黄土覆盖生活垃圾沉降及污染物分层分布特征＊

纪肇烨，侯子良，杜晓辉，贾普琦，李忠国

（兰州大学资源环境学院，甘肃 兰州 730000）

1 概述

在我国西北地区，一些生活垃圾卫生填埋场使用当地黄土作为中间覆盖层[1]及终场覆盖层[2]。由于干旱和半干旱气候区具有蒸发量远大于降雨量和弱降水的特点，降雨的深层渗透在单一黄土覆盖层即可被有效阻滞，中间覆盖层对重金属离子也具有短期的阻滞作用[3]，其中黏土对重金属离子的吸附作用较壤土为佳[4]。

黄土覆盖层分为两类，一类是单层细粒土层的单一型覆盖层，另一类是细粒土层位于粗粒土层下的毛细阻滞型覆盖层[5]。基于水分储存-释放原理的黄土覆盖层可实现国内外生活垃圾卫生填埋场建设现行标准中复合覆盖层的部分功能[6-7]。与传统黏土覆盖层及复合覆盖层相比，黄土覆盖层具有阻滞降水入渗[8]、造价低廉[9]、适宜植物栽培[10]等诸多优势。

城市生活垃圾（Municipal Solid Waste，MSW）组分的可压缩性大于黄土，因此不可忽视黄土对生活垃圾的压缩蠕变和生活垃圾中有机质降解引起的MSW 堆体沉降[11]，及其引起渗滤液下渗及污染物运移等问题。一些研究者通过实验室模拟降解实验分别对物理压缩蠕变[12]和有机质降解沉降[13]情况下降解龄期和自然应变的关系及重金属的运移[14]进行了研究。张振营等[15]则以实际生活垃圾填埋场为对象进行研究，归纳出MSW 降解沉降量与降解龄期的指数函数关系式。

以上学者在实验设计中多采用我国东部地区黏土或建筑砂土作为混合覆盖层，或直接配制MSW进行降解沉降而未进行填埋，对黄土覆盖下压缩蠕变及有机质降解沉降而引起的黄土-MSW 混合作用和污染物运移分布特征研究较少。本文将新鲜MSW试样分别装入模拟填埋试验装置中，使用黄土进行覆盖厌氧降解，分析MSW 降解龄期180 d 内的自然应变特征，30 d 和180 d 下含水率，有机质、可燃物、灰分、BDM（Biologically degradable matter）和典型重金属的运移规律。

1 采样和分析

1.1 实验材料与方法

按照 《生活垃圾采样和分析方法》（CJT313-2009），于2019 年5 月20 日使用四分法对兰州新区垃圾填埋场当日进场新鲜垃圾进行采样，将不少于200 kg 垃圾进行破碎，然后填入模拟实验装置内。覆盖层黄土取自兰州新区生活垃圾填埋场旁土梁。黄土样品采回后在实验室进行自然风干，过2 mm筛去除黄土中碎石、垃圾等杂物，混合均匀后备用。

对用作生活垃圾填埋覆盖层的天然黄土基本理化性质进行分析，供试黄土粒径分布按照《化学品 土壤粒度分析试验方法》（GB/T 27845-2011）进行分析，黄土含水率按照《土工试验规程-烘干法》（SL237-1999）进行分析，黄土容重按照《土工试验规程-密度实验》（SL237-004-1999）进行分析，黄土比表面积采用物理吸附仪（Micromeritics TriStar Ⅱ3020，美国）进行测试分析。

取降解龄期0 d 的垃圾样品作为对照组。当填埋柱中MSW 试样达到一定降解龄期（0 d、30 d、90 d、150 d、180 d）时，分别记录对应MSW 沉降高度，计算MSW 的自然应变，评价覆盖层黄土与MSW 的混合水平。当MSW 试样达到指定降解龄期（30 d）时，按埋深20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 对填埋柱A 的MSW 取三组样品。当试样达到指定降解龄期（180 d）时，按埋深0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 对填埋柱B 内的MSW 样品取四组样品。取样完成后，将以上8 个MSW 样品均立即封装标记并及时检测。

1.2 MSW 生物可降解度（BDM）分析

利用重铬酸钾在强酸性条件下氧化MSW 样品中的有机质，以硫酸亚铁铵回滴过量重铬酸钾，根据式（1）计算MSW 样品的生物可降解度（BDM）。

式中，V0为空白试验中消耗的硫酸亚铁铵标准溶液体积（mL）；V1为MSW 样品测定消耗硫酸亚铁铵标准溶液的体积（mL）；c 为硫酸亚铁铵标准溶液的浓度（mol/L）；w 为MSW 样品质量（g）。

1.3 MSW 有机质、可燃物、灰分含量和含水率测定

根据《生活垃圾化学特性通用检测方法》（CJ/T 96-2013）规定，采用电热鼓风干燥箱（绍兴市沪越仪器设备厂，101-DQSB 型）对MSW 样品进行烘干，测定MSW 样品的含水率；采用一体式箱式电阻炉（上虞市道墟科析仪器厂，XMT-8000 型）对烘干后的MSW 样品进行有机质、可燃物和灰分含量的分析。

将装有MSW 样品的恒重瓷坩埚放入一体式电阻炉中，升温至600℃进行保温6～8 h，取出坩埚移入干燥器中进行自然冷却，然后称重测定MSW 样品的有机质含量。将装有MSW 样品的恒重坩埚放入一体式箱式电阻炉中，将炉温升至815℃，随后随炉冷却至室温，称重测定MSW 样品的可燃物和灰分含量。

2 结果与讨论

2.1 垃圾与黄土基本理化性质

填埋垃圾主要成分为厨余、纸类、橡塑类，其余包括玻璃类、金属类、砖瓦陶瓷类等，厨余占比62.44%，纸和橡塑类分别占14.52%和11.00%，其余依次为玻璃（4.28%）、纺织（3.46%）、金属（1.99%）、木竹（1.65%）和其他（0.66%）。

垃圾填埋覆盖层所用黄土为典型马兰黄土，属灰钙土，其理化性质结果见表1。

表1 黄土基本理化性质

2.2 MSW 自然应变与降解龄期的关系

MSW 的自然应变由沉降量和试样初始高度计算得出，不同降解龄期垃圾的沉降量和自然应变数据见表2，自然应变和降解龄期的关系如图1 所示。

考查要点：(1)铝是活泼金属,但铝抗腐蚀性相当强,因为铝表面生成一层致密的氧化物薄膜,铝制品表面的致密氧化膜起着保护内部金属的作用,所以铝制品在空气中能稳定存在,也具有很强的抗腐蚀性。(2)致密氧化膜还可推广到铁与冷的浓硫酸、浓硝酸相遇的钝化。(3)致密氧化膜熔点很高,打磨的铝箔加热至熔化时,铝不会滴落。(4)铝制容器不宜蒸煮或长时间盛放酸性、碱性或咸的食物。

表2 不同降解龄期MSW 的沉降量和自然应变

图1 MSW 自然应变与降解龄期的关系

图1 显示，降解初期，MSW 在自重和好氧分解双重作用下产生自然降解，此时自然应变幅度较大。在随后的厌氧消化阶段，MSW 自重作用影响逐渐减小，产生的酸性物质不利于厌氧菌繁殖，有机质分解受限，自然应变增长幅度变小。自然应变随可降解有机质的分解而逐渐趋于稳定。实验室模拟条件下垃圾的自然应变可用指数函数进行拟合，拟合系数为0.98，见式（2）：

线性拟合方程如（3）式，拟合系数为0.93。

在将实际生活垃圾填埋场作为研究对象时，一定时间内有机质含量可近似视为线性减少，但在小型垃圾填埋降解装置研究中，有机质总量呈现快速减少-缓慢减少现象，受有机质总量影响较大，因此线性拟合效果不佳。

王樱峰等[11]将配制MSW 试样进行密封降解实验，建立了降解龄期与MSW 密度、应变和有机质含量的关系方程（下称模型一），降解龄期与自然应变的关系表达式为：

式中，ε 为自然应变（%），T 为降解龄期（d）。

张振营等[15]以杭州天子岭垃圾填埋场为例进行工程实例分析，建立了MSW 沉降量与降解龄期的关系表达式（下称模型二）：

式中，St 为沉降量，k 为降解度系数，S∞为时间趋于无穷大时的总有机物沉降量，t 为降解时间（年，a）。

朱青山等[13]使用实验室模拟实验装置，选取0～190 d 区间，检测垃圾沉降速率，认为当降解龄期t大于某值时，S 与t 成线性关系（下称模型三）：

根据上述三种模型可对中后期（180～720 d）MSW 有机质沉降情形做出趋势评价，如图2 所示。模型二研究对象为杭州天子岭垃圾填埋场，时间跨度大（0～50 a），降解前期自然应变与降解龄期可近似满足线性关系；模型一、三和本研究数据均采用室内填埋模拟装置，有机质总量较少，故MSW 在填埋初期降解快。模型一采用自行配制MSW 进行填埋研究，与本研究实验条件接近，趋势较为一致；本研究在30d 内垃圾可能出现大量降解情况，180d 时即可能达到稳定化。初期物理压缩蠕变会导致一定程度的自然应变，但中期MSW 有机质的降解则起主导作用。

图2 不同模型下MSW 自然降解趋势

2.3 MSW 有机质降解分层分布特征

填埋体的沉降既包括微生物对有机质的好氧分解和厌氧消化等生物作用，也包括弯曲、变形、挤压和细颗粒向粗颗粒孔隙的侵入等物理机制[16]。图3 所示为黄土覆盖条件下不同埋深的MSW 初期（30d）物性指标含量百分比。由图可以看出，中间层有机质和可燃物含量占比最高，反映出有机质分解相对缓慢，处于好氧发酵阶段和厌氧消化初期阶段；表层垃圾含水率高于中间层和底层垃圾，这是由于当填埋体经自然沉降压实时，由于体积的逐渐压缩，堆体应力状态发生变化，部分水分从MSW 中被挤出，且随埋深增加堆体压力增大；BDM 指标在各埋深垃圾中分布较为平均。

图3 降解30d 不同埋深MSW 污染物物性分布特征

初期沉降完成后，系统进入中期沉降阶段。中期沉降是包括压缩蠕变沉降和有机质降解沉降在内的阶段[17]，这一阶段表层黄土逐渐与MSW 混合，黄土中的微生物逐渐降解MSW 中的有机质，各层有机质、含水率逐渐表现出分层分布的特征。

图4 所示为黄土覆盖条件下180 d 不同埋深MSW 物性指标所占百分比，由图可知，填埋中期黄土-垃圾混合层（0～20 cm）受到黄土中微生物分解作用及黄土吸附作用的影响，有机质降解较为充分；垃圾表层（20～40 cm）和中间层（40～60 cm）垃圾有机质分解相对较慢，含水率较低。渗滤液浸润层（60～80 cm）MSW 长时间受渗滤液浸润，含水率较高，有机质分解较快，BDM 含量较高。中期各层垃圾随埋深表现出一定的降解分布规律，黄土-垃圾混合层（0～20 cm）和渗滤液浸润层（60～80 cm）MSW 降解速率较快。

图4 降解180d 不同埋深MSW 污染物物性分布特征

2.4 填埋体典型重金属分层分布特征

图5 所示为30 d 和180 d 典型重金属分层分布特征。以降解0 d 的MSW 对照组作为基准值，汞、铅、镉在各层分布的相对含量。黄土覆盖条件下，汞、铅分别在20～40 cm 和40～60 cm 处达到相对最大值。镉在30 d 时各层相对较均匀，180 d 时在40～60 cm 处达到最大值。

图5 不同埋深典型重金属分层分布特征

MSW 中重金属在各埋深的分层分布表现出显著的差异。渗滤液中的溶解性有机物（Dissolved organic matter，DOM）对Cd 在土壤中的吸附促进作用较为明显，对Pb 的吸附促进作用则比较微弱[18]，且填埋年限较长的渗滤液较填埋年限较短的渗滤液对土壤吸附Pb、Cd 的影响强烈[19]。30 d 时，试验装置中开始有少量渗滤液产生，黄土覆盖层初步吸附表层垃圾中的Hg、Pb、Cd 等重金属，180 d 时，渗滤液大量产生，垃圾表面出现白斑和霉变，表层黄土与垃圾初步混合，渗滤液促使部分MSW 中的重金属运移至黄土层中。相关研究表明，黄土在pH=6时对Pb（Ⅱ）已基本完全吸附，而Cd（Ⅱ）在强碱性条件下方能基本去除[20]，故在厌氧降解酸化阶段，Pb（Ⅱ）在竞争吸附[21]中处于优势；底层MSW 长时间受渗滤液浸润，部分重金属运移至渗滤液中，故在生活垃圾中检出含量较低。

3 结论

采用两组试验装置对MSW 进行降解，对一定解龄期的垃圾试样进行了降解沉降和分层分析相关试验，得到以下结论：

1）MSW 的自然应变随降解龄期的增加而增加，有机质总量较少的条件下自然应变与降解龄期的关系可用指数函数模型进行拟合，拟合系数为0.98，根据模型可以预测不同阶段降解龄期MSW 的自然应变和沉降情况。

2）降解30 d 和180 d 后MSW 在不同埋深有机质和可燃物等因素占比均呈现中间埋深较高、表层和底层较低的特征，180 d 时表层黄土微生物降解和底层渗滤液浸润对有机质的加速分解起促进作用。30 d 时不同埋深MSW 含水率主要受填埋体自然沉降和应力变化影响，180 d 时不同埋深MSW 含水率主要受MSW 产液特性影响。

3）Hg 和Pb 在黄土覆盖层中的竞争吸附中处于优势，渗滤液能够促进黄土对重金属的吸附作用；重金属在各分层中的剩余相对含量依次为：中间层＞底层＞表层。