顧瑩瑩, 張秀霞, 李鴻江, 趙東風(fēng)

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580; 2. 青島水務(wù)集團(tuán)有限公司, 山東 青島 266002)

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垃圾填埋場(chǎng)防滲層滲漏檢測(cè)及污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)

顧瑩瑩1, 張秀霞1, 李鴻江2, 趙東風(fēng)1

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 化學(xué)工程學(xué)院, 山東 青島 266580; 2. 青島水務(wù)集團(tuán)有限公司, 山東 青島 266002)

針對(duì)垃圾填埋場(chǎng)防滲監(jiān)測(cè)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題,提出一種新的防滲層檢漏技術(shù),設(shè)計(jì)了有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種防滲層監(jiān)測(cè)技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地反映填埋場(chǎng)的漏點(diǎn)位置及滲濾液的擴(kuò)散范圍。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐,能使學(xué)生將所學(xué)的固體廢物專業(yè)基礎(chǔ)理論、電學(xué)監(jiān)測(cè)理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合,提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科研素質(zhì)具有重要意義。

教學(xué)實(shí)驗(yàn); 填埋場(chǎng); 防滲層; 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

垃圾填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)是在填埋場(chǎng)場(chǎng)底及四周基礎(chǔ)表面鋪設(shè)防滲襯層,將垃圾滲濾液封閉于填埋場(chǎng)中進(jìn)行有控制地導(dǎo)出,具有防止?jié)B濾液向四周滲透污染地下水和土壤的功能。由于垃圾中成分復(fù)雜[1],滲濾液的性質(zhì)復(fù)雜、毒性強(qiáng)且難降解[2],防滲襯層一旦破損,高濃度且毒性很強(qiáng)的垃圾滲濾液滲出就會(huì)對(duì)地下環(huán)境造成嚴(yán)重污染[3]。垃圾填埋場(chǎng)滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有監(jiān)測(cè)井法、水槍技術(shù)[4]、雙電極法[5-9]、示蹤劑法[10]、擴(kuò)散管法及電極格柵法,但大部分檢測(cè)技術(shù)無(wú)法即時(shí)對(duì)滲濾液污染進(jìn)行動(dòng)態(tài)反映,使得滲漏點(diǎn)的找尋和污染監(jiān)控非常困難[11]。

為了培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力[12],讓環(huán)境工程專業(yè)的學(xué)生了解垃圾填埋場(chǎng)常用的防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、理解電學(xué)監(jiān)測(cè)滲漏的基本原理和滲濾液滲漏監(jiān)測(cè)方法,本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地提出一種新的防滲層檢漏技術(shù),設(shè)計(jì)出有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn),可讓學(xué)生鞏固所學(xué)的固體廢物專業(yè)基礎(chǔ)理論,并將學(xué)術(shù)研究的前沿問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)和探討,培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神。

1 滲漏檢測(cè)原理

土壤是由骨架顆粒、孔隙水和空氣組成的三相介質(zhì),顆粒電阻率、持水度、孔隙水中的離子含量決定了土壤電阻率的大小,電阻率可以描述土壤的導(dǎo)電性能[13]。異常區(qū)電阻率的探測(cè)是通過(guò)在地面人為建立電場(chǎng)并觀測(cè)電場(chǎng)分布實(shí)現(xiàn)。地下介質(zhì)的電性不均勻促使人工建立的穩(wěn)定電場(chǎng)的空間分布特征發(fā)生改變:低阻體吸引電流線,致使大部分電流從它的內(nèi)部流過(guò)(見(jiàn)圖1(a)),在地面會(huì)觀測(cè)到低電位;高阻體排斥電流線,致使電流幾乎不能通過(guò)其內(nèi)部而在其旁邊流過(guò)(見(jiàn)圖1(b)),在地面會(huì)觀測(cè)到高電位。

圖1 非均勻介質(zhì)中電流分布示意圖

垃圾填埋場(chǎng)常用的防滲系統(tǒng)為單復(fù)合襯層防滲系統(tǒng)(見(jiàn)圖2),一般上層是人工合成防滲膜,下層是壓實(shí)黏土。防滲系統(tǒng)下面是依次為滲透性較高的包氣帶和飽水帶,它們之間構(gòu)成一種動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。

圖2 垃圾填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)

如果有滲漏發(fā)生(見(jiàn)圖3),滲濾液會(huì)穿過(guò)黏土層侵入包氣帶中,土體電阻率隨含水率增大而減小;滲濾液繼續(xù)向下遷移至飽水帶時(shí),滲濾液含有的導(dǎo)電性離子使土層中孔隙水電阻率降低,進(jìn)而使土層的電阻率減小[14]。滲濾液浸入?yún)^(qū)實(shí)際成為一個(gè)電阻率異常的低阻體,通過(guò)探測(cè)這個(gè)低阻體就可以探測(cè)滲濾液擴(kuò)散的影響范圍。分析影響區(qū)的分布特征可確定滲漏點(diǎn)的位置;通過(guò)不同時(shí)期的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),可估算滲濾液擴(kuò)散范圍及速率。

圖3 垃圾填埋場(chǎng)滲漏后滲濾液羽狀體形態(tài)

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4。玻璃鋼槽尺寸1.5 m×1.5 m×2.0 m,裝填土壤模擬垃圾填埋場(chǎng)襯層:最底層為40 cm的飽和砂土層——飽水帶,中層為30 cm的不飽和砂土層——包氣帶,上層為2 cm的黏土層。玻璃鋼槽上方安裝一個(gè)體積為100 L的水箱,用閥門(mén)控制流速以模擬垃圾滲濾液的滲漏過(guò)程。上層黏土層內(nèi)埋設(shè)的電傳感器為不銹鋼電極,系呈網(wǎng)狀布設(shè),電極間距5 cm。電極之間通過(guò)電纜相連,外接控制主機(jī)(某研究機(jī)構(gòu)的三維電學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。以其中一個(gè)電極(電感器)為基準(zhǔn)點(diǎn),將電極依次布設(shè),其相對(duì)位置如圖5所示。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)裝置

圖5 三維電極系布設(shè)

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

模擬實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下:

(1) 啟動(dòng)控制主機(jī),按照電極布設(shè)情況建立三維電極觀測(cè)系統(tǒng),依次對(duì)電極系分布區(qū)域的自然電位分布和一定深度土層的電阻率進(jìn)行本底測(cè)量;

(2) 在黏土層下人為布設(shè)滲漏點(diǎn),通過(guò)水箱中滲濾液的直接注入模擬滲漏過(guò)程;

(3) 隨著滲濾液持續(xù)侵入土體,分別在第0、2、4、6天重復(fù)(1)的觀測(cè)過(guò)程,直到滲濾液停止侵入且測(cè)試數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定;

(4) 將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出,利用Surfer軟件繪制不同時(shí)期監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)自然電位等值線,及不同時(shí)期不同深度土層橫向電阻率剖面,圈定電異常區(qū)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和討論

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前,要求學(xué)生回顧滲濾液侵入對(duì)土壤電阻率改變的原理、電阻率異常特征對(duì)滲濾液滲漏位置的反映,及電阻率異常區(qū)范圍與滲濾液污染范圍的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,要求學(xué)生學(xué)會(huì)采集數(shù)據(jù),同時(shí)注意觀察實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中發(fā)生的直觀現(xiàn)象并進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,要求學(xué)生學(xué)會(huì)處理實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù),理解電阻率測(cè)定的理論依據(jù),分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并作出直觀的電阻率剖面圖。

垃圾滲濾液性質(zhì)分析見(jiàn)表1。因滲濾液的電導(dǎo)率對(duì)其侵入土壤后電阻率的影響較大,因此單獨(dú)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)得垃圾滲濾液電導(dǎo)率為19.71 mS/cm,屬于導(dǎo)電性較強(qiáng)的液體。

表1 垃圾滲濾液性質(zhì)分析

實(shí)驗(yàn)取得了第0天(背景值)、第2天(7月12日監(jiān)測(cè)值)、第4天(7月14日監(jiān)測(cè)值)、第6天(7月16日監(jiān)測(cè)值)的黏土層下表面以下0.06、0.12 、0.18、0.24、0.30、0.36、0.42、0.48 m的電阻率剖面圖,見(jiàn)圖6和圖7,從中比較土壤被垃圾滲濾液污染前后的土壤電阻率動(dòng)態(tài)變化。

圖7 飽水帶不同深度處的電阻率剖面圖

從圖6和圖7中可以看出,垃圾滲濾液侵入地下土層中,通過(guò)改變土壤的含水率和土壤水中的離子含量,同時(shí)降低了包氣帶和飽水帶中土壤的電阻率。圖中顏色較深的區(qū)域是滲濾液擴(kuò)散范圍的反映。這說(shuō)明滲濾液的侵入,會(huì)對(duì)地下土層的包氣帶和飽水帶形成大致類似的電阻率降低趨勢(shì)。電剖面圖上低阻區(qū)域的出現(xiàn),深色區(qū)域最終形成近圓形,且由近圓形區(qū)域的中心向四周顏色深淺程度逐漸減小,即中心電阻率值最低,四周電阻率值逐漸升高。

對(duì)比第0、2、4、6天的測(cè)定結(jié)果可以看到，滲濾液污染區(qū)大致從中心向四周擴(kuò)散,并且隨著滲濾液的滲漏,滲漏區(qū)域內(nèi)土壤的電阻率呈減小趨勢(shì),低阻范圍不斷擴(kuò)大。與不同深度處的電阻率剖面圖結(jié)合,基本可以判定中間淺色低阻區(qū)域?yàn)闈B濾液的侵入點(diǎn),這與實(shí)際滲漏點(diǎn)位置大致相符。

4 結(jié)束語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)結(jié)合當(dāng)前研究熱點(diǎn)——垃圾填埋場(chǎng)在線電學(xué)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),創(chuàng)新性地提出一種新的防滲層檢漏技術(shù),開(kāi)闊了學(xué)生的視野且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)垃圾填埋場(chǎng)防滲層滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和教學(xué),能將學(xué)生所學(xué)的固體廢物專業(yè)基礎(chǔ)理論、電學(xué)監(jiān)測(cè)理論與實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合,提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中,學(xué)生表現(xiàn)出很大的主動(dòng)性,達(dá)到了很好的教學(xué)效果。通過(guò)該實(shí)驗(yàn),既提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,又為學(xué)生從課本中學(xué)到的理論知識(shí)提供很好的感性認(rèn)識(shí)。另外,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)生創(chuàng)新提供良好基礎(chǔ),本科生和研究生可進(jìn)一步利用該平臺(tái)進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn),這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和科研素質(zhì)具有重要意義。

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Teaching experiment of leakage detection of landfill impervious liners and pollution dynamic monitoring

Gu Yingying1, Zhang Xiuxia1, Li Hongjiang2, Zhao Dongfeng1

(1. College of Chemical Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580, China; 2. Qingdao Water Group Co.Ltd.,Qingdao 266002, China)

Aiming at the current problem of landfill leakage monitoring,a new monitoring technology for landfill impervious liners is put forward and an effective dynamic motoring experiment is designed.The experimental results show that this technology can accurately detect the leakage position and the diffusion area of leachate.Through this teaching experiment,students could combine the fundamental theories of solid wastes and electrical monitoring with experimental learning.This experiment is capable of improving the operational ability of students and has significant meanings for training the engineering practice ability and scientific quality of students.

teaching experiment; landfill impervious liner; leakage detection; dynamic monitoring

2014- 06- 29

中國(guó)石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目“基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源平臺(tái)建設(shè)的研究與實(shí)踐”(SY-B201205)

顧瑩瑩(1982—)，女，山東濱州，博士，講師，研究方向?yàn)榄h(huán)境與安全工程.

E-mail：yingyinggu@upc.edu.cn

G642.423;X833

B

1002-4956(2015)2- 0061- 04