我國填埋滲濾液產量影響因素分析及估算方法構建

楊　娜,何品晶,呂　凡,章　驊,邵立明（.同濟大學固體廢物處理與資源化研究所,上海 200092；2.深圳市環境科學研究院,廣東 深圳 5800）

我國填埋滲濾液產量影響因素分析及估算方法構建

楊娜1,2,何品晶1*,呂凡1,章驊1,邵立明1（1.同濟大學固體廢物處理與資源化研究所,上海 200092；2.深圳市環境科學研究院,廣東 深圳 518001）

在綜述已有研究結果的基礎上,構建了適合我國國情的滲濾液產量估算方法,根據來源將滲濾液概化為降水和垃圾自產水2部分.采用HELP模型獲得31個典型城市氣候特征下的滲出系數取值；按照產生原理,垃圾自產水分為壓縮產水和降解產水,分別建立估算公式并給出田間持水率和組分降解率的取值建議.應用此方法,估算了10個城市的填埋滲濾液產生量.發現在填埋40a內,垃圾自產水占滲濾液總量的52%～82%,說明垃圾自產水的貢獻不可忽視.我國不同地區的降水滲出系數和生活垃圾性質差異,使得填埋滲濾液產量具有顯著的地域差異性,在選擇滲濾液處理方式時應因地制宜.

城市生活垃圾（MSW）；衛生填埋；滲濾液產生量；降水滲出系數；初始含水率

隨著我國城鎮化進程加快和居民生活水平提高,城市生活垃圾清運量持續增加.鑒于衛生填埋對資金和技術要求相對較低,在今后相當長的時間內仍將是我國主要的生活垃圾處理處置方式.生活垃圾在填埋場內產生的滲濾液是一種高濃度有機廢水,一旦泄露將對地表水和地下水造成嚴重污染,威脅附近的環境質量和居民健康［1］.滲濾液收集和處理設施是衛生填埋場的主要組成部分,估算滲濾液產量是填埋工程設計及環境影響評價的一項重要內容,對防治滲濾液造成的二次污染有關鍵作用.

我國真正意義的衛生填埋場建設以1988年頒布的《城市生活垃圾填埋技術標準（CJJ17）》［2］為起點,規定了填埋作業方式、地表徑流控制及防滲、覆蓋、填埋氣體導出等系統的建設標準,但尚未考慮滲濾液收集和處理.該規范的2004年修訂版［3］指出了滲濾液產量計算應考慮的因素,但未給出計算公式.2010年頒布的《生活垃圾滲瀝液處理技術規范（CJJ 150-2010）》［4］（下文簡稱”現行滲瀝液處理技術規范”）中,首次以行業標準的形式提出了滲濾液產量估算方法.推薦方法為經驗公式法（又稱”滲出系數法”）,目前已被大多數填埋場設計者所接受.然而,近年來依此法設計的填埋場,陸續出現了滲濾液實際產量高于設計值的情況.例如,上海市某填埋場計算的滲濾液產量為1500m3/d,而實際產量高達近3000m3/d［5］.如此巨大的差異說明,在我國現階段的生活垃圾填埋場中,應用上述經驗公式計算滲濾液產量可能造成較大誤差.

本文綜述了我國生活垃圾填埋滲濾液產量估算的既有研究結果,總結現有方法的特點和局限性.在此基礎上,提出適合我國國情的滲濾液產量估算方法,并給出關鍵參數取值建議.

1　填埋滲濾液產量估算方法研究現狀及存在問題

1.1研究現狀

目前,填埋滲濾液產量估算主要有水量平衡法、經驗統計法、模型法和經驗公式法4種.

（1）水量平衡法,是在水量守恒的基本假設下,綜合考慮填埋體的水分流入（如降水、垃圾降解產水、填埋體外滲入等）和流出（如地表徑流、蒸發、填埋氣體攜帶、滲濾液導出等）,通過建立水量平衡公式,解得以滲濾液形式流出的水量［6］.該方法中的參數較多,且部分參數難以確定,故通常作為分析滲濾液形成機制的理論基礎,實際應用并不多.

（2）經驗統計法,根據已建填埋場單位面積滲濾液產量的統計結果,推算設計填埋場的滲濾液產量［7］.我國擁有長期監測數據的填埋場數量較少,且各地填埋操作方式和氣候條件等差異較大,限制了該方法的應用范圍.

（3）模型法,根據填埋體內垃圾和覆土的滲透系數、持水系數等參數,結合當地氣候條件,模擬降水在填埋體內的運動規律,從而計算出降水形成的滲濾液量.目前,應用最廣泛的是美國環保局推薦的HELP（Hydrology Evaluation for Landfill Performance）模型［8］,美國大部分州的填埋場在設計和評價過程中,都要用該模型對當地氣候條件下的水量平衡進行模擬驗證［9］.

（4）經驗公式法,可以認為是對水量平衡法的簡化.以降水量作為滲濾液產生量的計算依據,用降水滲出系數表征降水形成滲濾液的比例,涵蓋了所有影響滲濾液產生的因素.經驗公式法計算公式直觀,應用方便,是我國目前主要的滲濾液產量估算方法［4］.現行滲瀝液處理技術規范即采用該方法（式1）,按填埋階段分別給出不同的滲出系數推薦值,但系數取值范圍較廣,系數選擇主觀性強,可能對滲濾液產量估算帶來較大誤差.

式中：Q為滲濾液產生量,m3/d；I為多年平均日降水量,mm/d；A1,A2,A3分別為作業單元、中間覆蓋單元和終場覆蓋單元的匯水面積,m2；C1為作業單元的滲出系數,宜取 0.5～0.8；C2為中間覆蓋單元的滲出系數,宜?。?.4～0.6） C1；C3為終場覆蓋單元的滲出系數,宜取0.1～0.2.

1.2我國滲濾液產生量估算應考慮垃圾自產水

針對我國填埋場滲濾液實際產量高于規范方法預測值的現象,研究者普遍認同的一種原因是［5,10-12］：我國生活垃圾的含水率和易降解組分較高,填埋后在壓力和降解作用下,一部分水分以自由水狀態從垃圾固體中滲出,從而對滲濾液產生貢獻.因此,研究者們相繼提出改進方法,將垃圾自產水計入上述滲濾液產量估算公式中（表1）.這些方法主要分為兩類：一是在原經驗公式的基礎上新增一項,單獨計算垃圾自產水形成的滲濾液量；另一類是對經驗公式中的滲出系數進行修正,加入對垃圾自產水的影響權重.

劉戰宇等［10］認為,應按照填埋順序分層計算垃圾自產水形成的滲濾液量,但只提出了概念公式,并未給出每層垃圾自產水量的具體計算方法.蘭吉武等［5］建議根據生活垃圾含水率和田間持水量之差計算垃圾自產水量,這一建議在《生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范（CJJ176-2012）》［13］（下文簡稱”現行巖土技術規范”）中得以體現.熊向陽等［11］提出,應對填埋作業區、臨時封場區和最終封場區分別采用不同的公式計算垃圾自產水量.理論上來講,這種根據實際產生原因計算垃圾自產水的方法更加合理；但是,作者提出的計算公式默認垃圾中的水分最終都會形成滲濾液,則不符合實際情況,因為即使是完全降解后的垃圾,其含水率也不可能為零.最新頒布的《生活垃圾衛生填埋處理技術規范（GB50869-2013）》［14］（下文簡稱”現行填埋技術規范”）將垃圾自產水對滲濾液的貢獻用較高的滲出系數體現,即在相似氣候條件下,填埋垃圾有機物含量高于 70% 時,滲出系數取值比其他垃圾高 10%～45%.這種方法不增加計算項,使用起來更簡便；但是,也同時限制了其靈活性,即滲出系數不能及時反映生活垃圾性質的變化.

表1　滲濾液產量估算方法改進——如何考量垃圾自產水Table 1　Modification of the leachate generation estimation method： how to consider waste-generated-water

1.3我國滲濾液產量估算參數選取應考慮地域差異性

我國幅員遼闊,各地降水規律相差巨大,蔣建國［15］和趙慶良等［16］研究表明,不同降水量下的滲出系數差別顯著.此外,各地區生活習慣和資源、經濟水平不同,使得生活垃圾含水率和降解特性也存在明顯差別,這同樣會影響垃圾自產水形成的滲濾液量.研究者在計算滲濾液產量時,針對上述地域差異提出了3種考量方式（表2）.現行填埋技術規范［14］和熊向陽等［11］在滲出系數的選擇上,為不同地區提供了有差別的取值范圍.但是,兩者建議采用的地域劃分標準不同：前者以年降水量為判斷標準,400mm和800mm年等降水量線是我國常用的氣候區劃分依據,分別是傳統的北方與西北及與南方的分界線；后者以降水量和蒸發量的相對大小為判斷依據,但缺乏全國范圍的統計數據,且地面蒸發量與場地植被覆蓋關系密切,實際應用中很難獲得確切值.現行巖土技術規范［13］僅在垃圾自產水一項的計算中考慮了地域差異問題,即根據年降水量分別賦予不同的垃圾初始含水率取值范圍.在實際應用中,垃圾初始含水率是填埋場設計的重要參數,通常需要通過實地取樣測試來獲取.

表2　滲濾液產量估算改進方法——如何考量地域差異Table 2　Modification of the leachate generation estimation method： how to consider spatial variation

1.4其他問題

王里奧等［17］認為,現行滲瀝液處理技術規范建議采用多年平均日降水量估算滲濾液產量的做法,可能也是低估實際滲濾液產量的原因之一.因此,他們提出在設計滲濾液收集管道和場內地表水控制系統時,應該用最大暴雨量代替平均降水量.楊文博［12］認為,除了降水量外,蒸發量和徑流量對降水入滲形成的滲濾液量也有一定影響,應在計算過程中予以剔除,并據此重新定義滲出系數.

此外,根據現行填埋技術規范,土工膜因其滲透系數低,已成為我國衛生填埋場覆蓋層和防滲層的主要防滲材料之一.Rowe［18］對發達國家垃圾填埋場的研究發現,土工膜在50℃時的使用壽命為40a左右.我國目前填埋場建設和管理水平與發達國家尚存在差距,土工膜的使用壽命可能會更短.土工膜達到使用壽命后,拉伸強度迅速衰減,膜上破損數量增加,可能會影響其滲透系數.而這些并沒有在我國現行技術規范中得以體現.

2　適合我國國情的填埋滲濾液產量估算方法構建

表3　31個省份代表城市在4種填埋覆蓋層結構下的降水滲出系數Table 3　Precipitation infiltration factors at 4 landfill top cover types in 31 typical Chinese cities

由于降水和垃圾自產水形成滲濾液的水分來源及產生規律均顯著不同,本文將遵循現行巖土技術規范的方法架構,分別計算降水和垃圾自產水形成的滲濾液量.

2.1降水形成滲濾液的滲出系數確定

對于降水形成的滲濾液量計算項,本文應用HELP模型［8］研究滲出系數的取值方法.HELP模型考慮了降水、蒸發、徑流等諸多因素,是迄今為止較成熟的填埋場水量平衡模型.該模型內嵌了全世界主要城市的多年平均氣候數據,可供研究者直接調用.為了降低平均降水量數值對結果的影響,采用HELP模型模擬填埋100a內的降水水量平衡.然后,計算滲濾液產量和降水量的比值,即為滲出系數.依據現行填埋技術規范要求,構建了日覆蓋（一層22.5cm沙壤土）、中間覆蓋（一層30cm黏土）、土工膜完好的終場覆蓋（自上而下依次是植被、50cm沙壤土、30cm卵石、非織造土工布、1.0mm HDPE土工膜、25cm黏土、30cm卵石）、土工膜破損的終場覆蓋（覆蓋層結構與土工膜完好的終場覆蓋相同,但土工膜的破損數量設置較高）等4種覆蓋層結構下的填埋場.為考察地域氣候差異對滲濾液產生的影響,在我國31個省、自治區和直轄市各選取一個代表城市,分別計算在上述4種覆蓋層結構下的滲出系數（表3）.將本文計算的滲出系數與現行規范［13-14］推薦值比較,發現本文計算結果普遍較低,更接近熊向陽等［11］建議的取值范圍.

根據滲出系數數值,可將31個城市按地理位置分為3個區域,即西北地區（6個）、北方地區（10個）和南方地區（15個）,分別統計分析上述區域內城市的降水滲出系數.這一分類方式與現行規范中的方法類似,但更傾向于依據氣候特征而不僅僅是降水量分類,便于對各地的滲出系數選擇進行直觀的分區指導.結果表明,不同地區的降水滲出系數差異顯著,尤其是在日覆蓋、中間覆蓋和土工膜破損的終場覆蓋條件下,西北地區的降水滲出系數僅為北方地區的30%～60%、南方地區的 20%～40%.因此,當采用現行規范推薦的滲出系數估算西北地區填埋場的滲濾液產量時,結果可能偏高.

本文還發現,當終場覆蓋的土工膜發生破損后,北方和南方地區的降水滲出系數顯著高于規范推薦的終場覆蓋滲出系數 0.1～0.2.也就是說,一旦填埋場土工膜出現破損,采用現行規范推薦的滲出系數可能低估滲濾液的實際產量.

2.2垃圾自產水形成滲濾液的估算方法

本文將垃圾自產水形成的滲濾液按產生原理分為壓縮產水和降解產水兩部分,分別提出計算方法.

生活垃圾在填埋作業階段,由于自身重力及機械壓實等作用,部分自由水從填埋垃圾固體中被擠壓出來形成滲濾液,即為壓縮產水.現行巖土技術規范應用垃圾含水率和田間持水率之差估算壓縮產水量,計算基準為原狀填埋垃圾質量.實際上,一定質量的原狀垃圾經壓縮后由于水分流失,質量會減少,田間持水率的基準應為水分流失后的垃圾質量.因此,本文對現行巖土技術規范推薦的計算公式進行了修正,采用垃圾干基質量作為基準計算壓縮產水量（式2）.

式中：Qc為單位質量原狀垃圾壓縮產水量,t/t ww（濕垃圾）； IDW為單位質量原狀垃圾的干物質量,t dw（干垃圾）/t ww,計算公式為 IDW= 1-IMC/100,其中 IMC為垃圾初始含水率,% ww；IMCdw是以垃圾干基質量為基準的垃圾初始含水率,% dw,計算公式為是垃圾經壓縮后,以干基質量為基準的垃圾田間持水率,% dw,計算公式為,其中FCC為壓縮后垃圾的田間持水率,% ww.

生活垃圾在填埋場內被生物降解,損失了部分干物質和水分后,最終達到穩定狀態.生物降解過程復雜,垃圾性質和環境條件變化對降解過程影響顯著,鮮有合適的模型模擬這一過程的水分損失情況.本文假設垃圾降解穩定后,其含水率達到田間持水率.根據降解開始與結束兩個時間點的田間持水率,以單位質量原狀垃圾的干物質為基準估算降解產水量（式3）.

式中,QD是單位質量原狀垃圾因降解產生的滲濾液量,% ww；DWA代表單位質量原狀垃圾降解穩定后的干物質量,t dw/t ww,可用公式 DWA=∑［IDWi·（1-DRi/100）］計算；根據降解速率不同,可將垃圾的物理組分分為快速、慢速和不可降解3 類,i代表這3類組分； IDMi是單位質量原狀垃圾中,第i類物理組分的初始干基質量； DRi是第i類物理組分的降解率,%； FCAdw是降解穩定后的生活垃圾以干基重量為基準的田間持水率,% dw,可用公式計算,其中FCA代表降解穩定后垃圾的田間持水率,% ww.

生活垃圾田間持水率是重要的參數之一.綜合國內外生活垃圾田間持水率與垃圾密度（BD）研究結果［6,19-22］,可獲得兩者的線性關系：FC= （60±2.5）-（13±2.3）BD.根據現行垃圾填埋技術規范,填埋場封場前需保證生活垃圾密度達到0.8t/m3以上,據此推測我國填埋場內壓縮后的垃圾田間持水率最高為 49.3%.國內外研究文獻［6,19-22］中的最低田間持水率為 39%,可作為降解穩定后的垃圾田間持水率.此外,快速、慢速和不可降解組分的降解率也是估算垃圾降解產水量的必要參數,本文參考Barlaz等［23］通過實驗室模擬獲得的數據,即上述3類組分在厭氧條件下的最大降解率分別為84%、39%和0%.

通過查閱我國現有的城市生活垃圾調研資料, 以采樣、分析方法可靠性及數據完整性為依據,選取 10個城市的生活垃圾性質數據.分別采用現行巖土技術規范和上文建立的方法,估算垃圾自產水形成的滲濾液量,結果如表4所示.采用現行巖土技術規范計算的結果僅為本方法的50%左右（僅比較壓縮產水量）,說明現行巖土技術規范設定的田間持水量計算基準,會顯著低估壓縮產水形成的滲濾液量.

根據本文的計算結果,垃圾壓縮、降解產水合計形成的滲濾液量約占原狀垃圾總含水量的60%～80%.與熊向陽等［11］假設原狀垃圾中所有水分都會形成滲濾液相比,本文提出的垃圾自產水計算方法更接近填埋滲濾液產生的實際情況.

2.3單位質量原狀垃圾填埋產生的滲濾液量

依據本文獲得的降水滲出系數（表3）,以表4中10個城市為例,計算每t原狀生活垃圾填埋20a、40a和100a后降水形成的滲濾液量.假設典型填埋場的填埋高度為20m,日覆蓋和中間覆蓋的暴露時間分別為1a和3a,土工膜的使用壽命為40a.

填埋 20a后,垃圾自產水形成的滲濾液占滲濾液累計總產量的 57%～87%；40a后為 52%～82%；100a后,該比例仍在10%以上,北京、天津和沈陽3個北方城市甚至高達40%.可見,對我國生活垃圾的性質而言,填埋過程垃圾自產水對滲濾液產量的貢獻不可忽視.

表4　我國10個城市的生活垃圾填埋過程滲濾液產量Table 4　Leachate generations during MSW landfilling in 10Chinese cities

由于資料有限,本文未獲得西北地區城市生活垃圾的干基組分比例,無法確切估算該類地區垃圾自產水對滲濾液產量的貢獻.而根據烏魯木齊［34］、蘭州［35］和拉薩［36］的調研數據,填埋垃圾的初始含水率為 45%左右,垃圾組分以降解速率較快的食品廢物為主.因此,推測西北地區城市生活垃圾填埋過程的壓縮產水量較其他城市少,降解產水量與其他城市相比應相差不大.

2.4方法可靠性驗證

為驗證本文構建的估算方法的可靠性,本文選取了5座有滲濾液產量實測數據的填埋場,應用本方法對其滲濾液產量進行估算.將估算值與實測值對比后（表5）,發現兩者的差異在5%～50%范圍內,填埋齡越長,估算誤差會相應增大.原因可能在于,填埋齡越長,影響滲濾液產量的因素越多,其不確定性亦越高,這些都是本方法尚未完全考慮到的.

3　結論

3.1填埋場覆蓋層的主要防滲材料——土工膜破損后,降水形成滲濾液的滲出系數會明顯升高.因此,滲濾液產量估算方法中,應考慮土工膜的使用壽命,提高土工膜破損后的滲出系數取值.

3.2我國城市生活垃圾在填埋后的40a內,由于壓縮和降解產生的滲濾液占滲濾液總產生量的52%～82%；即使將時間范圍放大到 100a,這一比例仍達 10%～40%.因此,估算生活垃圾填埋滲濾液產量時,必須考慮垃圾自產水的貢獻.

3.3在我國不同地區,影響滲濾液產量的參數有顯著差異.尤其是,西北地區降水滲出系數和生活垃圾初始含水率均低于北方和南方地區,將導致其滲濾液產率較低.西北地區的生活垃圾填埋場在選擇滲濾液處理方式時,可根據其產量選擇經濟適用的方法,不宜照搬其他地區的既有模式.

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Impact factor analysis and quantification method establishment for landfill leachate generation in China.

YANG Na1,2, HE Pin-jing1*, Lü Fan1, ZHANG Hua1, SHAO Li-ming1（1.Institute of Waste Treatment and Reclamation, Tongji University, Shanghai 200092, China；2.Shenzhen Academy of Environmental Science, Shenzhen 518001, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2452～2459

To reflect specific conditions in China, this study established a method to estimate landfill leachate amounts in two sources： infiltrated precipitation and water squeezed from waste. A hydraulic model （i.e. HELP） was used to obtain the precipitation infiltration factors for 31 typical Chinese cities. The calculation method for water squeezed from waste by compaction and degradation was set up based on theoretical analysis, and the key parameters—field capacity and degradation percentage—were acquired by literature mining. According to this method, landfill leachate quantities in 10 Chinese cities were calculated. Water squeezed from waste accounted for 52%～82% of the total leachate amounts during 40 years after landfilling, implying its importance in Chinese municipal landfills. Leachate generation amounts showed significant spatial variations due to the different precipitation infiltration factors and waste properties. Hence, leachate treatment measures should be selected according to its generation amounts rather than using certain general method.

municipal solid waste （MSW）；sanitary landfill；leachate generation；precipitation infiltration factor；initial moisture content

X705

A

1000-6923（2015）08-2452-08

2015-01-07

國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2012CB719801）

* 責任作者, 教授, solidwaste@tongji.edu.cn

楊娜（1986-）,女,山東聊城人,工程師,博士,主要從事固體廢物處理與資源化研究.發表論文10篇.