徐　亞,董　路,能昌信,劉景財,劉玉強*(1.北京師范大學水科學研究院,地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875；.中國環(huán)境科學研究院,環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 10001)

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危廢填埋場導排層淤堵的時空分布特征

徐亞1,2,董路2,能昌信2,劉景財2,劉玉強2*(1.北京師范大學水科學研究院,地下水污染控制與修復教育部工程研究中心,北京 100875；2.中國環(huán)境科學研究院,環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012)

摘要：導排層淤堵導致的滲濾液水位過高是引發(fā)危險廢物填埋場環(huán)境安全事故的主要原因之一,研究危險廢物填埋場導排層淤堵規(guī)律,揭示其時空變化特征和主要影響因素具有重要的意義.本研究采用重慶某危險廢物填埋場滲濾液原樣作為導排流體,以卵石為導排顆粒,選擇垂向Column裝置模擬實際危險廢物填埋場的淤堵特征和規(guī)律.對無反濾層裝置的淤堵實驗研究表明:時間上,導排層淤堵呈現出明顯的階段特征,初期(0～2 個月)孔隙度較為穩(wěn)定,中期(3～4月)孔隙度緩慢下降,后期(5～6月)孔隙度急劇下降;空間上,越靠近入水口(0～10cm),淤堵越嚴重;時間越長不同高度處淤堵差異越明顯.對不同反濾層裝置淤堵的比較研究表明:反濾層的存在有利于控制淤堵物的產生,且土工布反濾層的效果好于細顆粒反濾層;反濾層存在條件下,導排系統(tǒng)的整體導排能力下降(60cm水頭壓力下的導排流量僅為無反濾層條件下的1/2).因此在導排層上方安置反濾層時需謹慎考慮.

關鍵詞：滲濾液；導排流量；反濾層；排水孔隙度

* 責任作者, 副研究員, liuyq@craes.org.cn

近年來,我國危險廢物產生量呈現逐步上升的趨勢[1],而危險廢物填埋作為危險廢物集中處置及環(huán)境風險控制的有效手段被大量建設.危險廢物種類繁多,成分復雜,危害性極大,作為危險廢物集中處置的主要場所,危險廢物填埋場(HWL)一旦發(fā)生環(huán)境安全事故其環(huán)境后果將極其嚴重.滲濾液泄漏是HWL環(huán)境風險的主要來源[2-5],滲濾液收集和導排系統(tǒng)(LCDS)是HWL的重要功能單元,合理設計的LCDS能夠有效收集滲濾液,減小其環(huán)境風險[6-7].雖然國內相關標準[8]規(guī)定危險廢物的填埋操作需要在無雨條件進行,并通過臨時性遮雨設施控制滲濾液產生量,但國內HWL運營管理水平參差不起,多數危險廢物填埋場很難做到無雨填埋,滲濾液產生量巨大.如本課題組針對西南某HWL的調查就表明其年滲濾液產生量高達30000m3;東部某發(fā)達省份的HWL其飽和滲濾液水位也高達1m左右.

LCDS失效會導致填埋場內滲濾液水位升高,繼而引發(fā)一系列嚴重后果.首先,滲濾液水位升高會加劇滲濾液及滲濾液中重金屬污染物通過防滲膜的滲漏和擴散[9-12];其次,滲濾液水位過高,還將導致襯墊系統(tǒng)溫度升高,進而導致防滲膜的使用壽命及其防滲能力降低[13-14];最后,滲濾液水位升高還導致孔隙水壓力增大,廢物內部(以及導排層界面,導排層-襯墊層界面)抗剪強度降低,進而引發(fā)各種形式的堆體穩(wěn)定性問題(邊坡失穩(wěn)、局部沉降等)[15-16].

對導排層淤堵的研究自20世紀80年代開始,初期的研究主要通過現場挖掘實驗確定淤堵現象的存在,以及通過實驗分析淤堵物質的化學組成[17-18].20世紀90年代后期,學者開始關注導排層淤堵的影響因素,文獻[6-7,19-20]利用Column實驗分析了導排顆粒粒徑和級配、飽和/非飽和條件、滲濾液流速、濃度和溫度等因素對淤堵的影響,以及滲濾液穿過實驗裝置前后物理化學性征的變化.但是文獻研究表明由于國外危險廢物填埋場運行管理規(guī)范,滲濾液產生量少,淤堵程度較輕[21-22],因此國外填埋場導排層淤堵的研究主要以生活垃圾填埋場為主,較少針對危險廢物填埋場.而國內HWL的滲濾液產生雖然較大,但由于建設運行時間短,數量相對較少,其淤堵問題也未引起足夠重視.

然而危險廢物滲濾液和生活廢物滲濾液在物性方面存在著明顯的差異.首先,pH值方面,危險廢物填埋場入場廢物一般要經過焚燒、固化等預處理,而焚燒飛灰和固化基材(水泥或石灰)通常都具有較高的堿性.如課題組對杭州、重慶、上海等危險廢物填埋場滲濾液分析結果顯示其pH值均高達11～14[22].而由于厭氧發(fā)酵等作用,生活垃圾填埋場滲濾液則呈中性或弱酸性, pH值在2～8左右[23-27];其次,生活垃圾滲濾液的弱酸性環(huán)境導致金屬物質以離子態(tài)存在,而危險廢物滲濾液的偏堿性環(huán)境導致金屬元素以礦物沉淀或者膠質的形式存在,這可能導致兩者的滲濾液在陽離子濃度、懸浮顆粒含量等方面存在較大差異;最后,在有機質含量和形態(tài)方面,生活垃圾滲濾液和危險廢物滲濾液也存在著較大的差異.綜上,危險廢物滲濾液和生活垃圾滲濾液在pH值、陽離子濃度、懸浮顆粒濃度、懸浮顆粒大小和級配以及有機質含量方面都存在著明顯的差異這些因素均對淤堵的產生和發(fā)展有著重要影響.因此開展危險廢物填埋場導排層的淤堵研究,明確其淤堵特征和控制機理,對危廢填埋場導排層淤堵預防和環(huán)境風險控制具有重要意義.

1　實驗裝置與方法

1.1實驗裝置

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1　Sketch of experiment equipment Column

1.2實驗材料

1.2.1導排顆粒和反濾層材料導排顆粒為鵝卵石,通過篩分法對鵝卵石樣品進行粒度分析,得到其平均粒徑D50＝2.77cm,不均勻系數為2.65,樣品粒度分布如圖2所示.

圖2　卵石粒度分布Fig.2　Size distribution curve of gravel sample

為研究反濾層對淤堵的影響,分別設置了3組對照實驗,一組采用無反濾層設計;一組采用600g/m2的土工布作為反濾層材料;最后一組采用D50＝0.47cm厚5cm的細砂作為反濾層材料.

1.2.2導排流體實驗所用導排流體為重慶某危險廢物填埋場的滲濾液原樣,該填埋場的主要填埋物為固化后的污泥和飛灰,其滲濾液pH值、金屬離子及懸浮顆粒物濃度如下表所示.滲濾液從填埋場導排管流出進入暫存罐,隨后用離心泵直接泵入裝置的定水頭實驗裝置中.

表1　滲濾液中主要離子(懸浮顆粒)濃度(mg/kg)Table 1　The concentration of the main icons in the leachate (mg/kg)

1.2.3實驗方法和步驟采用室內Column滲流實驗模擬導排過程中導排介質的淤堵過程,實驗步驟如下:

(1)裝柱:將洗凈、風干后鵝卵石分層裝入實驗裝置中,控制每次裝入鵝卵石的質量,按等容重將其壓實.

4月16日，國家防總、水利部抗震救災工作組、青海省水利廳相關負責人等赴玉樹禪古水電站水庫大壩現場查勘、了解水庫大壩的震損情況，確定了震損處理方案。

(2)飽水、排氣:控制水流流速,使其柱體中水位緩慢上升,完全飽和后維持滲流狀態(tài)2小時,排除柱體及測壓管中的殘余氣體,待測壓管水位穩(wěn)定后,計算每分段的初始滲透系數、初始排水孔隙度及排水流量

(3)淤堵的時空變化測定:打開供水裝置的攪拌器,使水箱中懸濁液濃度保持均勻;在回灌液加入少量的苯酚溶液,消除微生物的影響;利用蠕動泵自上而下向砂柱供水,同時打開上端溢流口使得進水面水位穩(wěn)定不變,下部出水面水位用定水頭裝置控制(見圖2);每隔一段時間讀取各測壓管的水頭值,計算回灌過程中不同時刻砂柱各層的滲透系數K.待滲透系數K穩(wěn)定后,終止實驗. 1.2.4淤堵的數學表征采用排水孔隙度和給定水頭下的導排流量來定量表示導排層的淤堵.

排水孔隙度:多孔介質中所有孔隙空間體積之和與該介質體積的比值,稱為該介質的總孔隙度,以百分數表示.總孔隙度越大,說明該介質中孔隙空間越大.孔隙度越小,說明導排層淤堵越嚴重.當介質被水飽和以后,其孔隙體積近似等于水的體積,因此其孔隙度可以根據下式計算:

式中:θd為孔隙度,無量綱;Vd為任意兩出流孔之間的排水體積,L;VT為任意兩出流孔之間的小柱體積,L.

導排流量:淤堵越嚴重,給定水頭條件下的導排流量越小.因此,導排流量是導排層淤堵最直觀的體現.導排流量可以用單位時間內出流孔流出來的水的總體積表征.

2　結果與討論

2.1排水孔隙度的時空變化特征(無反濾層裝置)

2.1.1時間變化特征圖3孔隙度的時間變化趨勢(無反濾層裝置)為無反濾層淤堵實驗裝置中,不同高度處介質排水體積隨時間的變化.從圖3可以看出,從時間上看,孔隙度的變化經歷3個階段:初期(0～60d),孔隙度基本不隨時間變化.第1～4層的孔隙度分別從56.3%、55.7%、57.6%和52.3%,變化至55.9%、56.6%、56.8%和53.6%.除第1層和第3層略有減小,其2層和第4層甚至還略有增加(可能是由于實驗誤差造成),因此整體上可以視為穩(wěn)定期.

圖3　孔隙度的時間變化趨勢(無反濾層裝置)Fig.3　Porosity’s change with time (no filter layer)

中期(60～118d)為孔隙度緩慢下降階段.這一階段開始,孔隙度開始緩慢下降,且下降速度越來越快:第1～4層的孔隙度分別從55.9%、56.6%、56.8%和53.6%下降至47.9%、49.0%、48.5%和41.8%,下降幅度分別為14.3%、13.5%、14.6%和22.0%.

后期(118～168d)為孔隙度迅速下降階段.這一階段中,第1～4層的孔隙度分別從47.9%、49.0%、48.5%和41.8%下降至32.5%、28.2%、24.0%和16.2%.下降幅度分別為32.3%、42.5%、50.5%和61.2%.在更短的時間周期里,后期(50d)的下降幅度反而比中期(60d)的下降幅度高出2倍以上.

2.1.2空間變化特征圖4是不同時期(前、中、后期),不同高度處介質孔隙度的減小百分比示意.從圖4可以看出,不同時期孔隙度減小的規(guī)律不同.首先:整體上看,初期、中期和后期,孔隙度的減小速率不同,初期基本不發(fā)生變化,中期緩慢減小,后期急劇減小.這是因為在初期,初始孔隙度很大,介質內部的孔隙通道也較為“寬敞”,可以允許大部分的顆粒物通過.到實驗中期,肉眼可以明顯觀測到導排顆粒表面形成一層薄膜(圖5).這可能滲濾液中的金屬陽離子在物理吸附以及生物化學作用下形成的.薄膜的存在不僅減小了孔隙通道,同時也使得導排顆粒表明的粗糙度增加,導致水流速度變緩,使得顆粒物更易于吸附.另外,在這個過程中,滲濾液中存在的極少部分的大顆粒物質(大于孔隙通道內徑)也會堵塞在導排層中.上述各種情況綜合作用下,導排顆粒的開始發(fā)生輕微淤堵,孔隙度緩慢降低;到后期,輕微淤堵發(fā)生到一定程度以后,導排介質內部的空隙通道持續(xù)減小,使得原本可以通過的小粒徑顆粒物也難以通過,“潛在”淤堵物更多,使得淤堵作用更為顯著,導排層孔隙度減小趨勢也更為顯著.

圖4　不同高度處孔隙度的變化趨勢(無反濾層裝置)Fig.4　Porosity in different height and its variation in time (no filter layer)

另外,初期、中期和后期,不同高度處的孔隙度變化差異較為明顯.在初期,各個高度處介質孔隙度的變化均很小,且不同高度之間差別不大;而中期各個高度處介質孔隙度均有顯著減小,但是第4層(即入口處)減小最大(22%),其他3層之間減小幅度相近(14%左右);后期,各個高度處的孔隙度均大幅減小,且不同高度處之間減小幅度不同:越往底層減小幅度越大.分析其原因,是因為在初期,各高度處的孔隙度均比較大,空隙通道也大,不同高度處均不容易發(fā)生淤堵;在中期淤堵開始逐漸發(fā)生,大的顆粒物堵塞在入水口的位置,也即是第4層;第4層相當于一個過濾層,過濾掉了一些大顆粒物質,這樣就使得第1、2、3層發(fā)生淤堵的可能減小.因此這一階段,第4層的淤堵較為顯著,第1、2、3層則淤堵較輕,且較為接近;盡管第四層過濾掉了一些大顆粒物質,但是由于一些生物化學反應,也會有些新的絮狀物和沉淀物生成(見圖5),并在水流作用下進入到第3層,此時第3層也會發(fā)揮類似于“反濾層”的作用,過濾掉一些絮狀物和沉淀物質,使得第2、1層的淤堵可能減小.這樣就形成了后期淤堵程度第4層＞第3層＞第2層＞第1層的情形.

圖5　淤堵前后的卵石顆粒表面的變化Fig.5　Gravel surface’ change before and after the clogging

2.2不同裝置的孔隙度變化比較

圖6　孔隙度的時間變化趨勢(土工布反濾層裝置)Fig.6　Porosity’s change with time (geotextiles filter layer)

圖6和圖7分別為土工布反濾層實驗裝置和細砂反濾層實驗裝置中孔隙度隨時間變化.可以看出,與無反濾層實驗裝置相比,其孔隙度變化同樣可以劃分為3個階段:初期、中期和后期.初期基本無變化,中期開始逐漸減小,后期急劇減小.與圖3相比,土工布反濾層裝置中第4層(即入口處)孔隙度減小的趨勢更為明顯,而第1～3層則淤堵較輕.

圖7　孔隙度的時間變化趨勢(細砂反濾層裝置)Fig.7　Porosity’s change with time (filter layer of fine size gravel)

圖8為不同裝置中,實驗時段末,不同實驗裝置中總孔隙度的減小率比較.可以看出,由于土工布反濾層的存在,使得該裝置中總孔隙度減小幅度最小,而無反濾層裝置中總孔隙度減小幅度最大,細砂反濾層裝置居于兩者之間.

圖8　不同裝置,總孔隙度的比較Fig.8　Total porosity in different testing device

進一步分析不同裝置,不同高度處孔隙度變化的比較,結果見圖9.從圖9可以看出,不同裝置, 第4層處孔隙度減小的比例相差不大,均為70%左右.但是,第1、2、3層處,土工布反濾層裝置中孔隙度的減小的比例明顯小于無反濾層的.這說明,危險廢物填埋場滲濾液中的顆粒物存在粒徑大于土工布的孔隙,因此土工布能有效的過濾掉一部分顆粒物質,有效防止下方導排顆粒的淤堵.細砂反濾層也能起到類似的作用,但是對顆粒物質的“截獲”能力小于土工布,因此在實驗時段末,其1、2、3層的孔隙度大于無反濾層裝置的,但小于土工布反濾層裝置的.

圖9　不同裝置不同高度處孔隙度的比較Fig.9　Porosity of different device in different layer

2.3不同裝置的導排流量比較

分析表明,反濾層的存在可以有效截獲滲濾液中較大顆粒物,防治其堵塞下方的導排顆粒.反濾層的存在使得第4層的淤堵更為嚴重,但是使得1、2、3層的淤堵相對較輕.但整體而言,總孔隙度存在以下關系:土工布反濾層＞細砂反濾層＞無反濾層由于孔隙度大小與淤堵物質量的成反比,淤堵物質越多孔隙度越小,反之淤堵物質量越小孔隙度越大,因此上式說明反濾層的存在減少了淤堵物質的產生.然而盡管孔隙度與導排能力存在相關關系,但并一定意味著孔隙度大導排能力就一定大,為此比較了在相同水頭條件下(60cmm),不同裝置導排流量的變化,見圖9.從圖中可以看出,盡管無反濾層的裝置中導排顆?？偪紫抖刃∮谕凉げ挤礊V層裝置,但是在整個實驗周期內其導排流量均大于土工布反濾層裝置和細顆粒反濾層裝置.

圖10　不同裝置導排流量的比較Fig.10　Drainage flow in different testing device

3　建議

本案例研究條件下(填埋物主要為固化后的污泥或飛灰),反濾層雖能有效減少導排層中淤堵物的產生,但整體上不利于滲濾液的導排.因此建議在進行危險廢物填埋場導排系統(tǒng)設計時,對于以固化塊為主的填埋場不宜在導排層上方鋪設反濾層,對于其他填埋物(未經固化)為主的填埋場,應當進行試驗研究后確定是否鋪設反濾層.

國內危險廢物填埋場滲濾液產生量大,容易導致導排層淤堵;因此建議在《危險廢物填埋場污染控制標準》中提出填埋操作和濾液液產量的監(jiān)控措施,以控制滲濾液產生量,進行降低其淤堵.

4　結論

4.1采用危險廢物填埋場滲濾液原樣作為導排流體,以卵石顆粒為導排流體,選擇垂向Column裝置開展了實際危險廢物填埋場的淤堵特征和規(guī)律的實驗研究,得出了以下結論:對無反濾層裝置的淤堵實驗研究表明:1)時間上:導排層淤堵呈現出明顯的階段特征,初期孔隙度較為穩(wěn)定、中期孔隙度緩慢下降、后期孔隙度急劇下降;2)空間上:越靠近入水口,淤堵越嚴重;時間越長不同高度處淤堵差異越明顯.

4.2對不同反濾層裝置淤堵的比較研究表明:1)反濾層的存在有利于控制淤堵物的產生,且土工布反濾層的效果好于細顆粒反濾層;2)反濾層存在條件下,導排系統(tǒng)的整體導排能力(給定水頭下的導排流量降低)下降.

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Spatial and temporal characterization of drainage clogging in hazardous waste landfill.

XU Ya1,2, DONG Lu2, NAI Chang-xin2, LIU Jing-cai2, LIU Yu-qiang2*(1.College of Water Science, Beijing Normal University, Beijing 100085, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：849～855

Abstract：Build-up of leachate upon liner system due to failure of LCDS (leachate collectionand drainage system) often lead to various environmental accidents in hazardouswaste landfill. It is therefore significant to explore the mechanism and mainfactors of LCDS clogging in hazardous waste landfill. This study uses the original leachate from the hazardous waste landfill as drainage fluid, gravel as the drainage material, and selects vertical Column device to simulate the clogging role of drainage in actual hazardous waste landfill. The test study on non-clogging filtration layer of the device showed that: from the aspect of time, there are three distinct phases in terms of the development of drainage layer clogging, which are the beginning period of stable condition, and the metaphase of slowly clogging, and the final phase of sharp decline in porosity.From the aspect of space, the clogging were most serious at the inlet position, and it then decreased with the distance from inlet. In addition, the clogging extent is different among different height, and the difference become even more obvious as time. The experiment also indicates that the filter layer play a positive role to control the production of clogging, but a negative role to maintain its drainage capacity. With the presence of geotextile filter layer, the drainage flow are merely half of the flow without any filter layer. It is therefore suggested that filter layer should be installed above the drainage before careful consideration.

Key words：leachate；drainageflow；filter layer；drainageporosity

作者簡介：徐亞(1987-),男,湖南岳陽人,北京師范大學水科學學院博士研究生,主要從事固體廢物填埋技術及風險評價研究.

基金項目：國家科技支撐計劃(2014BAL02B00)

收稿日期：2015-06-17

中圖分類號：X71

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)03-0849-07