劉東 孫建亭 江丁酉 張潔 談?wù)?BR>(武漢市環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究設(shè)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(diào)研的基礎(chǔ)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(shè)計和管理進行了探討。分析結(jié)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(nèi)滲濾液水力梯度和場底防滲層滲透系數(shù)的設(shè)計管理有很大關(guān)系。
關(guān)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(nèi)外廣泛采用的一種垃圾處理處置技術(shù)，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(shè)計建設(shè)垃圾填埋場前，應(yīng)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(diào)研和模擬試驗結(jié)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(biāo)高88.00米，最低標(biāo)高49.45米，場區(qū)東、西、北三面環(huán)山，地勢較高，南側(cè)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(shè)計填埋年限12年。
2.2 水文地質(zhì)概況
場區(qū)為一倒轉(zhuǎn)向斜構(gòu)造，倒轉(zhuǎn)的一翼外側(cè)（場地北側(cè)）為泥盆系石英砂巖，向內(nèi)為石炭系灰?guī)r，二迭系硅質(zhì)巖。三迭系頁巖夾煤層，石炭系灰?guī)r受構(gòu)造控制，呈東西向條帶狀分布（見圖1）。本區(qū)灰?guī)r，受構(gòu)造影響沿二迭系硅質(zhì)巖接觸部位，在地下水的徑流作用下，巖溶發(fā)育。 
場地內(nèi)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(yuǎn)源補給。由于構(gòu)造的影響，在灰?guī)r與硅質(zhì)巖接觸部位，灰?guī)r溶蝕嚴(yán)重，巖溶發(fā)育，形成了地下水的主要徑流通道。場區(qū)內(nèi)泥盆系石英砂巖，由于構(gòu)造作用，節(jié)理、裂隙發(fā)育，風(fēng)化作用形成的風(fēng)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(zhì)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(biāo)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(cè) | 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(zhì)、填埋垃圾量及填埋場的設(shè)計和管理[1] ～ [4]。結(jié)合數(shù)學(xué)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(zhì)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(shè)計和管理等四個方面進行分析。
3.1垃圾性質(zhì)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(shè)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(guān)系。從我們模擬垃圾填埋試驗結(jié)果來看，高有機垃圾含量的燃?xì)鈪^(qū)垃圾，填埋滲濾液污染物負(fù)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(gòu)成（濕重%） | 廚渣 | 紙張 | 果皮 | 塑料 | 毛骨 | 橡膠皮革 | 紡纖 | | 燃?xì)鈪^(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(zhì)雜草 | 有機物合計 | 煤灰 | 玻璃 | 金屬 | 陶瓷磚石 | 無機物合計 | | 燃?xì)鈪^(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?xì)鈪^(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(yù)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(nèi)滲濾液水質(zhì)狀況（后續(xù)計算以表內(nèi)值為基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的30倍以上，氨氮超過地下水Ⅲ類指標(biāo)500倍。 表4 武漢市流芳垃圾填埋場場內(nèi)滲濾液水質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)值* | 6～9 | 80 | 200 | 300 | 50 | 1.0 | | | 標(biāo)準(zhǔn)值** | | | 200 | 300 | 25 | | | | 標(biāo)準(zhǔn)值*** | 6.5～8.5 | ≤15 | | | ≤0.2 | | ≤250 | *污水綜合排放二級標(biāo)準(zhǔn)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(biāo) | 3.1.2污染物負(fù)荷
武漢市二妃山填埋場設(shè)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(fù)荷將是巨大的CODcr、總殘渣達(dá)上萬噸（見表5）。 表5 武漢市二妃山填埋場污染物溶出負(fù)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(fù)荷經(jīng)驗?zāi)Ｊ絒6]得武漢市二妃山填埋場，垃圾填埋期間COD負(fù)荷變化圖,表明填埋場污染物溶出負(fù)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(yīng)的條件下，假設(shè)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(jié)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(shè)計和管理上一定要認(rèn)真對待。
3.2填埋趨穩(wěn)年限
預(yù)測垃圾填埋場穩(wěn)定時間對填埋場的設(shè)計管理有重大意義，而填埋場穩(wěn)定的重要標(biāo)志就是垃圾滲濾液的達(dá)標(biāo)。滲濾液中污染物濃度與填埋時間的關(guān)系可以用微生物代謝一級反應(yīng)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(yīng)方程,Ⅱ類為國內(nèi)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(yīng)方程。 表7 國內(nèi)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(yīng) 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(yù)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(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)需60多年（見表8），用Ⅱ類方程滲濾液氨氮衰減至地下水質(zhì)量分類指標(biāo)Ⅰ類指標(biāo)需60年。Ⅰ類方程滲濾液COD衰減至達(dá)到地面水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)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(zhì)[10][11]。 表8 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類方程預(yù)測武漢市二妃山填埋場滲濾液趨穩(wěn)年限 (年)| 類別 | 指標(biāo) | 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn) | 地面水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) | 地下水質(zhì)量分類指標(biāo) | | 三級標(biāo)準(zhǔn) | 一級標(biāo)準(zhǔn) | 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(guān)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(jié)果，建立二妃山填埋場滲濾液CODcr 一級反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)需25.66年，衰減至地面水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(diào)研結(jié)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(dá)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(xué)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(dāng)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(yīng)越小；趨穩(wěn)年限長、h值大，當(dāng)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(yīng)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(shè)計和管理
武漢市二妃山垃圾填埋場地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。石英砂巖、硅質(zhì)巖裂隙發(fā)育、下伏灰?guī)r溶蝕嚴(yán)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(zhì)巖裂隙向內(nèi)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(fù)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(chǔ)上，再沿整個厙區(qū)鋪設(shè)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(nèi)滲濾液，特加大滲濾液收集系統(tǒng)的坡度，盲溝和導(dǎo)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(cè)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(dá)上百年，考慮到垃圾場內(nèi)惡劣的環(huán)境條件——高溫（垃圾發(fā)酵溫度可達(dá)60～70℃）、高壓和滲濾液的高腐蝕性，假設(shè)其防滲能力僅20年，此時場內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)。
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(zhì)量Ⅰ類指標(biāo)值。 5.結(jié)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(biāo)500倍，且污染強度隨著垃圾填埋量的增加而增大。
（2）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(biāo)需近60年的時間,其危害年限與垃圾成份有關(guān)。
（3）場內(nèi)滲濾液水力梯度與場底防滲層滲透系數(shù)的設(shè)計管理有很大關(guān)系，水力梯度越大，對防滲層的要求越高，相應(yīng)建設(shè)費用也越高。
（4）在嚴(yán)格按要求設(shè)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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