我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的城市生活垃圾產(chǎn)生國(guó)⋯，且城市垃圾正以每年8％～9％的速度快速增長(zhǎng)舊。城市生活垃圾處理方式主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥‘31，而我國(guó)約80％的垃圾是通過(guò)填埋處理的H1。
目前我國(guó)南方垃圾填埋場(chǎng)面臨的一個(gè)普遍問(wèn)題是填埋場(chǎng)內(nèi)滲濾液水位較高”⋯，其主要原因是填埋體的滲透系數(shù)過(guò)低。垃圾滲透系數(shù)是影響填埋體內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)和水分分布的主要因素"1，垃圾滲透系數(shù)過(guò)低令滲濾液不能及時(shí)進(jìn)入導(dǎo)排系統(tǒng)，引起滲濾液在場(chǎng)內(nèi)的累積伸1。填埋場(chǎng)內(nèi)高滲濾液水位會(huì)導(dǎo)致一系列不利后果，如加劇滲濾液滲漏及污染物擴(kuò)散、垃圾填埋場(chǎng)堆體·深圳市基礎(chǔ)研究杰青項(xiàng)目資助(XNY201110021)；
失穩(wěn)滑坡、阻礙填埋氣體收集利用H1，甚至影響土工膜的使用壽命等一1。因此，填埋垃圾滲透系數(shù)的確定以及對(duì)其影響因素的充分了解在控制滲濾液水位方面有重要意義¨引。此外，滲濾液收集與排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、滲濾液回灌計(jì)劃也需要對(duì)垃圾滲透系數(shù)的掌握¨川。
本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新相關(guān)研究文獻(xiàn)，對(duì)填埋垃圾滲透系數(shù)的影響因素及其調(diào)節(jié)方法的研究進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述，以期為我國(guó)控制垃圾填埋場(chǎng)滲濾液水位和提高氣體收集方面的工程技術(shù)手段提供理論依據(jù)。
1垃圾滲透系數(shù)
1．1 測(cè)定方法
滲透系數(shù)(hydraulic conductivity)又稱(chēng)水力傳導(dǎo)系數(shù)，用來(lái)度量多孑L性材料允許流體經(jīng)過(guò)聯(lián)通的孔隙通過(guò)的難易程度‘1“，定義為單位水力梯度下的滲流速度，國(guó)際制單位為m／s。滲透系數(shù)根據(jù)所測(cè)材料是否處于被水飽和的狀態(tài)又分為飽和滲透系數(shù)和非飽和滲透系數(shù)，由于非飽和滲透系數(shù)測(cè)定難度大¨3|，實(shí)驗(yàn)室研究較少，實(shí)際情況中主要對(duì)垃圾的飽和滲透系數(shù)(以下均簡(jiǎn)稱(chēng)為“滲透系數(shù)”)進(jìn)行討論。國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市生活垃圾滲透系數(shù)的研究報(bào)道較多，大多數(shù)報(bào)道集中于其測(cè)定方法和影響因素方面。垃圾滲透系數(shù)多在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)定，實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方
法包括常水頭和變水頭兩種方法。常水頭滲透系數(shù)測(cè)定法是在保持水頭不變的條件下讓水流通過(guò)被測(cè)材料，而變水頭測(cè)定的方法則不控制水流的水頭，讓水流在壓差下自然下落，但兩種方法最后都是根據(jù)達(dá)"=ki (1)式中：口為水流通過(guò)被測(cè)材料的流速，m／s；k為滲透系數(shù)，m／s；i為水力梯度。然而，由于填埋垃圾性質(zhì)(如密度、粒徑等)和填埋場(chǎng)環(huán)境等的不同，實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)不能完全反映填埋垃圾滲透系數(shù)的真實(shí)情況。因此，部分研究者轉(zhuǎn)向填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，從而對(duì)填埋垃圾的滲透系數(shù)做出更為準(zhǔn)確地評(píng)估¨4|，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法包括抽水試
驗(yàn)‘”1、試坑實(shí)驗(yàn)‘161、鉆孔滲透實(shí)驗(yàn)‘141等。除了直接測(cè)定方法外，垃圾滲透系數(shù)還可以通過(guò)各種資料綜合估算的方法獲得¨7|。表1總結(jié)了國(guó)外研究者關(guān)于填西定律來(lái)計(jì)算被測(cè)物質(zhì)的滲透系數(shù)，見(jiàn)式(1)。埋垃圾滲透系數(shù)測(cè)定研究的結(jié)果。
1．2影響滲透系數(shù)的因素
由表1可見(jiàn)，使用不同的測(cè)定方法來(lái)確定不同條件下城市生活垃圾的滲透系數(shù)，最后得到的結(jié)果差異較大，甚至達(dá)到幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這主要是垃圾滲透系數(shù)受多種因素影響的結(jié)果，主要包括垃圾密度、垃圾組分、壓實(shí)程度、降解程度等。
1．2．1密度和組分
垃圾密度直接影響垃圾孔隙率的大小，密度越大孔隙率越小，使得流體流經(jīng)垃圾孑L隙變得困難，使垃圾滲透系數(shù)變小。如圖1所示，密度變大后的垃圾與原來(lái)相比，孔隙率會(huì)明顯變小。
Chen等¨21用常水頭實(shí)驗(yàn)測(cè)定了三種不同組分垃圾在不同壓實(shí)密度160，320，480 kg／m3下的滲透系數(shù)，相對(duì)應(yīng)的平均滲透系數(shù)分別為9．6×10～，7．3×10～，4．7×10～cm／s。Bleiker等‘291對(duì)每層6 m厚共12層的垃圾滲透系數(shù)進(jìn)行了估算，垃圾密度從685 kg／m3逐漸增加到1 345 kg／m3，滲透系數(shù)則從8．1×10。cm／s減小到4．8×10一cm／s。而瞿賢等舊1采用常水頭測(cè)滲實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同壓實(shí)密度新鮮垃圾和陳垃圾的滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，新鮮垃圾密度為750～950 kg／m3時(shí)，滲透系數(shù)為1．26×10～～1．43×10一cm／s；陳垃圾則在密度為I 200，1 400 kg／m3時(shí)的滲透系數(shù)分別為8．29×10一，1．35×10一cm／s。圖2顯示了以上研究者關(guān)于滲透系數(shù)與垃圾密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？傮w而言，垃圾滲透系數(shù)隨著垃圾密度的增大而減小。
Ramli等。3叫則在馬來(lái)西亞取檳城中轉(zhuǎn)站垃圾壓縮箱中的新鮮垃圾作為試樣，采用變水頭測(cè)定方法研究紙一有機(jī)垃圾的滲透系數(shù)，結(jié)果表明有機(jī)含量越高，試樣的滲透系數(shù)會(huì)變得越小，證明了垃圾組分對(duì)垃圾滲透系數(shù)也有影響。因?yàn)椴煌M分的滲透系數(shù)有所不同，組分不同的垃圾滲透系數(shù)也會(huì)不同。
但是，Chen等¨2】的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較高的密度320 kg／m3和480 kg／m3下，垃圾組分對(duì)滲透系數(shù)無(wú)影響，而在低密度160 kg／m3時(shí)，垃圾組分對(duì)滲透系數(shù)有較小的影響。
1．2．2降解程度
隨著垃圾降解的進(jìn)行，垃圾顆粒變小且重新排列’3“，垃圾內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變會(huì)使其滲透系數(shù)發(fā)生一定變化。如圖3所示，降解后的垃圾粒徑變小重新排列后的孔隙率有所減小，滲透系數(shù)也將會(huì)隨之變小。Hossain等”川通過(guò)在美國(guó)德克薩斯州的伯靈頓中轉(zhuǎn)站取垃圾樣，研究了生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)中分別處于4個(gè)降解階段的垃圾在3種壓實(shí)密度700，800，900 kg／m 3下的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)采用常水頭測(cè)試方法，結(jié)果顯示垃圾滲透系數(shù)從第1階段的10。cm／s減小到第4階段的10～cm／s，而且在每個(gè)階段垃圾滲透系數(shù)都隨著密度的增大而降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了滲透系數(shù)隨垃圾密度的增大而減小的結(jié)論。劉輝¨糾認(rèn)為影響城市生活垃圾滲透系數(shù)變化的主要因素是垃圾填埋深度和垃圾有機(jī)成分降解率，也強(qiáng)調(diào)了垃圾降解程度對(duì)于垃圾滲透系數(shù)的重要影響。
1．2．3壓實(shí)程度
隨著填埋過(guò)程中對(duì)垃圾的壓實(shí)，垃圾密度隨之增大，問(wèn)接地使垃圾孔隙率變小，從而令垃圾的滲透系數(shù)變小。圖4總結(jié)了Bleiker等?！?。、陸曉平等。。和柯
瀚等¨川關(guān)于滲透系數(shù)在不同壓力下的變化情況，可以看出，隨著壓力的增大，垃圾滲透系數(shù)都是減小的趨勢(shì)。Bleiker等。1引的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明隨著壓力的變大，垃圾滲透系數(shù)變動(dòng)范圍為10～～10～cm／s；在陸曉平等”川的實(shí)驗(yàn)中，正常固結(jié)狀態(tài)下，垃圾的滲透系數(shù)隨著壓力的增大會(huì)減小3個(gè)數(shù)量級(jí)，且滲透系數(shù)的對(duì)數(shù)與固結(jié)應(yīng)力之間有較好的線(xiàn)性關(guān)系；柯瀚等。采用大直徑室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定城市生活垃圾的滲透系數(shù)，同時(shí)施加豎向荷載對(duì)其進(jìn)行壓縮，發(fā)現(xiàn)垃圾體的滲透系數(shù)隨上覆壓力的增加而快速減小，未經(jīng)壓實(shí)填埋體的滲透系數(shù)約為1×10～cm／s，荷載等級(jí)超過(guò)300 kPa時(shí)，滲透系數(shù)則低于1×10一cm／s。
另外，Stohz等”41的研究也發(fā)現(xiàn)垃圾滲透系數(shù)隨著壓實(shí)程度增強(qiáng)會(huì)有所減小，并解釋其是由隨著壓縮垃圾孔隙率變小造成的。Jain等’141對(duì)美國(guó)弗羅里達(dá)州一個(gè)填埋場(chǎng)的垃圾進(jìn)行了滲透系數(shù)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)上層垃圾的滲透系數(shù)要明顯高于中層和下層垃圾，也是由于各垃圾層所受上覆壓力不同而造成的。
1．2．4其他因素
影響垃圾滲透系數(shù)的其他因素包括實(shí)驗(yàn)室測(cè)定條件如水力梯度、測(cè)定時(shí)間"1，垃圾降解產(chǎn)生的填埋氣等。關(guān)于常水頭測(cè)滲實(shí)驗(yàn)中水力梯度對(duì)于垃圾滲透系數(shù)的影響，Chen等¨引與瞿賢等"1則得到了不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。前者測(cè)定表明水力梯度對(duì)滲透系數(shù)的測(cè)定沒(méi)有影響，而后者則測(cè)得水力梯度從1．3增大到2．0時(shí)，滲透系數(shù)增大了40％到70％，得出了水力梯度對(duì)滲透系數(shù)的測(cè)定有較大影響的結(jié)論。兩者得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能是由于Chen等‘1引使用的垃圾根據(jù)美國(guó)的生活垃圾組成合成，而瞿賢等¨1的實(shí)驗(yàn)材料直接取自上海市，兩者垃圾組分相差較大。
Beaven等∞副則發(fā)現(xiàn)填埋氣對(duì)垃圾滲透系數(shù)也有一定影響，隨著氣體的累積垃圾的滲透系數(shù)會(huì)減小1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。除實(shí)驗(yàn)室測(cè)定時(shí)的條件因素外，垃圾密度、垃圾組分、降解程度、壓實(shí)程度、填埋氣等對(duì)垃圾滲透系數(shù)的影響都是垃圾孔隙率及其孔隙聯(lián)通程度發(fā)生了一定變化后的結(jié)果，凡是能影響垃圾孔隙率及孔隙聯(lián)通程度的因素都將會(huì)對(duì)垃圾的滲透系數(shù)產(chǎn)生一定的影響，使垃圾的滲透系數(shù)發(fā)生改變。
2滲透系數(shù)的調(diào)節(jié)方法
較高的垃圾滲透系數(shù)不但可以保證滲濾液順利進(jìn)入導(dǎo)排系統(tǒng)而及時(shí)排出，降低滲濾液水位忙“，還能夠使填埋氣快速排出，提高填埋氣的利用率¨⋯。然而，我國(guó)的生活垃圾中餐廚垃圾含量較高(約占60％)"“，餐廚垃圾滲透系數(shù)極低造成生活垃圾總體滲透系數(shù)較低，不利于水分和氣體的流動(dòng)。若是能夠根據(jù)需要采取相應(yīng)措施來(lái)調(diào)節(jié)垃圾的滲透系數(shù)，不僅有助于在工程上對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液水位的控制，還可提高填埋氣的回收利用率。調(diào)節(jié)垃圾的滲透系數(shù)可以從以下兩個(gè)方面著手。
2．1 改變影響因素
垃圾滲透系數(shù)的影響因素有垃圾密度、垃圾組分、降解程度、壓實(shí)程度等，理論上可通過(guò)改變這些因素來(lái)達(dá)到提高垃圾滲透系數(shù)的目的。然而在垃圾填埋場(chǎng)可行的工程控制手段則只有減小垃圾密度或降低壓實(shí)程度，其他因素為人為不可控或不科學(xué)。但通過(guò)減小垃圾密度或是降低垃圾壓實(shí)程度來(lái)提高垃圾滲透系數(shù)的方法在實(shí)際應(yīng)用中有限制，過(guò)低的填埋垃圾密度或壓實(shí)程度會(huì)造成部分填埋空間的浪費(fèi)，從而降低填埋場(chǎng)處理垃圾的效率。Jang等。2川的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明垃圾壓實(shí)程度(定義為堆積密度與單位容重1 000 ks／m3的比值)從80％提高到120％時(shí)，滲濾液水位將會(huì)加倍，并提出壓實(shí)程度低雖有利于滲濾液的排出，但是也會(huì)造成填埋能力降低且垃圾穩(wěn)定時(shí)會(huì)引起更多的沉降，因此兩者之間需要一個(gè)很好的權(quán)衡。
2．2加入惰性材料
不同材料的滲透系數(shù)會(huì)有差異，如果將具有不同滲透系數(shù)的兩種物質(zhì)混合，混合后物質(zhì)的滲透系數(shù)也會(huì)有一個(gè)新值。Akbulut等∞引實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅粉、飛灰和黏土都可以成功地作為土壤灌漿的添加劑來(lái)降低土壤的滲透系數(shù)，提高土壤性能的同時(shí)為工程材料廢棄物提供一個(gè)新的處理方式；Bilir一引則得出礦渣和底灰作為細(xì)骨料能降低混凝土的滲透系數(shù)從而提高混凝土的耐久性的結(jié)論；Kenney等㈣3把孔隙率比沙子小的膨潤(rùn)土與沙子壓實(shí)混合，實(shí)驗(yàn)測(cè)得混合物的滲透系數(shù)低至足以代替天然土壤來(lái)作為防止流體溢出的屏障。從以上實(shí)驗(yàn)研究可看出：將滲透系數(shù)較小的物質(zhì)加入到多孑L材料中后，將會(huì)降低原來(lái)多孔材料的滲透系數(shù)。可以推測(cè)，若將滲透系數(shù)較大的物質(zhì)加入到多孔材料中將會(huì)提高該材料的滲透系數(shù)。因此，國(guó)外的學(xué)者轉(zhuǎn)向通過(guò)加入滲透系數(shù)較大的惰性材料來(lái)提高垃圾滲透系數(shù)的研究領(lǐng)域，探索提高垃圾滲透系數(shù)
的新方法。
在日本，污泥是填埋垃圾的主要成分，占總體工業(yè)固體廢棄物濕重的36％(2004年數(shù)據(jù))，污泥滲透系數(shù)極低，因此污泥填埋前必須進(jìn)行一定的預(yù)處理來(lái)提高填埋垃圾層的滲透系數(shù)。Asakura等H川向污泥垃圾中加入粗糙輔料爐渣或者建筑垃圾來(lái)提高其滲透系數(shù)，探索了能保證填埋場(chǎng)中好氧條件所需要的混合比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入的爐渣或者建筑垃圾與污泥垃圾混合體積比從62％提高到75％時(shí)，污泥的滲透系數(shù)分別提高了200倍(爐渣)和10倍(建筑垃圾)。因此，將垃圾與爐渣或者建筑垃圾混合后再填埋，不僅可以提高垃圾的滲透系數(shù)，還可以處理掉一部分固體廢物爐渣和建筑垃圾。Valencia等H21則觀(guān)察到摻混了礫石的模擬生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)表現(xiàn)出了較高的垃圾穩(wěn)定性，然而其他的模擬器則易于堵塞而降低了整體的處理效率，同時(shí)發(fā)現(xiàn)礫石與垃圾完全混合與兩者成層混合比較，完全混合更能加快垃圾的穩(wěn)定化過(guò)程。綜上，向垃圾中加入一定量滲透系數(shù)較高的惰性材料來(lái)提高垃圾滲透系數(shù)的方法確實(shí)是可行的。
3結(jié)論與展望
本研究主要對(duì)填埋垃圾滲透系數(shù)的影響因素和調(diào)節(jié)方法進(jìn)行了總結(jié)，為控制填埋場(chǎng)滲濾液水位的工程手段和提高填埋氣利用率的途徑提出了新建議，主
要得到以下幾個(gè)結(jié)論：
1)影響垃圾滲透系數(shù)的因素有很多，包括垃圾密度、垃圾組分、壓實(shí)程度及降解程度等，除實(shí)驗(yàn)測(cè)定條件因素以外，其他影響因素對(duì)垃圾滲透系數(shù)的影響都可歸結(jié)為使垃圾孔隙率及孔隙聯(lián)通程度發(fā)生了變化。
2)垃圾滲透系數(shù)不僅決定了滲濾液的分布與遷移，還對(duì)填埋氣的排出有影響。而我國(guó)垃圾餐廚垃圾含量高滲透系數(shù)偏低，若能夠根據(jù)需要采取相應(yīng)措施來(lái)調(diào)節(jié)垃圾的滲透系數(shù)，將有助于在工程上對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液水位的控制，并提高填埋氣利用率。
3)可通過(guò)改變垃圾滲透系數(shù)的影響因素來(lái)調(diào)節(jié)滲透系數(shù)，但是實(shí)用性不強(qiáng)。國(guó)外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，向垃圾中添加粗糙輔料的方法可以明顯改善垃圾滲透系數(shù)，國(guó)內(nèi)研究人員可以借鑒經(jīng)驗(yàn)在這方面突破創(chuàng)新，探索控制滲濾液水位、提高氣體利用率的工程技術(shù)新手段。
REVIEW ABOUT HYDRAULIC CONDUCTIVITY OF LANDFILLED WASTE
Abstract：Landfill is the major method of municipal solid waste(MSW)management in China．One main problem associated with landfills，especially in south China is that leachate head on the liner is higher than the standard．Hydraulic conductivity of landfilled waste plays an important role in controlling the leachate level，and biogas collection and utilization．This paper mainly summarizes the previous research about the influencing factors on MSW hydraulic conductivity and the control methods，including waste density，waste composition，degree of degradation，degree of compaction and SO on．The control methods include changing of influencing factors and adding inert materials．Finally，new suggestions for the controlling leachate level in landfills and improving landfill gas collection are proposed．
Keywords：landfill；hydraulic conductivity；influencing factors
