劉東 孫建亭 江丁酉 張潔 談正雄
(武漢市環(huán)境衛(wèi)生科學研究設計院，武漢430015) 摘要 衛(wèi)生填埋處理城市生活垃圾不僅是現(xiàn)在，就是將來也是垃圾處理的一種必不可少的處理方式。作者在對武漢市郭茨口、流芳和金口垃圾場多年調研的基礎上，對武漢市擬建的二妃山垃圾填埋場地下水環(huán)境影響因素進行了分析，并對填埋場設計和管理進行了探討。分析結果表明：①垃圾滲濾液對地下水環(huán)境存在巨大的潛在危害性；②垃圾滲濾液潛在污染危害年限長；③場內滲濾液水力梯度和場底防滲層滲透系數(shù)的設計管理有很大關系。
關鍵詞 衛(wèi)生填埋 堆放場 滲濾液 防滲層 水力梯度 1.前言 衛(wèi)生填埋是目前國內外廣泛采用的一種垃圾處理處置技術，也是垃圾處理中必不可少的一種方法，而垃圾滲濾液是垃圾填埋的產(chǎn)物，其在填埋過程中和封場后都存在著對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染的可能，滲濾液對地面水和土壤的污染防治由于看得見摸得著，因此比較重視，這方面的研究報道也比較多，而對填埋場滲濾液下滲污染地下水的研究報道則比較少。地下水是非常寶貴的未受任何污染的天然水資源，是缺水地區(qū)和發(fā)酵工業(yè)的主要用水來源，地下水若被污染將很難治理，甚至可以說不能治理。因此，在設計建設垃圾填埋場前，應對擬建填埋場可能造成地下水污染的因素進行分析，最大限度地減少或消除填埋場對地下水環(huán)境污染的可能性。本文依據(jù)多年來對武漢市郭茨口、金口和流芳垃圾填埋場現(xiàn)場調研和模擬試驗結果，對武漢市擬建的二妃山垃圾填埋場污染地下水的可能性進行分析。 2.二妃山垃圾填埋場概況 2.1 場地概況
武漢市二妃山垃圾衛(wèi)生填埋場位于武昌區(qū)東偏南方向，屬江夏區(qū)流芳鎮(zhèn)湖口村，距武昌區(qū)中心地帶（大東門）約17公里，占地23.41萬平方米（351畝）。場地為低山丘陵地貌，最高標高88.00米，最低標高49.45米，場區(qū)東、西、北三面環(huán)山，地勢較高，南側較低，為向南敞開的簸箕狀地勢。平均可供填埋高度40米，庫容量320萬立方米，設計填埋年限12年。
2.2 水文地質概況
場區(qū)為一倒轉向斜構造，倒轉的一翼外側（場地北側）為泥盆系石英砂巖，向內為石炭系灰?guī)r，二迭系硅質巖。三迭系頁巖夾煤層，石炭系灰?guī)r受構造控制，呈東西向條帶狀分布（見圖1）。本區(qū)灰?guī)r，受構造影響沿二迭系硅質巖接觸部位，在地下水的徑流作用下，巖溶發(fā)育。 
場地內主要為覆蓋型巖溶區(qū)，含水層呈東西向帶狀分布，水位變化較大，巖溶水主要由大氣降水和地表水的遠源補給。由于構造的影響，在灰?guī)r與硅質巖接觸部位，灰?guī)r溶蝕嚴重，巖溶發(fā)育，形成了地下水的主要徑流通道。場區(qū)內泥盆系石英砂巖，由于構造作用，節(jié)理、裂隙發(fā)育，風化作用形成的風化裂隙直接出露地表，大氣降水為巖溶水補給的主要通道。地層上層為堆積土、淤泥、粘土、和碎石粘土，下層灰?guī)r、硅質巖及頁巖。上層土層性狀見表1。 表1 武漢市二妃山垃圾填埋場場底土層性狀| 地層、層次 | 厚度 (m) | 分布 | 層底標高 (m) | 滲透系數(shù) (cm/s) | 呂榮值(1/min) | | 堆積土①層 | 0～5.40 | 堤壩及北側 | 49.12～59.60 | 1.68～3.54×10-5 | 0.060 | | 淤泥②層 | 1.00～2.00 | 污水處理區(qū) | 47.12 | | | | 粘土③層 | 3.10～10.84 | 整個場區(qū) | 29.00～51.60 | 0.23～6.38×10-8 | 0.01l/ | | 碎石粘土④層 | 5.40～10.84 | 整個場區(qū) | 29.00～51.60 | 0.23～6.38×10-8 | 0.01l/ | 3. 滲濾液下滲污染地下水的影響因素分析 填埋場對地下從水污染影響主要取決于滲濾液量、淋濾速度、填埋年代、垃圾性質、填埋垃圾量及填埋場的設計和管理[1] ～ [4]。結合數(shù)學模型將武漢市二妃山垃圾填埋場滲濾液下滲污染地下水環(huán)境影響因素分為：垃圾性質與污染強度，填埋趨穩(wěn)年限，水力梯度和滲透系數(shù)，填埋場的設計和管理等四個方面進行分析。
3.1垃圾性質及污染強度
3.1.1垃圾成份
垃圾滲濾液中污染物濃度直接影響著地下水污染的程度及下滲速度。從理論上講濃度越大下滲速度及污染程度越大。在填埋場設計已完成的情況下滲濾液中污染物濃度與填埋垃圾的成份有很大關系。從我們模擬垃圾填埋試驗結果來看，高有機垃圾含量的燃氣區(qū)垃圾，填埋滲濾液污染物負荷是普通混合垃圾的4～20倍[5]（見表2、表3）。 表2 模擬試驗垃圾與武昌區(qū)垃圾成份構成（濕重%） | 廚渣 | 紙張 | 果皮 | 塑料 | 毛骨 | 橡膠皮革 | 紡纖 | | 燃氣區(qū) | 40.70 | 10.36 | 19.04 | 9.82 | 3.52 | 0.80 | 1.35 | | 燃煤區(qū) | 13.14 | 2.88 | 17.24 | 1.29 | 1.32 | 0.29 | 1.02 | | 武昌區(qū) | 32.20 | 4.81 | 8.83 | 3.21 | 4.78 | 0.57 | 1.01 | | 木質雜草 | 有機物合計 | 煤灰 | 玻璃 | 金屬 | 陶瓷磚石 | 無機物合計 | | 燃氣區(qū) | 1.20 | 86.79 | 5.17 | 4.78 | 1.18 | 2.08 | 13.21 | | 燃煤區(qū) | 1.22 | 38.40 | 57.69 | 1.81 | 0.44 | 2.69 | 62.63 | | 武昌區(qū) | 0.53 | 55.95 | 39.60 | 2.44 | 0.65 | 1.36 | 44.05 | 表3 模擬試驗垃圾滲濾液中污染物累計排放量(g/kg)| | 總殘渣 | 揮發(fā)殘渣 | CODcr | BOD5 | 有機酸 | 氯化物 | 總磷 | | >燃氣區(qū) | 69.8 | 37.7 | 112.1 | 55.5 | 45.5 | 6.1 | 0.201 | | 燃煤區(qū) | 19.5 | 8.0 | 16.1 | 12.0 | 9.5 | 1.2 | 0.012 | 流芳垃圾填埋場是武漢市正在運行的垃圾填埋場之一，主要處理處置武昌區(qū)城市生活垃圾，預計該場2003年中旬封場，而后由二妃山垃圾填埋場替代。表4為流芳垃圾場內滲濾液水質狀況（后續(xù)計算以表內值為基準值），從表中可以看出除PH值外，色度、SS、CODcr、氨氮、總磷超過污水綜合排放二級標準的30倍以上，氨氮超過地下水Ⅲ類指標500倍。 表4 武漢市流芳垃圾填埋場場內滲濾液水質狀況 | PH值 | 色度 | SS(mg/l) | CODcr(mg/l) | 氨氮(mg/l) | 總磷(mg/l) | 氯化物(mg/l) | | 滲濾液 | 7.02 | 2048 | 29334 | 17031 | 1189 | 73.84 | 2657 | | 標準值* | 6～9 | 80 | 200 | 300 | 50 | 1.0 | | | 標準值** | | | 200 | 300 | 25 | | | | 標準值*** | 6.5～8.5 | ≤15 | | | ≤0.2 | | ≤250 | *污水綜合排放二級標準值(化工皮革)—（BB8978-1996）
**生活垃圾滲濾液排放限值—（GB16889-1997）
***地下水Ⅲ類指標 | 3.1.2污染物負荷
武漢市二妃山填埋場設計日填埋處理垃圾量720噸，滲濾液250噸，凈填埋垃圾320萬噸（壓縮密度1噸/立方米），使用年限為12年。若以現(xiàn)垃圾成份估算污染物溶出負荷將是巨大的CODcr、總殘渣達上萬噸（見表5）。 表5 武漢市二妃山填埋場污染物溶出負荷估算(噸/萬噸)| 總殘渣 | 揮發(fā)殘渣 | CODcr | BOD5 | 有機酸 | 氯化物 | 總磷 | | 11805 | 5558 | 13706 | 8259 | 6653 | 867 | 15.712 | 以沈耀良等人建立的垃圾填埋場污染物溶出負荷經(jīng)驗模式[6]得武漢市二妃山填埋場，垃圾填埋期間COD負荷變化圖,表明填埋場污染物溶出負荷隨填埋年限的延長而增大。 
3.1.3污染強度
以面源強值表示填埋場滲濾液下滲污染強度，其計算公式為： M=QCi/F 式中M為面源強值mg/d·m2；Q為滲濾液入滲量m3/ d；Ci為滲濾液濃度mg/l；F為填埋面積m2。 在不考慮滲濾液下滲時的降解、吸咐、稀釋等反應的條件下，假設二妃山填埋場滲濾液日下滲量為日產(chǎn)生量的1%即2.5噸，主要污染物單位滲濾面積上源強值計算結果見表6。 表6 武漢市二妃山填埋場污染物單位滲濾面積上源強值| 污染組分 | SS | CODcr | 氨氮 | 總磷 | 氯化物 | | 面源強/ mg·d-1·m2 | 481.52 | 279.60 | 19.52 | 1.212 | 43.61 | 綜上所述表明垃圾填埋場是個巨大污染源，處理不妥將對環(huán)境產(chǎn)生較大的危害，因此對垃圾填埋場的選址、設計和管理上一定要認真對待。
3.2填埋趨穩(wěn)年限
預測垃圾填埋場穩(wěn)定時間對填埋場的設計管理有重大意義，而填埋場穩(wěn)定的重要標志就是垃圾滲濾液的達標。滲濾液中污染物濃度與填埋時間的關系可以用微生物代謝一級反應速率方程描述[7]～[9]。表7中Ⅰ類為國外James等人建立的垃圾填埋場滲濾液中CODcr、氯化物一級反應方程,Ⅱ類為國內劉疆鷹等人根據(jù)對上海市老港垃圾填埋場現(xiàn)場試驗建立的CODcr、NH3-N一級反應方程。 表7 國內外垃圾填埋場滲濾液中污染物衰減速規(guī)律| 類別 一 級 反 應 速 率 方 程 | | Ⅰ {COD}=89500×10-0.0454t {Cl-}=4200×10-0.050t | Ⅱ {COD}=9104.88×0.99844t(145d≤t≤1227d) {COD}=1340×0.99936t-A(A=1168d,t≥1227d)
{NH3-N}=824.029×0.9995t(t≥500d) | 由表7中公式預測武漢市二妃山填埋場滲濾液趨穩(wěn)年限。用Ⅰ類方程滲濾液COD衰減至地面水質量標準Ⅴ類標準需60多年（見表8），用Ⅱ類方程滲濾液氨氮衰減至地下水質量分類指標Ⅰ類指標需60年。Ⅰ類方程滲濾液COD衰減至達到地面水質量標準Ⅰ類標準，所需年限是Ⅱ類方程的2.55倍，造成此種情況的原因有：（1）西方發(fā)達國家垃圾組分中有機物占60%以上，而我國垃圾組分中有機物僅占30左右；（2）我國有機垃圾近60%是廚渣，而國外有機垃圾主要為包裝紙和木質[10][11]。 表8?、?、Ⅱ、Ⅲ類方程預測武漢市二妃山填埋場滲濾液趨穩(wěn)年限 (年)| 類別 | 指標 | 污水綜合排放標準 | 地面水質量標準 | 地下水質量分類指標 | | 三級標準 | 一級標準 | Ⅴ類 | Ⅲ類 | Ⅰ類 | Ⅴ類 | Ⅲ類 | Ⅰ類 | | Ⅰ | COD | 27.33 | 49.55 | 62.89 | 68.00 | ＞68.00 | | | | | 氯化物 | | | 20.53 | 20.53 | ≥20.53 | ＜17.61 | ≥20.53 | ≥34.51 | | Ⅱ | COD | 10.48 | 20.34 | 23.59 | 28.46 | ＞28.46 | | | | | NH3-N | | | | | | ＜41.97 | ≥47.01 | ≥59.63 | | Ⅲ | COD | 14.15 | | 25.66 | 32.57 | 35.21 | ＞35.21 | | | 根據(jù)Ⅰ、Ⅱ類方程和有關資料[4][12][13]及我們對武漢市郭茨口垃圾堆放場封場后跟綜監(jiān)測結果，建立二妃山填埋場滲濾液CODcr 一級反應方程（Ⅲ）如下： Ci=C0×10-0.0869t 式中：Ci——封場后至i年滲濾液CODcr濃度（mg/l）；
C0——封場時滲濾液CODcr濃度（mg/l）；
T——封場后至i年年限。 經(jīng)測算武漢市二妃山垃圾填埋場滲濾液COD衰減至污水綜合排放標準一級標準需25.66年，衰減至地面水質量標準Ⅰ類標準約需近36年的時間。表明垃圾滲濾液潛在污染危害年限較長，需引起足夠重視。
3.3水力梯度和滲透系數(shù)
根據(jù)達西定律垃圾滲濾液的下滲速度與水力梯度、滲透系數(shù)成正比，而水力梯度值大小取決于場底上方滲濾液的聚集高度[14]。我們1992年對武漢市郭茨口垃圾堆放場鉆探調研結果證實了這一點[12][13]，在場底土層性狀大致相同的情況下，位于堆放場中部，場底為垃圾場低凹處，下滲深度達140cm；而位于堆放場入口處堆放時間比其長近5年的鉆孔處，下滲深度僅40cm。
由數(shù)學模型計算二妃山垃圾填埋場40年和60年趨穩(wěn)所需粘土層滲透系數(shù)K值，及場底上方滲滲濾液聚集高度h的控制值。從圖3可以看出當趨穩(wěn)年限一定時，場底上方滲濾液聚集高度越高，若要阻止?jié)B濾液下滲污染地上水，土層的K值應越小；趨穩(wěn)年限長、h值大，當場底上方滲濾液聚集高度一定時，趨穩(wěn)年限越長要求土層滲透系數(shù)K值應越小。說明減少填埋場趨穩(wěn)年限，降低場底上方滲濾液聚集高度，對阻止?jié)B濾液下滲污染地下水有利。 
3.4填埋場的設計和管理
武漢市二妃山垃圾填埋場地質構造較為復雜。石英砂巖、硅質巖裂隙發(fā)育、下伏灰?guī)r溶蝕嚴重。場底雖覆蓋有10m的粘性土，但滲濾液仍可通過山坡處裸露地表的石英砂巖、硅質巖裂隙向內部滲透。為防止下滲污染在進行垃圾場底部處理時，先去掉表層堆積土，然后采用輪式壓實機，反復碾壓5～6遍。山坡處有巖石出露及其發(fā)育的裂隙出露的地方，進行開挖處理，噴漿灌漿防滲處理，再夯填1.5米厚的粘土，其滲透系數(shù)控制在10-8 cm/s以下。高密度聚乙烯（HDPE）是80年代發(fā)展起來的廣泛用于各項防滲漏工程中的塑料產(chǎn)品，填埋區(qū)在上述處理的基礎上，再沿整個厙區(qū)鋪設厚度為1.5mm的HDPE。
為降低場底上方滲滲濾液聚集高度，及時排出場內滲濾液，特加大滲濾液收集系統(tǒng)的坡度，盲溝和導滲層最小坡度分別為2.308%和30.77%，山坡底至盲溝最小坡度為6.13%。場底上方滲濾液聚集高度控制在7 m以下，盡可能降低地下水污染的可能性。 4.滲濾液下滲污染可能性分析 二妃山垃圾填埋場場滲濾液下滲污染地下水，最有可能的部位為場區(qū)西南側的的小山坡，此處山石裸露處高程較低僅57.40m，比盲溝最低處高程（50.10m）僅高7.30m；其次為場底粘土層最薄處厚度10.8m，滲透系數(shù)K=2.34×10-7 cm/s。
HDPE膜的滲透系數(shù)小于10-11 cm/s，靜水耐壓40.92m水柱，防滲能力達上百年，考慮到垃圾場內惡劣的環(huán)境條件——高溫（垃圾發(fā)酵溫度可達60～70℃）、高壓和滲濾液的高腐蝕性，假設其防滲能力僅20年，此時場內滲濾液的Cl-和氨氮分別衰減至265.7 mg/l和30.87 mg/l，Cl-接近地面水Ⅴ標準。
HDPE防滲能力失效后滲濾液將通過橫向擴散和縱向滲透滲過粘土層，產(chǎn)生污染地下水的可能性。橫向擴散滲過1.5m厚粘土層需30萬年，縱向滲透滲過10.8m厚粘土層需62年，此時（年限80年后）滲過土層的滲濾液中污染物經(jīng)降解、吸咐、稀釋已微乎其微，Cl-濃度為0.2657mg/l，氨氮僅為3.75×10-4mg/l，大大低于地下水質量Ⅰ類指標值。 5.結論 （1）垃圾滲濾液對地下水環(huán)境存在巨大的潛在危害性，其氨氮值超過地下水Ⅲ類指標500倍，且污染強度隨著垃圾填埋量的增加而增大。
?。?）垃圾滲濾液潛在污染危害年限長，滲濾液氨氮值衰減至地下水Ⅰ類指標需近60年的時間,其危害年限與垃圾成份有關。
?。?）場內滲濾液水力梯度與場底防滲層滲透系數(shù)的設計管理有很大關系，水力梯度越大，對防滲層的要求越高，相應建設費用也越高。
?。?）在嚴格按要求設計、施工和管理的情況下，武漢市二妃山垃圾衛(wèi)生填埋場不會對地下水環(huán)境造成危害。 參考文獻 [1]Richard L.johnoson. Immigration of diffusion pollutant in natural clay —— the in-site test and conclusion of clay liner on the spot of waste treatment.Environ.Sci.Techol,1989,23(3):340—349
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