紀(jì)肇?zé)?，侯子良，杜曉輝，賈普琦，李忠國

（蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

在我國西北地區(qū)，一些生活垃圾衛(wèi)生填埋場使用當(dāng)?shù)攸S土作為中間覆蓋層[1]及終場覆蓋層[2]。由于干旱和半干旱氣候區(qū)具有蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨量和弱降水的特點(diǎn)，降雨的深層滲透在單一黃土覆蓋層即可被有效阻滯，中間覆蓋層對重金屬離子也具有短期的阻滯作用[3]，其中黏土對重金屬離子的吸附作用較壤土為佳[4]。

黃土覆蓋層分為兩類，一類是單層細(xì)粒土層的單一型覆蓋層，另一類是細(xì)粒土層位于粗粒土層下的毛細(xì)阻滯型覆蓋層[5]?；谒謨Υ?釋放原理的黃土覆蓋層可實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外生活垃圾衛(wèi)生填埋場建設(shè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中復(fù)合覆蓋層的部分功能[6-7]。與傳統(tǒng)黏土覆蓋層及復(fù)合覆蓋層相比，黃土覆蓋層具有阻滯降水入滲[8]、造價低廉[9]、適宜植物栽培[10]等諸多優(yōu)勢。

城市生活垃圾（Municipal Solid Waste，MSW）組分的可壓縮性大于黃土，因此不可忽視黃土對生活垃圾的壓縮蠕變和生活垃圾中有機(jī)質(zhì)降解引起的MSW 堆體沉降[11]，及其引起滲濾液下滲及污染物運(yùn)移等問題。一些研究者通過實(shí)驗(yàn)室模擬降解實(shí)驗(yàn)分別對物理壓縮蠕變[12]和有機(jī)質(zhì)降解沉降[13]情況下降解齡期和自然應(yīng)變的關(guān)系及重金屬的運(yùn)移[14]進(jìn)行了研究。張振營等[15]則以實(shí)際生活垃圾填埋場為對象進(jìn)行研究，歸納出MSW 降解沉降量與降解齡期的指數(shù)函數(shù)關(guān)系式。

以上學(xué)者在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中多采用我國東部地區(qū)黏土或建筑砂土作為混合覆蓋層，或直接配制MSW進(jìn)行降解沉降而未進(jìn)行填埋，對黃土覆蓋下壓縮蠕變及有機(jī)質(zhì)降解沉降而引起的黃土-MSW 混合作用和污染物運(yùn)移分布特征研究較少。本文將新鮮MSW試樣分別裝入模擬填埋試驗(yàn)裝置中，使用黃土進(jìn)行覆蓋厭氧降解，分析MSW 降解齡期180 d 內(nèi)的自然應(yīng)變特征，30 d 和180 d 下含水率，有機(jī)質(zhì)、可燃物、灰分、BDM（Biologically degradable matter）和典型重金屬的運(yùn)移規(guī)律。

1 采樣和分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

按照 《生活垃圾采樣和分析方法》（CJT313-2009），于2019 年5 月20 日使用四分法對蘭州新區(qū)垃圾填埋場當(dāng)日進(jìn)場新鮮垃圾進(jìn)行采樣，將不少于200 kg 垃圾進(jìn)行破碎，然后填入模擬實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)。覆蓋層黃土取自蘭州新區(qū)生活垃圾填埋場旁土梁。黃土樣品采回后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干，過2 mm篩去除黃土中碎石、垃圾等雜物，混合均勻后備用。

對用作生活垃圾填埋覆蓋層的天然黃土基本理化性質(zhì)進(jìn)行分析，供試黃土粒徑分布按照《化學(xué)品 土壤粒度分析試驗(yàn)方法》（GB/T 27845-2011）進(jìn)行分析，黃土含水率按照《土工試驗(yàn)規(guī)程-烘干法》（SL237-1999）進(jìn)行分析，黃土容重按照《土工試驗(yàn)規(guī)程-密度實(shí)驗(yàn)》（SL237-004-1999）進(jìn)行分析，黃土比表面積采用物理吸附儀（Micromeritics TriStar Ⅱ3020，美國）進(jìn)行測試分析。

取降解齡期0 d 的垃圾樣品作為對照組。當(dāng)填埋柱中MSW 試樣達(dá)到一定降解齡期（0 d、30 d、90 d、150 d、180 d）時，分別記錄對應(yīng)MSW 沉降高度，計(jì)算MSW 的自然應(yīng)變，評價覆蓋層黃土與MSW 的混合水平。當(dāng)MSW 試樣達(dá)到指定降解齡期（30 d）時，按埋深20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 對填埋柱A 的MSW 取三組樣品。當(dāng)試樣達(dá)到指定降解齡期（180 d）時，按埋深0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 對填埋柱B 內(nèi)的MSW 樣品取四組樣品。取樣完成后，將以上8 個MSW 樣品均立即封裝標(biāo)記并及時檢測。

1.2 MSW 生物可降解度（BDM）分析

利用重鉻酸鉀在強(qiáng)酸性條件下氧化MSW 樣品中的有機(jī)質(zhì)，以硫酸亞鐵銨回滴過量重鉻酸鉀，根據(jù)式（1）計(jì)算MSW 樣品的生物可降解度（BDM）。

式中，V0為空白試驗(yàn)中消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（mL）；V1為MSW 樣品測定消耗硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）；c 為硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol/L）；w 為MSW 樣品質(zhì)量（g）。

1.3 MSW 有機(jī)質(zhì)、可燃物、灰分含量和含水率測定

根據(jù)《生活垃圾化學(xué)特性通用檢測方法》（CJ/T 96-2013）規(guī)定，采用電熱鼓風(fēng)干燥箱（紹興市滬越儀器設(shè)備廠，101-DQSB 型）對MSW 樣品進(jìn)行烘干，測定MSW 樣品的含水率；采用一體式箱式電阻爐（上虞市道墟科析儀器廠，XMT-8000 型）對烘干后的MSW 樣品進(jìn)行有機(jī)質(zhì)、可燃物和灰分含量的分析。

將裝有MSW 樣品的恒重瓷坩堝放入一體式電阻爐中，升溫至600℃進(jìn)行保溫6～8 h，取出坩堝移入干燥器中進(jìn)行自然冷卻，然后稱重測定MSW 樣品的有機(jī)質(zhì)含量。將裝有MSW 樣品的恒重坩堝放入一體式箱式電阻爐中，將爐溫升至815℃，隨后隨爐冷卻至室溫，稱重測定MSW 樣品的可燃物和灰分含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 垃圾與黃土基本理化性質(zhì)

填埋垃圾主要成分為廚余、紙類、橡塑類，其余包括玻璃類、金屬類、磚瓦陶瓷類等，廚余占比62.44%，紙和橡塑類分別占14.52%和11.00%，其余依次為玻璃（4.28%）、紡織（3.46%）、金屬（1.99%）、木竹（1.65%）和其他（0.66%）。

垃圾填埋覆蓋層所用黃土為典型馬蘭黃土，屬灰鈣土，其理化性質(zhì)結(jié)果見表1。

表1 黃土基本理化性質(zhì)

2.2 MSW 自然應(yīng)變與降解齡期的關(guān)系

MSW 的自然應(yīng)變由沉降量和試樣初始高度計(jì)算得出，不同降解齡期垃圾的沉降量和自然應(yīng)變數(shù)據(jù)見表2，自然應(yīng)變和降解齡期的關(guān)系如圖1 所示。

考查要點(diǎn)：(1)鋁是活潑金屬,但鋁抗腐蝕性相當(dāng)強(qiáng),因?yàn)殇X表面生成一層致密的氧化物薄膜,鋁制品表面的致密氧化膜起著保護(hù)內(nèi)部金屬的作用,所以鋁制品在空氣中能穩(wěn)定存在,也具有很強(qiáng)的抗腐蝕性。(2)致密氧化膜還可推廣到鐵與冷的濃硫酸、濃硝酸相遇的鈍化。(3)致密氧化膜熔點(diǎn)很高,打磨的鋁箔加熱至熔化時,鋁不會滴落。(4)鋁制容器不宜蒸煮或長時間盛放酸性、堿性或咸的食物。

表2 不同降解齡期MSW 的沉降量和自然應(yīng)變

圖1 MSW 自然應(yīng)變與降解齡期的關(guān)系

圖1 顯示，降解初期，MSW 在自重和好氧分解雙重作用下產(chǎn)生自然降解，此時自然應(yīng)變幅度較大。在隨后的厭氧消化階段，MSW 自重作用影響逐漸減小，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)不利于厭氧菌繁殖，有機(jī)質(zhì)分解受限，自然應(yīng)變增長幅度變小。自然應(yīng)變隨可降解有機(jī)質(zhì)的分解而逐漸趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室模擬條件下垃圾的自然應(yīng)變可用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合系數(shù)為0.98，見式（2）：

線性擬合方程如（3）式，擬合系數(shù)為0.93。

在將實(shí)際生活垃圾填埋場作為研究對象時，一定時間內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量可近似視為線性減少，但在小型垃圾填埋降解裝置研究中，有機(jī)質(zhì)總量呈現(xiàn)快速減少-緩慢減少現(xiàn)象，受有機(jī)質(zhì)總量影響較大，因此線性擬合效果不佳。

王櫻峰等[11]將配制MSW 試樣進(jìn)行密封降解實(shí)驗(yàn)，建立了降解齡期與MSW 密度、應(yīng)變和有機(jī)質(zhì)含量的關(guān)系方程（下稱模型一），降解齡期與自然應(yīng)變的關(guān)系表達(dá)式為：

式中，ε 為自然應(yīng)變（%），T 為降解齡期（d）。

張振營等[15]以杭州天子嶺垃圾填埋場為例進(jìn)行工程實(shí)例分析，建立了MSW 沉降量與降解齡期的關(guān)系表達(dá)式（下稱模型二）：

式中，St 為沉降量，k 為降解度系數(shù)，S∞為時間趨于無窮大時的總有機(jī)物沉降量，t 為降解時間（年，a）。

朱青山等[13]使用實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)裝置，選取0～190 d 區(qū)間，檢測垃圾沉降速率，認(rèn)為當(dāng)降解齡期t大于某值時，S 與t 成線性關(guān)系（下稱模型三）：

根據(jù)上述三種模型可對中后期（180～720 d）MSW 有機(jī)質(zhì)沉降情形做出趨勢評價，如圖2 所示。模型二研究對象為杭州天子嶺垃圾填埋場，時間跨度大（0～50 a），降解前期自然應(yīng)變與降解齡期可近似滿足線性關(guān)系；模型一、三和本研究數(shù)據(jù)均采用室內(nèi)填埋模擬裝置，有機(jī)質(zhì)總量較少，故MSW 在填埋初期降解快。模型一采用自行配制MSW 進(jìn)行填埋研究，與本研究實(shí)驗(yàn)條件接近，趨勢較為一致；本研究在30d 內(nèi)垃圾可能出現(xiàn)大量降解情況，180d 時即可能達(dá)到穩(wěn)定化。初期物理壓縮蠕變會導(dǎo)致一定程度的自然應(yīng)變，但中期MSW 有機(jī)質(zhì)的降解則起主導(dǎo)作用。

圖2 不同模型下MSW 自然降解趨勢

2.3 MSW 有機(jī)質(zhì)降解分層分布特征

填埋體的沉降既包括微生物對有機(jī)質(zhì)的好氧分解和厭氧消化等生物作用，也包括彎曲、變形、擠壓和細(xì)顆粒向粗顆粒孔隙的侵入等物理機(jī)制[16]。圖3 所示為黃土覆蓋條件下不同埋深的MSW 初期（30d）物性指標(biāo)含量百分比。由圖可以看出，中間層有機(jī)質(zhì)和可燃物含量占比最高，反映出有機(jī)質(zhì)分解相對緩慢，處于好氧發(fā)酵階段和厭氧消化初期階段；表層垃圾含水率高于中間層和底層垃圾，這是由于當(dāng)填埋體經(jīng)自然沉降壓實(shí)時，由于體積的逐漸壓縮，堆體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，部分水分從MSW 中被擠出，且隨埋深增加堆體壓力增大；BDM 指標(biāo)在各埋深垃圾中分布較為平均。

圖3 降解30d 不同埋深MSW 污染物物性分布特征

初期沉降完成后，系統(tǒng)進(jìn)入中期沉降階段。中期沉降是包括壓縮蠕變沉降和有機(jī)質(zhì)降解沉降在內(nèi)的階段[17]，這一階段表層黃土逐漸與MSW 混合，黃土中的微生物逐漸降解MSW 中的有機(jī)質(zhì)，各層有機(jī)質(zhì)、含水率逐漸表現(xiàn)出分層分布的特征。

圖4 所示為黃土覆蓋條件下180 d 不同埋深MSW 物性指標(biāo)所占百分比，由圖可知，填埋中期黃土-垃圾混合層（0～20 cm）受到黃土中微生物分解作用及黃土吸附作用的影響，有機(jī)質(zhì)降解較為充分；垃圾表層（20～40 cm）和中間層（40～60 cm）垃圾有機(jī)質(zhì)分解相對較慢，含水率較低。滲濾液浸潤層（60～80 cm）MSW 長時間受滲濾液浸潤，含水率較高，有機(jī)質(zhì)分解較快，BDM 含量較高。中期各層垃圾隨埋深表現(xiàn)出一定的降解分布規(guī)律，黃土-垃圾混合層（0～20 cm）和滲濾液浸潤層（60～80 cm）MSW 降解速率較快。

圖4 降解180d 不同埋深MSW 污染物物性分布特征

2.4 填埋體典型重金屬分層分布特征

圖5 所示為30 d 和180 d 典型重金屬分層分布特征。以降解0 d 的MSW 對照組作為基準(zhǔn)值，汞、鉛、鎘在各層分布的相對含量。黃土覆蓋條件下，汞、鉛分別在20～40 cm 和40～60 cm 處達(dá)到相對最大值。鎘在30 d 時各層相對較均勻，180 d 時在40～60 cm 處達(dá)到最大值。

圖5 不同埋深典型重金屬分層分布特征

MSW 中重金屬在各埋深的分層分布表現(xiàn)出顯著的差異。滲濾液中的溶解性有機(jī)物（Dissolved organic matter，DOM）對Cd 在土壤中的吸附促進(jìn)作用較為明顯，對Pb 的吸附促進(jìn)作用則比較微弱[18]，且填埋年限較長的滲濾液較填埋年限較短的滲濾液對土壤吸附Pb、Cd 的影響強(qiáng)烈[19]。30 d 時，試驗(yàn)裝置中開始有少量滲濾液產(chǎn)生，黃土覆蓋層初步吸附表層垃圾中的Hg、Pb、Cd 等重金屬，180 d 時，滲濾液大量產(chǎn)生，垃圾表面出現(xiàn)白斑和霉變，表層黃土與垃圾初步混合，滲濾液促使部分MSW 中的重金屬運(yùn)移至黃土層中。相關(guān)研究表明，黃土在pH=6時對Pb（Ⅱ）已基本完全吸附，而Cd（Ⅱ）在強(qiáng)堿性條件下方能基本去除[20]，故在厭氧降解酸化階段，Pb（Ⅱ）在競爭吸附[21]中處于優(yōu)勢；底層MSW 長時間受滲濾液浸潤，部分重金屬運(yùn)移至滲濾液中，故在生活垃圾中檢出含量較低。

3 結(jié)論

采用兩組試驗(yàn)裝置對MSW 進(jìn)行降解，對一定解齡期的垃圾試樣進(jìn)行了降解沉降和分層分析相關(guān)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）MSW 的自然應(yīng)變隨降解齡期的增加而增加，有機(jī)質(zhì)總量較少的條件下自然應(yīng)變與降解齡期的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)模型進(jìn)行擬合，擬合系數(shù)為0.98，根據(jù)模型可以預(yù)測不同階段降解齡期MSW 的自然應(yīng)變和沉降情況。

2）降解30 d 和180 d 后MSW 在不同埋深有機(jī)質(zhì)和可燃物等因素占比均呈現(xiàn)中間埋深較高、表層和底層較低的特征，180 d 時表層黃土微生物降解和底層滲濾液浸潤對有機(jī)質(zhì)的加速分解起促進(jìn)作用。30 d 時不同埋深MSW 含水率主要受填埋體自然沉降和應(yīng)力變化影響，180 d 時不同埋深MSW 含水率主要受MSW 產(chǎn)液特性影響。

3）Hg 和Pb 在黃土覆蓋層中的競爭吸附中處于優(yōu)勢，滲濾液能夠促進(jìn)黃土對重金屬的吸附作用；重金屬在各分層中的剩余相對含量依次為：中間層＞底層＞表層。