)變化過程，在近400 d 的土工布浸沒實(shí)驗(yàn)中，土工布單位結(jié)垢質(zhì)量在一個相對較大范圍內(nèi)（38.2～162.1 g/m2）波動，化學(xué)沉淀和生物結(jié)垢的比例也隨時間發(fā)生變化［6］。生物結(jié)垢本身存在生長期、穩(wěn)定期和脫落期，且化學(xué)沉淀和生物結(jié)垢之間存在相互影響，導(dǎo)致了結(jié)垢物質(zhì)量和成分出現(xiàn)變化。

綜合來說，結(jié)垢是物理、化學(xué)、生物多因素綜合作用的結(jié)果（圖2）。滲濾液中顆粒物發(fā)生沉降，形成物理沉積。同時滲濾液中的有機(jī)物不斷降解，反應(yīng)過程中產(chǎn)生CO2和CH4等填埋氣，部分CO2溶解于滲濾液中，形成CO，與滲濾液中的Ca2+反應(yīng)形成CaCO3沉淀；有機(jī)物降解為細(xì)菌的生長提供充足的養(yǎng)分，從而促進(jìn)細(xì)菌的生長積聚并分泌產(chǎn)生EPS，進(jìn)而生長為生物膜；綜合導(dǎo)致滲透系數(shù)迅速下降，結(jié)垢不斷加劇。隨著化學(xué)和生物結(jié)垢的形成，導(dǎo)排孔隙逐漸變小，顆粒物截留效率提高，物理沉積作用也不斷加劇。

圖2 滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢耦合作用機(jī)理Figure 2 The mechanisms of clogging in leachate collection system

4 填埋場結(jié)垢新挑戰(zhàn)

4.1 爐渣混填對結(jié)垢的影響

隨著生活垃圾焚燒比例的增加，產(chǎn)生了大量焚燒副產(chǎn)物爐渣。爐渣是由Ca、Mg 等金屬元素氧化物組成的混合物，目前爐渣的一個重要處置方式是進(jìn)入生活垃圾填埋場進(jìn)行混填，這改變了滲濾液性質(zhì)和結(jié)垢情況。不同爐渣混填比例導(dǎo)致滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)中土工布結(jié)垢情況出現(xiàn)差異［6,66］。相較于生活垃圾填埋，低爐渣混填比（爐渣∶MSW=1∶9）中的土工布結(jié)垢質(zhì)量呈現(xiàn)上升趨勢，而高爐渣混填比（爐渣∶MSW=5∶5）中的土工布結(jié)垢質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢，純爐渣填埋組未觀測到結(jié)垢現(xiàn)象。大部分文獻(xiàn)報道了爐渣混填后導(dǎo)致滲濾液性質(zhì)改變，而土工布結(jié)垢質(zhì)量與滲濾液性質(zhì)具有相關(guān)性［8,9,37,67］，穩(wěn)定后的pH 與爐渣混填比之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。與此同時，與純生活垃圾填埋相比，低爐渣混填比中的鈣鎂離子含量、堿度和COD 均呈現(xiàn)上升趨勢，而高爐渣混填比和純爐渣填埋中的鈣鎂離子含量、堿度和COD 均呈現(xiàn)下降趨勢［68-70］。綜上所述，目前國內(nèi)外發(fā)現(xiàn)爐渣混填會改變滲濾液的pH、鈣鎂離子含量、堿度、COD、重金屬和微生物［8,69,71-75］，因此在實(shí)際填埋場中推薦爐渣單獨(dú)填埋以降低結(jié)垢風(fēng)險［7］。

爐渣混填對滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢的影響受到越來越多的關(guān)注和研究。利用VOSviewer 對國外與爐渣混填研究相關(guān)的文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析（圖3），對Web of Science 數(shù)據(jù)庫檢索到的6 274篇英文文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將其中高頻出現(xiàn)的關(guān)鍵詞劃分為5 個聚類。這5 個聚類基本表征了近30 年來國外爐渣混填領(lǐng)域的主要研究熱點(diǎn)及方法。其中，聚類內(nèi)部關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次越高，共現(xiàn)分析圖中的圓球越大，表明該關(guān)鍵詞為該聚類的熱點(diǎn)研究主題?？傮w上研究內(nèi)容趨于多元化，與爐渣相關(guān)的研究包括結(jié)垢、資源化利用、滲出性、吸附特性等；而與結(jié)垢相關(guān)的聚類包括填埋場、管道、反應(yīng)器等。這同樣表明結(jié)垢現(xiàn)象存在于多種實(shí)際場景中，是一個多領(lǐng)域關(guān)注的共性問題。

圖3 1990—2020 年?duì)t渣混填研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)Figure 3 Keywords co-occurrence of researches about bottom ash co-disposal landfill from 1990 to 2020

4.2 結(jié)垢防治措施的工程應(yīng)用及趨勢

目前，結(jié)垢防治措施包括設(shè)計(jì)優(yōu)化、清潔除垢、導(dǎo)排材料改性等方式（圖4）。

圖4 滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢防治措施Figure 4 Clogging controlling in leachate collection systems

管道設(shè)計(jì)優(yōu)化包括在滿足管徑設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，選用合適的管徑增加流速，同時增大水力坡度來改變水力狀態(tài)，從而減小結(jié)垢淤堵風(fēng)險，同時應(yīng)盡量避免管道變徑、拐彎；在U 型管道前后安裝控制閥門和排渣閥，便于進(jìn)行分段清洗［13］?？赏ㄟ^改變導(dǎo)排層結(jié)構(gòu)來減緩結(jié)垢，如在排水層中間段設(shè)置粒徑較大的砂礫層［76］、礫石層中使用非針織土工布［77］，也可通過在礫石層前增加礦化垃圾層，對滲濾液中的有機(jī)物和懸浮固體進(jìn)行預(yù)處理，從而降低滲濾液在礫石層形成結(jié)垢的概率［78］。

填埋場滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)常見的清除結(jié)垢方式是每年噴射清洗和定期視頻檢查。高壓水射流清洗管道可以減小結(jié)垢物厚度，使結(jié)垢物處于松散狀態(tài)，但是該方法清理長度有限，需要填埋場設(shè)計(jì)階段提前考慮需求。數(shù)碼視頻檢測技術(shù)能在不開挖的情況下快速自動找到結(jié)垢點(diǎn)，從而節(jié)約時間，但是該方法需要在填埋場建造階段提前考慮需求。電子除垢系統(tǒng)可與高壓清洗聯(lián)用，通過能量脈沖從而分析結(jié)垢位置，改變結(jié)垢成分。Integrated Environmental Technology 公司采用化學(xué)清洗（鹽酸、羧酸、烷醇胺、烷基磺酸鈉、催化劑、分散劑和抑制劑）方法去除滲濾液收集管道中的結(jié)垢物。此方法能溶解和去除結(jié)垢和管道腐蝕的副產(chǎn)物和生物膜。但是，該方法耗時長、成本高，每英尺（1 英尺=0.304 8 m）管道大約每次需要花費(fèi)20～40 美元。此外，無人機(jī)傾斜攝像測量用在了垃圾填埋場測量中，結(jié)合三維模型、數(shù)字正射影像圖和數(shù)字地標(biāo)模型可得到填埋場邊坡監(jiān)測分析，為填埋場防治滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢提供參考數(shù)據(jù)［79］。

結(jié)垢防治可通過改性土工布、管道等導(dǎo)排材料的措施實(shí)現(xiàn)。Wang 等［80］提出可采用納米材料提高表面親水性減緩結(jié)垢，氧化石墨烯改性土工布可使細(xì)菌數(shù)量下降2 個數(shù)量級，同時EPS 含量下降56%。納米二氧化硅改性HDPE 管道能降低管道的表面能，從而達(dá)到防治結(jié)垢的目的［81］。

5 結(jié)論與展望

滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)淤堵是填埋場中普遍存在的問題。結(jié)垢影響因素眾多，包括物理沉積、化學(xué)沉淀和生物結(jié)垢。目前國內(nèi)外已針對結(jié)垢形成機(jī)制和影響因素進(jìn)行相關(guān)研究，闡明了物理沉積、化學(xué)沉淀、生物結(jié)垢的機(jī)理。但是，仍然存在一些需要克服的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，同時填埋場也面臨著爐渣混填的新挑戰(zhàn)。

在未來的研究中以下方面值得重點(diǎn)考慮：關(guān)于結(jié)垢機(jī)制方面，目前研究主要關(guān)注3 種結(jié)垢機(jī)理的單獨(dú)闡述和探討，不同結(jié)垢因素之間的相互作用尚不成體系，因此，需要闡明不同結(jié)垢因素之間的相互作用和共同促進(jìn)影響；進(jìn)一步地，結(jié)垢與淤堵之間的時空演化機(jī)制尚未明晰，目前填埋場面臨爐渣混填的新挑戰(zhàn)，但是爐渣混填對填埋場導(dǎo)排系統(tǒng)結(jié)垢機(jī)理仍有待進(jìn)一步探索；從防治結(jié)垢工程應(yīng)用來看，目前的工程措施仍具有局限性，改性材料在實(shí)際填埋場中的防治結(jié)垢效果仍未可知，有待進(jìn)一步深入研究。