粘土襯層壓實(shí)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(diǎn)，但經(jīng)濟(jì)成本高、對墊層處理要求高、易被腐蝕性強(qiáng)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(shí)際的做法。

目前粘土層防滲性能與土層壓實(shí)密度、壓實(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)研究單一粘土層不同壓實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)土樣基本性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)裝置與方法

室內(nèi)土柱模擬實(shí)驗(yàn)裝置由5根相同的有機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件如表2所示。本次實(shí)驗(yàn)共設(shè)5個實(shí)驗(yàn)組，對各個土柱分別進(jìn)行裝土、飽水和滲濾液開始淋濾實(shí)驗(yàn)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(shí)器均勻壓實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)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(xiàng)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(shí)度對滲透能力影響研究

2.1.1 不同壓實(shí)度對滲透水量影響

不同壓實(shí)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(shí)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(shí)度為80%和85%的時候滲濾液滲透水量相對較高。這是因?yàn)樵诤室欢l件下，土層干密度越大其滲透功能越弱。土層擊實(shí)功能越大，土層顆粒排列就越緊密，滲透水量越少。因此，壓實(shí)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(shí)功能降低一至兩個數(shù)量級［4］。整體實(shí)驗(yàn)期間各土柱滲透水量基本穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)后期緩慢下降，這可能是土柱中微生物降解有機(jī)物導(dǎo)致土層滲透性能下降［5］。

2.1.2 不同壓實(shí)度對滲透系數(shù)影響

粘土層壓實(shí)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(shí)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(shí)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?yàn)榍爸衅趬簩?shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)可知該粘土在90%壓實(shí)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(shí)度增加降低滲透系數(shù)［8］。

2.2 不同壓實(shí)度對污染質(zhì)運(yùn)移規(guī)律研究

2.2.1 不同壓實(shí)度時污染質(zhì)穿透曲線變化規(guī)律

粘土層中不同壓實(shí)度滲濾液CODCr的穿透曲線變化如圖4（a）所示，不同土層壓實(shí)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(shí)驗(yàn)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(bǔ)充，土柱內(nèi)微生物降解能力增強(qiáng)。入滲時間為60 d的時候，土層壓實(shí)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(shí)密度越大，CODCr越難遷移。

粘土層中不同壓實(shí)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(shí)度中NH3—N的穿透規(guī)律大致相同。在實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)度越大，NH3—N在土層中遷移越困難。這主要是因?yàn)榻橘|(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(qiáng)。

2.2.2 不同壓實(shí)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(shí)驗(yàn)過程中不同壓實(shí)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(shí)驗(yàn)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?yàn)閴簩?shí)粘土滲透系數(shù)越高，滲濾液向下運(yùn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)度增大時，其CODCr滲出率隨之降低。且在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)，各土柱CODCr滲出率提高。

3）土層壓實(shí)度增大時，NH3—N整體滲出率隨之降低。且在實(shí)驗(yàn)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。