（环境科学专业论文）城市废弃垃圾场生态恢复技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文基于对城市废弃垃圾场环境污染的调查分析，利用生态学原理及植物修复机 理，对城市废弃垃圾场生态恢复技术进行研究。本文提出的城市废弃垃圾场生态恢复技 术不单是传统意义上的植被恢复，而是在植被恢复的基础上结合了相应的工程措施，提 出“植物修复+ 渗滤液处理后回灌的综合生态恢复技术。其技术的主要步骤包括：垃 圾场场址状况的调查，垃圾场的表土覆盖，植被的选择与试种以及渗滤液回灌等相应的 工程措施。植被的选择过程中，首先应采用当地生长快、适应性强、抗逆性强的品 种，并逐渐完成草灌乔的群落结构的建立：“植物修复+ 渗滤液处理后回灌”的生态 恢复新思路，既加速优化了垃圾场的生态恢复效果，又实现了对垃圾场污染物的控制； 本文还结合保定市某废弃垃圾场的现状，提出其生态恢复技术方案。本课题是在前人研 究的基础上，应用生态恢复理论，结合废弃垃圾场的实际状况，采取合理的工程措施， 建立良性互动的生态系统，达到控制城市废弃垃圾场污染、恢复生态平衡的目的。 关键词：废弃垃圾场，填埋气，渗滤液回灌，植物修复，生态恢复 a bs t r a c t t h i sp a p e r w h i c hi sb a s e do nt h ee n v i i d n m e n t a lp o l l u t i o na n a l v s i so fu r b a nn l b b i s hs i t e s ， h a ss t u d i e de c o l o 舀c a lr e s t o r a t i o nt e c h o l o g yf o ru r b a n1 1 j b b i s hs i t e su s i n gb ye c o l o 舀c a l p r i n c i p l ea n dp l a n t r e s t o r em e c h a i l i s m ，t h ee c o l o 舀c a l r e s t o r a t i o nt e c l l n o l o g yo fd i s c a r d 1 1 j b b i s hs i t e sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e ri sn o to n l yt h et f a d i t i o n a lv e g c t a t i o nr e c o v e r yb u t c o m b i n e dw i t hc o h e s p o n d i n ge n 舀n e e f i n gm e a s u r c s i ti sac o m p r e h e n s i v ee c o l o 百c a l r e c o v e f vt e c h n 0 1 0 9 vd b o u t “p h v t o r e m e d i a t i o na n dr e c i r c u l a t i o no ft r e a t e dl e a c h a t e ”t h em a i n p r o c e s so ft h i st e c h n o l o g ya i e ：t h ei i e s t i g a t i o no fl a n d f i i ls i t e sc o n d i t i o n ；t l l et o p s o i l0 f l a n d f i l ls i t e s ；t h ec h o i c co fv e g e t a t i o na i l dp l a n t i n ge x p e r i m e n t a l l y ；l e a c h a t er c c i 砌l l a t i o na s w e l la ss o m eo t h e rp r o i e c tm e a s u r c s i i lt h ec o u r s eo fc h o i c eo fv e g e t a t i o n ，i ti se s s e n t i a l t o f i n d 伊o w t hf a p i d ，a d a p t a b i l i t ys t m n g ，l e 锄f a s t n e s sl o c a lv e g e t a t i o n ，蛆de s t a b l i s h 伊a d u a l l y 灯a s s f h t e x - a r b o rc o m m u l l i t ys t m c t u r e ：t h e “p h y t o f e m e d i a t i o n + r e c i r c u l a t i o no ft r e a t e d l e a c h a t e t e c h n o l o g vi san e 、m e t h o dw h i c hc a no p t i m i z et h ee f ! f i c i e n c e0 fr e s t o r a t i o na sw e n a sc o n t r o l t h ec o n t a m i n a n t so fd i s c a r dm b b i s hs i t e i nt h i sp a p e r ，w ep u tf o 聊a r dar e s t o r a t i o n t e c h n i c a is c h e m ef b ro n er u b b i s hs i t ei nb a o d i n2 ，b a s e do ni t ss p e c i a lc i r c u m s t a n c e i nt h i s p a p e rw em a k e 盯e a te f 6 d r t st 0c o n t r o lt h ep o l l u t i o na n dt om a i n t a i l lt h ez 0 0 1 0 9 yb a l a n c eo f w a s t el a n d f i l ls i t e sb ya p p l y i n ge c o l o g yr e c 0 v e r yt h e o r ya n dr e a s o n a b l ee n g i i l e e r i n gm e a s u r e s a n df i n a u ve s t a b l i s ham u t u a l a c i t i o ne s v s t e m c h e n gx i a o d o n g ( e n v i i - 0 脚e n t a ls c i e n c e ) d i r e c t e db yp r o f 1 n nl i a n q i n g k e yw o r d s ：l a n d f i l ls i t e s ，l a n d f i n g a s ， l e a c h a t er e c i r c u l a t i o n ，p h y t o r 锄e d i a t i o n ， e c o l o 酉c a lr e s t o r a t i o n 声明尸只月 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文城市废弃垃圾场生态恢复技术研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期i 日j ，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力人学硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 随着中国城市化进程的加快，城市产生的垃圾量不断增加。中国2 0 0 6 年城镇 生活垃圾清运量为1 4 8 亿吨，2 3 的城市被垃圾坏带包围。据不完全统计，目前我 国城镇生活垃圾年产生量超过1 7 亿吨，占世界垃圾总产生量的2 6 5 ，是世界上 垃圾包袱最重的国家。而且由于我国城市规模扩大，人口增多以及人民生活水平的 提高，城市生活垃圾以年均增长率8 1 0 的速度迅猛增加【l 】，数量庞大的城市生 活垃圾已对城市的生态环境构成日益严重的威胁，尤其对于我国中小城市，由于早 期的垃圾场大部分没有完全按照卫生填埋的要求运行，使得现在许多期满的废弃垃 圾场对城市生态环境产生严重的威胁。 我国城市中废弃垃圾场暴露出严重的环境问题： ( 1 ) 废弃垃圾场占地面积大，造成大量土地资源的浪费； ( 2 ) 废弃垃圾场产生的渗滤液及填埋气己成为周边地区水环境和大气环境重 要污染源，严重威胁人类的健康； ( 3 ) 废弃垃圾场堆放的垃圾严重影响了周边生态景观。 城市废弃垃圾场如果没有人工干预，它会缓慢进行自发的次生生态演替过程， 但是人为因素有目的地介入能够加速并优化垃圾场的植被恢复进程，对废弃垃圾场 进行生态恢复可以实现如下目标： ( 1 ) 废弃垃圾场植被恢复可以提高蒸腾作用，有效防止直接降水的下渗和地 表径流，减少渗滤液的产生量； ( 2 ) 减少甲烷和恶臭气体的排放量，降低甲烷等温室气体对全球温室效应和 周边人居环境的影响，具良好的生态环境效益； ( 3 ) 有利于城市观生态重建和土地资源的恢复再利用。 我国在垃圾场的治理领域起步较晚，现在还没有从真正意义上实现城市废弃垃 圾场的生态恢复【2 珥】。因此，开展城市废弃垃圾场生态恢复技术研究已成为当前环境 污染治理领域的迫切要求。 1 2 国内外城市垃圾场污染治理与生态恢复技术研究动态 1 2 1 国外城市垃圾场污染治理与生态恢复技术研究动态 国外对城市废弃垃圾场的关注和研究比中国开始的要早一些，国外有关学者早 华北电力人学硕十学位论文 在上世纪7 0 年代就在垃圾渗滤液污染地下水方面做了很多研究，s u s a n 等研究了渗 滤液中重金属对周围环境及对其生物处理后的毒性影响；c a l v e r t 曾报导距垃圾处 理场的蓄水池5 1 2 m 远的一口井中，其水的硬度、钙镁浓度、总固体量和c 0 2 都有 增加【5 】，这些研究表明，如果垃圾场不按照卫生填埋的要求进行填埋，势必会对垃 圾场周围产生严重的环境污染，主要表现为对垃圾场周围大气环境和水环境的污 染。 国外针对城市废弃垃圾场的生念恢复技术也做过一些研究，不过早期的生态恢 复技术研究只是简单的植被筛选，g i l m a n 等通过对城市废弃生活垃圾场进行种植试 验表明【6 】，由于废弃垃圾场特殊的土壤特性，需要注意耐性树种的筛选，要选择抗 贫瘠、抗有害气体、根系发达、材质坚韧的常绿树种，栽植选择采用乔、灌搭配， 密林栽植等方式，选择相关品种，如广玉兰、香樟、大叶榕、合欢、大叶紫薇、垂 柳、榉树等。 美国曾经在垃圾场生态恢复过程中把垃圾场的一部分建成了育苗基地，专门提 供树种。美国圣地亚哥( s a nd i e g o ) 的m i r a m a r 垃圾填埋场在当地环境服务部门的帮 助下，使用高质量的堆肥和填埋场育苗基地培育的本地植物品种【7 】，在其1 5 0 英亩 的封场区域进行了大规模的植被恢复，改变了封场区域于裂贫瘠的不毛之地，将其 重建为和未作填埋场使用前类似的开放绿地。植被恢复的首要任务是创建肥沃的土 壤以利于植被生长，当地环境服务部门利用新鲜垃圾中的厨余物、园艺废物等可堆 肥物质通过高温好氧状态下的高效堆肥处理，既可以杀死野草种子和病原微生物， 又可以生产出高营养的堆肥产品。此措施可一举两得，一方面减少了需要填埋的垃 圾量，另一方面堆肥产品可以用于育苗基地和封场区域植被恢复中的土壤改良。当 地环境部门在填埋场地区建造了专门的育苗基地，培育的植物包括加州山艾树、鹿 草、漆树等。m i r a m a r 垃圾填埋场整个的占地有1 4 3 0 英亩，未封场部分将于2 0 1 1 年使用完毕。垃圾填埋场的生态恢复是其环境保护最后阶段的责任，最终将重建封 场后的垃圾填埋场地区整体的自然环境。 纽约市斯塔腾岛的清泉垃圾场是纽约最大的垃圾场，长期垃圾污染导致其自然 系统严重退化。在垃圾场生态恢复过程中，垃圾渗滤液和填埋气的污染治理一直就 倍受人们的关注。2 0 0 1 年，纽约市政府下令永久关闭垃圾场并对其进行景观恢复与 改造，将其改造成公共公园 8 1 ，其建造过程是对废弃地进行生态恢复、重建的过程， 但在恢复工程中有好多的难点，如垃圾堆分解产生的气体和渗滤液一旦渗漏将威胁 附近的环境及公众健康，垃圾分解过程产生的热量将造成局部地区的小气候。在清 泉垃圾场的改造中，针对如上问题制定了一系列措施，为防止渗滤液污染地下水以 及填埋气体逸出，在每个垃圾堆上裹一层高分子聚合物的保护膜，在膜上覆盖厚约 7 6 0 c m 的泥土层，从而在垃圾与地面大气之问形成一个隔离层。通过一种经济实用 2 华北电力人学硕士学位论文 的农业方法一等高条植，来改善土壤状况、增加土壤厚度，创建更有利于植物生长 的环境，在未来的废弃垃圾场的生态恢复技术发展过程中，生态恢复正逐渐向多学 科领域拓展交融。 1 2 2 国内城市垃圾场污染治理与生态恢复技术研究动态 近些年来，我国也在城市废弃垃圾场的生态恢复技术理论方面积极探索，对于 城市废弃垃圾场中渗滤液的污染问题，国内不少专家学者做了很多基础性的工作， 张兰英等人鉴定出垃圾渗滤液中有9 3 种有机化合物( 包括病原微生物以及某些致 癌、促癌和辅促致癌物) 。1 9 9 7 年郑德凤【9 】等利用室内模拟试验结果对长春市生活垃 圾淋滤液的组分特征、变化规律及其对土壤、地下水的污染机理进行了分析和污染 组分趋势预测。这些研究结果表明：生活垃圾淋滤液化学成分呈现出高浓度、强污 染性、组成复杂的综合有机污染特征。湛江环保局的苏建德【l o l 等对垃圾填埋场渗滤 液中n h 3 n 的处理现状做分析并预测了发展方向。姜必亮等】研究不同质地土壤对 渗滤液的净化效果，结果发现粘土和壤土的净化效果最好。这些研究成果为后来的 垃圾场的生态恢复技术提供了重要的依据。 在城市废弃垃圾场生态恢复技术研究方面，中国环境科学研究院的高吉喜、沈 英娃等和青岛市环境保护科学研究所的郭婉如等以青岛市湖岛垃圾填埋场为试验 基地，对垃圾填埋场植树造林问题进行了实地研究，探讨了城市垃圾填埋场上植树 造林的方法、适宜树种的筛选以及影响树木成活和生长发育的主要因素，研究结果 表明【l2 1 3 】，垃圾中有机质发酵所产生的甲烷气体是抑制树木成活和生长的关键因 素，覆土层除为树木提供支持和生存环境之外，还能阻挡甲烷气体的逸出，土层越 厚，越有利于树木的成活和生长，在填埋年龄较短的场地上必须采取覆盖至少6 0 c m 的土层阻断沼气等措施才能使植物生长，试验用的十几个品种的植物也得到了筛 选，其中构祀、苦棣、紫穗槐、刺槐、自蜡树、女贞、金银木、臭椿、龙柏等木本 植物和苜蓿、圆眉草、牛筋草、知风草等草本植物被证明是对沼气的耐性较强，适 宜在垃圾场上种植的植物。高英吉等还用瓮栽法研究了垃圾土种植不同植物的效果 及其生态毒性，研究结果表明，垃圾堆上栽种各种植物均可成活，但由于作物和牧 草可食部分的重金属含量超标，因此垃圾堆上可直接种植草坪和观赏花卉等，而不 宜直接种植粮食作物和牧草。 在进一步的深人研究中，一些外来植物因适宜在城市废弃垃圾场中生存也被专 家们看好。夏汉平等研究了香根草不同器官对z n 、c u 、p b 等金属的吸收特性【1 4 】， 紧接着夏汉平等应用香根草对垃圾场进行植被恢复及净化垃圾污水研究，扼要报道 了香根草技术用于废弃垃圾堆放场覆盖改造，对垃圾渗滤液的净化具有明显效果。 张国发等【l5 1 在香根草研究与应用进展中提到香根草属抗盐植物，对强酸( p h 值3 8 ) 、 3 华北电力人学硕t 学位论文 强碱( p h 值1 0 5 ) 或受金属污染的土壤上有较强适应性。齐齐哈尔市某一废弃垃圾场 自1 9 9 4 年开始封场绿化，在开始筹备覆土绿化的生态恢复工程前【1 6 】，按照不同植 物对垃圾堆体覆盖土壤后的生态适宜性，遵循先绿后好的原则，先种植较容易生存 的植物，在这些先锋植物对生境进行影响改善后，逐渐引入生态效应和观赏性更高 的植物类群，使恢复后的生态系统不断向较理想的顶极群落演替。 综上所述，在生态恢复技术研究过程中，针对城市废弃垃圾场的生态恢复技术 还没有进行过具体深入的研究，很多时候还是停留在植被的选择，没有结合具体的 工程措施控制垃圾场的环境污染。本课题提出的城市废弃垃圾场生态恢复技术，不 单是传统意义上的植被恢复，而是在植被恢复的基础上结合相应的工程措施，提出 “植物修复+ 渗滤液处理后回灌 的生态恢复新思路，应用生态恢复理论，采取合 理的工程措施，建立良性互动的生态系统，达到控制城市废弃垃圾场污染、实现垃 圾场生态平衡的目的。 1 3 课题研究主要内容 目前，我国城市废弃垃圾场的生态恢复技术还处于初级阶段，本文通过对城市 废弃垃圾场环境污染的调查分析，掌握了渗滤液、填埋气等污染物的污染规律，运 用生态学原理及植物修复机理，对城市废弃垃圾场生态恢复技术进行研究，因此决 定从以下几方面进行研究： 一是通过对城市废弃垃圾场环境污染的调查分析并掌握：( 1 ) 渗滤液的组分特 征、渗滤液在土壤和地下水中的迁移转化机理及渗滤液的产量估算方法；( 2 ) 填埋 气危害成分、填埋气的迁移过程及产量估算，综合渗滤液和填埋气的污染规律，为 废弃垃圾场生态恢复技术中采取的工程措施提供可靠依据； 二是城市废弃垃圾场生态恢复技术路线进行研究。主要是对生态恢复技术环节 中垃圾场场地状况的调查、场地的改善与准备、植被的选择和试种及采取的工程措 施进行研究； 三是针对保定市某废弃垃圾场现状，提出保定市某垃圾场生态恢复技术方案。 4 华北电力大学硕： = 学位论文 第二章城市废弃垃圾场环境污染调查分析 2 1 城市废弃垃圾场渗滤液污染调查分析 2 1 1 城市废弃垃圾场渗滤液来源及组分特征 垃圾渗滤液是由垃圾在堆放或填埋过程中由于压实和微生物的发酵作用使垃 圾中原含有的水、垃圾降解反应生成的水、场内渗入的雨水、地表水、地下水，经 过垃圾层过滤后渗出的水形成的。 本课题在研究过程中以保定市某垃圾场为研究对象，对该垃圾场调节池中的渗 滤液进行了组分测定，主要的监测指标及测定方法见表2 1 和表2 2 。 表2 1 保定市某垃圾场渗滤液的主要成分 注：除p h 和e c 外，非金属指标的单位为m g l ，金属指标的单位为p l ，e c 的单位为m s c m ， 大肠菌值单位为( 1 0 7 个1 0 0 m 1 ) 。 表2 2 垃圾渗滤液监测项目和分析方法 渗滤液水质与垃圾组分、当地气候、水文地质、填埋时间和填埋方式等因素相 关。通过对保定市某垃圾场渗滤液组分的测定试验，得知渗滤液组分的显著特点为： ( 1 ) 有机物浓度高，由于垃圾场中挥发性酸的存在可能会产生高的c o d c r 和 b o d 5 ，c o d c ，最高可达2 1 7 0 0 m l ，b o d 5 最高可达2 2 9 0 0 m l ，和城市污水相比， 5 华北电力大学硕 ：学位论文 浓度相当高。一般而言，c o d c ，和b o d 5 随填埋的时间增长而降低，碱度含量则升 高。 ( 2 ) 水量及水质随填埋时问变化较大，降雨渗入垃圾层后一般7 天左右形成 渗滤液高峰期，渗滤液量大小主要由降雨量大小变化而变化。因此，垃圾渗滤液流 量不均匀、变化大。垃圾中有机物降解生成的低分子物质、垃圾中可溶物以及溶于 水中的金属离子形成了渗滤液水质。垃圾渗滤液与垃圾降解的速度、垃圾成分以及 降雨渗透量有关。垃圾降解主要受温度影响，一年四季气温不断变化而影响垃圾填 埋场内垃圾降解反应速率，因而气温变化影响填埋场内反应温度的变化，从而使渗 滤液水质不断变化。 ( 3 ) 氨氮含量高，该垃圾场中氨氮含量最高可达1 3 5 2 m g l 。 ( 4 ) 微生物营养元素比例失调，由于影响垃圾渗滤液水质的因素很多，其可 生化性b o d 5 c o d c ，和营养素c n 的比值是变化的，在不同场龄的渗滤液中常出 现失调的现象。 ( 5 ) 重金属含量高，渗滤液中重金属含量要比一般城市污水高很多倍。 2 1 2 城市废弃垃圾场渗滤液在土壤及地下水中迁移转化机理分析 渗滤液中污染物在地下水系统中的迁移、转化过程是复杂的物理、化学及生物 综合作用的结果。地表的污染物在进入含水层时，一般都要经过表土层及下包气带， 而表土层和下包气带对污染物不仅有输送和储存功能，而且还有延续或衰减污染的 效应。因此，有人称表土层和下包气带为天然的过滤层。实际上是由于污染物经过 表土层及下包气带时产生了一系列的物理、化学和生物作用，使一些污染物降解为 无毒无害的组分；一些污染物由于过滤吸附和沉淀而截留在土壤里：还有一些污染 物被植物吸收或合成到微生物里，结果使污染物浓度降低，这称为自净作用【1 7 】。 2 1 2 1 物理、化学作用 ( 1 ) 机械过滤和稀释 机械过滤作用主要取决于土壤介质的性质和污染物颗粒的大小。一般是土壤粒 径愈细，过滤效果愈好。过滤效果主要是去除悬浮物，其次是细菌。此外，一些主 要组分的沉淀物，如c a c 0 3 、c a s 0 4 。一些次要及微量组分的沉淀物，如f e ( 0 h ) 3 、 a 1 ( o h ) 3 以及有机物一粘土絮凝剂亦可被去除。在松散的地层中，悬浮物一般在1 m 内即能去除，而在某些裂隙地层里，有时悬浮物可迁移几公里。 影响过滤的因素很多，如水动力学作用、分子扩散、沉积作用等运移过程以及 范德华力，电体阻力截留因素和有关化学反应因素。因此，要精确地表示过滤过程 是很困难的，目前一般都是利用质最守恒定律和考虑运动学来描述固体物质总的过 6 华北电力人学硕士学位论文 滤过程。对于单位体积孔隙介质质量所截留的物质可用下式表示埽j ： 出 1 锄。 一一= 一 d z v f 出 公式( 2 1 ) 式中： 单位孔隙介质体积所截留的物质质量； z 一一过滤长度； 卜时间； c 固体浓度； 渗透速度。 对于最初无积累或沿渗滤长度均匀积累的过滤介质，固体浓度的沿程变化可用 下式表示： 一警订c o 或c = 即吨 公式( 2 2 ) 式中： l o 进入过滤介质的固体物质浓度； k 常数； z 一一过滤长度； 兄过滤介质参数。 孔隙介质所截留的固体物质，最初起着有利于过滤的作用，但随着时间的延长。 可能出现孔隙通道的堵塞、渗透能力减弱的现象，而且还可能由于化学过程和生物 过程加剧堵塞现象。 当污水与地下水水混合时，或当雨水下渗通过包气带补给地下水时，或污染物 在含水层中产生弥散作用时，均会产生稀释作用，它可使地下水中污染物浓度降低， 但并不意味着污染物的去除【19 1 。 ( 2 ) 物理吸附 土壤介质特别是土壤中的胶体颗粒具有巨大的表面能，它能够借助于分子引力 把地下水中的某些分子态的物质吸附在自己的表面上，称这种吸附为物理吸附。物 7 华北电力大学硕士学位论文 理吸附具有下列特征【2 0 】： 吸附时土壤胶体颗粒的表面能降低，所以是放热反应，一般吸附每克分子 放热约为2 l k j 。 吸附基本上没有选择性，即对于各种不同的物质，只不过是分子间力的大 小有所不同，分子引力随分子量的增加而加大。对于同一系列化合物中，吸附随分 子量的增加而增加。不产生化学反应，因此不需要高温。 由于热运动，被吸附的物质可以在胶体表面作某些移动，办较易解吸。基 于上述特征，所以凡是能降低表面能的物质，如有机酸、无机盐等，都可以被土壤 胶粒表面所吸附，称为正吸附；能够增加表面能的物质，如无机酸及其盐类一氯化 物、硫酸盐、硝酸盐等，则受土壤胶粒的排斥，称为负吸附。此外，土壤胶粒还可 吸附n h 3 、h 2 以及c 0 2 等气态分子。 ( 3 ) 化学吸附 化学吸附是土壤颗粒表面的物质与污染物质之间，由于发生了化学作用，使得 污染物化学性质有所改变【2 1 1 。原来在土壤溶液中的可溶性物质，经化学反应后转变 为难溶性化合物的沉淀物，因为在地下水中常含有大量的氯离子、硫酸根离子、重 碳酸根离子以及在还原条件下的硫氢根等阴离子。所以，一旦有重金属污染物进入 时，在一定的氧化、还原电位和p h 值条件下，则可产生相应的氯化物、硫酸盐或 碳酸盐而发生沉淀现象。 沉淀析出的盐类，在p h 值和氧化还原电位改变时，还可能再溶解。当然这会 影响水动力学过程，从而间接地影响受水动力过程制约的其它形式的去除作用。同 时沉淀会形成新的吸附面积，溶解则会减少吸附面积，所以沉淀过程亦影响着吸附 性能。化学吸附的特点是：吸附热大，相当于化学反应热；吸附有明显的选择性， 化学键力大时，吸附是不可能的。 ( 4 ) 离子交换吸附 如f j 所述，土壤胶体带有双电层，其扩散层的补偿离子可以和地下水中同性电 荷的离子进行等当量交换，这是一种物理化学现象，故称物理化学吸附，亦称离子 交换吸附。它是土壤中吸附污染物的主要方式。 土壤中的阳离子交换吸附作用 土壤胶体一般呈带负电荷，因此易于吸附阳离子，其扩散层的阳离子可被地下 水中的阳离子交换出来，故称为交换吸附，其反应式如下： 匡圃乏。+ 3 崛a 叫匡圜3 删+ c a 2 + + + 华北电力大学硕十学位论文 当离子交换达到平衡状态时，可用下例数学表达式： g - c 瑙( 去) l ，p 公式( 2 3 ) 式中： l o 初始阳离子浓度； c 平衡时阳离子浓度； k ，1 p 均为常数； 上述公式中离子浓度的单位为m l 。 土壤中阴离子的代换吸附作用 对于阴离子吸附起作用的是带正电的胶体，它比阳离子所产生交换吸附作用要 弱。阴离子交换吸附作用是可逆的反应，能很快达到平衡，平衡的转移受质量守衡 定律支配。但是，土壤中阴离子交换吸附常常与化学吸附作用同时发生，两者不易 区别清楚，因此，相互代替的离子之间没有确定的当量关系。土壤阴离子交换量与 粘土矿物成分和土层反应有关。高岭土含量高的土壤，含水氧化铁、铝的阴离子交 换量在土壤溶液p h 值为5 时，可达l o o 1 5 0m e 1 0 0 9 干土。阴离子交换量随着土 壤p h 值的升高而降低，并在某一p h 值时，会出现负吸附。 ( 5 ) 其它的物理化学作用 渗滤液在地下水中的迁移转化还与污染物的其它作用有关，例如污染物的沉淀 和溶解。污染物在包气带及含水层中迁移时，其浓度常常受某些难溶化合物的控制。 越容易生成沉淀的污染组分，其迁移能力越小。在研究溶解度对污染物浓度控制时， 一般只考虑难溶哉，因为它们易产生沉淀。此外，氧化还原反应直接影响渗滤液中 污染物的迁移性能。地下水系统中的p h 对污染物的迁移有明显的影响，由于p h 的 变化，可能引起某些污染物的沉淀，同时也可能引起某些污染物的吸附，从而改变 这些组分的迁移能力。 2 1 2 2 生物作用 实践早已表明，无论是在包气带土壤中、或是埋藏不深的潜水中、甚至地下1 0 0 米或更大深度的地下水中，都有微生物在活动，而且在零下4 0 和8 5 9 0 的不 同温度的地下水中微生物都能繁殖。微生物的种类包括细菌、放射菌、真菌和寄生 虫。在污水灌溉或使用其它固体废物( 如污泥、农家肥) 和有机农药、化肥的土壤罩， 以及受污染的地下水中，其有机污染物作为微生物的碳源和能源，微生物在消耗有 机物的同时，其群体密度亦在增大。因此，地下水污染系统中，在微生物参与下可 9 华北电力人学硕+ 学位论文 使有机物降解或向无机物转化。所谓微生物降解是指复杂的有机物( 大分子有机物) 通过微生物活动使其变成简单的产物( c 0 2 和h 2 0 等) 。 无论是有机物的降解还是无机物的转化，都可在较深的地下水系统中的厌氧条 件下通过厌氧细菌进行，只是降解速率要比在好氧条件下较慢而已。在厌氧环境里， 微生物可通过还原含氧的化合物( 特别是n 0 3 一) 获得所必需的氧。所以，不含氧水解 常数小的有机物( 如卤代烃类) ，在地下水系统的厌氧条件下难降解，而含氧的有机 化合物( 如乙醇、乙醚及脂类等) 相对较易降解，如在厌氧条件下n h 4 + 、n 0 3 一转化 过程为： 9 h + + n o ；皇世塑墼专n h i + o h 一+ 2 h p 1 2 日+ + g 趔马2 + 6 皿d 2 1 3 城市废弃垃圾场渗滤液对土壤和地下水的影响 2 1 3 1 城市废弃垃圾场渗滤液对土壤的影响 垃圾填埋场尤其是堆放场的渗滤液直接渗入周边土壤，渗滤液中的有害成分会 破坏微生物的正常的生存环境，对土壤结构产生有害影响。中国农业大学温小乐硕 士分析了北京上庄垃圾填埋场渗滤液对土壤的影响，并对垃圾场不同距离处表层土 壤的理化性状进行了测定，其测定结果如表2 3 。 表2 3 垃圾场不同距离处表层上壤的基本理化性状 湖北大学生态所的方满对武汉郭茨口垃圾填埋场底部土壤污染状况进行了调 查，其调查结果如表2 4 。 l o 华北电力大学硕十学位论文 从表2 3 、2 4 知，渗滤液对土壤无论是横向还是纵向，都产生了一定的影响。 华中科技大学廖利、全宏东等【2 2 】对深圳盐田垃圾场对周围土壤污染状况进行了分 析，研究结果表明受到渗滤液侵蚀的土壤酸性降低，有机质和其它营养元素明显增 加。除h g 、n i 含量降低外，其余重金属离子浓度均大于高位土壤，表明周围土壤 已受到垃圾堆放场的重金属污染。渗滤液中的重金属离子有在土壤中富集的现象， 从而造成土壤的重金属污染。 2 1 3 2 城市废弃垃圾场渗滤液对地下水的影响 长期以来，垃圾场渗滤液被认为是地下水及地表水潜在的污染源。一旦地下水 源和周围土壤被其污染，将严重威胁生活和生产，造成的后果不堪设想，欲通过人 工方法净化或补救，在技术上将十分困难，其费用也极其昂贵。垃圾场关闭以后， 其渗滤液的产生常常持续许多年。渗滤液所负载有机物的有氧降解会消耗纳污水体 中的溶解氧。同时，垃圾场渗滤液通常含有高浓度氨( 源自蛋白质及其它含氮有机物 的降解) ，已被证实对许多鱼类、藻类以及一些作物具有毒性。富含氨的废物对细菌、 藻类、浮游动物及鱼类的毒性己成为全球范围内的环境问题。由于气体和渗滤液具 有共同的来源，因而渗滤液本身也溶入了填埋气体。朱建林，罗志伟【2 3 】对常德市肖 伍铺垃圾场水环境的研究中发现地下水及地面水大肠菌群增加约2 个数量级，化学 耗氧量、硝酸盐氮、氨氮等也呈明显增加趋势。德国莱茵河地区地下水因受到废渣 沥水污染，导致自来水厂有的关闭，有的减产【2 4 1 。哈尔滨韩家洼子垃圾填埋场的垃 圾未经处理直接填埋，造成地下水锰、铁、酚、汞等含量及细菌总数、大肠杆菌总 数等大大超标，m n 含量超标大于3 倍，h g 含量超标大于2 0 倍，细菌总数大于4 3 倍，大肠肝菌含量超标大于1 1 倍，显示出垃圾场污染的明显特征。 华北电力人学硕士学位沦文 基岩 图2 1 渗滤液对地下水的影响 有些生活垃圾的危害并不是单一途径，如废弃电池主要含有汞、铅、镉和锌等 金属元素，如果随普通垃圾一起填埋处理，电池被氧化后，不仅污染周围土壤，金 属离子被渗滤水带走，还会进入河流水道甚至含水层；如果被焚烧处理，气化汞随 烟雾消散，随降水进入水系，汞在水中被微生物转化为宜被吸收的有毒形态，进而 集中在鱼肉中，人类食用后会影响到神经和大脑，还可能致癌；如果经堆肥处理， 不仅影响堆肥质量，进入作物后还可能被人类食用，导致疾病。据美国环保局估算， 早在1 9 8 9 年美国的城市生活垃圾中汞含量达到6 6 4 t ，浓度范围为1 6 m k ，平均 值为4m g k g ，其中8 7 来自电池【2 5 1 。我国当前虽然没有对城市生活垃圾中汞的来 源及总量进行系统研究，但是部分研究显示我国每年因使用含汞产品而向环境中丢 弃的总汞量相当高。 2 1 4 城市废弃垃圾场渗滤液产量的估算 由于渗滤液的产生影响因素多为自然因素，故不同地区的计算方法和结果相差 很大，应结合相关因素经试验确定相关系数和渗滤量。“含水率逐层月变化法则 是一种比较准确而相对复杂的水平衡计算法。它以逐月变化的水文气象参数( 降雨 量、气温等) 为基础，通过计算地表径流量和蒸发量确定地表入渗量，然后由上而 下逐层计算各层含水率和储水容量的变化以及逐层下渗水量，最后确定出渗滤液的 逐月产生量。 以垃圾场为主体，根据进出物料平衡，渗滤液可以用公式( 2 4 ) 表示： 式中： q = ( i + g + w s e ) a 1 0 。3 + a q h 公式( 2 4 ) 1 2 华北电力大学硕+ 学位论文 q 渗滤液量，m 3 d ； q h 回灌渗滤液量，m 3 d ； g 单位面积地下水渗入量，m r i l d ； i 日降雨量，m m d a 填埋场汇水面积，m 2 ； w 单位面积垃圾及覆土的含水量，m m d ； s 单位面积地表径流量m i l l d ； e 一一单位面积自然蒸发量，m m d ； a 回灌渗滤液对当日产生渗滤液的贡献系数，与蒸发损失和植物吸收有关， 通过实验由直线拟合回归分析来确定，北方地区可取a = o 5 0 o 8 5 。 计算暴雨时的渗滤液量，可以忽略垃圾及覆土的含水量和自然蒸发量，因为暴 雨往往发生在雨季，在暴雨到来之前，垃圾场中含水量已基本饱和。由于降雨季节 的不均匀性，导致渗滤液产量变化幅度极大，( 2 4 ) 式的各种因素都应充分考虑，并 由实验确定水量，为渗滤液回灌次数的设计提供必要的参考。 2 2 城市废弃垃圾场填埋气( l f g ) 污染机理研究 2 2 1l f g 的组成与污染特性分析 2 2 1 1 填埋气体的组成 城市垃圾填埋气体的主要成分为甲烷和二氧化碳，但由于垃圾成分的复杂性以 及垃圾场内部变化过程的多样性造成填埋气体成分也较为复杂，根据填埋气体中各 成分的含量及存在的普遍性可分为以下三类【2 6 】： ( 1 ) 主要成分：包括甲烷和二氧化碳，体积占填埋气体总量的9 5 9 9 。其中甲 烷的含量占4 5 6 0 ，二氧化碳占4 0 6 0 。 ( 2 ) 常见成分：主要是指垃圾在生物降解过程中产生的除甲烷和二氧化碳外的其 它常见的气体，包括h 2 s ，n h 3 和h 2 等气体，这些气体的含量较小，占填埋气体总 体积的不到5 。其中h 2 s 和n h 3 分别是含硫和含氮有机物降解产生的，h 2 则是有 机物在厌氧降解的产酸阶段产生而未被甲烷菌消耗的那一部分。 ( 3 ) 微量成分：填埋气体中还含有总量低于1 的一些气体。这些微量气体虽然 数量很少，但其中一部分可能有毒，目种类多成分复杂。主要是包括烷烃，环烷烃， 芳烃，卤代化合物等在内的挥发性有机物( v o c ) 。它们主要来源于垃圾中油漆、洗 涤剂、干洗剂、空气清新剂等化学物质及其残留物的挥发和生物降解。表2 5 为保 定市某垃圾场填埋气的主要成分测定。 1 3 华北电力人学硕卜学位论文 表2 5 华北某垃圾场主要成分含量百分比 标准 检测 量要 气温，风速，州s 大压，k p a 结果，m m 3值， 项目 采样位置 时间 。 咧蠢 1 3 ：0 0 堆体上3 2 o南3 51 0 0 8o 2 2 1 1 3 ：3 0 甲烷 1 3 ：0 0 浓度堆体下3 2 0南3 51 0 0 8o 3 0 6 1 5 1 3 ：3 0 背景点 3 2 0 0 。 南3 5 1 0 0 8 o 0 0 8 ( 上风向) 1 3 ：3 0 1 3 ：0 0 堆体上3 2 0南3 51 0 0 8o 0 1 0 1 3 ：3 0 硫化氧 1 3 ：0 0 浓度 堆体下 3 2 o南3 51 0 0 8o 0 1 20 0 6 1 3 ：3 0 背景点1 3 ：0 0 3 2 o南3 51 0 0 8 0 0 0 5 ( 上风向)1 3 ：3 0 2 2 1 2 填埋气体特性 填埋气体和渗滤液一样，在所有城市垃圾填埋场中都有产生，只是各个垃圾场 的差异，填埋气体中各个组分的百分比含量也不同。最终填埋气体会从垃圾堆体沿 着覆盖土和临近的土壤纵向和横向迁移，进入大气环境并显露其特性，对环境会产 生影响 2 7 。3 1 】。填埋气体的主要特性如下： ( 1 ) 温室效应 全球变暖通常认为是大气中温室气体的温度升高所致，大气中c h 4 的含量以每 年约1 的速度增加，c 0 2 以每年约o 4 的速度增加。甲烷由于其内部的辐射特性， 每增加一个c h 4 分子产生的热效应是增加一个c 0 2 分子产生热效应的2 1 倍，一般 认为大气中c h 4 浓度的升高应对地球趋热负2 0 的责任。 表2 6 大气温室气体的浓度变化以及对全球变暖增加潜力的概况 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 爆炸危险 甲烷是一种易燃易爆的气体，其爆炸极限为5 1 5 。垃圾中产生的甲烷如 不能及时的排出，就会越积累越多，最后会在自身压力和垃圾堆体压力的双重压力 下发生爆炸，使垃圾堆体坍塌，甚至危及填埋场周围居民的生命财产安全。在垃圾 场周围2 5 0 m 范围内的任何开发，都应进行填埋气体横向迁移规律现场测试，并对 其潜在危险性进行全面评价。有时甲烷从垃圾中泄露出来，与空气接触，当遇到明 火时也会发生爆炸。 表2 7l f g 爆炸事故举例 ( 3 ) 污染地下水 填埋气体中挥发性有机物及c 0 2 都将造成地下水的污染。c 0 2 溶解进入地下水 将打破地下水原有的c 0 2 平衡，促使c a c 0 3 溶解，引起地下水硬度升高。对全封闭 型的垃圾填埋场，填埋气体的逸出会造成衬层的泄漏，从而加大了浸出液对环境与 人类的危害。 ( 4 ) 妨害地表植被 填埋气体进入土壤后，会充满土壤缝隙，使植物根系处于缺氧状态，导致植物 生长不良甚至死亡。 ( 5 ) 微量气体对人体健康和环境质量的影响 填埋气体中含有的其它气体有的有臭味( 如硫化氢、硫醇等) ，有的对人体有害 ( 如苯、甲苯等) ，这些气体的任意排放必会对环境和人体健康造成危害。有的气体 燃烧后会生成腐蚀性物质，会对填埋气体的回用设备有损害。 1 5 华北电力人学硕一：学位论文 ( 6 ) 填埋场恶臭 垃圾填埋场散发的一定强度的恶臭，来源于微量气体中的某些组分。研究表明， 微量气体中的h 2 s ，r s h ( 硫醇) 等组分的浓度往往低于1 1 0 9 p p m ，在嗅闽值以下； 而某些填埋场释放出的微量气体的浓度，要通过大气扩散稀释1 0 6 倍以上才能降低 到嗅闽值以下。据报道，只有1 0 的微量气体会产生恶臭问题。这些气体按恶臭强 度不同，由强至弱主要可分为5 类：甲硫醇等有机硫化物；丁酸甲酯、丁酸乙酯、丙 酸酯等酷类物；丁酸等有机酸；碳氢化合物；2 丁醇等醇类物。 2 2 2l f g 的迁移过程及其影响因素 2 2 2 1 填埋场主要气体的迁移 填埋场主要气体的迁移与填埋场的构造及环境地质条件有关，其迁移方向除 向上迁移扩散外，还可能向下或在地下横向迁移【3 2 1 。 ( 1 ) 填埋气向上迁移 填埋气中甲烷等气体可以通过对流和扩散释放到大气圈中。甲烷比空气轻，它 的密度约为空气的o 5 5 倍，在填埋场中会向上运动，填埋场常见的填埋气自燃或明 火引燃、甚至爆炸事故，就是填埋气向上迁移进入大气圈或在不渗透的封闭空间积 聚的结果。填埋气通过覆盖层的扩散可以按下式计算： 彳= 一堕竺掣 公式沼5 ， 式中：n a 一一气体a 的通量，m 3 m 3 ； d 扩散系数，m 2 s ； 7 7 r 总孔隙度，m 3 m 3 ； q 。堋、巴疗，一一气体a 在覆盖层表面、底部的浓度，k m 3 ； c h 4 和c 0 2 气体的扩散系数典型值为2 0 1 0 1 2 m 2 s 和1 3 1 0 2 m 2 s 。 ( 2 ) 填埋气向下迁移 二氧化碳的密度是空气的1 5 倍，甲烷的2 8 倍，有向填埋场底部运动的趋势， 最终可能在填埋场的底部聚集。对于采用天然土壤衬层的填埋场，二氧化碳可能通 过扩散作用经过衬层，从填埋场底部向下运动，通过下伏地层最终扩散进入并溶于 水，与水反应生成碳酸： c 0 2 + h 2 0 专h2 c 0 3 结果使地下水p h 值降低，并通过溶解作用增加地下水的硬度和矿化度。例如， 1 6 华北电力人学硕+ 学位论文 如果土壤结构中有钙、镁碳酸盐岩，碳酸将与其发生反应生成可溶的重碳酸钙、重 碳酸镁。对于给定碳酸盐浓度，上述反应将一直进行下去，直到达到反应平衡为止。 因此，溶液中任何自由二氧化碳的增加都将引起钙碳酸盐的溶解。造成硬度增加是 水中二氧化碳的主要作用。 2 2 2 2 填埋气迁移的特点 由于填埋气及其迁移介质的特殊性，除具有一般多孔介质中气体迁移的基本规 律外，填埋气迁移还有如下一些特点： 填埋气是混合气体，其主要成分为c h 4 和c 0 2 ，具有c h 4 易氧化，c 0 2 易溶 入水的特点； 是复杂的气、液、固三相流动，垃圾体或土壤中气、液、固三相共存； 填埋气迁移机理包括对流、扩散、弥散； 伴随能量转移与化学反应。 2 2 2 3 影响填埋气迁移的因素 影响填埋气迁移的因素很多，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 填埋气产生量 废物中有机物的生物降解不断产生气体，使垃圾内部压力增加并目通常会超过 大气压。一旦填埋场内部压力超过大气压，填埋气主要在压力梯度作用下发生迁移。 填埋气产生量多少与填埋场内部压力密切相关，从而影响