城市生活垃圾渗透系数测试研究

1　引　言
渗滤液在填埋体内的流动和水分分布是生物反应器填埋技术应用的关键[ 1 ] ,而垃圾的渗透性是影响填埋体内水流运动和水分分布的主要因素。因此,确定垃圾的渗透性对于生物反应器填埋技术中回灌和收集设施的设计非常重要。垃圾的渗透系数可采用现场试验确定,Oweis等[ 2 ]和Townsend等[ 3 ]分别采用抽水试验和大尺寸试坑渗漏试验,测试了实际填埋场中垃圾的渗透系数[ 2, 3 ] ,现场测得的渗透系数值相差几个数量级( 1E26～1E23 cm / s) 。由于现场试验成本高,测试结果差异较大,因此采用实验室方法确定垃圾的渗透系数有重要的意义。
Grace等[ 4 ] 、Korfiatis等[ 5 ]和陆晓平等[ 6 ]采用常水头测渗装置,分别对取自填埋场的垃圾进行实验室测
定,由于采用的测试容器较小(直径不超过10 cm) ,所得测试结果的代表性较差。Chen等[ 7 ]采用上流式常水头渗透系数法,利用直径38 cm,高122 cm的容器分别对纸、纸和塑料的混合物以及纸、塑料和庭院垃圾的混合物进行测试,其测试物质不能完全代表实际填埋场的垃圾。垃圾的渗透性与垃圾的性质和垃圾的压实程度密切相关,与稳定化垃圾(陈垃圾)相比,新鲜垃圾含水率高,有机质含量大,新鲜垃圾和陈垃圾的渗透性必然存在差异。比较新鲜城市生活垃圾和陈垃圾的渗透系数的实验研究还未见报道。本研究的目的是确定这2种不同性质的垃圾
在不同压实密度下的渗透性。
2　实验部分2. 1　测试装置
测试柱直径38 cm,高120 cm。PVC管,壁厚112 cm。用PVC平板封底,厚1. 2 cm。距管底10 cm处设支撑平板,厚1. 0 cm。支撑板上开孔,孔直径0. 5 cm,开孔间距2 cm ×2 cm。测试柱侧壁离底面5 cm高处设一内径为2 cm的进水口,进水口向上每隔15 cm设一测压孔,孔径0. 5 cm。测压孔连接高3. 5 m的水柱测压管。测试柱侧壁上设高度为
60 cm,宽4 cm的视窗。装置示意图见图1。

图1　渗透系数测试装置示意图
Fig11　The apparatus for hydraulic conductivity measurement
3套测试装置的进水口并联,由同一个高位水箱供水,以同时控制3个测试柱内的水力梯度。
2. 2　实验材料
新鲜垃圾取自上海市某居民区生活垃圾压缩转运站,取样当天从20箱垃圾中随机取4箱。陈垃圾取自上海市老港填埋场,填埋龄3 a。新鲜垃圾的成分为:食品垃圾(厨余果皮类垃圾)占69. 1% ,塑料占10. 0% ,纸张占14. 0% ,玻璃占1. 6% ,织物占3.5%,金属占0. 4% ,其他1. 4% ,均以质量比例计。陈垃圾中:塑料13. 5% ,织物0. 5% ,纸张1. 5% ,金属2. 5% ,玻璃3. 0%,竹木2. 5%,其他渣土碎石碎屑76. 5%。
垃圾装填前将金属、玻璃容器等大块难破碎物剔除,并对塑料等较大物料破碎至特征粒径小于415 cm。人工混合垃圾,采用4分法均匀等分垃圾,每份垃圾重约5 kg,装袋备用。
2. 3　垃圾装填
根据设定的装填垃圾压实密度,确定分层装填垃圾量。装填时,先在垃圾柱底部放一层约10 cm厚的陶粒层,之后分层压实(每放入一层5～10 cm松散垃圾后即压实) 。压实采用人工方法,压实工具为金属杆(直径2 cm镀锌水管)和圆盘锤(直径12 cm) ,以模拟实际填埋场钢轮压实机的压实作用。每次装一定量垃圾压实到一定厚度后,开始自下而上缓慢进水,以保证垃圾充分浸润饱和,同时尽量避免水流对垃圾的浮力抬升作用。当压实垃圾表面有水溢出时,再填入下一层垃圾,重复压实和浸润过程。最终垃圾压实厚度约60 cm。用顶盖压住垃圾,避免垃圾随水流上浮。
2. 4　测试方法
采用常水头渗透系数测试法,由高位水箱同时向3个测试柱供水。根据高位水箱的液面高度、出水口水位和测试柱中垃圾层的高度,确定测试时的水力梯度,其取值分别为0. 5、1. 0、2. 0。不重新装填垃圾,水力梯度由小到大进行测试。垃圾的压实密度分别为:新鲜垃圾, 0. 50、0. 75、0. 95 t/m3 (分别记为新1、新2、新3) ;陈垃圾, 0. 95、1. 20、1. 40 t/m3(分别记为陈1、陈2、陈3) 。供水一段时间后开始测试,待测压管读数稳定后开始记录测试结果。测试过程中发现,新1和陈1在水力梯度为0. 5 (最小值)时,水流速度过大,不符合达西定律中水流为层
流的要求,不适于采用达西定律计算渗透系数。由于实际填埋场内垃圾的压实密度也不会如此之低,故不再进行这2个压实密度下的渗透实验。另外,新2和新3在水力梯度为0. 5时不出水,水力梯度达到113时,才开始有水流出,因此,新鲜垃圾的渗透系数测试过程中水力梯度的变化次序为: 1. 3、2. 0、015。
2. 5　计算方法
根据设定的水力梯度和测得的出水流量,利用

3　结果与讨论
3. 1　测试数据稳定过程
渗透系数随测试时间变化过程见图2。初始阶段,新鲜垃圾的水流通量极小;计算渗透系数甚低,之后迅速上升,达到峰值后逐渐下降,直至走平。陈垃圾柱的渗透系数测试初始阶段没有出现水流通量极小的情况,初始阶段垃圾的渗透系数曲线迅速上升,达到峰值后缓慢下降,最后逐渐走平。

图2　渗透系数随时间变化的测试值
Fig. 2　Temporal p rofile of hydraulic conductivity
of different test columns
对于新鲜垃圾,由于垃圾表面具有憎水性,因而垃圾装填过程中虽采取了强化垃圾饱和的措施,但憎水性表面附着的空气仍可能使垃圾处于不饱和状态,因而初始阶段测试柱的水流通量极低。随后,在水流的作用下,一方面垃圾中残留的空气逐渐被水流带出,垃圾的饱和度提高,另一方面,水流的冲击作用也使得垃圾内部出现较大孔隙,使水流通量迅速增大,这种过程在测试柱内自上而下进行,一定时间后,水流穿透测试柱,表现为渗透系数迅速增大,
直至出现一个峰值。对于陈垃圾,由于降解作用,垃圾憎水性表面少,易于饱和,因而初始阶段渗透系数远大于新鲜垃圾,而未出现渗透系数极低的情况。比较初始阶段不同压实密度下垃圾渗透系数的峰值:新鲜垃圾压实密度为0. 75 t/m3 时的渗透系数峰值( 4. 9E23 cm / s)大于压实密度为0. 95 t/m3的测试柱(3. 4E23 cm / s) ;而对于陈垃圾,压实密度为1. 2 t/m3 时峰值为3. 3E23 cm / s,而压实密度为1. 4 t/m3 时仅为5. 0E24 cm / s。这说明,压实密度越
大,初始阶段水流的作用对测试柱内部垃圾的冲击作用越小。
渗透系数值随后逐渐下降直至走平的原因,可能是垃圾柱内部小颗粒物料随水流的运动。小颗粒物料在水流的作用下向上运动,在测试柱上部局部积累和重新排列,从而使测试柱渗透系数值逐渐减小,最终趋于稳定。为了验证小颗粒的局部积累和重新排列对垃圾渗透性的影响,对垃圾中细小颗粒的渗透系数值进行了测试。实验材料为经1 mm方孔筛筛得的垃圾颗粒,装填入一直径9 cm,高30 cm的有机玻璃柱内,测试渗透系数。垃圾压实密度为
1. 0 t/m3 ,测得细小颗粒层的渗透系数值约为1E25cm / s (见图3) ,该值小于新鲜垃圾和陈垃圾的测试结果。这说明小颗粒的局部积累和重新排列是渗透系数测试值随时间逐渐下降直至走平的重要原因。

图3　小颗粒渗透系数的测试结果
Fig13　Temporal p rofiles of hydraulic conductivity
of the small particle column
3. 2　新鲜垃圾和陈垃圾的渗透系数
根据测试稳定后的出水流量和水力梯度,分别计算各工况下的渗透系数值,计算结果见表1。新鲜垃圾在压实密度为0. 75～0. 95 t/m3 时,渗透系数值为1. 04E203～1. 61E203 cm / s,陈垃圾在压实密度为1. 2 ～1. 4 t/m3 时,渗透系数在1. 11E204 ～1113E203 cm / s之间。

相同的压实密度下,新鲜垃圾的渗透系数小于陈垃圾:压实密度同为0. 95 t/m3 时,新鲜垃圾的渗透系数为1. 49E203 cm / s,而陈垃圾则水流通量过大,测得结果无法用于渗透系数的计算。垃圾的孔隙率、孔隙大小和联通程度是决定垃圾的渗透性的主要因素。垃圾的孔隙率可由垃圾颗粒的真密度和压实密度计算而得,新鲜垃圾的真密度为1. 2～1. 3 t/m3 ,而陈垃圾的真密度为1. 8～2. 1 t/m3[ 8, 9 ] 。在相同的压实密度下,陈垃圾的孔隙率远大于新鲜垃圾。由计算可得,压实密度为0195 t/m3时,新鲜垃圾的孔隙率为30%左右,而陈垃圾的孔隙率大于50%,因而相同压实密度下陈垃圾的渗透系数必然大于新鲜垃圾。计算得压实密度为0. 95 t/m3 的新鲜垃圾和压实密度为1. 2 t/m3 的陈垃圾的孔隙率均为30%左右,虽然2种垃圾中的孔隙大小和联通程度必然存在差异,但由于孔隙率相近,因而测得2种垃圾的渗透系数相近,都在1E23 cm / s左右。
3. 3　压实密度对渗透系数的影响
压实密度对2种垃圾的稳定后渗透系数值的影响不同。对于陈垃圾,压实密度越大,渗透系数越小,压实密度从1. 2 t/m3 增大到114 t/m3 时,渗透系数减小了84%。而对于新鲜垃圾,渗透系数随压实密度增大而减小的关系并不明显,比较压实密度分别为0. 75和0. 95 t/m3 的结果,压实密度大的测试柱渗透系数反而较大,这与其他文献的结果是相悖的[ 6 ] 。考察2个压实密度下新鲜垃圾测试柱不同高度的渗透系数(图4)发现:压实密度为0195 t/m3 的测
试柱,沿水流方向(自下而上)渗透系数逐渐减小,而压实密度为0. 75 t/m3 的测试柱中段渗透系数明显较大, 而上段渗透系数最小, 且与压实密度为0195 t/m3的测试柱的上段结果相近。这表明压实密度较小时,水流运动对测试柱内垃圾的冲击显然较大;压实密度较小时,测试柱内易出现大孔隙沟道流,使垃圾的渗透性明显增大。而在测试柱上段,由于垃圾中的小颗粒的夹带迁移、局部富集和重新排列的作用,使此段垃圾的渗透系数最小。压实密度较大时,测试柱内水流冲击造成的大孔隙沟流作用并不显著,垃圾颗粒的重新排列使垃圾的渗透性沿水流方向逐渐降低。由于垃圾成分相同,两种压实密度下垃圾中小颗粒物质相似,水流的夹带迁移作用使小颗粒物质在测试柱顶部富集重排,从而使得测试柱顶部渗透系数值相近,因而不同压实密度下测试柱的平均渗透系数值相近。

图4　测试柱不同高度的渗透系数
Fig. 4　Hydraulic conductivity at different altitudes
3. 4　测试条件对渗透系数测定值的影响
3. 4. 1　水力梯度
根据达西定律,水力梯度与垃圾的渗透系数无关。但实验过程中水力梯度对渗透系数测试结果却有较大影响。水力梯度过小,水流无法克服垃圾的阻力而穿透测试柱,而水力梯度过大,会因水流量过大而造成对垃圾颗粒的夹带迁移作用较大,使垃圾中孔隙的结构发生较大的改变,从而影响测试结果。本实验中,新鲜垃圾初始时刻水力梯度为0. 5时,未形成水流,而水力梯度从1. 3增大到2. 0时,除末端外,测试柱其他各段渗透系数增大了40% ～70%。
考虑到实际填埋场中非饱和状态下渗滤液重力自流时的水力梯度为1,因此,实验室内测试渗透系数时,应将水力梯度控制在1左右。
3. 4. 2　测试时间
本研究采用的上流式常水头渗透系数测试方法参照的是土壤渗透系数测试方法[ 10 ] 。土壤和城市生活垃圾的性质差异,使得垃圾渗透系数的测试过程必然与土壤测试存在差异。在土壤渗透系数测试中,土壤的孔隙结构几乎不发生改变,而由于测试柱内水流对垃圾颗粒物的夹带迁移作用,垃圾内部孔隙结构的改变,会使实验过程中渗透系数值随时间变化。垃圾的渗透系数测试的所需的时间应比土壤测试更长。本实验中,新鲜垃圾测试柱在150～170h后逐渐稳定,陈垃圾柱在150 h后渗透系数值逐渐稳定,因此,垃圾的渗透系数测试时间应大于150 h。
实际填埋场中,在水流对小颗粒物质的夹带迁移作用下,填埋层底部小颗粒物质的累积和重新排列同样会使排水层之上的垃圾层渗透性逐渐减小。本研究观测的结果间接地反映了填埋场内垃圾渗透系数的变化过程,同时测得的结果可作为填埋场内渗滤液回灌和收集设施设计的依据。
4　结　论
(1)新鲜垃圾压实密度为0. 75～0. 95 t/m3 之间时,渗透系数值约为1. 26E203～1. 43E203 cm / s。陈垃圾在压实密度分别为1. 2和1. 4 t/m3 时,渗透系数为8129E204和1. 35E204 cm / s。垃圾的组成和孔隙率的差异是造成垃圾的渗透性不同的重要原因。
(2)垃圾的渗透系数受压实密度和垃圾组分的影响。对于陈垃圾压实密度越大,渗透系数越小。而新鲜垃圾则由于其不均匀性和垃圾颗粒局部累积与重新排列,使压实密度与渗透系数测试值的相关性不十分明显,但压实密度较低时,测试柱中易形成大孔隙沟流,使测试柱内局部渗透系数增大。
(3)测试过程中水流对小颗粒物质的夹带迁移而导致的小颗粒物质的局部累积、重新排列的作用和测试柱内部沟流的形成,使测试柱上部边界处的渗透系数最小。小颗粒物质随水流的运动与大孔隙水流通道的形成和改变,是测试过程中垃圾渗透系数变化的原因。
(4)与典型的土壤渗透系数测试相比,测试城市生活垃圾的渗透系数时,水力梯度应控制在1左右,测试时间应大于150 h。
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17
作者简介:瞿贤(1979～) ,男,上海奉贤人,博士研究生,主要从事固
体废物处理与资源化的研究工作。
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