我国填埋渗滤液产量影响因素分析及估算方法构建

杨　娜,何品晶,吕　凡,章　骅,邵立明（.同济大学固体废物处理与资源化研究所,上海 200092；2.深圳市环境科学研究院,广东 深圳 5800）

我国填埋渗滤液产量影响因素分析及估算方法构建

杨娜1,2,何品晶1*,吕凡1,章骅1,邵立明1（1.同济大学固体废物处理与资源化研究所,上海 200092；2.深圳市环境科学研究院,广东 深圳 518001）

在综述已有研究结果的基础上,构建了适合我国国情的渗滤液产量估算方法,根据来源将渗滤液概化为降水和垃圾自产水2部分.采用HELP模型获得31个典型城市气候特征下的渗出系数取值；按照产生原理,垃圾自产水分为压缩产水和降解产水,分别建立估算公式并给出田间持水率和组分降解率的取值建议.应用此方法,估算了10个城市的填埋渗滤液产生量.发现在填埋40a内,垃圾自产水占渗滤液总量的52%～82%,说明垃圾自产水的贡献不可忽视.我国不同地区的降水渗出系数和生活垃圾性质差异,使得填埋渗滤液产量具有显著的地域差异性,在选择渗滤液处理方式时应因地制宜.

城市生活垃圾（MSW）；卫生填埋；渗滤液产生量；降水渗出系数；初始含水率

随着我国城镇化进程加快和居民生活水平提高,城市生活垃圾清运量持续增加.鉴于卫生填埋对资金和技术要求相对较低,在今后相当长的时间内仍将是我国主要的生活垃圾处理处置方式.生活垃圾在填埋场内产生的渗滤液是一种高浓度有机废水,一旦泄露将对地表水和地下水造成严重污染,威胁附近的环境质量和居民健康［1］.渗滤液收集和处理设施是卫生填埋场的主要组成部分,估算渗滤液产量是填埋工程设计及环境影响评价的一项重要内容,对防治渗滤液造成的二次污染有关键作用.

我国真正意义的卫生填埋场建设以1988年颁布的《城市生活垃圾填埋技术标准（CJJ17）》［2］为起点,规定了填埋作业方式、地表径流控制及防渗、覆盖、填埋气体导出等系统的建设标准,但尚未考虑渗滤液收集和处理.该规范的2004年修订版［3］指出了渗滤液产量计算应考虑的因素,但未给出计算公式.2010年颁布的《生活垃圾渗沥液处理技术规范（CJJ 150-2010）》［4］（下文简称”现行渗沥液处理技术规范”）中,首次以行业标准的形式提出了渗滤液产量估算方法.推荐方法为经验公式法（又称”渗出系数法”）,目前已被大多数填埋场设计者所接受.然而,近年来依此法设计的填埋场,陆续出现了渗滤液实际产量高于设计值的情况.例如,上海市某填埋场计算的渗滤液产量为1500m3/d,而实际产量高达近3000m3/d［5］.如此巨大的差异说明,在我国现阶段的生活垃圾填埋场中,应用上述经验公式计算渗滤液产量可能造成较大误差.

本文综述了我国生活垃圾填埋渗滤液产量估算的既有研究结果,总结现有方法的特点和局限性.在此基础上,提出适合我国国情的渗滤液产量估算方法,并给出关键参数取值建议.

1　填埋渗滤液产量估算方法研究现状及存在问题

1.1研究现状

目前,填埋渗滤液产量估算主要有水量平衡法、经验统计法、模型法和经验公式法4种.

（1）水量平衡法,是在水量守恒的基本假设下,综合考虑填埋体的水分流入（如降水、垃圾降解产水、填埋体外渗入等）和流出（如地表径流、蒸发、填埋气体携带、渗滤液导出等）,通过建立水量平衡公式,解得以渗滤液形式流出的水量［6］.该方法中的参数较多,且部分参数难以确定,故通常作为分析渗滤液形成机制的理论基础,实际应用并不多.

（2）经验统计法,根据已建填埋场单位面积渗滤液产量的统计结果,推算设计填埋场的渗滤液产量［7］.我国拥有长期监测数据的填埋场数量较少,且各地填埋操作方式和气候条件等差异较大,限制了该方法的应用范围.

（3）模型法,根据填埋体内垃圾和覆土的渗透系数、持水系数等参数,结合当地气候条件,模拟降水在填埋体内的运动规律,从而计算出降水形成的渗滤液量.目前,应用最广泛的是美国环保局推荐的HELP（Hydrology Evaluation for Landfill Performance）模型［8］,美国大部分州的填埋场在设计和评价过程中,都要用该模型对当地气候条件下的水量平衡进行模拟验证［9］.

（4）经验公式法,可以认为是对水量平衡法的简化.以降水量作为渗滤液产生量的计算依据,用降水渗出系数表征降水形成渗滤液的比例,涵盖了所有影响渗滤液产生的因素.经验公式法计算公式直观,应用方便,是我国目前主要的渗滤液产量估算方法［4］.现行渗沥液处理技术规范即采用该方法（式1）,按填埋阶段分别给出不同的渗出系数推荐值,但系数取值范围较广,系数选择主观性强,可能对渗滤液产量估算带来较大误差.

式中：Q为渗滤液产生量,m3/d；I为多年平均日降水量,mm/d；A1,A2,A3分别为作业单元、中间覆盖单元和终场覆盖单元的汇水面积,m2；C1为作业单元的渗出系数,宜取 0.5～0.8；C2为中间覆盖单元的渗出系数,宜取（0.4～0.6） C1；C3为终场覆盖单元的渗出系数,宜取0.1～0.2.

1.2我国渗滤液产生量估算应考虑垃圾自产水

针对我国填埋场渗滤液实际产量高于规范方法预测值的现象,研究者普遍认同的一种原因是［5,10-12］：我国生活垃圾的含水率和易降解组分较高,填埋后在压力和降解作用下,一部分水分以自由水状态从垃圾固体中渗出,从而对渗滤液产生贡献.因此,研究者们相继提出改进方法,将垃圾自产水计入上述渗滤液产量估算公式中（表1）.这些方法主要分为两类：一是在原经验公式的基础上新增一项,单独计算垃圾自产水形成的渗滤液量；另一类是对经验公式中的渗出系数进行修正,加入对垃圾自产水的影响权重.

刘战宇等［10］认为,应按照填埋顺序分层计算垃圾自产水形成的渗滤液量,但只提出了概念公式,并未给出每层垃圾自产水量的具体计算方法.兰吉武等［5］建议根据生活垃圾含水率和田间持水量之差计算垃圾自产水量,这一建议在《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范（CJJ176-2012）》［13］（下文简称”现行岩土技术规范”）中得以体现.熊向阳等［11］提出,应对填埋作业区、临时封场区和最终封场区分别采用不同的公式计算垃圾自产水量.理论上来讲,这种根据实际产生原因计算垃圾自产水的方法更加合理；但是,作者提出的计算公式默认垃圾中的水分最终都会形成渗滤液,则不符合实际情况,因为即使是完全降解后的垃圾,其含水率也不可能为零.最新颁布的《生活垃圾卫生填埋处理技术规范（GB50869-2013）》［14］（下文简称”现行填埋技术规范”）将垃圾自产水对渗滤液的贡献用较高的渗出系数体现,即在相似气候条件下,填埋垃圾有机物含量高于 70% 时,渗出系数取值比其他垃圾高 10%～45%.这种方法不增加计算项,使用起来更简便；但是,也同时限制了其灵活性,即渗出系数不能及时反映生活垃圾性质的变化.

表1　渗滤液产量估算方法改进——如何考量垃圾自产水Table 1　Modification of the leachate generation estimation method： how to consider waste-generated-water

1.3我国渗滤液产量估算参数选取应考虑地域差异性

我国幅员辽阔,各地降水规律相差巨大,蒋建国［15］和赵庆良等［16］研究表明,不同降水量下的渗出系数差别显著.此外,各地区生活习惯和资源、经济水平不同,使得生活垃圾含水率和降解特性也存在明显差别,这同样会影响垃圾自产水形成的渗滤液量.研究者在计算渗滤液产量时,针对上述地域差异提出了3种考量方式（表2）.现行填埋技术规范［14］和熊向阳等［11］在渗出系数的选择上,为不同地区提供了有差别的取值范围.但是,两者建议采用的地域划分标准不同：前者以年降水量为判断标准,400mm和800mm年等降水量线是我国常用的气候区划分依据,分别是传统的北方与西北及与南方的分界线；后者以降水量和蒸发量的相对大小为判断依据,但缺乏全国范围的统计数据,且地面蒸发量与场地植被覆盖关系密切,实际应用中很难获得确切值.现行岩土技术规范［13］仅在垃圾自产水一项的计算中考虑了地域差异问题,即根据年降水量分别赋予不同的垃圾初始含水率取值范围.在实际应用中,垃圾初始含水率是填埋场设计的重要参数,通常需要通过实地取样测试来获取.

表2　渗滤液产量估算改进方法——如何考量地域差异Table 2　Modification of the leachate generation estimation method： how to consider spatial variation

1.4其他问题

王里奥等［17］认为,现行渗沥液处理技术规范建议采用多年平均日降水量估算渗滤液产量的做法,可能也是低估实际渗滤液产量的原因之一.因此,他们提出在设计渗滤液收集管道和场内地表水控制系统时,应该用最大暴雨量代替平均降水量.杨文博［12］认为,除了降水量外,蒸发量和径流量对降水入渗形成的渗滤液量也有一定影响,应在计算过程中予以剔除,并据此重新定义渗出系数.

此外,根据现行填埋技术规范,土工膜因其渗透系数低,已成为我国卫生填埋场覆盖层和防渗层的主要防渗材料之一.Rowe［18］对发达国家垃圾填埋场的研究发现,土工膜在50℃时的使用寿命为40a左右.我国目前填埋场建设和管理水平与发达国家尚存在差距,土工膜的使用寿命可能会更短.土工膜达到使用寿命后,拉伸强度迅速衰减,膜上破损数量增加,可能会影响其渗透系数.而这些并没有在我国现行技术规范中得以体现.

2　适合我国国情的填埋渗滤液产量估算方法构建

表3　31个省份代表城市在4种填埋覆盖层结构下的降水渗出系数Table 3　Precipitation infiltration factors at 4 landfill top cover types in 31 typical Chinese cities

由于降水和垃圾自产水形成渗滤液的水分来源及产生规律均显著不同,本文将遵循现行岩土技术规范的方法架构,分别计算降水和垃圾自产水形成的渗滤液量.

2.1降水形成渗滤液的渗出系数确定

对于降水形成的渗滤液量计算项,本文应用HELP模型［8］研究渗出系数的取值方法.HELP模型考虑了降水、蒸发、径流等诸多因素,是迄今为止较成熟的填埋场水量平衡模型.该模型内嵌了全世界主要城市的多年平均气候数据,可供研究者直接调用.为了降低平均降水量数值对结果的影响,采用HELP模型模拟填埋100a内的降水水量平衡.然后,计算渗滤液产量和降水量的比值,即为渗出系数.依据现行填埋技术规范要求,构建了日覆盖（一层22.5cm沙壤土）、中间覆盖（一层30cm黏土）、土工膜完好的终场覆盖（自上而下依次是植被、50cm沙壤土、30cm卵石、非织造土工布、1.0mm HDPE土工膜、25cm黏土、30cm卵石）、土工膜破损的终场覆盖（覆盖层结构与土工膜完好的终场覆盖相同,但土工膜的破损数量设置较高）等4种覆盖层结构下的填埋场.为考察地域气候差异对渗滤液产生的影响,在我国31个省、自治区和直辖市各选取一个代表城市,分别计算在上述4种覆盖层结构下的渗出系数（表3）.将本文计算的渗出系数与现行规范［13-14］推荐值比较,发现本文计算结果普遍较低,更接近熊向阳等［11］建议的取值范围.

根据渗出系数数值,可将31个城市按地理位置分为3个区域,即西北地区（6个）、北方地区（10个）和南方地区（15个）,分别统计分析上述区域内城市的降水渗出系数.这一分类方式与现行规范中的方法类似,但更倾向于依据气候特征而不仅仅是降水量分类,便于对各地的渗出系数选择进行直观的分区指导.结果表明,不同地区的降水渗出系数差异显著,尤其是在日覆盖、中间覆盖和土工膜破损的终场覆盖条件下,西北地区的降水渗出系数仅为北方地区的30%～60%、南方地区的 20%～40%.因此,当采用现行规范推荐的渗出系数估算西北地区填埋场的渗滤液产量时,结果可能偏高.

本文还发现,当终场覆盖的土工膜发生破损后,北方和南方地区的降水渗出系数显著高于规范推荐的终场覆盖渗出系数 0.1～0.2.也就是说,一旦填埋场土工膜出现破损,采用现行规范推荐的渗出系数可能低估渗滤液的实际产量.

2.2垃圾自产水形成渗滤液的估算方法

本文将垃圾自产水形成的渗滤液按产生原理分为压缩产水和降解产水两部分,分别提出计算方法.

生活垃圾在填埋作业阶段,由于自身重力及机械压实等作用,部分自由水从填埋垃圾固体中被挤压出来形成渗滤液,即为压缩产水.现行岩土技术规范应用垃圾含水率和田间持水率之差估算压缩产水量,计算基准为原状填埋垃圾质量.实际上,一定质量的原状垃圾经压缩后由于水分流失,质量会减少,田间持水率的基准应为水分流失后的垃圾质量.因此,本文对现行岩土技术规范推荐的计算公式进行了修正,采用垃圾干基质量作为基准计算压缩产水量（式2）.

式中：Qc为单位质量原状垃圾压缩产水量,t/t ww（湿垃圾）； IDW为单位质量原状垃圾的干物质量,t dw（干垃圾）/t ww,计算公式为 IDW= 1-IMC/100,其中 IMC为垃圾初始含水率,% ww；IMCdw是以垃圾干基质量为基准的垃圾初始含水率,% dw,计算公式为是垃圾经压缩后,以干基质量为基准的垃圾田间持水率,% dw,计算公式为,其中FCC为压缩后垃圾的田间持水率,% ww.

生活垃圾在填埋场内被生物降解,损失了部分干物质和水分后,最终达到稳定状态.生物降解过程复杂,垃圾性质和环境条件变化对降解过程影响显著,鲜有合适的模型模拟这一过程的水分损失情况.本文假设垃圾降解稳定后,其含水率达到田间持水率.根据降解开始与结束两个时间点的田间持水率,以单位质量原状垃圾的干物质为基准估算降解产水量（式3）.

式中,QD是单位质量原状垃圾因降解产生的渗滤液量,% ww；DWA代表单位质量原状垃圾降解稳定后的干物质量,t dw/t ww,可用公式 DWA=∑［IDWi·（1-DRi/100）］计算；根据降解速率不同,可将垃圾的物理组分分为快速、慢速和不可降解3 类,i代表这3类组分； IDMi是单位质量原状垃圾中,第i类物理组分的初始干基质量； DRi是第i类物理组分的降解率,%； FCAdw是降解稳定后的生活垃圾以干基重量为基准的田间持水率,% dw,可用公式计算,其中FCA代表降解稳定后垃圾的田间持水率,% ww.

生活垃圾田间持水率是重要的参数之一.综合国内外生活垃圾田间持水率与垃圾密度（BD）研究结果［6,19-22］,可获得两者的线性关系：FC= （60±2.5）-（13±2.3）BD.根据现行垃圾填埋技术规范,填埋场封场前需保证生活垃圾密度达到0.8t/m3以上,据此推测我国填埋场内压缩后的垃圾田间持水率最高为 49.3%.国内外研究文献［6,19-22］中的最低田间持水率为 39%,可作为降解稳定后的垃圾田间持水率.此外,快速、慢速和不可降解组分的降解率也是估算垃圾降解产水量的必要参数,本文参考Barlaz等［23］通过实验室模拟获得的数据,即上述3类组分在厌氧条件下的最大降解率分别为84%、39%和0%.

通过查阅我国现有的城市生活垃圾调研资料, 以采样、分析方法可靠性及数据完整性为依据,选取 10个城市的生活垃圾性质数据.分别采用现行岩土技术规范和上文建立的方法,估算垃圾自产水形成的渗滤液量,结果如表4所示.采用现行岩土技术规范计算的结果仅为本方法的50%左右（仅比较压缩产水量）,说明现行岩土技术规范设定的田间持水量计算基准,会显著低估压缩产水形成的渗滤液量.

根据本文的计算结果,垃圾压缩、降解产水合计形成的渗滤液量约占原状垃圾总含水量的60%～80%.与熊向阳等［11］假设原状垃圾中所有水分都会形成渗滤液相比,本文提出的垃圾自产水计算方法更接近填埋渗滤液产生的实际情况.

2.3单位质量原状垃圾填埋产生的渗滤液量

依据本文获得的降水渗出系数（表3）,以表4中10个城市为例,计算每t原状生活垃圾填埋20a、40a和100a后降水形成的渗滤液量.假设典型填埋场的填埋高度为20m,日覆盖和中间覆盖的暴露时间分别为1a和3a,土工膜的使用寿命为40a.

填埋 20a后,垃圾自产水形成的渗滤液占渗滤液累计总产量的 57%～87%；40a后为 52%～82%；100a后,该比例仍在10%以上,北京、天津和沈阳3个北方城市甚至高达40%.可见,对我国生活垃圾的性质而言,填埋过程垃圾自产水对渗滤液产量的贡献不可忽视.

表4　我国10个城市的生活垃圾填埋过程渗滤液产量Table 4　Leachate generations during MSW landfilling in 10Chinese cities

由于资料有限,本文未获得西北地区城市生活垃圾的干基组分比例,无法确切估算该类地区垃圾自产水对渗滤液产量的贡献.而根据乌鲁木齐［34］、兰州［35］和拉萨［36］的调研数据,填埋垃圾的初始含水率为 45%左右,垃圾组分以降解速率较快的食品废物为主.因此,推测西北地区城市生活垃圾填埋过程的压缩产水量较其他城市少,降解产水量与其他城市相比应相差不大.

2.4方法可靠性验证

为验证本文构建的估算方法的可靠性,本文选取了5座有渗滤液产量实测数据的填埋场,应用本方法对其渗滤液产量进行估算.将估算值与实测值对比后（表5）,发现两者的差异在5%～50%范围内,填埋龄越长,估算误差会相应增大.原因可能在于,填埋龄越长,影响渗滤液产量的因素越多,其不确定性亦越高,这些都是本方法尚未完全考虑到的.

3　结论

3.1填埋场覆盖层的主要防渗材料——土工膜破损后,降水形成渗滤液的渗出系数会明显升高.因此,渗滤液产量估算方法中,应考虑土工膜的使用寿命,提高土工膜破损后的渗出系数取值.

3.2我国城市生活垃圾在填埋后的40a内,由于压缩和降解产生的渗滤液占渗滤液总产生量的52%～82%；即使将时间范围放大到 100a,这一比例仍达 10%～40%.因此,估算生活垃圾填埋渗滤液产量时,必须考虑垃圾自产水的贡献.

3.3在我国不同地区,影响渗滤液产量的参数有显著差异.尤其是,西北地区降水渗出系数和生活垃圾初始含水率均低于北方和南方地区,将导致其渗滤液产率较低.西北地区的生活垃圾填埋场在选择渗滤液处理方式时,可根据其产量选择经济适用的方法,不宜照搬其他地区的既有模式.

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Impact factor analysis and quantification method establishment for landfill leachate generation in China.

YANG Na1,2, HE Pin-jing1*, LÜ Fan1, ZHANG Hua1, SHAO Li-ming1（1.Institute of Waste Treatment and Reclamation, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shenzhen Academy of Environmental Science, Shenzhen 518001, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2452～2459

To reflect specific conditions in China, this study established a method to estimate landfill leachate amounts in two sources： infiltrated precipitation and water squeezed from waste. A hydraulic model （i.e. HELP） was used to obtain the precipitation infiltration factors for 31 typical Chinese cities. The calculation method for water squeezed from waste by compaction and degradation was set up based on theoretical analysis, and the key parameters—field capacity and degradation percentage—were acquired by literature mining. According to this method, landfill leachate quantities in 10 Chinese cities were calculated. Water squeezed from waste accounted for 52%～82% of the total leachate amounts during 40 years after landfilling, implying its importance in Chinese municipal landfills. Leachate generation amounts showed significant spatial variations due to the different precipitation infiltration factors and waste properties. Hence, leachate treatment measures should be selected according to its generation amounts rather than using certain general method.

municipal solid waste （MSW）；sanitary landfill；leachate generation；precipitation infiltration factor；initial moisture content

X705

A

1000-6923（2015）08-2452-08

2015-01-07

国家重点基础研究发展计划资助项目（2012CB719801）

* 责任作者, 教授, solidwaste@tongji.edu.cn

杨娜（1986-）,女,山东聊城人,工程师,博士,主要从事固体废物处理与资源化研究.发表论文10篇.