生活垃圾填埋場滲濾液導排系統結垢研究現狀及新挑戰＊

王 前，苗前名，何品晶，徐期勇

（1. 北京大學深圳研究生院 環境與能源學院，廣東 深圳 518055；2. 同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

1 引言

填埋是我國生活垃圾（Municipal Solid Waste,MSW）的主要處理方式之一。2019 年，我國填埋處理量為1.09×108t，占無害化處理總量的45.6%［1］，承擔我國生活垃圾管理的“兜底”任務。滲濾液導排系統淤堵是全球衛生填埋場的普遍問題，同發達國家相比，我國填埋場滲濾液產生量大，且具有懸浮物含量高和有機負荷大的特點［2］，更易造成滲濾液導排系統淤堵。深圳老虎坑填埋場在運行6 a 后，其滲濾液導排系統滲透系數下降至約10-8m/s，遠低于底層飽和生活垃圾滲透系數10-6m/s［3］。導排系統淤堵會導致填埋堆體水位雍高、孔隙水壓力增大、邊坡穩定性降低、滲濾液滲漏風險加劇，進而引發填埋場環境安全事故，嚴重影響填埋場正常運行［4-5］。因此，掌握滲濾液導排系統結垢的形成機制及影響因素，有利于提高填埋場長期運營的穩定性和環境安全性。近年來，隨著我國生活垃圾焚燒比例增加，大量焚燒爐渣進入生活垃圾填埋場，給填埋場滲濾液導排系統結垢帶來了新挑戰［6-9］。

本研究歸納總結各類滲濾液導排系統淤堵的工程案例，在此基礎上分析結垢形成機制，結合研究關鍵詞共現圖譜和我國實際情況，提出填埋場結垢面臨的新挑戰，并展望填埋場滲濾液導排系統結垢防治的未來發展方向。

2 填埋場導排系統結垢

2.1 淤堵案例及淤堵物主要成分

滲濾液導排系統的主要功能是收集填埋庫區內產生的滲濾液，維持填埋場穩定的水力環境，降低對周圍土壤、地下水等環境的威脅。填埋場導排系統淤堵會導致填埋場底部滲濾液導排不及時，填埋場內水位雍高，引發安全事故。近年來，淤堵問題逐漸受到世界各國關注。通過填埋場現場挖掘，發現導排系統的不同部位都存在淤堵現象。Koerner 等［10］發現，在美國某填埋場中土工布是淤堵最嚴重的部位，120 d 后其滲透系數由初始的4.2×10-4m/s 降至3.1×10-8m/s；顆粒排水層孔隙率在運行8 a 后下降了8%［11］；深圳下坪填埋場的淤堵由導排管內結垢造成［12-13］；加拿大的填埋場中也出現了類似的情況，填埋場運行5 a 后滲濾液管道上的結垢物厚約50 mm［14］。

表1 從填埋場和實驗室兩方面，匯集了填埋場滲濾液導排系統結垢物成分組成。結垢物主要成分包括Ca、Si、Mg、Fe 和碳酸根（CO），其總量達到78%～94%［15-16］。其中碳酸鈣（CaCO3）為主要的組成成分，結垢物中的Ca 含量達到9.4%～53.5%，CO含量達到14.1%～58.0%，Ca/CO的質量比處于0.47～0.71［17-18］。在下坪填埋場、小澗西填埋場和長安填埋場等的結垢物中檢測到CaCO3含量占88%～92%［13,16,19-20］。

表1 填埋場淤堵成分分析Table 1 Analysis of clogging components in landfills

2.2 導排系統結垢分布及影響因素

滲濾液導排系統主要由土工布、顆粒排水材料、滲濾液導排管3 部分組成。導排系統各部分均可能發生結垢，其中土工布往往是最先發生結垢的部分，也是發生結垢最嚴重的部位［27］。土工布的主要作用是過濾、排水和防止顆粒物進入排水管［28］。土工布結垢是導致土工布滲透效率降低的主要原因［29-30］，從而導致滲濾液導排系統無法收集滲濾液、滲濾液水壓超過控制水平，最終影響填埋場的穩定性［5］。針對土工布結垢，國內外學者在填埋場和實驗室均開展了相關研究（表2）。研究表明土工布結垢時，滲透系數出現不同量級變化范圍，而垃圾成分是影響土工布結垢的重要因素，高有機質含量的生活垃圾為微生物生長提供營養，同時也為化學沉淀提供必備條件，從而引發結垢［16,31］。

表2 土工布結垢研究總結Table 2 Summary of geotextile clogging research

目前關于顆粒排水材料（礫石等）結垢的研究主要集中在探究粒徑分布、流速條件和材質等因素的影響。導排層材料粒徑大小與結垢情況成反比關系，流速、質量負荷與結垢情況成正比關系［17,21］。Mclsaac 等［11］設計了不同堆積厚度（100 mm 和300 mm）、不同粒徑（19 mm 和38 mm）的礫石結垢實驗，運行6 a 后的結果表明在飽和區域中占比45% 的孔隙存在結垢，部分飽和區域只有31%，非飽和區域則少于10%；同時38 mm 礫石比19 mm 礫石的水力傳導系數高。在平均粒徑10 mm 的礫石（厚300 mm）中進行260 d 結垢實驗后，結果表明可排水孔隙度最大降幅為53%［17］。Beaven 等［38］對比了輪胎和礫石運行6 個月之后的結垢情況，結果發現材質對結垢情況未引起明顯變化。

導排管結垢主要受管徑、填埋齡、滲濾液性質和管道材料等因素影響。Lozecznik 等［39］采用實際滲濾液對比不同高密度聚乙烯（HDPE）管道內徑（40、80 mm）的結垢情況，結果表明大管徑的管道積聚了更多結垢物。在不同填埋齡下，HDPE管道均出現明顯結垢現象［40］。而聚氯乙烯（PVC）材料管道在新鮮滲濾液中結垢更嚴重，這是由于化學沉淀和微生物代謝活動的共同作用，Ca2+是主要影響因素［41］。而CaCO3結垢主要受管材表面粗糙度影響［42］，細菌吸附的關鍵因素是管道硬度［43］。綜上所述，滲濾液導排系統不同組成成分之間結垢情況存在差異，但形成結垢的機理主要是由物理、化學和生物3 個方面因素導致。

3 結垢形成機制

引發滲濾液導排系統結垢的因素繁多，作用機理復雜，其形成機制主要有物理沉積、化學沉淀、生物結垢及物理-化學-生物耦合作用［6］（圖1）。

圖1 結垢形成種類Figure 1 Types of clogging formation

3.1 物理沉積

物理沉積是指隨著滲濾液在填埋場中的遷移，滲濾液中的顆粒物被吸附、攔截，且不斷碰撞、積累形成；從而降低了滲濾液導排系統的水力傳導系數［17］。物理沉積發生特別迅速，在實驗室模擬場景下初始幾小時就十分明顯［44-45］；物理沉積可分為內部和外部兩種［46］：內部物理沉積是細小顆粒物在物理、化學作用力的影響下在孔隙內部積累形成［30,47］；外部物理沉積是由于在導排材料表面形成了顆粒狀濾餅，通過保留越來越細的顆粒而逐漸堵塞導排材料。

滲濾液性質是影響物理沉積的重要影響因素。當滲濾液中總懸浮顆粒物濃度高（＞2 200 mg/L）、顆粒物粒徑較大（＞15 μm）時，滲濾液導排系統面臨著物理沉積的風險［27,31］。基于滲濾液性質和顆粒物粒徑分布特性，Liu 等［48］采用統一耦合有限元數值模型對物理沉積過程進行預測，結果表明土工布的滲透性能在1～2 a 后從初始的10-1～10-2m/s 下降至10-8～10-9m/s，整個滲濾液導排系統在運行17 a 后會徹底失效，減少餐廚垃圾填埋量是減少物理沉積的有效措施。

3.2 化學沉淀

化學沉淀是指滲濾液中Ca2+、Mg2+等金屬離子與CO等陰離子在過飽和情況下形成難溶性碳酸鹽、硫酸鹽等沉淀［25］。由于CaCO3溶度積較小，一般會先達到過飽和狀態而析出。目前填埋場和實驗室結果均表明CaCO3為主要的化學沉淀物［49-50］，其主要的物質形態為方解石，包括緊密包裹束徑向纖維晶體和微晶晶體兩種結合形式［50］。在CaCO3形成過程中pH 和CO2分壓是兩個關鍵影響因素，兩者相互關聯，具體反應方程式見式（1）～式（2）。

CaCO3的形成與pH、Ca2+濃度、CO濃度直接相關，揮發性脂肪酸（VFAs）的緩沖作用同樣影響CaCO3沉淀過程。VFAs 的降解提高了滲濾液的pH 和堿度，從而促進了CaCO3的形成［51］。因此，CaCO3沉淀量與VFAs 降解量之間存在顯著正相關關系［52］。乙酸和丙酸的降解能使pH 上升0.30～0.45，從而使滲濾液中50%～70% 的Ca2+形成CaCO3［53］。乙酸、丙酸、丁酸和CaCO3之間的關系可用CaCO3產量系數表示，其中乙酸降解是形成CaCO3的主要因素［52］。同時結合滲濾液性質變化，綜合采用模型對化學沉淀量進行分析和預測［54-55］。Li 等［56］采用NICA-Donnan 模型探究了溶解性有機碳（DOC）和Ca2+、Mg2+沉淀之間的關系，結果表明DOC 更傾向于與Mg2+絡合，導致滲濾液中更容易形成方解石沉淀。

3.3 生物結垢

生物結垢是由于滲濾液中微生物利用滲濾液環境中的營養物質在導排材料表面附著生長，群落不斷聚集，同時分泌胞外聚合物（EPS）而綜合形成的生物膜［57-58］。根據生物膜是否具有有機物降解活性，可分為活性生物膜和衰亡后的惰性生物膜。進一步可把生物結垢分為活細菌、死細菌和EPS［59］。

生物結垢形成過程復雜，其影響因素眾多。生物結垢與微生物生長過程密切相關，會導致土工布滲透性能明顯下降［35］。微生物群落種類與滲濾液性質存在緊密相關性，但不受導排填料粒徑、流速、溫度等因素的影響［17,21］。目前研究主要集中在生物結垢預測，依據VFAs 含量、Ca2+濃度等滲濾液性質變化，可采用多種結垢模型對生物結垢情況進行預測，包括生物結垢1D 模型［60］、生物結垢2D 模型［61-62］、生物結垢變形模型［63-64］、生物蛋糕模型［65］。

3.4 物理-化學-生物耦合作用機理

結垢影響因素眾多，淤堵是個復雜多變的過程。前期的研究表明化學沉淀與生物結垢之間并不是孤立形成，而是彼此交錯、相互促進。在電子顯微鏡中觀測到土工布上形成的結垢物呈不均勻分布狀態，而CaCO3與生物結垢之間是相互交錯存在的［37］。滲濾液中的Ca2+不僅可以通過化學反應生成沉淀，而且可以通過微生物表面的負電荷結合到細菌表面，從而影響生物結垢。

生物結垢是一個動態變化過程，在近400 d 的土工布浸沒實驗中，土工布單位結垢質量在一個相對較大范圍內（38.2～162.1 g/m2）波動，化學沉淀和生物結垢的比例也隨時間發生變化［6］。生物結垢本身存在生長期、穩定期和脫落期，且化學沉淀和生物結垢之間存在相互影響，導致了結垢物質量和成分出現變化。

綜合來說，結垢是物理、化學、生物多因素綜合作用的結果（圖2）。滲濾液中顆粒物發生沉降，形成物理沉積。同時滲濾液中的有機物不斷降解，反應過程中產生CO2和CH4等填埋氣，部分CO2溶解于滲濾液中，形成CO，與滲濾液中的Ca2+反應形成CaCO3沉淀；有機物降解為細菌的生長提供充足的養分，從而促進細菌的生長積聚并分泌產生EPS，進而生長為生物膜；綜合導致滲透系數迅速下降，結垢不斷加劇。隨著化學和生物結垢的形成，導排孔隙逐漸變小，顆粒物截留效率提高，物理沉積作用也不斷加劇。

圖2 滲濾液導排系統結垢耦合作用機理Figure 2 The mechanisms of clogging in leachate collection system

4 填埋場結垢新挑戰

4.1 爐渣混填對結垢的影響

隨著生活垃圾焚燒比例的增加，產生了大量焚燒副產物爐渣。爐渣是由Ca、Mg 等金屬元素氧化物組成的混合物，目前爐渣的一個重要處置方式是進入生活垃圾填埋場進行混填，這改變了滲濾液性質和結垢情況。不同爐渣混填比例導致滲濾液導排系統中土工布結垢情況出現差異［6,66］。相較于生活垃圾填埋，低爐渣混填比（爐渣∶MSW=1∶9）中的土工布結垢質量呈現上升趨勢，而高爐渣混填比（爐渣∶MSW=5∶5）中的土工布結垢質量呈現下降趨勢，純爐渣填埋組未觀測到結垢現象。大部分文獻報道了爐渣混填后導致滲濾液性質改變，而土工布結垢質量與滲濾液性質具有相關性［8,9,37,67］，穩定后的pH 與爐渣混填比之間呈現正相關關系。與此同時，與純生活垃圾填埋相比，低爐渣混填比中的鈣鎂離子含量、堿度和COD 均呈現上升趨勢，而高爐渣混填比和純爐渣填埋中的鈣鎂離子含量、堿度和COD 均呈現下降趨勢［68-70］。綜上所述，目前國內外發現爐渣混填會改變滲濾液的pH、鈣鎂離子含量、堿度、COD、重金屬和微生物［8,69,71-75］，因此在實際填埋場中推薦爐渣單獨填埋以降低結垢風險［7］。

爐渣混填對滲濾液導排系統結垢的影響受到越來越多的關注和研究。利用VOSviewer 對國外與爐渣混填研究相關的文獻中的關鍵詞進行共現分析（圖3），對Web of Science 數據庫檢索到的6 274篇英文文獻中的關鍵詞進行統計分析，將其中高頻出現的關鍵詞劃分為5 個聚類。這5 個聚類基本表征了近30 年來國外爐渣混填領域的主要研究熱點及方法。其中，聚類內部關鍵詞出現頻次越高，共現分析圖中的圓球越大，表明該關鍵詞為該聚類的熱點研究主題。總體上研究內容趨于多元化，與爐渣相關的研究包括結垢、資源化利用、滲出性、吸附特性等；而與結垢相關的聚類包括填埋場、管道、反應器等。這同樣表明結垢現象存在于多種實際場景中，是一個多領域關注的共性問題。

圖3 1990—2020 年爐渣混填研究關鍵詞共現Figure 3 Keywords co-occurrence of researches about bottom ash co-disposal landfill from 1990 to 2020

4.2 結垢防治措施的工程應用及趨勢

目前，結垢防治措施包括設計優化、清潔除垢、導排材料改性等方式（圖4）。

圖4 滲濾液導排系統結垢防治措施Figure 4 Clogging controlling in leachate collection systems

管道設計優化包括在滿足管徑設計規范的前提下，選用合適的管徑增加流速，同時增大水力坡度來改變水力狀態，從而減小結垢淤堵風險，同時應盡量避免管道變徑、拐彎；在U 型管道前后安裝控制閥門和排渣閥，便于進行分段清洗［13］。可通過改變導排層結構來減緩結垢，如在排水層中間段設置粒徑較大的砂礫層［76］、礫石層中使用非針織土工布［77］，也可通過在礫石層前增加礦化垃圾層，對滲濾液中的有機物和懸浮固體進行預處理，從而降低滲濾液在礫石層形成結垢的概率［78］。

填埋場滲濾液導排系統常見的清除結垢方式是每年噴射清洗和定期視頻檢查。高壓水射流清洗管道可以減小結垢物厚度，使結垢物處于松散狀態，但是該方法清理長度有限，需要填埋場設計階段提前考慮需求。數碼視頻檢測技術能在不開挖的情況下快速自動找到結垢點，從而節約時間，但是該方法需要在填埋場建造階段提前考慮需求。電子除垢系統可與高壓清洗聯用，通過能量脈沖從而分析結垢位置，改變結垢成分。Integrated Environmental Technology 公司采用化學清洗（鹽酸、羧酸、烷醇胺、烷基磺酸鈉、催化劑、分散劑和抑制劑）方法去除滲濾液收集管道中的結垢物。此方法能溶解和去除結垢和管道腐蝕的副產物和生物膜。但是，該方法耗時長、成本高，每英尺（1 英尺=0.304 8 m）管道大約每次需要花費20～40 美元。此外，無人機傾斜攝像測量用在了垃圾填埋場測量中，結合三維模型、數字正射影像圖和數字地標模型可得到填埋場邊坡監測分析，為填埋場防治滲濾液導排系統結垢提供參考數據［79］。

結垢防治可通過改性土工布、管道等導排材料的措施實現。Wang 等［80］提出可采用納米材料提高表面親水性減緩結垢，氧化石墨烯改性土工布可使細菌數量下降2 個數量級，同時EPS 含量下降56%。納米二氧化硅改性HDPE 管道能降低管道的表面能，從而達到防治結垢的目的［81］。

5 結論與展望

滲濾液導排系統淤堵是填埋場中普遍存在的問題。結垢影響因素眾多，包括物理沉積、化學沉淀和生物結垢。目前國內外已針對結垢形成機制和影響因素進行相關研究，闡明了物理沉積、化學沉淀、生物結垢的機理。但是，仍然存在一些需要克服的關鍵科學和技術問題，同時填埋場也面臨著爐渣混填的新挑戰。

在未來的研究中以下方面值得重點考慮：關于結垢機制方面，目前研究主要關注3 種結垢機理的單獨闡述和探討，不同結垢因素之間的相互作用尚不成體系，因此，需要闡明不同結垢因素之間的相互作用和共同促進影響；進一步地，結垢與淤堵之間的時空演化機制尚未明晰，目前填埋場面臨爐渣混填的新挑戰，但是爐渣混填對填埋場導排系統結垢機理仍有待進一步探索；從防治結垢工程應用來看，目前的工程措施仍具有局限性，改性材料在實際填埋場中的防治結垢效果仍未可知，有待進一步深入研究。