穩定化飛灰填埋場滲濾液產量預測

徐 輝,常紅晨,繆建冬,陳 萍*,詹良通,羅小勇 (.浙江理工大學建筑工程學院,浙江 杭州 008；.浙江大學,軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 0058；.南京市城市建設投資控股(集團)有限責任公司,江蘇 南京 0009；.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 0009)

目前,國內外處理生活垃圾的主要方式有衛生填埋、堆肥和焚燒[1].相對于衛生填埋和堆肥,垃圾焚燒具有無害化、減容化、減量化的優點.因此,近年來垃圾焚燒發展較快.其中,爐排爐和流化床是我國主流的垃圾焚燒爐類型,爐排爐和流化床垃圾焚燒廠煙氣凈化系統產生的飛灰分別約占其焚燒垃圾質量的1.5%～4.0%[2]和10%～20%[3].垃圾焚燒飛灰被國家標準定義為危險廢物.目前,國內主要采用水泥固化、熔融固化及重金屬螯合劑固化等方法對其進行無害化處理,經處理后的飛灰可進入填埋場進行填埋.其中,重金屬螯合劑的應用最為廣泛[4].然而,目前國內此類穩定化飛灰填埋場的建設剛剛起步,缺乏專門的設計標準與規范,主要參考生活垃圾填埋場的相關標準與規范.

滲濾液產量評估作為填埋場工程設計及環境影響評價的一項重要內容,對防治滲濾液造成的環境災害有關鍵作用[5-9].在滲濾液產量計算方法方面,歐美發達國家主要采用水量平衡計算簡式[10-12]和 HELP模型[13-14],我國則廣泛采用經驗公式法和水量平衡分析法[15].上述方法主要是針對生活垃圾填埋場,而關于惰性垃圾填埋場滲濾液產量評估方面的研究尚未見于文獻報道.考慮到穩定化飛灰的水力特性與生活垃圾之間存在較大差距,所以穩定化飛灰填埋場滲濾液產量的評估方法不可完全照搬生活垃圾填埋場.因此,建立針對穩定化飛灰填埋場的滲濾液產量評估方法顯得極其重要.

本文以我國南方某穩定化飛灰填埋場為研究背景,開展了穩定化飛灰的含水量及持水特性的測試.基于試驗結果,建立了考慮填埋進程、降雨入滲量、優勢流通道、穩定化飛灰產/吸水量等因素的填埋場滲濾液產量評估模型,并結合現場記錄數據對模型進行了參數率定.最后,利用建立的計算模型進一步分析了優勢流通道對滲濾液產量的影響,并提出了相應的工程建議.

1 材料與方法

1.1 現場取樣

本文研究的穩定化飛灰填埋場位于南方某城市, 所處地區為亞熱帶季風氣候,雨量充沛,2016年年降雨量達1776mm,年均氣溫為16.4℃.

該填埋場底部防滲層由雙層 HDPE防滲膜＋GCL(鈉基膨潤土墊)組成;滲瀝液收集導排系統包括庫底和邊坡收集導排系統兩部分,前者由300mm厚碎石層、主次盲溝以及盲溝中的HDPE穿孔管組成,后者由沿邊坡滿鋪的土工復合排水網構成.進場飛灰主要利用有機高分子螯合劑、石灰等進行穩定化處理,日均填埋量約142t.填埋場邊坡底部采用噸袋包裝穩定化飛灰后進行填埋,其余區域直接填埋.填埋作業面積約300m2,填埋作業完成后采用HDPE膜進行覆蓋.

填埋庫區平面布置如圖 1所示,其通過臨時隔堤劃分為3個填埋單元.自2015年12月～2016年11月,I單元共填埋穩定化飛灰51156.2t,填埋厚度為 3～6m.現場共設置 5個取樣點,均為穩定化飛灰直接填埋的區域,分別記作1#、2#、3#、4# 和5#,相應的填埋齡期依次為11個月、6個月、3個月、1個月和新鮮.利用鉆機在各取樣點0～0.5m、0.5～1.0m和1.5～2.0m埋深處進行了取樣,共獲得15個試樣.

圖1 填埋場平面布置Fig.1 Layout of the landfill

1.2 試驗方法

對獲取的穩定化飛灰試樣開展了顆粒分析、含水量、持水量等試驗,每項試驗平行開展2～3組.

穩定化飛灰的顆粒級配與含水量的測試方法參考土工試驗規程(SL237-1999)[16].其中,含水量試驗采用烘干法,烘干溫度控制在 60～70℃;顆粒級配試驗采用篩分法.

持水量試驗在自制的固結滲透儀中進行,如圖 2所示.固結滲透儀試樣筒直徑為 10cm,高為20cm.采用氣缸加載方式實現逐級加載,荷載施加范圍為 0～800kPa,控制精度為 3kPa.首先,將質量為ms(g)的烘干試樣裝入試樣筒內,記試樣及樣筒總質量為m(g).施加荷載第一級荷載,并在荷載作用下固結 24h,然后打開樣筒進出水閥門,使水從下部進上部出對試樣進行飽和.飽和完成后,打開樣筒底部出水閥門,進行重力排水.當出水口不再出水或出水量小于試樣總質量的0.1%時,認為試樣達到持水量狀態,記錄該級荷載作用下樣筒的總質量為 mp(g).繼續施加下一級荷載,重復上述步驟.荷載水平依次為 0、50、100、200和400kPa.各級荷載作用下穩定化飛灰的濕基持水量可用下式進行計算:

式中:Fw為濕基持水量,%; mp為指定荷載下樣筒及試樣的總質量,g; m為樣筒及烘干試樣的總質量,g; ms指烘干試樣的質量,g.

圖2 固結滲透儀Fig.2 Compression-permeability cell

2 結果與分析

2.1 顆粒級配

圖3 顆粒級配曲線Fig.3 Particle size distribution curves

圖 3為試驗得到的穩定化飛灰的顆粒級配曲線.從圖中可以看出,穩定化飛灰大于 2mm 粒徑質量占總質量的50.0%～70.2%,屬于砂礫類土.穩定化飛灰的不均勻系數Cu＞5,曲率系數Cc＜1,屬于級配不良土.

圖4為穩定化飛灰的平均粒徑d50與填埋齡期的關系曲線.從圖中可以看出,穩定化飛灰的平均粒徑d50介于1.10～2.78mm之間,并且隨著齡期的增長呈明顯的減小趨勢.這可能是由于空氣或雨水中夾帶的氧氣在一定程度上會造成穩定化飛灰結構的破壞[17],從而導致顆粒的細化,這種影響隨著齡期的增長而愈加明顯.

圖4 平均粒徑隨填埋齡期的變化Fig.4 Variation of mean particle size with filling age

2.2 含水量

圖 5為不同齡期穩定化飛灰的含水量隨埋深的變化曲線.從圖中可以看出,穩定化飛灰的含水量分布范圍較廣,介于18.6%～46.4%之間.穩定化飛灰的含水量隨著埋深的增大均呈減小趨勢.例如,對于齡期 11個月穩定化飛灰,平均埋深從0.25m 增大至 1.75m,其含水量從 46.4%下降至37.4%.此外,穩定化飛灰的含水量隨著齡期的增長呈增大趨勢.例如,對于平均埋深為1.75m的穩定化飛灰,齡期為0、1、3、6和11個月時,相應含水量分別為16.6%、20.0%、22.8%、32.5%和37.6%.初步推測造成這種現象的原因主要為:穩定化飛灰的齡期越長,且越接近表層,受雨水入滲的影響就越顯著, 因此含水量就越高.

2.3 持水量

圖 6為不同齡期穩定化飛灰的持水量與上覆應力的關系曲線.從圖中可以看出,在 0～400kPa上覆應力作用下,穩定化飛灰的持水量介于 15.0%～51.4%之間.隨著上覆應力的增大,穩定化飛灰的持水量呈顯著減小趨勢,但這種減小趨勢逐漸變緩.這主要是由于隨著上覆應力的增大,穩定化飛灰的孔隙比逐漸減小,從而造成持水能力下降.此外,當上覆應力為 200kPa時,新鮮、1個月、3個月、6個月和11個月的穩定化飛灰的持水量分別為 17.9%、22.87%、18.9%、26.0%和 47.1%.可以看出,穩定化飛灰的持水量隨著齡期的增長呈明顯的增大趨勢.

由上述分析可知,穩定化飛灰的持水量受應力和齡期作用的影響較大.為了預測給定埋深和齡期的穩定化飛灰的持水量,基于上述試驗數據,建立了持水量計算模型,其表達式如下:

式中: σ為上覆應力,kPa; t為齡期,月.從圖6可以看出,計算結果與試驗數據吻合較好.

圖 7為相同齡期和埋深處穩定化飛灰的持水量與含水量的差值 Δ.從圖中可以看出,Δ介于2.6%～13.7%.由此可知,從填埋場開始運營起 11個月內,填埋場底部導排層收集到的滲濾液主要不是由于穩定化飛灰的含水量超過持水量而產生.初步推測是由于雨水入滲后經穩定化飛灰填埋體內大孔隙的優勢流通道直接流入底部導排層中.優勢流通道產生的原因主要是穩定化飛灰未經過充分壓實即進行填埋,容易在粗顆粒之間產生大孔隙.

圖6 持水量隨上覆應力的變化Fig.6 Variations of moisture retention capacity with stress

圖7 持水量與含水量差值Fig.7 Difference between moisture retention capacity and moisture content

2.4 顆粒級配與含水量和持水量的相關性

圖 8為穩定化飛灰的平均粒徑與平均含水量和持水量(0kPa)之間的關系曲線.可以看出,穩定化飛灰的持水量與平均粒徑之間呈現明顯的線性關系,兩者的相關性較好,擬合度 R2=0.982.這主要是因為平均粒徑會影響孔隙的大小及其分布,進而影響持水量[18].因此,對比分析圖 4和圖6可知,造成3個月齡期試樣持水量偏低的原因主要是其平均粒徑偏大.此外,穩定化飛灰的含水量與平均粒徑之間也基本呈線性關系,線性擬合度 R2=0.932.這主要是因為隨著填埋齡期的增長,穩定化飛灰結構的破壞造成粒徑的細化,而雨水入滲則導致含水量的增大.

由上述分析可知,穩定化飛灰的顆粒級配與持水量、含水量均存在一定的相關性.此外,當顆粒級配不良時,容易在顆粒間形成大孔隙,從而造成優勢流現象的發生.由此可知,穩定化飛灰的顆粒級配在一定程度上會影響填埋場底部導排層的滲濾液產量.

圖8 平均粒徑與含水量和持水量的關系曲線Fig.8 Relationships of particle size versus moisture content and moisture retention capacity

3 飛灰填埋場滲濾液產量評估

3.1 計算方法

圖9為該穩定化飛灰填埋場I單元的填埋作業進程概化模型.

根據現場實測和記錄結果,填埋作業情況可以簡化為: (1) I單元長175m,寬60m;每個月完成一個填埋區的填埋作業,填埋區長60m、寬25m、厚3m,月均填埋量為4263t;每個填埋區進一步分為5個填埋塊,填埋塊長12m、寬25m、厚3m;每個填埋塊分6層進行填埋,每天填埋一層;填埋作業按照圖9填埋次序進行,其中(i, j)表示第i個填埋區第j個填埋塊.(2)于2015年12月～2016年6月完成I單元第一臺階所有填埋區的填埋作業(圖 9左);之后,繼續往上堆填,截止2016年11月,已完成第二臺階5個填埋區的填埋作業(圖9右).

建立水量平衡方程.穩定化飛灰填埋場的滲濾液產量 Q(m3)主要來源于底部導排層收集水量Q1(m3)和道路及運輸車輛沖洗水量Q2(m3).其中底部導排層收集水量 Q1(m3)包括填埋覆蓋區域的降雨入滲量 Qa(m3)和初期未填埋區域降雨入滲量 Qb(m3)兩部分.填埋場的滲濾液日均產量的表達式如下:

圖9 I單元的填埋進程簡化模型Fig.9 Simplified model of landfill process for section I

3.1.1 降雨入滲量 Qa由 2.3節可知,截止2016年11月,穩定化飛灰的持水量要高于含水量,故期間穩定化飛灰只吸收水分而不產生滲濾液.底部導排層收集到的滲濾液量主要來源于沿優勢通道下滲的降雨入滲量.這里采用簡化的雙孔隙模型計算 Qa.考慮到穩定化飛灰的粒徑接近于砂類土,其優勢通道體積占總孔隙的比值η根據文獻取10%[19].由于本填埋場中噸袋包裝飛灰填埋量占總填埋量的比例較低,噸袋與邊坡處形成的孔隙不予考慮.因此,雨水入滲后,90%的水量進入到穩定化飛灰小孔隙中,提高了穩定化飛灰的含水量,10%的水量則通過優勢通道進入到底部導排層中.采用浸出系數法[20]計算填埋覆蓋區域的降雨入滲量,從而得到Qa的計算公式如下:

式中:I(t)為第td的降雨量, mm/d; A1和A2分別為填埋作業單元和中間覆蓋單元的橫截面積, m2;C1和C2分別為填埋作業單元和中間覆蓋單元的浸出系數; η為穩定化飛灰體中優勢通道體積占總孔隙的比值.

3.1.2 降雨入滲量QbQb同樣采用浸出系數法進行計算,其計算公式如下:

式中:A’2為填埋初期未作業區的面積,m2;至2016年 7月,I單元填埋區已被穩定化飛灰完全覆蓋,故當 t＞210d 時, Qb=0.

3.1.3 沖洗水量 Q2根據現場觀測評估結果,道路及車輛沖洗水量約為每 d 5m3,產生的污水直接進入滲濾液調節池中.因此, Q2取值為

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3.2 模型驗證

3.2.1 參數確定 根據填埋場實際填埋作業情況,填埋作業面積A1約為300m2;參照生活垃圾填埋場的浸出系數取值標準[20],這里取填埋作業單元的浸出系數 C1為 0.8;中間覆蓋單元的浸出系數C2通過穩定化飛灰體內的水量平衡進行確定,即根據穩定化飛灰的含水量剖面的變化反算進入到穩定化飛灰小孔隙中的水量.

穩定化飛灰體累積吸水量 Qt可用下式進行計算:

式中:M月為穩定化飛灰月均填埋量,t;Wj表示第j個月時穩定化飛灰沿埋深方向的含水量平均值,可根據式(2)進行計算;ww0為穩定化飛灰的初始含水量,根據取樣測試結果,前 5個月取 ww0=19.85%,5個月后取 ww0=17.55%;ρw為水的密度,取值1.0t/m3;t為計算時間,月.

降雨入滲進入到穩定化飛灰體小孔隙中的水量按以下公式進行計算:

圖10為C2分別取值0.2、0.3和0.4時,穩定化飛灰體內累積吸水量與累積降雨入滲量的對比結果.從圖中可以看出,當C2為0.3時,兩者最為接近.因此,本文分析中取C2=0.3.

圖10 穩定化飛灰體累積吸水量與累積入滲量Fig.10 Water quantity from absorption of stabilized fly ash and rainfall infiltration

3.2.2 滲濾液產量評估 圖11為根據上述方法計算得到的滲濾液累積產量隨時間的變化.截止2016年9月,滲濾液總產量為 2903m3.進入到底部導排層的水量 Q1為 1406m3,占滲濾液總產量48%,其中,填埋覆蓋區域和初期未填埋區域的降雨入滲量Qa和Qb分別為598和808m3.道路及車輛沖洗水累積產量 Q2約 1500m3,占滲濾液總產量 52%. 因此,建議改用節水型沖洗裝置, 以減少穩定化飛灰填埋場滲濾液總產量.

圖11 滲濾液產量計算結果Fig.11 Calculation results of leachate production

根據現場觀測結果,至2016年9月底,調節池庫容剛好達到滿負荷狀態,即滲濾液收集總量約為 3200m3.由此可見,實測結果與評估計算結果較為接近.因此,本文提出的穩定化飛灰填埋場滲濾液產量計算模型是較為可靠的,可以為類似穩定化飛灰填埋場的滲濾液產量評估提供參考.

3.3 優勢流通道對滲濾液產量的影響

由于噸袋一般為疏水材料,采用噸袋包裝飛灰填埋時,容易阻隔入滲雨水與飛灰的接觸,從而減少了飛灰的吸水量,降低了對飛灰自身儲水能力的利用;其次,噸袋之間以及噸袋與邊坡處土工合成材料之間容易形成大孔隙,增大優勢流通道比例,進而增加了滲濾液產量.因此,建議在做好雨污分流、臨時覆蓋等措施的同時,在填埋前還應對穩定化飛灰進行充分壓實,且應盡量減少噸袋包裝飛灰的填埋量.上述措施不僅可以減少優勢通道體積,而且能夠增大填埋庫容并有利于填埋堆體的穩定.

圖12 優勢流對滲濾液產量的影響Fig.12 Effect of preferential flow on the leachate production

4 結論

4.1 穩定化飛灰的不均勻系數 Cu＞5,曲率系數Cc＜1,屬于級配不良土,容易在顆粒間形成優勢流通道;含水量介于18.6%～46.4%之間,隨埋深的增大而減小,隨齡期的增長而增大;持水量介于15.0%～52.4%之間,隨上覆應力的增大而減小,隨齡期的增長而增大;平均粒徑與持水量和含水量之間均呈線性相關.

4.2 建立了考慮埋深和齡期影響的持水量計算模型, 用于預測任一齡期和埋深處穩定化飛灰的持水量.

4.3 建立了考慮填埋進程、降雨入滲量、優勢流通道、穩定化飛灰產/吸水量等因素的填埋場滲濾液產量預測模型,計算得出:穩定化飛灰填埋場滲濾液產量主要來源于降雨入滲量和運輸車輛沖洗水量,分別占比48%和52%;穩定化飛灰體內優勢流通道對滲濾液產量的影響較為顯著.

4.4 建議對穩定化飛灰進行充分壓實后再填埋,以減少優勢流現象的發生,同時改用節水型車輛沖洗裝置,最終降低穩定化飛灰填埋場滲濾液總產量.

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