（采矿工程专业论文）城市生活垃圾卫生填埋场渗滤液控制技术研究.pdf

中文摘要 摘要 我国从二十世纪8 0 年代开始采用垃圾卫生填埋技术，至今全国己有十多个城 市建有严格的垃圾卫生填埋场，尚有大量城市正在建设和准备建设垃圾卫生填埋 场。我国建设部、国家环保总局、科技部联合制定的城市生活垃圾处理及污染 防治技术政策明确指出，垃圾卫生填埋是我国现阶段城市垃圾的主要处理手段， “在具备卫生填埋场地资源和自然条件适宜的城市，以卫生填埋作为垃圾处理的 基本方案”。因此完全可以预计城市垃圾卫生填埋场将在我国得到越来越广泛的应 用。尽管城市垃圾卫生填埋场具有众多优势，但其在填埋阶段以及填埋场封场后 监管期间产生的渗滤液却是一个比较棘手的问题。填埋场产生的渗滤液不仅数量 大，污染强度和污染特征还随填埋时间而不断发生变化。众多研究和实践表明， 填埋场渗滤液不仅难处理，并且处理费用很高。同时由于填埋场设计、施工和运 行监管的缺陷易使填埋场渗滤液控制系统发生故障，最终对填埋场地下水体造成 污染。 本文对垃圾卫生填埋场渗滤液控制系统进行了较为系统的分析，采用土壤水 分层均衡模型研究了填埋场垃圾体含水率增量的变化规律，为填埋场水分运动数 学模型的研究奠定基础。同时，采用电化学+ 固定化微生物技术对垃圾渗滤液处理 进行了初步研究。研究结果表明：( 1 ) 渗流力学模型能够在更小的时间和空间尺度 上研究垃圾水分的动态变化，虽然渗流力学模型涉及的参数较多，但都是含水率 o 的函数，因此，含水率的变化规律非常重要。含水率0 随着降水和蒸发而变化， 给定垃圾体剖面含水率分布状况，只要获得剖面含水率增量的变化规律，即可获 得垃圾体剖面含水率分布状况。( 2 ) 在人工降水后，垃圾体各层增加的水分由上而 下逐渐减少。就某一深度而言，增量的大小取决于降水量、平均田间持水量和反 映垃圾体均匀特性的参数k 值。实际上，垃圾内部结构不是均一的，田间持水量 在不同层次也有差异。当垃圾体密度较小时，k 值较小，入渗能力较强，可达到 较大的入渗深度：垃圾体密度较大时，k 值较大，入渗能力较弱，最大入渗深度 也较小。降雨入渗实验表明，不同降雨条件下的入渗系数无明显的规律性。因此， 可以认为入渗系数主要取决于垃圾体剖面的结构特征，与降雨条件关系不大。( 3 1 垃圾中毛细管孔隙中的下渗水所受的下渗力主要为重力和毛管力，但并非所有的 垃圾孔隙都能产生毛细管作用，即存在非毛细管孔隙。非毛细管孔隙中下渗水的 下渗力仅为重力。由于毛细管力通常远大于重力，故下渗流必被分为两种，一种 是沿毛细管孔隙快速下渗的毛管流，另一种是沿非毛细管孔隙均速缓慢下渗的重 力流。( 4 ) 污染物的电化学修复工艺过程分为两类，一类是污染物离子在电极表面 重庆大学博士学位论文 直接被氧化或还原，另一类是电化学发生的活性粒子与污染物反应而使污染物间 接被修复处理。有机物直接电氧化又分两类进行研究，一是电化学转换，即把有 毒物质转变为无毒物质，或把非生物相容的有机物转化为生物相容的物质( 如芳香 物开环氧化为脂肪酸) ，提高废水中有机污染物的可生化性，以便进一步实施生物 处理；二是电化学燃烧，即直接将有机物深度氧化为c 0 2 。向垃圾渗滤液中曝气 可有效控制电化学修复反应过程，从而有效进行电化学转化过程，使老垃圾渗滤 液的可生化性得到较大改善。电流密度为1 5 m a c m 2 ，电解时间6 5 小时，老垃圾 渗滤液的可生化性从o 1 1 提高到0 - 3 0 以上。( 5 ) 电化学+ 固定化微生物技术对老垃 撮渗滤液有较好的处理效果，该工艺对c o d 和n i l 3 - n 有较好的去除率。经过1 6 小时的连续处理后，渗滤液中c o d 和n h 3 - n 的最高去除率分别达到7 3 和9 1 3 。 关键词：生活垃圾，卫生填埋场，电化学，固定化微生物，渗滤液 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fs a n i t a r yl a n d f i l lf o rm u n i c i p a ls o l i dw a s t e sh a sb e e na d o p t e d s i n c e19 8 0 si no u rc o l l n 仃y u pt on o w , m o r et h a nt e ns a n i t a r yl a n d f i l l sh a v eb e e nb u i l t i nc h i n aa n dag r e a td e a lo f s a n i t a r yl a n d f i l l sa r eb u i l d i n go rw i l lb eb u i l d i n g ( t h ep o l i c y a b o u tm u n i c i p a ls o l i dw a s tp r o c e s s i n ga n dt h et e c h n i q u eo fp o l l u t i o nt r e a t m e n t ) ) ( e s t a b l i s h e da s s o c i a t e d l yb yn a t i o n a lc o n s t r u c t i o nd e p a r t m e n t ，n a t i o n a le n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb u r e a ua n dn a t i o n a ld e p a r t m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) p o i n to u t d e f i n i t e l yt h a ts a n i t a r yl a n d f i l li st h em a i nm e a n st ot r e a tm u n i c i p a ls o l i dw a s t si nc h i n a i np r e s e n ts t a g e t h e r e f o r ew ec a na n t i c i p a t et h a tt h et e c h n o l o g yo fs a n i t a r yl a n d f i l lw i l l b ea p p l i c a t e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l yi nc h i n a t h o u g hs a n i t a r yh a v en u m e r o u s a d v a n t a g e s ，t h el e a c h a t ei sat o u g h e rp r o b l e md u r i n gt h ef i n i n gp e r i o da n dt h es e a l i n g p e r i o d n o to n l yt h eq u a n t i 够o fl a n d f i l ll e a e h a t ei sb i g ，t h ep o l l u t i n gs t r e n g t ha n d p o l l u t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fl e a c h a t ev a r yc o m i n u o u s l y n u m e r o u sr e s e a r c ha n dp r a c t i c e i n d i c a t et h a tl e a c h a t ei sn o to n l yd i f f i c u l tb u ta l s ov e r ye x p e n s i v et ot r e a t i ti se a s yt o p o l l u t eg r o u n d w a t e r i f t h el e a c h a t ec o n t r o ls y s t e mi si nt r o u b l eo rh a sf a u l t s 。 l e a c h a t ec o n t r o ls y s t e mi sa n a l y s e dp a r t i c u l a r l yi nt h i sp a p e r t h ew a t e rb a l a n c e d m o d e lo fs o i ll a y e r si su s e di nt h eh u m i d i t yv a r i a b l er e g u l a t i o ni nag a r b a g eb o d y ， l a y i n gt h ef o u n d a ：t i o nf o rt h er e s e a r c ho fm o i s t u r et r a n s f e rm a t h e m a t i c sm o d e l as t u d y o ne l e c t r o l y t i co x i d a t i o np r o c e s s + i m m o b i l i z a t i o no fm i c r o o r g a n i s m sw a sm a d ef o r t r e a t m e n to f l a n d f i l ll e a e h a t e t h em s u l t ss h o w t h a t ：( 1 ) s e q _ u e n f i a lc h a n g e so f m o i s t u r e i nag a r b a g eb o d yc a nb ed e s c r i b e di ns m a l l e rd i m e n s i o n so ft i m ea n ds p a c eb y s e e p a g e f l o wm a t h e m a t i cm o d e l a l t h o u g h al o to fp a r a m e t e r sa r ei n v o l v e di n s e e p a g e f l o wm a t h e m a t i cm o d e l ，t h e ya r ea l laf u n c t i o nt h a tc o n t a i n st h ew a t e rr a t e e t h e r e f o r e ，t h ev a r i e t yr e g u l a t i o no ft h ew a t e r - h o l d u p ( 0 ) c o u n tf o rm u c h t h ew a t e rr a t e 0c h a n g e sa l o n gw i t hr a i n f a l la n de v a p o r a t i o n n o r m a u y ，t h ei n i t a lw a t e r - h o l d u pp r o f i l e i sk n o w e n s o ，i ti se a s yt oo b t a i nt h ew a t e r - h o l d u pp r o f i l ei i lag a r b a g eb o d yi ft h e i n c r e m e n to ft h ew a t e r - h o l d u pp r o f i l ei sc o n f o r m e d ( 2 ) a t t e ra r t i f i c i a lr a i n f a l lb e g i n s ， t h ei n c r e m e n to fm o i s t u r eo fe a c hl a y e rr e d u c e sg r a d u a l l yf r o mt h et o po ft h eg a r b a g e b o d yt ob o t t o m i nr e g a r dt 0s o m eo n ed e p t h ，t h ei n c r e m e n to fm o i s t u r ei sd e c e i d e db y r a i n f a l la n da v e r a g ef i e l dc a p a c i t ya n dt h ep a r a m e t e rkv a l u ew h i c hr e f l e c tt h ee v e n c h a r a c t e r i s t i co fg a r b a g eb o d y a c t u a l l y ，t h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fg a r b a g eb o d yi sn o t u n i f o r ma n dt h ef i e l dc a p a c i t yi sa l s od i f f e r e n ti nd i f f e r e n tl a y e r s t h ed e n s i t yo fs o l i d w a s t si ss m a l l e r ，t h ek v a l u ei ss m a l l e r ，t h es e e p a g ea b i l i t yo fg a r b a g eb o d yi ss t r o n g e r ， h i 重庆大学博士学位论文 t h es e e p a g ec 蛐a t t a i nb i g g e rd e p t hi n t ot h eg a r b a g eb o d y v i c ev e r s a t h ee x p e r i m e n to f a r t i f i c i a lr a i np r o c e s si n d i c a t e dt h a tp e r m e a t i n gc o e f f i c i e n to fp r e c i p i t a t i o nh a v en o o b v i o u sr e g u l a t i o ni nd i f f e r e n tr a i n f a l lc o n d i f i o n s t h e r e f o r e ，i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a t p e r m e a t i n gc o e f f i c i e n to fp r e c i p i t a t i o ni sm a i n l yd e c i d e db yt h es e c t i o nc h a r a c t e ro f g a r b a g eb e d ya n dn or e l a t i o nt or a i n f a l l ( 3 ) t h ef o r c ea c to ns e e p a g e f l o wb yh o l e si na g a r b a g eb o d ym a i n l yi n v o l v e sg r a v i t ya n dc a p i l l a r yp r e s s u r e b u tc a p i l l a r yp r e s s u r eo n l y a c to ns o m eo fh o l e si nag a r b a g eb e d y , t h a ti st os a y , t h e r ea r en o n - c a p i n a r yh o l e s a m o n gh o l e si nag a r b a g eb o d y t h ef o r c ea c to ns e e p a g e f l o wb yn o n c a p i l l a r yh o l e si s m a i n l yg r a v i t y b e c a u s et h ec a p i l l a r yp r e s s u r ei su s u a l t yf a rl a r g e rt h a nt h eg r a v i t y ， s e e p a g ei sd i v i d e di n t ot w ok i n d s o n ei sc a p i l l a r y - f l o ww h i c hs e e pf a s tb yc a p i l l a r y h o l e s t h eo t h e ri s g r a v i t y - f l o ww h i c hs e e ps l o w l yb yn o n - c a p i l l a r yh o l e s ( 4 ) t h e e l e c t r o l y t i co x i d a t i o np r o c e s si nr e m o v a lo fp o l l u t a n t si sd i v i d e di n t ot w ok i n d s o n ei s d i r e c t o x i d a t i o np r o c e s si nw h i c ht h ep o l l u t a n tw a sd i r e c t l yo x i d i z eo rr e s t o r ei nt h e e l e c t r o d es u r f a c e t h eo t h e ri si n d i r e c t - o x i d a t i o np r o c e s si nw h i c hac h e m i s t r y o c c u n e n c eb e t w e e ne l e c t r i cp a r t i c l e sa n dp o l l u t a n t sm a k et h ep o l l u t a n t sp r o c e s s e d i n d i r e c t l y t h ed i r e c t - o x i d a t i o np r o c e s s i n gi sd i v i d e di n t ot w os t y p e s o n ei se l e c t r i c - c h e m i s t r yc o n v e r s i o nb yw h i c hp o i s o n o u sm a t e r i a li sc h a n g e di n t on o n - p o i s o n o u s m a t e r i a lo rn o n l i v i n gc r e a t u r ec o m p a t i b l em a t e r i a li sc h a n g e di n t oc o m p a t i b l eo r g a n i c m a t t e r ( f o re x a m p l e , t h es w e e ts m e ut h i n go p e n st h ew r e a t ht ob eo x i d i z e di n t ot h ef a t t y a c i d s ) t h eb i o c h e m i c a lc h a r a c t e ro fo r g a n i cp o l l u t a n t si sm o s t l yi m p r o v e d ，f o rt h e p u r p o s eo ft h ef t l r t h e ri m p l e m e n tf o rb i o - p r o c e s s i n g a n o t h e ri sc h e m i s t r yc o m b u s t i o n p r o c e s si nw h i c ho r g a n i cp o l l u t a n t si sd i r e c t l yo x i d i z ei n t oc 0 2a n dh 2 0 a e r a t i n g t o w a r d sl a n d f i l ll e a c h a t ec a nl i m i te f f e c t i v e l yt h ee l e c t r o l y t i co x i d a t i o np r o c e s si n t o c o n v e r s i o ns t a g ea n di m p r o v et h eb i n - c h e m i c a lc h a r a c t e ro fo r g a n i cp o l l u t a n t sg r e a t l y a so b t a i n e df r o mt h et e s t ，t h es u i t a b l ec o n d i t i o nf o r t h et e c h n o l o g yi s ：e l e c t r i c a ld e n s i t y 15 m a c m 2 e l e c t r o l y t i cp e r i o d6 ，5h o u r s i nt h i sc o n d i t i o n ，t h eb e d c o dv a l u eo fa g e d l a n d f i l ll e a c h a t ei si m p r o v e df r o mo 1lt om o r et h a n0 3 0 ( 5 ) i ti so fg r e a te f f i c i e n c yt o t r e a to l dl a n d f i l ll e a c h a t eb yu s i n gt h et e c h n i c so fe l e c t r i c a l o x d i t a t i o np r o c e s s a s s o c i a t e dw i t hi m m o b i l i z a t i o no fm i c r o o r g a n i s m sp r o c e s s a f t e r1 6h o u r sp e r i o do f c o n t i n u o u sp r o c e s s i n g 7 3 a n d9 1 3 c a l lb ea c h i e v e dr e s p e c t i v e l yf o rm e r e m o v a lo f c o da n d n h l n k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，s a n i t a r yl a n d f i l lp l a n t , e l e c t r i c a l c h e m i s t r y , i m m o b i l i z a t i o no f m i c r o o r g a n i s m s ，l a n d f i l ll e a c h a t e 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 垃圾是人们在生产生活过程中产生的废弃物，垃圾的处理处置发展历程完全 贯穿于现代人类文明的发展史中。史前时期人类将生活垃圾就地堆放可以说就是 垃圾土地处理的雏形，而随着垃圾产量的增多和垃圾组成的复杂化，垃圾简易堆 放所带来的卫生、安全和社会伦理问题日渐突出，迫切要求对垃圾进行无害化处 理处置【1 。随着二十世纪3 0 年代后期垃圾填埋场的问世，大量的城市垃圾才有了 较先进和科学的处置手段。到6 0 年代许多欧美国家制定了有关垃圾卫生填埋场的 设计、施工、运行、管理和维护等标准和规范后，现代的城市垃圾卫生填埋场才 得以成型 2 1 。 由于在垃圾的卫生填埋过程中，要对填埋单元进行防渗处理、疏导沼气、用 无毒无害的覆盖材料覆盖垃圾表面，并对收集到的渗滤液和沼气进行处理，因而 现代的城市垃圾卫生填埋场是一种城市垃圾的“无害化”处置方式。 尽管人们处理垃圾的手段随着社会的发展和科技的进步而越来越丰富，但由 于城市垃圾卫生填埋具有其它处理方式所无法比拟的经济和技术优势，在过去数 十年中甚至现在，许多发达国家仍将垃圾卫生填埋作为其处理处置垃圾的首要方 式 3 1 。1 9 9 7 年全美国有垃圾卫生填埋场3 0 9 1 个，除少数几州外，其它州都以卫生 填埋作为其处理处置垃圾的主要方式1 4 j 。 我国从二十世纪8 0 年代开始采用垃圾卫生填埋技术，至今全国己有十多个城 市建有严格的垃圾卫生填埋场 5 】，尚有大量城市正在建设和准备建设垃圾卫生填埋 场。我国建设部、国家环保总局、科技部联合制定的城市生活垃圾处理及污染 防治技术政策明确指出，垃圾卫生填埋是我国现阶段城市垃圾的主要处理手段， “在具备卫生填埋场地资源和自然条件适宜的城市，以卫生填埋作为垃圾处理的 基本方案”【6 j 。因此完全可以预计城市垃圾卫生填埋场将在我国得到越来越广泛的 应用。 尽管城市垃圾卫生填埋场具有众多优势，但其在填埋阶段以及填埋场封场后 监管期间产生的渗滤液却是一个比较棘手的问题。填埋场产生的渗滤液不仅数量 大，污染强度和污染特征还随填埋时间而不断发生变化。众多研究和实践表明， 填埋场渗滤液不仅难处理，并且处理费用很高。同时由于填埋场设计、施工和运 行监管的缺陷易使填埋场渗滤液控制系统发生故障，最终对填埋场地下水体造成 污染。1 9 7 7 年，美国1 8 5 0 0 个填埋场中几乎有一半对周围水体造成了污染【7 1 ，1 9 9 7 重庆大学博士学位论文 年英国4 0 0 0 个填埋场中对水体环境造成污染的比例也达到3 3 【8 】。我国现己建成 的卫生填埋场中同样有渗滤液污染周围环境的现象。因此为使城市垃圾卫生填埋 场真正成为“无害化”的城市垃圾处置方式，正确控制填埋场产生的渗滤液非常 关键。 1 1 2 研究意义 水乃人类生命之源，恒古至今，有水之地即人类栖息繁衍之处。随着人类社 会的发展及人民群众生活水平的提高，水环境污染日益突出，水资源短缺日趋严 重，水环境污染成为人类面临的重大环境问题之一，制约社会的发展。大量城市 垃圾卫生填埋场的建设，改善城市环境的同时，产生的垃圾渗滤液对城市水环境 带来严重威胁。 随着现代城市的迅速发展，人们在享受产业和科技革命所带来的辉煌的同时， 也体验到环境污染所造成的巨大危害，城市垃圾已成为困扰城市的严重问题。城 市垃圾是指人们在开发建设、生产经营、日常生活活动中向环境中排放的固态和 泥状的、对持有者己无利用价值的废弃物质。垃圾卫生填埋法由于成本低、技术 相对简单、处理迅速，是目前国内外应用最为广泛的垃圾处置方式。我国城市垃 圾处理中7 0 以上是采用卫生填埋法。无论是垃圾填埋场还是垃圾焚烧厂，垃圾在 堆放、填埋处理过程中，由于厌氧发酵、有机物分解、雨水冲淋、地下水浸泡等 原因产生多种代谢产物和水分，由此形成了成分复杂的高浓度有机废水一垃圾渗 滤液，未经处理的渗滤液流经地表或渗入地下水后，对环境造成严重的二次污染。 因此，垃圾渗滤液的污染控制也是垃圾无害化处理的重要组成内容，成为垃圾填 埋场及垃圾焚烧厂设计、运行和管理中非常棘手的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 防渗层研究现状 由于防渗层担负着填埋场渗滤液与地下水之间的屏障作用，其性能好坏将直 接关系到填埋场地下水体能否免受污染，故各国在制定有关防渗层严格的技术标 准的同时也进行了大量的研究工作。现代城市垃圾卫生填埋场的防渗主要采用士 工膜和粘土两种方式。 在有关粘土防渗层的研究中，最深入最完善的是有关土工参数对防渗层防渗 性能的影响的研究。m i t c h e l l 等( 1 9 6 5 ) 网，g a r e i a - b e n g o c h e a 等( 1 9 7 9 ) t 1 0 1 ，e l s b u r y 等 ( 1 9 8 9 ) t 1 ”，d a n i e l 和b e n s o n ( 1 9 9 0 ) t 1 2 1 ，m u r r a y 和r i x # 搴( 1 9 9 2 ) t 1 3 1 ，s h e l l e y 和d a n i e l ( 1 9 9 3 ) t m ，b e n s o n 和d a n i e l ( 1 9 9 4 ) t 1 5 1 ，c l a r k 和d a v i e s ( 1 9 9 7 ) 阍，l a n g d o n 等( 1 9 9 7 ) t 1 7 】 和b e n s o n 等( 1 9 9 9 ) t l s l 通过大量研究工作取得了土料组成特征( 粘粒含量、塑性指数、 砾石含量) 、压实含水量、压实干密度、饱和度、防渗层最小厚度、单层厚度、土 1 绪论 块大小、层间接合、碾压方式与碾压次数等土工参数对防渗层渗透性的影响程度 以及有关设计、施工要领。这些研究表明，大量的粘土均能满足压实后渗透系数 1 0 0c m s 的要求，但最重要的是必须首先确保在比最优含水量更湿的基础上压 实防渗层，其次才是压实比和土料有关指数( 液限、塑性指数) ，另外防渗层越厚也 有利于降低其渗透性。 对于在缺少粘土的地区建设卫生填埋场，b r a d e r i c k 和d a n i e l ( 1 9 9 0 ) “珂，c h a p u i s 等( 1 9 9 2 ) t 删，张波等( 1 9 9 7 ) 【2 ”，a l s t o n 等( 1 9 9 7 ) 心，t s a i 和v e s i l i n d ( 1 9 9 8 ) 吲，d e n n i s 和t u r n e r ( 1 9 9 5 ) 2 4 1 ，刘长札等( 2 0 0 0 ) 【2 钉已作了大量有意义的研究工作，即通过对当 地土壤进行改良以降低防渗层的渗透性，一般实验研究用改良剂包括石灰、普通 水泥、膨润土( b e n t o n i t e ) 和粉煤灰等。据c h a p u i s 等( 1 9 9 2 ) ，a l s t o n 等( 1 9 9 7 ) 报道， 膨润土改良的防渗层己用在实际工程中并取得了良好的效果。 此外，b o w d e r s 和d a n i e l ( 1 9 8 7 ) t 2 ”，h e t t i a r a t c i 等( 19 8 8 ) 口”，a c a r 和 h a i d e r ( 1 9 9 0 ) t 2 8 ，g i e s e 等( 1 9 9 1 ) t 2 9 ，f e r n a n d e z 和q u i g l e ( 1 9 9 1 ) 州，i , o 等( 1 9 9 7 ) p 【1 就渗滤液中的化学物质对防渗层的渗透性影响进行了实验研究，结果表明在一般 城市垃圾卫生填埋场渗滤液中，化学物质浓度较低而对粘土防渗层防渗稳定性没 有实质性影响。 在有关防渗层对污染物的净化性能研究中，e v a n s ( 1 9 8 9 ) 32 1 ，刘和平等 ( 1 9 9 7 ) u “，m o h a m e d 和y o n g ( 1 9 9 7 ) ，l i 和w u ( 1 9 9 9 ) 1 35 】等着重对微量重金属元素 在粘土防渗层中的阻滞机理及影响因素进行了研究，而有关渗滤液中有机物c r o c ， b o d ，c o d ) 在防渗层中的阻滞、转化及运移研究相对较少，且各研究者得出的结 论也不相同。在城市卫生填埋场渗滤液 3 6 1 _ 书中，作者介绍了几个不同研究 者得出的相互矛盾的研究结论。陈岳【3 铂和张澄博【3 跚也分别进行了渗滤液在模拟士 柱中的运移实验。刘长礼等( 2 0 0 0 ) 3 9 1 则在忽略粘土中微生物的生物净化作用基础上 就单位重量粘土的截污容量随密度变化的关系进行了系统实验研究，得出了实验 粘土的截污能力与密度无关的结论。从上述研究成果可以看出，有关防渗层对渗 滤液中污染物特别是有机污染物的净化性能目前还无法统一，为填埋场防渗层的 设计带来了一定的困难。 李启彬( 2 0 0 1 ) 1 4 0 l 在研究传统填埋场粘土防渗层设计时将防渗层防渗性能、净化 性能以及填埋场场址区水文地质特征、地下水环境容量有机结合进行了综合考虑， 但在考虑粘土防渗层的截污能力时只考虑了渗滤液中的无机物c l 。，而对填埋场渗 滤液最重要的污染特征有机污染物并未加以考虑，应该说是一个不小的遗憾。 1 2 2 填埋场水分运动规律研究现状 垃圾卫生填埋场中，对于建立合理的填埋场渗滤液处理设施，预测渗滤液的 水质及其产生速率是十分重要的。国外在2 0 世纪7 0 年代就开展了以预测渗滤液产 3 重庆大学博士学位论文 生速率及其水质为目标的填埋场水分运移数学模型的研究 4 1 1 。典型的水分运移模 型包括：s t r a u b 等【4 2 1 和k o r f i a t i s 等【4 3 1 的一维水分运移模型、h e l p 模型( h y d r o l o g i e e v a l u a t i o no f l a n d f i l lp e r f o r m a n c em o d e l ) 0 4 4 1 、f i l l 模型( f l o wi n v e s t i g a t i o nf o r l a n d f i l ll e a c h a t em o d e l ) j 。以渗滤液循环回灌为核心的生物反应器填埋技术是目 前国内外研究的热点领域，该技术通过控制填埋垃圾体内的水分，优化垃圾体内 的垃圾降解环境，加速垃圾的稳定化。目前国内外已开展了一些以模拟渗滤液循 环回灌条件下水分分布为目标的填埋场水分运移模型研究，m e e r e a n o r 等【4 7 】修改 的s u t r a 模型( s a t u r a t e d - - u n s a t u r a t e df l o wa n dt r a n s p o r tm o d e l ) ，王洪涛等【4 8 】提出 的三维饱和一非饱和非稳定流数学模型等。 现有填埋场内部的水分运移模型都借鉴多孔介质流体动力学的研究方法。各 种水分运移模型的基本特征是：视填埋场为由多孔介质组成的研究域，在其中任 选一代表性单元体，建立单元体的水量平衡方程，然后引入非饱和d a r e y 定律，由 此得到填埋场内部水分运移模型。各类模型的研究对象、类型及功能概况见表 1 1 4 9 1 。 表1 1 填埋场内部水分运移数学模型概况 t a b l e1 1o v e r v i e wo f m a t h e m a t i c a l m o d e lo f m o i s t u r e t r a n s m i s s i o n i n l a n d f i l l s 模型假设填埋场内部固体废物和覆盖物质为均质或非均质、各向同性或各向 异性的多孔介质；填埋场内部流动的液体为均质不可压缩流体，忽略水分因温度 或浓度变化造成的密度、粘度的变化；采用达西定律描述水分在填埋场内部的流 动；不考虑填埋气体对水分流动的影响。 模型研究 4 1 绪论 s t m u b 等【4 2 】4 ：1 k o r f l a t i s 等【4 3 1 假定垃圾为各向同性均匀介质，垃圾中的水分处于 非饱和状态，只考虑水分的竖向运动。根据达西定律和水量平衡方程，建立模拟 填埋柱内水分运动的一维非饱和流非稳定流模型。控制方程为： 挈：旦i d ：p ) 翌l 一型+ 钟o z l 色i瑟 式中，0 含水率； 卜时间； z 一单元体z 坐标； k ( 0 卜_ 非饱和渗透系数。 w 源或汇。 h e l p 模型为准二维准稳定流模型】。准二维是指对于垃圾层和中间覆盖层， 模型只考虑水分的竖向运动，雨对排水层则只考虑侧向运动。准稳定是指模型用 非稳定状态的水流路径公式( m o i s t u r er o u t i n ge q u a t i o n ) 计算单元层内的竖向运动， 而采用稳定状态的b o u s s i r t e s q 公式计算侧向排水层中的水流。单元层的水流路径公 式为： 单元层贮存水分的变化量= 排入水量、排出水量- 蒸发蒸腾量+ 回灌渗滤液水 量 侧向排水层中水流的b o u s s i n e s q 公式为： ，詈“。昙l - l s i n a ) 筹卜 式中，f 一有效空隙率( 空隙率减去田间含水率) ； h _ 一村垫层上饱和水面到基准面的高程； k d 一排水层饱和渗透系数； 】饱和层内水流沿衬垫排水距离； r 茳入排水层的水量； c i 剞垫层表面坡度。 f i l l 模型同时考虑填埋场内部水分的竖向运动和侧向运动，将模型扩展为二 维形式【4 l 】。根据水分饱和程度的差异，将填埋场内部分为上部非饱和区和底部饱 和区。上部非饱和区内，采用二维非饱和非稳定流公式描述水分的运动，不考虑 填埋场内部由于沉降等因素造成的持水能力( 田间持水量) 的变化，其控制方程 为： 詈= 昙 d p ) 箬 + 鲁 。警 一笔字 式中，d ( 9 卜一水分扩散率5 x 一单元体x 坐标。 底部饱和区采用饱和非稳定流公式，并考虑填埋场底部的坡度和粘土衬垫层的渗 5 重庆大学博士学位论文 漏，描述填埋场底部的渗滤液侧向流动和竖向流动，控制方程为： 昙卜 濮+ t a n 睇) 枷) 罢脚心。( 半) = ，等 式中，k 。饱和渗透系数； b 基质势( 或压力势) ； k ，一沉淀层饱和渗透系数 d 粘土层厚度。 m c c r e a n o r 等将修改后的美国地质局的二维饱和一非饱和非稳定流数学模型 s u t r a 用于模拟回灌条件下水分在竖直剖面上的运动 4 6 1 。模型统一表示饱和流和 非饱和流，其控制方程为： ( 泌，+ 哮) 害一v ( 字 陬一艘枷 式中，s ，也和度o p 液体密度； s 。，一比压力贮水能力； e 垃圾空隙率； v 拉普拉斯算子，v = 善+ ： k 一固相渗透系数； k ，相对渗透系数； u 粘度； p 重力加速度。 方程左边第1 项表示由饱和度或静水压力改变造成的垃圾单元体内贮水量的 变化；第2 项是由于压力势( 或基质势) 和密度变化造成的流体流动；方程右边为源 或汇。 王洪涛等【4 8 1 将描述回灌条件下的填埋体内水分运动模型扩展为三维的形式， 同时考虑到垃圾的不均匀性，建立了非均匀介质的饱和一非饱和流非稳定三维数 学模型，其控制方程为： 【c m 等= 昙卜o ) 卦号阳) 讣昙k o ) 卦等掣+ 矿 式中，c ( 1 l 卜容水度，饱和时为o 5 u + 贮水率，不饱和时为0 ； k ( h 卜_ 非饱和渗透系数； y 一单元体y 坐标。 模型统一表示饱和流和非饱和流，但运算时容水度【c 0 1 ) 】和贮水率( | l ) 并不同 1 绪论 时出现，因此也可以将上式分成饱和流公式和非饱和流公式。 模型参数 模型的参数主要包括：渗透系数、容水度、水分扩散率、含水率和垃圾的基 质势( 或压力势) ，这些参数一般由实测结果拟合的经验公式计算确定。描述各参数 之间关系的经验公式有如下2 种形式。 s t r a u b 经验公式【4 2 】： k p ，= 足。( 若 b ，少= 虬( 号 。 式中，0 ，一饱和含水率： b 渗透系数拟合参数； 1 l r 薏质势( 或压力势) ； 1 l r ，一饱和基质势( 或压力势) 。 b 一基质势缄压力势) 拟合参数。 c a m p b e l l 黜式： ，、3 + 兰 删“；( 器 4 式中，0r 团间含水率； 渗透系数拟合参数。 根据容水度和扩散率的定义，对s t r a u b 公式求导可得： 荆= 器西k p 将始 “1 c 晦鬻一生b h 附。h ) 上述描述垃圾填埋场的各种数学模型除h e l p 模型可用解析法求解之外，其 他模型的控制方程均为二阶偏微分方程，用解析法求解比较困难，一般采用数值 解法( 有限差分法或有限单元法) 求解。 模型的验证与模拟 王洪涛等 4 8 】用无限场流中的t h e i s 径流问题来检验饱和一非饱和非稳定流三维 数学模型，对一2 0 0 m 2 0 0 m 2 0 m ( t 4 ：宽高) 的虚拟研究域内的完整并排水 过程中离井不同距离的土水势变化进行了计算。结果表明，模型的数值解与t h e i s 公式解析解吻合程度很好，说明该模型及其解法程序是正确的。 k o r f i a t i 等【4 3 1 采用一直径5 6 5 c m 、高1 8 2 9 c m 的模拟填埋柱进行了为期2 0 0 d 的模 拟试验，分别对垃圾中初始含水率低于和高于田间含水率的2 种情况下，柱内各层 7 重庆大学博士学位论文 垃圾的含水率变化、产水速率和累积产水量进行了分析。结果表明，填埋柱横截 面上水分分布并不均匀，水分在填埋柱中的运动过程用流体在均匀多孔介质中的 一维非饱和非稳定流模型表示时存在误差。 s c l r o e d e r 等h 利用h e l p 模型模拟7 个填埋场的2 0 个填埋单元的渗滤液产生情 况，并与实测数据进行了比较。结果表明，整体而言h e l p 模型对于模拟填埋场水 量平衡是有效的，但就单个填埋单元而言，模拟结果与实测数据之