粘土襯層壓實度對農(nóng)村垃圾填埋場防滲性能影響研究*

袁續(xù)勝 吳小卉 孟棒棒 岳波 高紅 張穎 閆敏婕

（1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650500；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院 固體廢物污染控制技術(shù)研究所，北京 100012）

0 引言

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國農(nóng)村生活垃圾年產(chǎn)量達(dá)到了2.94億t，衛(wèi)生填埋是現(xiàn)階段我國農(nóng)村生活垃圾的主要處理手段，目前廣泛應(yīng)用的填埋場防滲層有兩大類：一類是土工膜復(fù)合防滲層，一類是粘土防滲層，歐美等發(fā)達(dá)國家填埋場多采用土工膜復(fù)合防滲層防止?jié)B濾液滲漏［1］，我國城鎮(zhèn)生活垃圾填埋場防滲襯層普遍采用由HDPE膜和粘土層組成的復(fù)合防滲層［2］。盡管防滲膜具有高抗?jié)B性的特點，但經(jīng)濟(jì)成本高、對墊層處理要求高、易被腐蝕性強的滲濾液蝕穿［3］。農(nóng)村地區(qū)受經(jīng)濟(jì)條件的限制，復(fù)合防滲層難以大范圍應(yīng)用。因此從小規(guī)模農(nóng)村垃圾填埋場場址區(qū)附近合理距離內(nèi)選取黏土作為防滲襯層材料往往是比較經(jīng)濟(jì)和切合工程客觀實際的做法。

目前粘土層防滲性能與土層壓實密度、壓實含水量、土料組成特性（粘粒含量、塑性指數(shù)）等土層參數(shù)的研究已經(jīng)較為深入和完善。在《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16889—2008）中要求粘土防滲層飽和粘土滲透系數(shù)小于1.0×10-7cm/s且厚度大于2 m，按照上述標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的填埋場粘土防滲層未考慮粘土防滲層壓實度對污染物的阻滯能力的影響，使?jié)B過防滲層的污染物量低于填埋場場址的環(huán)境容量。通過室內(nèi)土柱淋濾模擬實驗研究單一粘土層不同壓實度對滲透系數(shù)以及滲濾液污染質(zhì)穿透效率的影響，為農(nóng)村垃圾填埋場防滲技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料選取方法

實驗土壤均取自湖北省麻城市鐵門崗鄉(xiāng)小規(guī)模生活垃圾填埋場上游未受污染和擾動的土壤。土樣取回后進(jìn)行自然風(fēng)干后過孔徑為0.55 mm篩子剔除雜物，用四分法進(jìn)行分取，測量土樣含水率低于5%后備用。土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 室內(nèi)土柱模擬實驗土樣基本性質(zhì)

實驗滲濾液來源于北京阿蘇衛(wèi)生活垃圾填埋場，為使其與農(nóng)村垃圾填埋場滲濾液濃度相似，將滲濾液稀釋5倍后用于土柱淋濾實驗，稀釋后的滲濾液基本理化性質(zhì)為：pH值為8.05，CODcr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 060.02 mg/kg，NH3—N質(zhì)量濃度為385.67 mg/L。

1.2 實驗裝置與方法

室內(nèi)土柱模擬實驗裝置由5根相同的有機玻璃柱、5個相同的高位恒水位圓形水箱（直徑40 cm、高度30 cm）、1個低位圓形水箱（直徑50 cm，高度50 cm）組成，見圖1。

室內(nèi)土柱模擬實驗設(shè)計和運行條件如表2所示。本次實驗共設(shè)5個實驗組，對各個土柱分別進(jìn)行裝土、飽水和滲濾液開始淋濾實驗過程。首先，制備最優(yōu)含水率下的濕潤土樣。將風(fēng)干后的土樣用超純水進(jìn)行均勻噴灑，靜止一晝夜，檢測不同位置濕潤土樣的含水率，保證含水率之差不超過±1%。接著將制備好的濕潤土樣分層分次填充到土柱內(nèi)，利用壓實器均勻壓實完成25 cm厚土層填裝，然后在土層上面鋪設(shè)5 cm厚度的細(xì)石英砂，重復(fù)5次。土柱裝好后，采用從上到下的飽水方式進(jìn)行土柱飽水，達(dá)到排除土柱內(nèi)多余空氣和清洗土柱的作用，為了避免沖刷土柱，飽水時應(yīng)控制水速和保證將水頭恒定30 cm的高度。土柱飽水后，進(jìn)行滲濾液均勻入滲，實驗過程中保證滲濾液高位水箱到各土柱底部距離為2.1 m，在此期間室內(nèi)自然通風(fēng)。

表2 室內(nèi)土柱模擬實驗設(shè)計和運行條件

同時采集土柱出水口水樣和定水水體的水樣，避免滲濾液入滲和土柱出水口取樣存在的時間差。垃圾滲濾液檢測的項目有：滲透水量、進(jìn)出水COD、NH3—N。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同壓實度對滲透能力影響研究

2.1.1 不同壓實度對滲透水量影響

不同壓實度粘土層中滲濾液滲透水量的變化如圖2所示。在處于最優(yōu)含水率情況下，同一土料不同壓實密度下滲濾液滲透水量差距很大，且滲透水量隨著滲透時間的增長緩慢降低，壓實度為80%和85%的時候滲濾液滲透水量相對較高。這是因為在含水率一定條件下，土層干密度越大其滲透功能越弱。土層擊實功能越大，土層顆粒排列就越緊密，滲透水量越少。因此，壓實功能是研究粘土襯墊材料工程性能中一個重要的控制因素，在最佳濕度下，滲水率可通過壓實功能降低一至兩個數(shù)量級［4］。整體實驗期間各土柱滲透水量基本穩(wěn)定，實驗后期緩慢下降，這可能是土柱中微生物降解有機物導(dǎo)致土層滲透性能下降［5］。

2.1.2 不同壓實度對滲透系數(shù)影響

粘土層壓實度與滲透系數(shù)的變化特征如圖3所示。在土層干密度為1.42、1.49、1.57、1.65、1.69 g/cm3時，5根土柱相對應(yīng)的平均滲透系數(shù)分別為1.98×10-7、1.02×10-7、4.68×10-8、2.41×10-8、2.06×10-8cm/s，將滲透系數(shù)K與土層壓實密度 進(jìn)行線性擬合，指數(shù)函數(shù)的方程如式（1）：

土層的壓實度與滲透系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這可能是因為前中期壓實階段主要減少的是粘土聚集體之間的孔隙，對滲透系數(shù)影響較大；后期壓實階段減少的是粘土聚集體內(nèi)部孔隙，對滲透系數(shù)影響較?。?］。實驗可知該粘土在90%壓實度下滲透系數(shù)可滿足我國生活垃圾衛(wèi)生填埋標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)［7］。因此部分農(nóng)村小型生活垃圾填埋場采用粘土襯層時，可以通過提高壓實度增加降低滲透系數(shù)［8］。

2.2 不同壓實度對污染質(zhì)運移規(guī)律研究

2.2.1 不同壓實度時污染質(zhì)穿透曲線變化規(guī)律

粘土層中不同壓實度滲濾液CODCr的穿透曲線變化如圖4（a）所示，不同土層壓實度滲濾液中CODCr的穿透變化比較相似，各土柱CODCr均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，以分別代表穿透曲線的“未穿透”、“部分穿透”、“完全穿透”階段。實驗初期5個土柱CODCr滲出濃度幾乎不變，研究表明該階段介質(zhì)對滲濾液污染質(zhì)組未表現(xiàn)明顯吸附作用，可能是因為實驗時間較短，柱內(nèi)微生物較少導(dǎo)致生物降解不充分［9］。后期各土柱CODCr穿透逐漸增加，這是由于隨著淋濾時間的推移和入滲水中微生物營養(yǎng)物質(zhì)的補充，土柱內(nèi)微生物降解能力增強。入滲時間為60 d的時候，土層壓實度為80%、85%、90%、93%、95%各自對應(yīng)的土層滲濾液中CODCr的值分別為0.40、0.34、0.24、0.20、0.17，說明土層壓實密度越大，CODCr越難遷移。

粘土層中不同壓實度滲濾液NH3—N的穿透曲線變化如圖4（b）所示，不同土層壓實度中NH3—N的穿透規(guī)律大致相同。在實驗初期NH3—N的滲出濃度呈現(xiàn)先減小后增加趨勢，這可能是初始階段土柱含有氧氣較多，微生物發(fā)生好氧反應(yīng)降解速率快，而進(jìn)入?yún)捬蹼A段，由于缺氧發(fā)生反硝化作用，產(chǎn)生氨氮進(jìn)而降解速率變慢。當(dāng)入滲時間為60 d時，土層壓實度為80%、85%、90%、93%、95%時NH3—N的值分別0.31、0.27、0.19、0.15、0.14，說明土層壓實度越大，NH3—N在土層中遷移越困難。這主要是因為介質(zhì)對氨氮的吸附作用，相對于生物降解和生物轉(zhuǎn)化作用來說作用較強。

2.2.2 不同壓實度時滲透系數(shù)與污染質(zhì)滲出率變化規(guī)律

粘土層滲透系數(shù)與滲濾液的污染質(zhì)滲透率變化規(guī)律如圖5所示：整個實驗過程中不同壓實度粘土層的滲透系數(shù)與污染物平均滲出率呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)增長變化趨勢。根據(jù)實驗擬合結(jié)得到CODCr和NH3—N的平均滲出率和粘土層滲透系數(shù)k的關(guān)系式（2）和式（3）。

粘土層滲透系數(shù)k增大時，CODCr和NH3—N的平均滲出率也隨之增加。這是因為壓實粘土滲透系數(shù)越高，滲濾液向下運移時受到粘土顆粒的阻礙作用越小，水頭降低較緩慢，水力停留時間變短了，土壤對污染物的截留、化學(xué)吸附、離子交換等阻滯作用減弱［10］，CODCr和NH3—N的平均滲出率隨之增大。

3 結(jié)論

1）土柱壓實增大時，其滲透系數(shù)隨之降低，且呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)負(fù)增長變化關(guān)系。實驗后期由于土柱中微生物含量增大導(dǎo)致土層滲透性能降低。

2）土層壓實度增大時，其CODCr滲出率隨之降低。且在實驗初期各土柱的CODCr滲出率基本保持不變，隨著時間推移，土柱內(nèi)微生物降解能力增強，各土柱CODCr滲出率提高。

3）土層壓實度增大時，NH3—N整體滲出率隨之降低。且在實驗初期各土柱中由于含有較多氧氣，微生物發(fā)生好氧反應(yīng)使得NH3—N滲出率先下降，而后期各土柱微生物處于厭氧反硝化階段使微生物降解速度變慢。

4）土柱滲透系數(shù)與CODCr、NH3—N的整體滲出率呈負(fù)指數(shù)函數(shù)增長趨勢。土柱滲透系數(shù)降低時，CODCr、NH3—N去除效果呈指數(shù)函數(shù)增加趨勢。