基于滲透特性的MSW顆粒組成和結構分析

秦 蕊,柯 瀚*,胡 杰,蘭吉武

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基于滲透特性的MSW顆粒組成和結構分析

秦 蕊1,2,柯 瀚1,2*,胡 杰1,2,蘭吉武1,2

(1.浙江大學,軟弱土與環境土工教育部重點實驗室,浙江 杭州 310058；2.浙江大學巖土工程研究所,浙江 杭州 310058)

在南方某填埋場埋深5~30m范圍內取6組重約5kg的試樣,對其進行篩分與分揀,研究垃圾顆粒組成隨埋深的變化規律,同時對不同荷載作用下的垃圾試樣進行染色切片,對比分析上覆壓力對垃圾內部結構的影響.結果表明:對于不同埋深的城市固體廢棄物,細顆粒(0D,即粒徑<2cm)所占比例最大,幾乎均超過50%,粗粒中2D顆粒所占比例最高,而塑料在2D顆粒中占比最大;隨著荷載的增大,細粒含量增加,大孔隙和優先流通道減小.上覆壓力主要通過減少垃圾內部孔隙通道,進而減小滲透系數;2D顆粒在荷載的作用下能定向排列,使滲流路徑發生曲折,進而導致滲流各向異性.2D顆粒的定向排列是垃圾滲流各向異性產生的關鍵因素,其中塑料又是其最重要的因素.

城市固體廢棄物(MSW)；滲透特性；顆粒組成；2D顆粒；內部結構

填埋目前是國內外城市固體廢棄物(MSW)最常用的處置方法[1-2].為加快MSW降解和穩定化過程,同時防止封場后造成滲濾液污染,垃圾填埋場常作為生物反應器,需加強堆體內液體的再循環,MSW的滲透特性會影響注入液體在堆體內的流動及分布.此外,我國填埋場垃圾堆體水位往往較高,為防止填埋場發生滑坡、污染等危害,一般采用豎井或水平井(或盲溝)進行抽排,MSW的滲透特性則會直接影響滲濾液的收集與導排[3-4].因此,滲透性是填埋垃圾的重要特性之一[2].

目前,國內外學者對填埋體滲透系數已進行了大量的研究,他們通過室內[5-10]及現場試驗[11]測得垃圾土的飽和滲透系數主要分布在10-2~-10-7cm/s之間,各向異性值在1~10之間[12-13],同時發現填埋體滲透系數隨埋深、荷載的增加而減小[1,6].

生活垃圾組分多樣,顆粒尺寸、形狀及排列方向也各不相同,從而形成了特有的結構及滲流特性.基于顆粒維度,Kolsch[14]將垃圾分為0D、1D、2D、3D 4類,根據其對滲透特性的潛在影響,Velkushanova等[15]對垃圾顆粒分類定義如下: ①0D顆粒:各維度尺寸均小于一特定小值的顆粒;②1D顆粒:如繩等的細長組分;③2D顆粒:一些扁平的組分,一般會在垃圾中形成優先流通道,對滲流特性影響較大;④3D顆粒:各維度尺寸都較大的組分,如磚、石塊等.1D和3D顆粒一般含量較少,故通常不考慮其對滲流特性的影響.基于此,學者們從垃圾組分方面展開研究, Caicedo等[16-17]發現隨垃圾降解,0D與2D顆粒含量上升.且2D尺寸越大,含量越高,對滲透系數影響也越大.但其僅針對2個降解程度下的垃圾試樣進行研究.

分形幾何是用來描述自然界不規則及雜亂無章的現象和行為,多年以來,國內外對土壤分形特征的研究取得了顯著進展.劉毅等[18-19]發現分形維數與土體粒徑密切相關,細粒含量越多,分形維數也越大.且土樣的滲透系數隨著顆粒粒徑分布分維值的增大有減小的趨勢.垃圾中細粒(0D顆粒)性質與土壤類似,是具有自相似結構的多孔介質,因此也具有一定的分形特性.基于此,Caicedo[16]將分形理論應用到MSW上,發現分形模型可較好地描述MSW細粒顆分曲線.目前對MSW在該方面的研究還比較少.

垃圾土滲流具有明顯的優先流與各向異性,顆粒組成和內部結構特征是影響垃圾滲透性能的最本質因素[1],目前國內外學者對垃圾滲透特性的研究還主要集中于滲透系數的測試,這僅能得到滲透系數的變化規律,對于其內在產生發展機理沒有很好的解釋.基于此,本文主要從垃圾顆粒組成及內部結構角度來研究其滲流特性,具體做法為在南方某填埋場取樣,對6個不同埋深處垃圾進行篩分與分揀,研究不同維度、不同組分顆粒分布及其隨埋深變化情況;此外,根據該填埋場垃圾組分配比自制試樣,對不同荷載下試樣進行冰凍染色切片,研究內部結構隨應力的變化.并在此基礎上進一步探討顆粒組成及結構對滲透特性的影響.

1 材料與方法

1.1 垃圾篩分及分揀試驗

1.1.1 試驗材料 南方某填埋場屬于典型的山谷型填埋場,采用分區域分層填的作業方式,日填埋量為8 000t.本次試驗試樣取自該填埋場的臨時封場區域,該區域地勢平坦,采用一層2mm厚的HDPE膜覆蓋,通過水平盲溝進行滲濾液導排,場區滲濾液水位埋深約為5m.分別在深度為5,10,15,20,25,30m處進行鉆機勘探采樣,每一深度各取3組試樣并混合均勻堆成錐形,按四分法取重約5kg的試樣,所取試樣如圖1所示.由圖1(a)、(b)可較容易地分辨出垃圾的組分,圖1(c)、(d)、(e)、(f)試樣變暗,垃圾較之前明顯降解.

1.1.2 試驗方法 垃圾土組成復雜,學者們對于細粒與粗粒粒徑的劃分也存在不同的看法,Kolsch[14]認為細粒尺寸應小于8mm;而Velkushanova[15]將0D顆粒視為基質,他認為2D顆粒尺寸應至少為基質的5倍;Caicedo[16]認為細粒與粗粒的劃分與其相對尺寸及含量有關.因此到目前為止,對于細粒與粗粒粒徑的劃分還沒有統一的定論.參考前人做法,并考慮組分視覺上的可分辨性,本試驗將20mm作為粗細垃圾的區分粒徑.

圖1 垃圾樣品

圖2 試驗流程

試驗采用如圖2所示的流程進行.首先將試樣放在70℃的通風條件下烘干48h.鑒于填埋場垃圾中細粒含量較高,試樣烘干后采用20mm篩孔對試樣進行初篩,得到篩下細粒即所謂的0D顆粒,參照土體篩分方法對其進行干篩,便可得到其級配曲線.之后對篩上垃圾進行人工分揀,從而確定1D(繩、木棒)、2D(塑料、玻璃、織物、橡膠等)與3D(磚、瓦、石)3個維度顆粒組分的百分含量.最后分析不同埋深下細粒級配及2D組分含量變化規律,以探討其對滲透特性的影響.

1.2 染色切片試驗

1.2.1 試驗材料 垃圾內部孔隙結構主要受上覆應力影響,為確保試樣的均質性,在此參照上述填埋場新鮮垃圾配比數據人工配制新鮮垃圾50kg,其中垃圾試樣中各大組分均采用人工手剪的方式剪碎至2cm,之后放到垃圾降解儀中降解1個月,降解儀結構及功能如王文芳[20]所述.垃圾取出時伴有強烈的氣味,目測可知除部分骨頭外,廚余垃圾已基本降解,塑料、橡膠等2D顆粒還未降解,占據了垃圾試樣的絕大部分.

1.2.2 試驗方法 取出降解的垃圾,將其充分混合均勻,并準備4個內徑20cm、高50cm的PVC圓柱桶.為控制垃圾堆積密度與均勻性,在此參考Caicedo[16]的做法,利用孔徑為2cm的網篩,將配制好的垃圾以模擬降雨的方式均勻撒落至試樣桶中,當垃圾剛好填滿試樣桶時,蓋上定制的外徑為20cm,開孔率約為60%的蓋子.之后利用氣缸對試樣分別施加50,100,150及200kpa的荷載.持續加載24h后從下部通水將試樣飽和至水面略高于試樣頂部,再將2L稀釋的紅色水性漆(與水1:1稀釋)直接澆灌到垃圾試樣上,待試樣中液體排出后,將其放到冰箱中冰凍24h.最后將冰凍后的試樣采用電鋸切開,切割完成后,將其放在70℃的通風條件下烘48h,進行解構觀察.試驗過程均采用相機拍照,之后將所得照片采用Photoshop及Coreldraw進行處理.

2 試驗結果分析

2.1 垃圾篩分及分揀試驗

2.1.1 垃圾分維結果 根據顆粒維度可得到如圖3所示的分布圖.

從圖3可知,0D(細粒)所占比例最大,除5m處埋深外,其余細粒含量均超過50%.粗粒中2D顆粒所占比例最高,5m處百分含量約為40%,其余埋深處在20%左右.可見要充分了解垃圾土的滲流特性,對0D(細粒)及2D的研究是必不可少的.

不同埋深下垃圾齡期及上覆荷載均不相同, 隨著垃圾降解齡期的增大,一些易于降解的組分如塑料、紙質等強度也會減小,在荷載作用下,更易于破碎,因此垃圾分維差異是荷載與降解共同作用的結果.隨著埋深的增大,0D(細粒)、3D含量先顯著上升,之后總體趨于穩定;1D、2D含量總體呈下降趨勢.這可能是因為1D、2D中含有一些易降解、破碎的組分,如紙質、織物;而3D顆粒中大多是一些堅硬、難以降解的組分,如磚瓦;隨可降解物質降解及大顆粒的破碎,0D顆粒含量也會逐漸上升.Caicedo[16]發現當2D顆粒相對質量含量VC (2D顆粒與0D質量比值)>7.3%時,2D顆粒對滲透系數影響較大.由圖3可知,不同埋深下VC值遠大于7.3%.說明取樣范圍內2D顆粒含量對滲透系數影響顯著[16].

圖3 不同埋深下各維度組分含量

2.1.2 細粒(0D)篩分結果分析 參考土體篩分方法,對小于20mm的垃圾土進行干篩,所得級配曲線如圖4所示,由圖可知顆粒級配曲線隨著垃圾埋深的增加而出現明顯的上移,特別是在粒徑<2mm范圍內,級配曲線上移的幅度很大,說明粒徑在2mm內的顆粒組分含量增大較明顯.其他學者[21-22]從填埋場取樣并進行篩分也得到了類似的規律.細顆粒含量隨埋深增加,一方面是降解引起;另一方面可能是細顆粒隨滲濾液下滲引起.

基于分形理論[18-19],對上述篩分結果進行擬合分析,具體情況如圖5所示.圖中為垃圾粒徑,max為顆粒最大粒徑,在此為20mm.passsing為不同粒徑篩上顆粒百分含量.

由圖5可知,分形模擬對垃圾細粒篩分結果擬合較好.當垃圾埋深由5m增大到30m時,分形維度值由2.15逐漸增大2.75.

圖6給出了該填埋場細粒含量與其他學者測定的南方填埋場滲透系數[1]對比情況,由圖可知,當細粒含量百分比從最初的25%上升到63%時,滲透系數基本下降了2個數量級.細粒的增加會使得滲透系數減小[5,9],一方面是因為細粒會填充粗粒形成的空隙,使得垃圾孔隙率減小,另一方面是細粒會影響垃圾內部孔隙的連通性,使得曲折度增大.對比圖5中分形維度值與滲透系數的關系,可發現分形維度值與垃圾細顆粒含量趨勢基本一致,細顆粒含量越大分形維度值也越大,而滲透系數則隨著分形維度值的增大而減小.

圖4 細粒級配曲線

圖5 不同埋深下分形模型擬合結果

圖6 不同埋深下細粒含量與滲透系數關系

2.1.3 2D顆粒組成分析 根據2D顆粒對垃圾堆體滲透特性的影響,可將其分為兩類,一類是一些滲透系數較小的組分,如織物、紙質等對滲流產生阻礙作用,另一類是一些不可滲透的材料,如塑料、玻璃及橡膠等,阻擋了滲流發生的方向,從而使流動路徑發生曲折或形成優先流[16].在本試驗中2D顆粒主要考慮玻璃、橡膠、塑料及織物等占比大的組分,各組分分布如圖7(a)所示.

不同埋深處塑料所占2D顆粒質量百分比均超過50%,明顯高于其他兩種組分.為了更清楚的描述塑料含量隨埋深的變化,在此引入“含塑率”的概念,定義為2D顆粒中塑料所占的百分比,對于埋深由5~30m其值依次為83.2%、64.1%、45.5%、55.1%、53.5%、53.5%.可知隨著埋深的增大,含塑率先下降,之后在50%左右浮動.這是因為2D材料中含有橡膠、玻璃等惰性成分,這些材料不會隨著垃圾齡期的增長而降解;而部分塑料隨著齡期的增長而降解,不易降解塑料可能被玻璃、磚瓦陶瓷及金屬等尖銳物體刺破而變小變碎,與細粒土粘結在一起.

不透水材料的尺寸也會影響試樣的滲透特性,尺寸越大,對滲透特性影響也越大[16-17].故在此根據塑料尺寸大小將其分為2~10cm、10~30cm及大于30cm 3種.不同埋深下不同尺寸塑料質量百分含量如圖7(b)所示.

由圖7(b)可知,隨著垃圾埋深的增大,尺寸為2~10cm與10~30cm的塑料含量總體呈上升趨勢,且2~10cm較10~30cm上升程度更大,尺寸大于30cm的塑料含量呈下降趨勢.此外,當埋深小于15m時,含量變化顯著,之后變化逐漸變緩,可能是因為在15m埋深以上,塑料由于降解與破碎使得尺寸變小,之后可降解塑料降解基本完成,塑料主要在各種復雜因素作用下逐漸破碎使得尺寸逐漸變小.

Caicedo[16]通過一系列滲透試驗發現當塑料相對尺寸RS (塑料與0D顆粒平均尺寸比值)>15,且VC(2D顆粒與0D質量比值)>7.3%時,塑料具有轉向流的作用,其對滲透系數的影響超過30%.根據圖4,細粒平均粒徑50在1~2mm,塑料平均尺寸取為30cm的一半,即15cm,則RS>15,同時由于VC>7.3%,故可認為該填埋場取樣處垃圾堆體中2D材料具有轉向流作用,其對滲透特性影響顯著[16].

塑料屬于不可滲透的材料,在荷載的作用下能定向排列,使得滲流路徑發生曲折,進而使得垃圾表現出明顯的各向異性[23].其他學者[21]也發現在我國城市生活垃圾中,塑料所占比例極大,因此塑料是引起垃圾各向異性的最重要因素.

2.2 染色切片試驗

為便于視覺分析,在此采用Adobe Photoshop對照片通過調整飽和度值來調整圖片的色彩對比度,得到的不同加載條件下試樣染色切片如圖8所示.

圖8 各級荷載下染色切片示意

圖中紅色部分即稀釋溶液流動過的區域,白色圓圈代表一些肉眼可見的大孔隙.此外,圖中給出了2D顆粒的排列方向,在此參考吳曉雯[23]的做法,引入“定向排列角度”這一概念,即垃圾中2D顆粒的角度與水平向的夾角,來定量表征2D顆粒的定向排列.可以發現,紅色試劑流動路徑基本與垃圾中塑料、橡膠等2D組分排列方向一致,說明2D顆粒在試樣內部會形成轉向流,使流動路徑發生改變,此外2D組分的定向排列易形成優先流通道[24],液體可優先通過這些區域.

隨著荷載的增大,垃圾中的大孔隙逐漸減少,試樣明顯變得更加密實,染色區域也越來越少,說明上覆壓力主要通過減少垃圾內部的孔隙通道,進而減小滲透系數.此外,垃圾組分定向排列角度隨著荷載的增大而減小,即垃圾組分排列在壓力作用下趨于水平,隨之紅色流動通道也逐漸水平化,說明2D顆粒的定向排列是導致垃圾滲透系數各向異性的關鍵因素.

切片完成后,將試樣放在烘箱中烘24h后取出進行解構,烘干后垃圾解構情況如圖9所示.

由圖9(a)可知,垃圾具有成層性,順著裂縫能容易的對試樣進行解構,主要是因為荷載作用下,2D材料趨于水平向排列,沿著其表面會產生水平向的流動通道,試樣烘干水分隨即蒸發.圖9(b)為解構過程剖面圖,2D顆粒邊緣處易被染色,說明豎向通道主要在顆粒接觸帶形成,同時可發現,試樣桶壁染色現象明顯,說明桶壁處較易形成滲流通道,從而產生側壁流.圖9(c)為各級荷載下的最終解構情況,可以看出隨荷載增大,染色區域減少,滲流孔隙通道減少,滲透系數隨之降低.

圖9 烘干后垃圾解構試樣

3 結論

3.1 城市固體廢棄物細顆粒(0D,即粒徑<2cm)所占比例最大,幾乎均超過50%,隨著埋深的增大,顆粒級配曲線明顯上移,分形維度值逐漸增大,滲透系數值則逐漸減小;當埋深由5m增加至30m,0D含量由24%增加到63%,滲透系數減小約2個數量級.

3.2 粗粒中2D顆粒所占比例最高,其在荷載的作用下能定向排列,使滲流路徑發生曲折,進而產生各向異性,因此2D顆粒的定向排列是導致垃圾滲透系數各向異性的關鍵因素.在2D顆粒中,塑料占比均超過50%,因此在MSW中,塑料是引起垃圾各向異性的最重要因素.

3.3 隨著荷載的增大,垃圾中的大孔隙逐漸減少,試樣明顯變得密實,染色區域也越來越少,說明上覆壓力主要通過減少垃圾內部的孔隙通道,進而減小滲透系數.

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Analysis of particle composition and stucture of MSW based on permeability.

QIN Rui1,2, KE Han1,2*, HU Jie1,2, LAN Ji-wu1,2

(1.MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenviromental Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；2.Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)., 2019,39(1)：203~209

In a southern landfill, 6samples weighing about 5kg were collected at the depth of 5~30m. The samples were sieved and sorted to study the variation of the particle composition with the depth. Meanwhile, the samples under different loads were stained and sectioned to analyze the influence of overburden pressure on the internal structure of MSW. The results showed that the fine particles (0D, i.e., particle size <2cm) were the most content in the MSW samples and its proportion exceeded 50%. The proportion of 2D particles was the highest in coarse particles, and the plastic was the most content in the 2D particles. As the load increased, the content of fine particles increased, while the large pores and preferential flow channels decreased. The overburden pressure mainly reduced the internal pore space of MSW, and then decreased its hydraulic conductivity. 2D particles could be directionally arranged under loading, which led to the tortuosity of seepage path and the anisotropy of hydraulic conductivity. The directional arrangement of 2D particles was the key factor resulting in the seepage anisotropy of MSW, and the plastic was the most important factor.

municipal solid waste(MSW)；permeability；particle composition；2D particles；internal structure

X705

A

1000-6923(2019)01-0203-07

秦 蕊(1993-),女,陜西渭南人,碩士研究生,主要從事環境土工方面的研究.發表論文2篇.

2018-06-11

國家自然科學基金資助項目(5157080511)

* 責任作者, 教授, boske@126.com