垃圾填埋場防滲層滲漏檢測及污染動態監測教學實驗

顧瑩瑩, 張秀霞, 李鴻江, 趙東風

(1. 中國石油大學(華東) 化學工程學院, 山東 青島 266580; 2. 青島水務集團有限公司, 山東 青島 266002)

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垃圾填埋場防滲層滲漏檢測及污染動態監測教學實驗

顧瑩瑩1, 張秀霞1, 李鴻江2, 趙東風1

(1. 中國石油大學(華東) 化學工程學院, 山東 青島 266580; 2. 青島水務集團有限公司, 山東 青島 266002)

針對垃圾填埋場防滲監測的研究熱點問題,提出一種新的防滲層檢漏技術,設計了有效的動態監測實驗。實驗結果表明,這種防滲層監測技術可以較為準確地反映填埋場的漏點位置及滲濾液的擴散范圍。通過該實驗的教學實踐,能使學生將所學的固體廢物專業基礎理論、電學監測理論與實驗學習有機結合,提高了學生的實驗動手能力,對于培養學生的工程實踐能力和科研素質具有重要意義。

教學實驗; 填埋場; 防滲層; 動態監測

垃圾填埋場防滲系統是在填埋場場底及四周基礎表面鋪設防滲襯層,將垃圾滲濾液封閉于填埋場中進行有控制地導出,具有防止滲濾液向四周滲透污染地下水和土壤的功能。由于垃圾中成分復雜[1],滲濾液的性質復雜、毒性強且難降解[2],防滲襯層一旦破損,高濃度且毒性很強的垃圾滲濾液滲出就會對地下環境造成嚴重污染[3]。垃圾填埋場滲漏監測技術主要有監測井法、水槍技術[4]、雙電極法[5-9]、示蹤劑法[10]、擴散管法及電極格柵法,但大部分檢測技術無法即時對滲濾液污染進行動態反映,使得滲漏點的找尋和污染監控非常困難[11]。

為了培養學生的工程實踐能力[12],讓環境工程專業的學生了解垃圾填埋場常用的防滲系統結構、理解電學監測滲漏的基本原理和滲濾液滲漏監測方法,本實驗創新性地提出一種新的防滲層檢漏技術,設計出有效的動態監測實驗。通過該實驗,可讓學生鞏固所學的固體廢物專業基礎理論,并將學術研究的前沿問題通過實驗來展現和探討,培養學生的學習興趣和探索精神。

1 滲漏檢測原理

土壤是由骨架顆粒、孔隙水和空氣組成的三相介質,顆粒電阻率、持水度、孔隙水中的離子含量決定了土壤電阻率的大小,電阻率可以描述土壤的導電性能[13]。異常區電阻率的探測是通過在地面人為建立電場并觀測電場分布實現。地下介質的電性不均勻促使人工建立的穩定電場的空間分布特征發生改變:低阻體吸引電流線,致使大部分電流從它的內部流過(見圖1(a)),在地面會觀測到低電位;高阻體排斥電流線,致使電流幾乎不能通過其內部而在其旁邊流過(見圖1(b)),在地面會觀測到高電位。

圖1 非均勻介質中電流分布示意圖

垃圾填埋場常用的防滲系統為單復合襯層防滲系統(見圖2),一般上層是人工合成防滲膜,下層是壓實黏土。防滲系統下面是依次為滲透性較高的包氣帶和飽水帶,它們之間構成一種動態平衡過程。

圖2 垃圾填埋場防滲系統

如果有滲漏發生(見圖3),滲濾液會穿過黏土層侵入包氣帶中,土體電阻率隨含水率增大而減小;滲濾液繼續向下遷移至飽水帶時,滲濾液含有的導電性離子使土層中孔隙水電阻率降低,進而使土層的電阻率減小[14]。滲濾液浸入區實際成為一個電阻率異常的低阻體,通過探測這個低阻體就可以探測滲濾液擴散的影響范圍。分析影響區的分布特征可確定滲漏點的位置;通過不同時期的連續動態監測,可估算滲濾液擴散范圍及速率。

圖3 垃圾填埋場滲漏后滲濾液羽狀體形態

2 實驗裝置設計和實驗步驟

2.1 實驗裝置設計

室內模擬實驗裝置見圖4。玻璃鋼槽尺寸1.5 m×1.5 m×2.0 m,裝填土壤模擬垃圾填埋場襯層:最底層為40 cm的飽和砂土層——飽水帶,中層為30 cm的不飽和砂土層——包氣帶,上層為2 cm的黏土層。玻璃鋼槽上方安裝一個體積為100 L的水箱,用閥門控制流速以模擬垃圾滲濾液的滲漏過程。上層黏土層內埋設的電傳感器為不銹鋼電極,系呈網狀布設,電極間距5 cm。電極之間通過電纜相連,外接控制主機(某研究機構的三維電學監測系統)。以其中一個電極(電感器)為基準點,將電極依次布設,其相對位置如圖5所示。

圖4 模擬實驗裝置

圖5 三維電極系布設

2.2 實驗步驟

模擬實驗具體操作步驟如下:

(1) 啟動控制主機,按照電極布設情況建立三維電極觀測系統,依次對電極系分布區域的自然電位分布和一定深度土層的電阻率進行本底測量;

(2) 在黏土層下人為布設滲漏點,通過水箱中滲濾液的直接注入模擬滲漏過程;

(3) 隨著滲濾液持續侵入土體,分別在第0、2、4、6天重復(1)的觀測過程,直到滲濾液停止侵入且測試數據保持穩定;

(4) 將采集數據導出,利用Surfer軟件繪制不同時期監測范圍內自然電位等值線,及不同時期不同深度土層橫向電阻率剖面,圈定電異常區。

3 實驗數據分析和討論

在實驗開始前,要求學生回顧滲濾液侵入對土壤電阻率改變的原理、電阻率異常特征對滲濾液滲漏位置的反映,及電阻率異常區范圍與滲濾液污染范圍的對應關系。在實驗過程中,要求學生學會采集數據,同時注意觀察實驗進行中發生的直觀現象并進行分析。在實驗結束后,要求學生學會處理實驗原始數據,理解電阻率測定的理論依據,分析實驗數據并作出直觀的電阻率剖面圖。

垃圾滲濾液性質分析見表1。因滲濾液的電導率對其侵入土壤后電阻率的影響較大,因此單獨進行測定。測得垃圾滲濾液電導率為19.71 mS/cm,屬于導電性較強的液體。

表1 垃圾滲濾液性質分析

實驗取得了第0天(背景值)、第2天(7月12日監測值)、第4天(7月14日監測值)、第6天(7月16日監測值)的黏土層下表面以下0.06、0.12 、0.18、0.24、0.30、0.36、0.42、0.48 m的電阻率剖面圖,見圖6和圖7,從中比較土壤被垃圾滲濾液污染前后的土壤電阻率動態變化。

圖7 飽水帶不同深度處的電阻率剖面圖

從圖6和圖7中可以看出,垃圾滲濾液侵入地下土層中,通過改變土壤的含水率和土壤水中的離子含量,同時降低了包氣帶和飽水帶中土壤的電阻率。圖中顏色較深的區域是滲濾液擴散范圍的反映。這說明滲濾液的侵入,會對地下土層的包氣帶和飽水帶形成大致類似的電阻率降低趨勢。電剖面圖上低阻區域的出現,深色區域最終形成近圓形,且由近圓形區域的中心向四周顏色深淺程度逐漸減小,即中心電阻率值最低,四周電阻率值逐漸升高。

對比第0、2、4、6天的測定結果可以看到，滲濾液污染區大致從中心向四周擴散,并且隨著滲濾液的滲漏,滲漏區域內土壤的電阻率呈減小趨勢,低阻范圍不斷擴大。與不同深度處的電阻率剖面圖結合,基本可以判定中間淺色低阻區域為滲濾液的侵入點,這與實際滲漏點位置大致相符。

4 結束語

該實驗結合當前研究熱點——垃圾填埋場在線電學動態監測,創新性地提出一種新的防滲層檢漏技術,開闊了學生的視野且提高了學生的學習興趣。通過垃圾填埋場防滲層滲漏監測系統的設計和教學,能將學生所學的固體廢物專業基礎理論、電學監測理論與實驗學習有機結合,提高了學生的實驗動手能力。在實驗進行過程中,學生表現出很大的主動性,達到了很好的教學效果。通過該實驗,既提高了實驗教學質量,又為學生從課本中學到的理論知識提供很好的感性認識。另外,該實驗平臺為學生創新提供良好基礎,本科生和研究生可進一步利用該平臺進行探索實驗,這對培養學生的工程實踐能力和科研素質具有重要意義。

References)

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Teaching experiment of leakage detection of landfill impervious liners and pollution dynamic monitoring

Gu Yingying1, Zhang Xiuxia1, Li Hongjiang2, Zhao Dongfeng1

(1. College of Chemical Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580, China; 2. Qingdao Water Group Co.Ltd.,Qingdao 266002, China)

Aiming at the current problem of landfill leakage monitoring,a new monitoring technology for landfill impervious liners is put forward and an effective dynamic motoring experiment is designed.The experimental results show that this technology can accurately detect the leakage position and the diffusion area of leachate.Through this teaching experiment,students could combine the fundamental theories of solid wastes and electrical monitoring with experimental learning.This experiment is capable of improving the operational ability of students and has significant meanings for training the engineering practice ability and scientific quality of students.

teaching experiment; landfill impervious liner; leakage detection; dynamic monitoring

2014- 06- 29

中國石油大學(華東)教學改革項目“基于網絡技術的化工實驗教學資源平臺建設的研究與實踐”(SY-B201205)

顧瑩瑩(1982—)，女，山東濱州，博士，講師，研究方向為環境與安全工程.

E-mail：yingyinggu@upc.edu.cn

G642.423;X833

B

1002-4956(2015)2- 0061- 04