1　引　言

　　滲濾液在填埋體內的流動和水分分布是生物反應器填埋技術應用的關鍵[ 1 ] ,而垃圾的滲透性是影響填埋體內水流運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器填埋技術中回灌和收集設施的設計非常重要。垃圾的滲透系數可采用現場試驗確定,Oweis等[ 2 ]和Townsend等[ 3 ]分別采用抽水試驗和大尺寸試坑滲漏試驗,測試了實際填埋場中垃圾的滲透系數[ 2, 3 ] ,現場測得的滲透系數值相差幾個數量級( 1E26～1E23 cm / s) 。由于現場試驗成本高,測試結果差異較大,因此采用實驗室方法確定垃圾的滲透系數有重要的意義。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行實驗室測定, 由于采用的測試容器較小(直徑不超過10 cm) ,所得測試結果的代表性較差。Chen等[ 7 ]采用上流式常水頭滲透系數法,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行測試,其測試物質不能完全代表實際填埋場的垃圾。垃圾的滲透性與垃圾的性質和垃圾的壓實程度密切相關,與穩定化垃圾(陳垃圾)相比,新鮮垃圾含水率高,有機質含量大,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的實驗研究還未見報道。本研究的目的是確定這2種不同性質的垃圾在不同壓實密度下的滲透性。

　　2　實驗部分

　　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。測試柱側壁離底面5 cm高處設一內徑為2 cm的進水口,進水口向上每隔15 cm設一測壓孔,孔徑0. 5 cm。測壓孔連接高3. 5 m的水柱測壓管。測試柱側壁上設高度為
60 cm,寬4 cm的視窗。裝置示意圖見圖1。

　　圖1　滲透系數測試裝置示意圖Fig11　The apparatus for hydraulic conductivity measurement

　　3套測試裝置的進水口并聯,由同一個高位水箱供水,以同時控制3個測試柱內的水力梯度。

　　2. 2　實驗材料

　　新鮮垃圾取自上海市某居民區生活垃圾壓縮轉運站,取樣當天從20箱垃圾中隨機取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% ,均以質量比例計。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

　　根據設定的裝填垃圾壓實密度,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(每放入一層5～10 cm松散垃圾后即壓實) 。壓實采用人工方法,壓實工具為金屬桿(直徑2 cm鍍鋅水管)和圓盤錘(直徑12 cm) ,以模擬實際填埋場鋼輪壓實機的壓實作用。每次裝一定量垃圾壓實到一定厚度后,開始自下而上緩慢進水,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。當壓實垃圾表面有水溢出時,再填入下一層垃圾,重復壓實和浸潤過程。最終垃圾壓實厚度約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測試法,由高位水箱同時向3個測試柱供水。根據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行測試。垃圾的壓實密度分別為: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,待測壓管讀數穩定后開始記錄測試結果。測試過程中發現,新1和陳1在水力梯度為0. 5 (最小值)時,水流速度過大,不符合達西定律中水流為層流的要求,不適于采用達西定律計算滲透系數。由于實際填埋場內垃圾的壓實密度也不會如此之低,故不再進行這2個壓實密度下的滲透實驗。另外,新2和新3在水力梯度為0. 5時不出水,水力梯度達到113時,才開始有水流出,因此,新鮮垃圾的滲透系數測試過程中水力梯度的變化次序為: 1. 3、2. 0、015。

　　2. 5　計算方法

　　根據設定的水力梯度和測得的出水流量,利用

　　3　結果與討論

　　3. 1　測試數據穩定過程

　　滲透系數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;計算滲透系數甚低,之后迅速上升,達到峰值后逐漸下降,直至走平。陳垃圾柱的滲透系數測試初始階段沒有出現水流通量極小的情況,初始階段垃圾的滲透系數曲線迅速上升,達到峰值后緩慢下降,最后逐漸走平。

　　圖2　滲透系數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,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部出現較大孔隙,使水流通量迅速增大,這種過程在測試柱內自上而下進行,一定時間后,水流穿透測試柱,表現為滲透系數迅速增大,直至出現一個峰值。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遠大于新鮮垃圾,而未出現滲透系數極低的情況。比較初始階段不同壓實密度下垃圾滲透系數的峰值:新鮮垃圾壓實密度為0. 75 t/m3 時的滲透系數峰值( 4. 9E23 cm / s)大于壓實密度為0. 95 t/m3的測試柱(3. 4E23 cm / s) ;而對于陳垃圾,壓實密度為1. 2 t/m3 時峰值為3. 3E23 cm / s,而壓實密度為1. 4 t/m3 時僅為5. 0E24 cm / s。這說明,壓實密度越
大,初始階段水流的作用對測試柱內部垃圾的沖擊作用越小。滲透系數值隨后逐漸下降直至走平的原因,可能是垃圾柱內部小顆粒物料隨水流的運動。小顆粒物料在水流的作用下向上運動,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值逐漸減小,最終趨于穩定。為了驗證小顆粒的局部積累和重新排列對垃圾滲透性的影響,對垃圾中細小顆粒的滲透系數值進行了測試。實驗材料為經1 mm方孔篩篩得的垃圾顆粒,裝填入一直徑9 cm,高30 cm的有機玻璃柱內,測試滲透系數。垃圾壓實密度為1. 0 t/m3 ,測得細小顆粒層的滲透系數值約為1E25cm / s (見圖3) ,該值小于新鮮垃圾和陳垃圾的測試結果。這說明小顆粒的局部積累和重新排列是滲透系數測試值隨時間逐漸下降直至走平的重要原因。

　　圖3　小顆粒滲透系數的測試結果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

　　根據測試穩定后的出水流量和水力梯度,分別計算各工況下的滲透系數值,計算結果見表1。新鮮垃圾在壓實密度為0. 75～0. 95 t/m3 時,滲透系數值為1. 04E203～1. 61E203 cm / s,陳垃圾在壓實密度為1. 2 ～1. 4 t/m3 時,滲透系數在1. 11E204 ～1113E203 cm / s之間。

　　相同的壓實密度下,新鮮垃圾的滲透系數小于陳垃圾:壓實密度同為0. 95 t/m3 時,新鮮垃圾的滲透系數為1. 49E203 cm / s,而陳垃圾則水流通量過大,測得結果無法用于滲透系數的計算。垃圾的孔隙率、孔隙大小和聯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密度計算而得,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 ] 。在相同的壓實密度下,陳垃圾的孔隙率遠大于新鮮垃圾。由計算可得,壓實密度為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%,因而相同壓實密度下陳垃圾的滲透系數必然大于新鮮垃圾。計算得壓實密度為0. 95 t/m3 的新鮮垃圾和壓實密度為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種垃圾的滲透系數相近,都在1E23 cm / s左右。

　　3. 3　壓實密度對滲透系數的影響

　　壓實密度對2種垃圾的穩定后滲透系數值的影響不同。對于陳垃圾,壓實密度越大,滲透系數越小,壓實密度從1. 2 t/m3 增大到114 t/m3 時,滲透系數減小了84%。而對于新鮮垃圾,滲透系數隨壓實密度增大而減小的關系并不明顯,比較壓實密度分別為0. 75和0. 95 t/m3 的結果,壓實密度大的測試柱滲透系數反而較大,這與其他文獻的結果是相悖的[ 6 ] 。考察2個壓實密度下新鮮垃圾測試柱不同高度的滲透系數(圖4)發現:壓實密度為0195 t/m3 的測試柱,沿水流方向(自下而上)滲透系數逐漸減小,而壓實密度為0. 75 t/m3 的測試柱中段滲透系數明顯較大, 而上段滲透系數最小, 且與壓實密度為0195 t/m3的測試柱的上段結果相近。這表明壓實密度較小時,水流運動對測試柱內垃圾的沖擊顯然較大;壓實密度較小時,測試柱內易出現大孔隙溝道流,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最小。壓實密度較大時,測試柱內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,兩種壓實密度下垃圾中小顆粒物質相似,水流的夾帶遷移作用使小顆粒物質在測試柱頂部富集重排,從而使得測試柱頂部滲透系數值相近,因而不同壓實密度下測試柱的平均滲透系數值相近。

　　圖4　測試柱不同高度的滲透系數Fig. 4　Hydraulic conductivity at different altitudes

　　3. 4　測試條件對滲透系數測定值的影響

　　3. 4. 1　水力梯度

　　根據達西定律,水力梯度與垃圾的滲透系數無關。但實驗過程中水力梯度對滲透系數測試結果卻有較大影響。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,使垃圾中孔隙的結構發生較大的改變,從而影響測試結果。本實驗中,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增大了40% ～70%。考慮到實際填埋場中非飽和狀態下滲濾液重力自流時的水力梯度為1,因此,實驗室內測試滲透系數時,應將水力梯度控制在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測試方法參照的是土壤滲透系數測試方法[ 10 ] 。土壤和城市生活垃圾的性質差異,使得垃圾滲透系數的測試過程必然與土壤測試存在差異。在土壤滲透系數測試中,土壤的孔隙結構幾乎不發生改變,而由于測試柱內水流對垃圾顆粒物的夾帶遷移作用,垃圾內部孔隙結構的改變,會使實驗過程中滲透系數值隨時間變化。垃圾的滲透系數測試的所需的時間應比土壤測試更長。本實驗中,新鮮垃圾測試柱在150～170h后逐漸穩定,陳垃圾柱在150 h后滲透系數值逐漸穩定,因此,垃圾的滲透系數測試時間應大于150 h。實際填埋場中,在水流對小顆粒物質的夾帶遷移作用下,填埋層底部小顆粒物質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。本研究觀測的結果間接地反映了填埋場內垃圾滲透系數的變化過程,同時測得的結果可作為填埋場內滲濾液回灌和收集設施設計的依據。

　　4　結　論

　　(1) 新鮮垃圾壓實密度為0. 75～0. 95 t/m3 之間時,滲透系數值約為1. 26E203～1. 43E203 cm / s。陳垃圾在壓實密度分別為1. 2和1. 4 t/m3 時,滲透系數為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)垃圾的滲透系數受壓實密度和垃圾組分的影響。對于陳垃圾壓實密度越大,滲透系數越小。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,使壓實密度與滲透系數測試值的相關性不十分明顯,但壓實密度較低時,測試柱中易形成大孔隙溝流,使測試柱內局部滲透系數增大。

　　(3)測試過程中水流對小顆粒物質的夾帶遷移而導致的小顆粒物質的局部累積、重新排列的作用和測試柱內部溝流的形成,使測試柱上部邊界處的滲透系數最小。小顆粒物質隨水流的運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變化的原因。

　　(4)與典型的土壤滲透系數測試相比,測試城市生活垃圾的滲透系數時,水力梯度應控制在1左右,測試時間應大于150 h。

　　參考文獻

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