粘土衬层压实度对农村垃圾填埋场防渗性能影响研究*

袁续胜 吴小卉 孟棒棒 岳波 高红 张颖 闫敏婕

（1.昆明理工大学 建筑工程学院，昆明 650500；2.中国环境科学研究院 固体废物污染控制技术研究所，北京 100012）

0 引言

随着农村经济的发展，我国农村生活垃圾年产量达到了2.94亿t，卫生填埋是现阶段我国农村生活垃圾的主要处理手段，目前广泛应用的填埋场防渗层有两大类：一类是土工膜复合防渗层，一类是粘土防渗层，欧美等发达国家填埋场多采用土工膜复合防渗层防止渗滤液渗漏［1］，我国城镇生活垃圾填埋场防渗衬层普遍采用由HDPE膜和粘土层组成的复合防渗层［2］。尽管防渗膜具有高抗渗性的特点，但经济成本高、对垫层处理要求高、易被腐蚀性强的渗滤液蚀穿［3］。农村地区受经济条件的限制，复合防渗层难以大范围应用。因此从小规模农村垃圾填埋场场址区附近合理距离内选取黏土作为防渗衬层材料往往是比较经济和切合工程客观实际的做法。

目前粘土层防渗性能与土层压实密度、压实含水量、土料组成特性（粘粒含量、塑性指数）等土层参数的研究已经较为深入和完善。在《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB 16889—2008）中要求粘土防渗层饱和粘土渗透系数小于1.0×10-7cm/s且厚度大于2 m，按照上述标准建设的填埋场粘土防渗层未考虑粘土防渗层压实度对污染物的阻滞能力的影响，使渗过防渗层的污染物量低于填埋场场址的环境容量。通过室内土柱淋滤模拟实验研究单一粘土层不同压实度对渗透系数以及渗滤液污染质穿透效率的影响，为农村垃圾填埋场防渗技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料选取方法

实验土壤均取自湖北省麻城市铁门岗乡小规模生活垃圾填埋场上游未受污染和扰动的土壤。土样取回后进行自然风干后过孔径为0.55 mm筛子剔除杂物，用四分法进行分取，测量土样含水率低于5%后备用。土壤基本理化性质如表1所示。

表1 室内土柱模拟实验土样基本性质

实验渗滤液来源于北京阿苏卫生活垃圾填埋场，为使其与农村垃圾填埋场渗滤液浓度相似，将渗滤液稀释5倍后用于土柱淋滤实验，稀释后的渗滤液基本理化性质为：pH值为8.05，CODcr质量分数为5 060.02 mg/kg，NH3—N质量浓度为385.67 mg/L。

1.2 实验装置与方法

室内土柱模拟实验装置由5根相同的有机玻璃柱、5个相同的高位恒水位圆形水箱（直径40 cm、高度30 cm）、1个低位圆形水箱（直径50 cm，高度50 cm）组成，见图1。

室内土柱模拟实验设计和运行条件如表2所示。本次实验共设5个实验组，对各个土柱分别进行装土、饱水和渗滤液开始淋滤实验过程。首先，制备最优含水率下的湿润土样。将风干后的土样用超纯水进行均匀喷洒，静止一昼夜，检测不同位置湿润土样的含水率，保证含水率之差不超过±1%。接着将制备好的湿润土样分层分次填充到土柱内，利用压实器均匀压实完成25 cm厚土层填装，然后在土层上面铺设5 cm厚度的细石英砂，重复5次。土柱装好后，采用从上到下的饱水方式进行土柱饱水，达到排除土柱内多余空气和清洗土柱的作用，为了避免冲刷土柱，饱水时应控制水速和保证将水头恒定30 cm的高度。土柱饱水后，进行渗滤液均匀入渗，实验过程中保证渗滤液高位水箱到各土柱底部距离为2.1 m，在此期间室内自然通风。

表2 室内土柱模拟实验设计和运行条件

同时采集土柱出水口水样和定水水体的水样，避免渗滤液入渗和土柱出水口取样存在的时间差。垃圾渗滤液检测的项目有：渗透水量、进出水COD、NH3—N。

2 结果与讨论

2.1 不同压实度对渗透能力影响研究

2.1.1 不同压实度对渗透水量影响

不同压实度粘土层中渗滤液渗透水量的变化如图2所示。在处于最优含水率情况下，同一土料不同压实密度下渗滤液渗透水量差距很大，且渗透水量随着渗透时间的增长缓慢降低，压实度为80%和85%的时候渗滤液渗透水量相对较高。这是因为在含水率一定条件下，土层干密度越大其渗透功能越弱。土层击实功能越大，土层颗粒排列就越紧密，渗透水量越少。因此，压实功能是研究粘土衬垫材料工程性能中一个重要的控制因素，在最佳湿度下，渗水率可通过压实功能降低一至两个数量级［4］。整体实验期间各土柱渗透水量基本稳定，实验后期缓慢下降，这可能是土柱中微生物降解有机物导致土层渗透性能下降［5］。

2.1.2 不同压实度对渗透系数影响

粘土层压实度与渗透系数的变化特征如图3所示。在土层干密度为1.42、1.49、1.57、1.65、1.69 g/cm3时，5根土柱相对应的平均渗透系数分别为1.98×10-7、1.02×10-7、4.68×10-8、2.41×10-8、2.06×10-8cm/s，将渗透系数K与土层压实密度 进行线性拟合，指数函数的方程如式（1）：

土层的压实度与渗透系数呈现负指数函数关系，这可能是因为前中期压实阶段主要减少的是粘土聚集体之间的孔隙，对渗透系数影响较大；后期压实阶段减少的是粘土聚集体内部孔隙，对渗透系数影响较小［6］。实验可知该粘土在90%压实度下渗透系数可满足我国生活垃圾卫生填埋标准规定标准［7］。因此部分农村小型生活垃圾填埋场采用粘土衬层时，可以通过提高压实度增加降低渗透系数［8］。

2.2 不同压实度对污染质运移规律研究

2.2.1 不同压实度时污染质穿透曲线变化规律

粘土层中不同压实度渗滤液CODCr的穿透曲线变化如图4（a）所示，不同土层压实度渗滤液中CODCr的穿透变化比较相似，各土柱CODCr均呈现缓慢上升趋势，以分别代表穿透曲线的“未穿透”、“部分穿透”、“完全穿透”阶段。实验初期5个土柱CODCr渗出浓度几乎不变，研究表明该阶段介质对渗滤液污染质组未表现明显吸附作用，可能是因为实验时间较短，柱内微生物较少导致生物降解不充分［9］。后期各土柱CODCr穿透逐渐增加，这是由于随着淋滤时间的推移和入渗水中微生物营养物质的补充，土柱内微生物降解能力增强。入渗时间为60 d的时候，土层压实度为80%、85%、90%、93%、95%各自对应的土层渗滤液中CODCr的值分别为0.40、0.34、0.24、0.20、0.17，说明土层压实密度越大，CODCr越难迁移。

粘土层中不同压实度渗滤液NH3—N的穿透曲线变化如图4（b）所示，不同土层压实度中NH3—N的穿透规律大致相同。在实验初期NH3—N的渗出浓度呈现先减小后增加趋势，这可能是初始阶段土柱含有氧气较多，微生物发生好氧反应降解速率快，而进入厌氧阶段，由于缺氧发生反硝化作用，产生氨氮进而降解速率变慢。当入渗时间为60 d时，土层压实度为80%、85%、90%、93%、95%时NH3—N的值分别0.31、0.27、0.19、0.15、0.14，说明土层压实度越大，NH3—N在土层中迁移越困难。这主要是因为介质对氨氮的吸附作用，相对于生物降解和生物转化作用来说作用较强。

2.2.2 不同压实度时渗透系数与污染质渗出率变化规律

粘土层渗透系数与渗滤液的污染质渗透率变化规律如图5所示：整个实验过程中不同压实度粘土层的渗透系数与污染物平均渗出率呈现负指数函数增长变化趋势。根据实验拟合结得到CODCr和NH3—N的平均渗出率和粘土层渗透系数k的关系式（2）和式（3）。

粘土层渗透系数k增大时，CODCr和NH3—N的平均渗出率也随之增加。这是因为压实粘土渗透系数越高，渗滤液向下运移时受到粘土颗粒的阻碍作用越小，水头降低较缓慢，水力停留时间变短了，土壤对污染物的截留、化学吸附、离子交换等阻滞作用减弱［10］，CODCr和NH3—N的平均渗出率随之增大。

3 结论

1）土柱压实增大时，其渗透系数随之降低，且呈现指数函数负增长变化关系。实验后期由于土柱中微生物含量增大导致土层渗透性能降低。

2）土层压实度增大时，其CODCr渗出率随之降低。且在实验初期各土柱的CODCr渗出率基本保持不变，随着时间推移，土柱内微生物降解能力增强，各土柱CODCr渗出率提高。

3）土层压实度增大时，NH3—N整体渗出率随之降低。且在实验初期各土柱中由于含有较多氧气，微生物发生好氧反应使得NH3—N渗出率先下降，而后期各土柱微生物处于厌氧反硝化阶段使微生物降解速度变慢。

4）土柱渗透系数与CODCr、NH3—N的整体渗出率呈负指数函数增长趋势。土柱渗透系数降低时，CODCr、NH3—N去除效果呈指数函数增加趋势。