生活垃圾填埋场渗滤液导排系统结垢研究现状及新挑战＊

王 前，苗前名，何品晶，徐期勇

（1. 北京大学深圳研究生院 环境与能源学院，广东 深圳 518055；2. 同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

1 引言

填埋是我国生活垃圾（Municipal Solid Waste,MSW）的主要处理方式之一。2019 年，我国填埋处理量为1.09×108t，占无害化处理总量的45.6%［1］，承担我国生活垃圾管理的“兜底”任务。渗滤液导排系统淤堵是全球卫生填埋场的普遍问题，同发达国家相比，我国填埋场渗滤液产生量大，且具有悬浮物含量高和有机负荷大的特点［2］，更易造成渗滤液导排系统淤堵。深圳老虎坑填埋场在运行6 a 后，其渗滤液导排系统渗透系数下降至约10-8m/s，远低于底层饱和生活垃圾渗透系数10-6m/s［3］。导排系统淤堵会导致填埋堆体水位雍高、孔隙水压力增大、边坡稳定性降低、渗滤液渗漏风险加剧，进而引发填埋场环境安全事故，严重影响填埋场正常运行［4-5］。因此，掌握渗滤液导排系统结垢的形成机制及影响因素，有利于提高填埋场长期运营的稳定性和环境安全性。近年来，随着我国生活垃圾焚烧比例增加，大量焚烧炉渣进入生活垃圾填埋场，给填埋场渗滤液导排系统结垢带来了新挑战［6-9］。

本研究归纳总结各类渗滤液导排系统淤堵的工程案例，在此基础上分析结垢形成机制，结合研究关键词共现图谱和我国实际情况，提出填埋场结垢面临的新挑战，并展望填埋场渗滤液导排系统结垢防治的未来发展方向。

2 填埋场导排系统结垢

2.1 淤堵案例及淤堵物主要成分

渗滤液导排系统的主要功能是收集填埋库区内产生的渗滤液，维持填埋场稳定的水力环境，降低对周围土壤、地下水等环境的威胁。填埋场导排系统淤堵会导致填埋场底部渗滤液导排不及时，填埋场内水位雍高，引发安全事故。近年来，淤堵问题逐渐受到世界各国关注。通过填埋场现场挖掘，发现导排系统的不同部位都存在淤堵现象。Koerner 等［10］发现，在美国某填埋场中土工布是淤堵最严重的部位，120 d 后其渗透系数由初始的4.2×10-4m/s 降至3.1×10-8m/s；颗粒排水层孔隙率在运行8 a 后下降了8%［11］；深圳下坪填埋场的淤堵由导排管内结垢造成［12-13］；加拿大的填埋场中也出现了类似的情况，填埋场运行5 a 后渗滤液管道上的结垢物厚约50 mm［14］。

表1 从填埋场和实验室两方面，汇集了填埋场渗滤液导排系统结垢物成分组成。结垢物主要成分包括Ca、Si、Mg、Fe 和碳酸根（CO），其总量达到78%～94%［15-16］。其中碳酸钙（CaCO3）为主要的组成成分，结垢物中的Ca 含量达到9.4%～53.5%，CO含量达到14.1%～58.0%，Ca/CO的质量比处于0.47～0.71［17-18］。在下坪填埋场、小涧西填埋场和长安填埋场等的结垢物中检测到CaCO3含量占88%～92%［13,16,19-20］。

表1 填埋场淤堵成分分析Table 1 Analysis of clogging components in landfills

2.2 导排系统结垢分布及影响因素

渗滤液导排系统主要由土工布、颗粒排水材料、渗滤液导排管3 部分组成。导排系统各部分均可能发生结垢，其中土工布往往是最先发生结垢的部分，也是发生结垢最严重的部位［27］。土工布的主要作用是过滤、排水和防止颗粒物进入排水管［28］。土工布结垢是导致土工布渗透效率降低的主要原因［29-30］，从而导致渗滤液导排系统无法收集渗滤液、渗滤液水压超过控制水平，最终影响填埋场的稳定性［5］。针对土工布结垢，国内外学者在填埋场和实验室均开展了相关研究（表2）。研究表明土工布结垢时，渗透系数出现不同量级变化范围，而垃圾成分是影响土工布结垢的重要因素，高有机质含量的生活垃圾为微生物生长提供营养，同时也为化学沉淀提供必备条件，从而引发结垢［16,31］。

表2 土工布结垢研究总结Table 2 Summary of geotextile clogging research

目前关于颗粒排水材料（砾石等）结垢的研究主要集中在探究粒径分布、流速条件和材质等因素的影响。导排层材料粒径大小与结垢情况成反比关系，流速、质量负荷与结垢情况成正比关系［17,21］。Mclsaac 等［11］设计了不同堆积厚度（100 mm 和300 mm）、不同粒径（19 mm 和38 mm）的砾石结垢实验，运行6 a 后的结果表明在饱和区域中占比45% 的孔隙存在结垢，部分饱和区域只有31%，非饱和区域则少于10%；同时38 mm 砾石比19 mm 砾石的水力传导系数高。在平均粒径10 mm 的砾石（厚300 mm）中进行260 d 结垢实验后，结果表明可排水孔隙度最大降幅为53%［17］。Beaven 等［38］对比了轮胎和砾石运行6 个月之后的结垢情况，结果发现材质对结垢情况未引起明显变化。

导排管结垢主要受管径、填埋龄、渗滤液性质和管道材料等因素影响。Lozecznik 等［39］采用实际渗滤液对比不同高密度聚乙烯（HDPE）管道内径（40、80 mm）的结垢情况，结果表明大管径的管道积聚了更多结垢物。在不同填埋龄下，HDPE管道均出现明显结垢现象［40］。而聚氯乙烯（PVC）材料管道在新鲜渗滤液中结垢更严重，这是由于化学沉淀和微生物代谢活动的共同作用，Ca2+是主要影响因素［41］。而CaCO3结垢主要受管材表面粗糙度影响［42］，细菌吸附的关键因素是管道硬度［43］。综上所述，渗滤液导排系统不同组成成分之间结垢情况存在差异，但形成结垢的机理主要是由物理、化学和生物3 个方面因素导致。

3 结垢形成机制

引发渗滤液导排系统结垢的因素繁多，作用机理复杂，其形成机制主要有物理沉积、化学沉淀、生物结垢及物理-化学-生物耦合作用［6］（图1）。

图1 结垢形成种类Figure 1 Types of clogging formation

3.1 物理沉积

物理沉积是指随着渗滤液在填埋场中的迁移，渗滤液中的颗粒物被吸附、拦截，且不断碰撞、积累形成；从而降低了渗滤液导排系统的水力传导系数［17］。物理沉积发生特别迅速，在实验室模拟场景下初始几小时就十分明显［44-45］；物理沉积可分为内部和外部两种［46］：内部物理沉积是细小颗粒物在物理、化学作用力的影响下在孔隙内部积累形成［30,47］；外部物理沉积是由于在导排材料表面形成了颗粒状滤饼，通过保留越来越细的颗粒而逐渐堵塞导排材料。

渗滤液性质是影响物理沉积的重要影响因素。当渗滤液中总悬浮颗粒物浓度高（＞2 200 mg/L）、颗粒物粒径较大（＞15 μm）时，渗滤液导排系统面临着物理沉积的风险［27,31］。基于渗滤液性质和颗粒物粒径分布特性，Liu 等［48］采用统一耦合有限元数值模型对物理沉积过程进行预测，结果表明土工布的渗透性能在1～2 a 后从初始的10-1～10-2m/s 下降至10-8～10-9m/s，整个渗滤液导排系统在运行17 a 后会彻底失效，减少餐厨垃圾填埋量是减少物理沉积的有效措施。

3.2 化学沉淀

化学沉淀是指渗滤液中Ca2+、Mg2+等金属离子与CO等阴离子在过饱和情况下形成难溶性碳酸盐、硫酸盐等沉淀［25］。由于CaCO3溶度积较小，一般会先达到过饱和状态而析出。目前填埋场和实验室结果均表明CaCO3为主要的化学沉淀物［49-50］，其主要的物质形态为方解石，包括紧密包裹束径向纤维晶体和微晶晶体两种结合形式［50］。在CaCO3形成过程中pH 和CO2分压是两个关键影响因素，两者相互关联，具体反应方程式见式（1）～式（2）。

CaCO3的形成与pH、Ca2+浓度、CO浓度直接相关，挥发性脂肪酸（VFAs）的缓冲作用同样影响CaCO3沉淀过程。VFAs 的降解提高了渗滤液的pH 和碱度，从而促进了CaCO3的形成［51］。因此，CaCO3沉淀量与VFAs 降解量之间存在显著正相关关系［52］。乙酸和丙酸的降解能使pH 上升0.30～0.45，从而使渗滤液中50%～70% 的Ca2+形成CaCO3［53］。乙酸、丙酸、丁酸和CaCO3之间的关系可用CaCO3产量系数表示，其中乙酸降解是形成CaCO3的主要因素［52］。同时结合渗滤液性质变化，综合采用模型对化学沉淀量进行分析和预测［54-55］。Li 等［56］采用NICA-Donnan 模型探究了溶解性有机碳（DOC）和Ca2+、Mg2+沉淀之间的关系，结果表明DOC 更倾向于与Mg2+络合，导致渗滤液中更容易形成方解石沉淀。

3.3 生物结垢

生物结垢是由于渗滤液中微生物利用渗滤液环境中的营养物质在导排材料表面附着生长，群落不断聚集，同时分泌胞外聚合物（EPS）而综合形成的生物膜［57-58］。根据生物膜是否具有有机物降解活性，可分为活性生物膜和衰亡后的惰性生物膜。进一步可把生物结垢分为活细菌、死细菌和EPS［59］。

生物结垢形成过程复杂，其影响因素众多。生物结垢与微生物生长过程密切相关，会导致土工布渗透性能明显下降［35］。微生物群落种类与渗滤液性质存在紧密相关性，但不受导排填料粒径、流速、温度等因素的影响［17,21］。目前研究主要集中在生物结垢预测，依据VFAs 含量、Ca2+浓度等渗滤液性质变化，可采用多种结垢模型对生物结垢情况进行预测，包括生物结垢1D 模型［60］、生物结垢2D 模型［61-62］、生物结垢变形模型［63-64］、生物蛋糕模型［65］。

3.4 物理-化学-生物耦合作用机理

结垢影响因素众多，淤堵是个复杂多变的过程。前期的研究表明化学沉淀与生物结垢之间并不是孤立形成，而是彼此交错、相互促进。在电子显微镜中观测到土工布上形成的结垢物呈不均匀分布状态，而CaCO3与生物结垢之间是相互交错存在的［37］。渗滤液中的Ca2+不仅可以通过化学反应生成沉淀，而且可以通过微生物表面的负电荷结合到细菌表面，从而影响生物结垢。

生物结垢是一个动态变化过程，在近400 d 的土工布浸没实验中，土工布单位结垢质量在一个相对较大范围内（38.2～162.1 g/m2）波动，化学沉淀和生物结垢的比例也随时间发生变化［6］。生物结垢本身存在生长期、稳定期和脱落期，且化学沉淀和生物结垢之间存在相互影响，导致了结垢物质量和成分出现变化。

综合来说，结垢是物理、化学、生物多因素综合作用的结果（图2）。渗滤液中颗粒物发生沉降，形成物理沉积。同时渗滤液中的有机物不断降解，反应过程中产生CO2和CH4等填埋气，部分CO2溶解于渗滤液中，形成CO，与渗滤液中的Ca2+反应形成CaCO3沉淀；有机物降解为细菌的生长提供充足的养分，从而促进细菌的生长积聚并分泌产生EPS，进而生长为生物膜；综合导致渗透系数迅速下降，结垢不断加剧。随着化学和生物结垢的形成，导排孔隙逐渐变小，颗粒物截留效率提高，物理沉积作用也不断加剧。

图2 渗滤液导排系统结垢耦合作用机理Figure 2 The mechanisms of clogging in leachate collection system

4 填埋场结垢新挑战

4.1 炉渣混填对结垢的影响

随着生活垃圾焚烧比例的增加，产生了大量焚烧副产物炉渣。炉渣是由Ca、Mg 等金属元素氧化物组成的混合物，目前炉渣的一个重要处置方式是进入生活垃圾填埋场进行混填，这改变了渗滤液性质和结垢情况。不同炉渣混填比例导致渗滤液导排系统中土工布结垢情况出现差异［6,66］。相较于生活垃圾填埋，低炉渣混填比（炉渣∶MSW=1∶9）中的土工布结垢质量呈现上升趋势，而高炉渣混填比（炉渣∶MSW=5∶5）中的土工布结垢质量呈现下降趋势，纯炉渣填埋组未观测到结垢现象。大部分文献报道了炉渣混填后导致渗滤液性质改变，而土工布结垢质量与渗滤液性质具有相关性［8,9,37,67］，稳定后的pH 与炉渣混填比之间呈现正相关关系。与此同时，与纯生活垃圾填埋相比，低炉渣混填比中的钙镁离子含量、碱度和COD 均呈现上升趋势，而高炉渣混填比和纯炉渣填埋中的钙镁离子含量、碱度和COD 均呈现下降趋势［68-70］。综上所述，目前国内外发现炉渣混填会改变渗滤液的pH、钙镁离子含量、碱度、COD、重金属和微生物［8,69,71-75］，因此在实际填埋场中推荐炉渣单独填埋以降低结垢风险［7］。

炉渣混填对渗滤液导排系统结垢的影响受到越来越多的关注和研究。利用VOSviewer 对国外与炉渣混填研究相关的文献中的关键词进行共现分析（图3），对Web of Science 数据库检索到的6 274篇英文文献中的关键词进行统计分析，将其中高频出现的关键词划分为5 个聚类。这5 个聚类基本表征了近30 年来国外炉渣混填领域的主要研究热点及方法。其中，聚类内部关键词出现频次越高，共现分析图中的圆球越大，表明该关键词为该聚类的热点研究主题。总体上研究内容趋于多元化，与炉渣相关的研究包括结垢、资源化利用、渗出性、吸附特性等；而与结垢相关的聚类包括填埋场、管道、反应器等。这同样表明结垢现象存在于多种实际场景中，是一个多领域关注的共性问题。

图3 1990—2020 年炉渣混填研究关键词共现Figure 3 Keywords co-occurrence of researches about bottom ash co-disposal landfill from 1990 to 2020

4.2 结垢防治措施的工程应用及趋势

目前，结垢防治措施包括设计优化、清洁除垢、导排材料改性等方式（图4）。

图4 渗滤液导排系统结垢防治措施Figure 4 Clogging controlling in leachate collection systems

管道设计优化包括在满足管径设计规范的前提下，选用合适的管径增加流速，同时增大水力坡度来改变水力状态，从而减小结垢淤堵风险，同时应尽量避免管道变径、拐弯；在U 型管道前后安装控制阀门和排渣阀，便于进行分段清洗［13］。可通过改变导排层结构来减缓结垢，如在排水层中间段设置粒径较大的砂砾层［76］、砾石层中使用非针织土工布［77］，也可通过在砾石层前增加矿化垃圾层，对渗滤液中的有机物和悬浮固体进行预处理，从而降低渗滤液在砾石层形成结垢的概率［78］。

填埋场渗滤液导排系统常见的清除结垢方式是每年喷射清洗和定期视频检查。高压水射流清洗管道可以减小结垢物厚度，使结垢物处于松散状态，但是该方法清理长度有限，需要填埋场设计阶段提前考虑需求。数码视频检测技术能在不开挖的情况下快速自动找到结垢点，从而节约时间，但是该方法需要在填埋场建造阶段提前考虑需求。电子除垢系统可与高压清洗联用，通过能量脉冲从而分析结垢位置，改变结垢成分。Integrated Environmental Technology 公司采用化学清洗（盐酸、羧酸、烷醇胺、烷基磺酸钠、催化剂、分散剂和抑制剂）方法去除渗滤液收集管道中的结垢物。此方法能溶解和去除结垢和管道腐蚀的副产物和生物膜。但是，该方法耗时长、成本高，每英尺（1 英尺=0.304 8 m）管道大约每次需要花费20～40 美元。此外，无人机倾斜摄像测量用在了垃圾填埋场测量中，结合三维模型、数字正射影像图和数字地标模型可得到填埋场边坡监测分析，为填埋场防治渗滤液导排系统结垢提供参考数据［79］。

结垢防治可通过改性土工布、管道等导排材料的措施实现。Wang 等［80］提出可采用纳米材料提高表面亲水性减缓结垢，氧化石墨烯改性土工布可使细菌数量下降2 个数量级，同时EPS 含量下降56%。纳米二氧化硅改性HDPE 管道能降低管道的表面能，从而达到防治结垢的目的［81］。

5 结论与展望

渗滤液导排系统淤堵是填埋场中普遍存在的问题。结垢影响因素众多，包括物理沉积、化学沉淀和生物结垢。目前国内外已针对结垢形成机制和影响因素进行相关研究，阐明了物理沉积、化学沉淀、生物结垢的机理。但是，仍然存在一些需要克服的关键科学和技术问题，同时填埋场也面临着炉渣混填的新挑战。

在未来的研究中以下方面值得重点考虑：关于结垢机制方面，目前研究主要关注3 种结垢机理的单独阐述和探讨，不同结垢因素之间的相互作用尚不成体系，因此，需要阐明不同结垢因素之间的相互作用和共同促进影响；进一步地，结垢与淤堵之间的时空演化机制尚未明晰，目前填埋场面临炉渣混填的新挑战，但是炉渣混填对填埋场导排系统结垢机理仍有待进一步探索；从防治结垢工程应用来看，目前的工程措施仍具有局限性，改性材料在实际填埋场中的防治结垢效果仍未可知，有待进一步深入研究。