填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)量計(jì)算模型

填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)量計(jì)算模型

中國(guó)大部分用戶處理能力都存在實(shí)際滲透能力大于設(shè)計(jì)值的問題。除實(shí)際填充規(guī)模增加外，當(dāng)前的滲透容量計(jì)算方法也是導(dǎo)致計(jì)算偏差的原因。上海一家主要埋地的滲濾量為15003md-1，實(shí)際滲濾量為30003md-1。根據(jù)廣州某埋地的計(jì)算，滲濾量為1000hmd-1，實(shí)際滲濾量為3500hmd-1。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，滲濾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值，這意味著滲濾引導(dǎo)裝置的實(shí)際負(fù)荷大，污泥加快，導(dǎo)排能力低。由于其缺乏主導(dǎo)排水能力，堆場(chǎng)水位上升，導(dǎo)致穩(wěn)定安全。與此同時(shí)，高滲濾顆粒的產(chǎn)量也超過了收集池的固定處理能力，這使得填埋場(chǎng)的正常運(yùn)行變得困難。因此，正確計(jì)算滲濾量是設(shè)計(jì)合理的滲濾通道，是滿足滲濾通道需求的基礎(chǔ)。從水量平衡的角度分析,填埋場(chǎng)滲濾液由降雨入滲水量和填埋垃圾自身產(chǎn)生水量?jī)刹糠纸M成[1~5].前者與當(dāng)?shù)亟涤炅亢吞盥駡?chǎng)雨污分流狀況有關(guān),后者與填埋后垃圾中水的存在形式和持水能力變化有關(guān).王學(xué)華等、黃志中等認(rèn)為在進(jìn)行滲濾液產(chǎn)量計(jì)算時(shí),垃圾自身產(chǎn)生水量可以忽略.文獻(xiàn)中采用的浸出系數(shù)法,也只考慮了降雨入滲量.孫鑰等指出,在進(jìn)行滲濾液產(chǎn)量計(jì)算時(shí),發(fā)達(dá)國(guó)家垃圾含水率低,忽略垃圾自身產(chǎn)生水量是合理的;而中國(guó)填埋場(chǎng)初始含水率高,不應(yīng)忽略這部分水量,但沒有提出具體的計(jì)算方法.本研究基于對(duì)垃圾中水的存在形式、持水特性與析出機(jī)制的認(rèn)識(shí),建立水量平衡分析模型,對(duì)比計(jì)算了填埋垃圾初始含水率對(duì)垃圾自身產(chǎn)生水量和總滲濾液產(chǎn)量的影響.進(jìn)一步提出了適用于中國(guó)高初始含水率垃圾的滲濾液產(chǎn)量修正計(jì)算公式,并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證.1垃圾的含水量和保水特性1.1胞內(nèi)水對(duì)垃圾持水性的影響如圖1所示,由于垃圾中存在大量有機(jī)物,水分存在形式與一般工程土不完全相同.除與一般工程土一樣,部分水分以結(jié)合水、自由水的形式存在外,還有水分存在于有機(jī)質(zhì)細(xì)胞內(nèi)部,以胞內(nèi)水的形式存在.中國(guó)垃圾一般有機(jī)質(zhì)含量高,胞內(nèi)水所占比例較高,其存在和轉(zhuǎn)化規(guī)律直接影響了垃圾的持水特性.初始填埋時(shí),胞內(nèi)水無法在重力作用下運(yùn)移,宏觀上表現(xiàn)為垃圾持水能力強(qiáng);但隨壓縮、降解的進(jìn)行,胞內(nèi)水逐漸釋放,垃圾的持水能力降低,釋放的水分在重力作用下運(yùn)移、排泄,成為滲濾液的一部分.在宏觀表征垃圾的持水特性,進(jìn)行填埋場(chǎng)水分平衡分析時(shí),常用到初始含水率和田間持水量2個(gè)概念.下文基于國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料,總結(jié)了垃圾初始含水率、田間持水量的影響因素及取值范圍.1.2不同地區(qū)填埋垃圾初始含水率的比較垃圾初始含水率即為初始填埋垃圾水分質(zhì)量(體積)與總質(zhì)量(體積)的比值.填埋垃圾的初始含水率主要與垃圾的組分有關(guān),廚余、果皮等高含水率有機(jī)物所占比例高,則初始含水率就高.圖2為中國(guó)填埋垃圾初始含水率統(tǒng)計(jì),圖3為歐美國(guó)家初始含水率統(tǒng)計(jì).中國(guó)10個(gè)不同地區(qū)填埋垃圾的初始含水率在31%~61%范圍內(nèi),平均值52%[8~12].而歐美10個(gè)不同地區(qū)填埋垃圾的初始含水率在17%~35%范圍內(nèi),平均值27%[5,13,14,15,16,17,26,27].1.3垃圾田間持水量田間持水量是指在長(zhǎng)時(shí)間重力排水條件下垃圾所能持有的含水率.當(dāng)垃圾含水率大于田間持水量時(shí),水分可以在重力條件下運(yùn)移、排泄,產(chǎn)生滲濾液.當(dāng)含水率小于田間持水量時(shí),僅在重力排水條件下,垃圾含水率保持不變;而當(dāng)有降雨入滲等外來水分補(bǔ)充時(shí),垃圾能夠吸收水分直至含水率達(dá)到田間持水量.田間持水量是垃圾持水能力的宏觀表現(xiàn),其取值與垃圾中水分存在形式、組分特性和孔隙比等因素有關(guān).由于無法在重力作用下運(yùn)移,因此胞內(nèi)水含量越高,田間持水量越高;垃圾組分的親水性越好、孔隙比越大,田間持水量也越高.填埋后的垃圾,隨著齡期增加,垃圾中胞內(nèi)水逐漸析出,孔隙比變小,田間持水量逐漸下降.Blight等通過實(shí)測(cè)齡期分別為1~7a的垃圾,驗(yàn)證了垃圾田間持水量隨齡期增大則降低的規(guī)律.圖4以垃圾干容重為橫坐標(biāo),匯總了國(guó)內(nèi)外田間持水量研究資料[13,14,18,19,20,21,22,28].圖5根據(jù)杭州天子嶺填埋場(chǎng)、蘇州七子山填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)試數(shù)據(jù)整理出的填埋垃圾干容重與填埋深度關(guān)系曲線[23~25].結(jié)合圖4及圖5,可估算出填埋場(chǎng)不同深度、齡期填埋垃圾的田間持水量.與初始含水率比較,可計(jì)算填埋后垃圾自身產(chǎn)生(或吸收)水量.由圖4、圖5可見,中國(guó)垃圾與歐美垃圾填埋降解后,田間持水量取值基本相同:當(dāng)干容重為6kN·m-3時(shí),取值接近于37%;當(dāng)干容重為8kN·m-3時(shí),取值接近于27%.中國(guó)填埋垃圾初始含水率遠(yuǎn)大于降解后的田間持水量,填埋后垃圾自身產(chǎn)生水量大.歐美垃圾初始含水率低于或僅稍高于降解后垃圾的田間持水量,填埋后會(huì)吸收一部分外來入滲水分或僅析出少量的滲濾液.這應(yīng)是中國(guó)填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)量大,堆體水位雍高,水的問題更加突出的重要原因.2分析該分類中各階段埋深的平衡模式和計(jì)算結(jié)果2.1入滲產(chǎn)生的水量本研究以山谷型填埋場(chǎng)作為參照,建立如圖6所示的水量平衡分析模型.模型長(zhǎng)400m,高50m,寬500m,垃圾體分5層,每層高10m.模擬實(shí)際填埋過程,每2a堆高1層,共填埋10a.每填埋一層作為一個(gè)計(jì)算階段,共分5個(gè)計(jì)算階段.各個(gè)計(jì)算階段堆體頂部劃分填埋作業(yè)區(qū)、中間覆蓋區(qū)和封場(chǎng)覆蓋區(qū)3個(gè)區(qū)域.各計(jì)算階段各層填埋垃圾的齡期如表1所示.根據(jù)水量平衡分析,每個(gè)計(jì)算階段的填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)生量可用下式計(jì)算:式中,Ln為第n個(gè)計(jì)算階段的滲濾液產(chǎn)量(m3);Pn為第n個(gè)計(jì)算階段的降雨量(m3);En為第n個(gè)計(jì)算階段的蒸發(fā)及蒸騰量(m3);Rn為第n個(gè)計(jì)算階段的徑流量(m3);EXn為第n個(gè)計(jì)算階段內(nèi)各齡期(各層)自身產(chǎn)生(或吸收)水量(m3).Pn-En-Rn為降雨入滲產(chǎn)生的水量,文獻(xiàn)中的滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法,就是僅考慮了這部分水量.為便于比較分析,借鑒該規(guī)范中采用的計(jì)算方法和參數(shù)取值進(jìn)行降雨入滲產(chǎn)生的水量計(jì)算,如式(2):式中,In為第n個(gè)計(jì)算階段內(nèi)降雨量(mm);A1為填埋作業(yè)區(qū)域匯水面積(m2);CL1為埋作業(yè)區(qū)域滲出系數(shù),一般取0.5~0.8;A2為中間覆蓋區(qū)域匯水面積(m2);CL2為中間覆蓋區(qū)域滲出系數(shù),宜取(0.4~0.6)C1;A3為終場(chǎng)覆蓋區(qū)域匯水面積(m2);CL3為終場(chǎng)覆蓋區(qū)域滲出系數(shù),0.1~0.2.第n個(gè)計(jì)算階段垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量),即為該階段各齡期(各層)垃圾垃圾自身滲濾液產(chǎn)量的加和,例如,第5個(gè)計(jì)算階段垃圾自身滲濾液產(chǎn)量使用式(3)計(jì)算:式中,EX5為第5個(gè)計(jì)算階段內(nèi)各齡期(各層)垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量)(m3);E1X5~E5X5為第5個(gè)計(jì)算階段內(nèi),第1層~第5層垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量)(m3).某階段某層垃圾自身滲濾液產(chǎn)量,使用該層垃圾前一階段齡期田間持水量與本階段齡期田間持水量做差,再與該層垃圾量乘積得到,例如第5個(gè)計(jì)算階段第1層垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量)用式(4)計(jì)算:式中,E1X5為第5個(gè)計(jì)算階段內(nèi),第1層垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量)(m3);M1為第1層垃圾填埋量(t);WR9為第1層填埋垃圾在第4個(gè)計(jì)算階段對(duì)應(yīng)齡期(平均齡期為7a,參見表1)的田間持水量,以質(zhì)量含水率(%)表達(dá),根據(jù)圖4、圖5取值;WR7為第1層填埋垃圾在第5個(gè)計(jì)算階段對(duì)應(yīng)齡期(平均齡期為9a,參見表1)的田間持水量,以質(zhì)量含水率(%)表達(dá),根據(jù)圖4、圖5取值;ρw為水的密度(t·m-3).根據(jù)圖4和圖5,齡期為1、3、5、7、9a的填埋垃圾的田間持水量分別確定為:WR1=40%、WR3=34%、WR5=32%、WR7=30%,WR9=29%.結(jié)合式(1)~(4),可計(jì)算出第n個(gè)計(jì)算階段的滲濾液產(chǎn)量.而每個(gè)計(jì)算階段內(nèi)日均滲濾液產(chǎn)量可用式(5)計(jì)算:式中,n為水量平衡計(jì)算階段;Ln日均為第n個(gè)計(jì)算階段日均滲濾液產(chǎn)量(m3);730為第n個(gè)計(jì)算階段的天數(shù),為2a,計(jì)730d.則整個(gè)計(jì)算周期內(nèi)日均滲濾液產(chǎn)量可用式(6)計(jì)算:式中,n為水量平衡計(jì)算階段;L總?cè)站鶠檎麄€(gè)計(jì)算周期內(nèi)日均滲濾液產(chǎn)量(m3);Ln為第n個(gè)計(jì)算階段的滲濾液產(chǎn)量(m3);3650為本次計(jì)算周期的天數(shù),10a計(jì)3650d.2.2填埋垃圾初始含水率對(duì)或吸收量的影響按圖6所示的模型尺寸,并考慮填埋場(chǎng)寬度為500m,當(dāng)填埋垃圾初始含水率分別為27%、40%、50%和60%時(shí),計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示:按式(6)計(jì)算得到的日平均滲濾液產(chǎn)量分別為272、583、823和1063m3·d-1;其數(shù)值上由兩部分組成,即按式2計(jì)算得到的降雨入滲產(chǎn)生的水量(即現(xiàn)行規(guī)范中采用的滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法)與按式(3)、式(4)計(jì)算得到的垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量).按式(2)計(jì)算得到的降雨入滲產(chǎn)生的水量與填埋垃圾初始含水率無關(guān),均為415m3·d-1;按式(3)、式(4)計(jì)算得到的垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量)隨填埋垃圾初始含水率增加而顯著增大,分別為-144、168、408和647m3·d-1.分析計(jì)算結(jié)果可知,現(xiàn)行規(guī)范滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法未考慮填埋自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量),當(dāng)填埋垃圾初始含水率低于其填埋后田間持水量時(shí),因該計(jì)算方法未考慮垃圾自身吸收的水分,計(jì)算結(jié)果偏大,工程上可取得較為保守的計(jì)算結(jié)果;而當(dāng)填埋垃圾初始含水率高于田間持水量時(shí),因該方法未考慮垃圾自身析出的水分,計(jì)算結(jié)果將偏小,且隨填埋垃圾初始含水率的增大,偏差越大.本計(jì)算中,當(dāng)填埋垃圾初含水率為50%時(shí),垃圾自身產(chǎn)生的水量為408m3·d-1,已接近于降雨入滲產(chǎn)生的水量;我國(guó)大部分地區(qū)填埋垃圾的初始含水率普遍高于50%,達(dá)到了50%~60%,填埋后垃圾自身產(chǎn)生的水量,是滲濾液產(chǎn)量的主要部分.如果在進(jìn)行滲濾液產(chǎn)量計(jì)算時(shí),不考慮這部分滲濾液量,將明顯低估實(shí)際運(yùn)行時(shí)填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)量.2.3垃圾自身滲濾液以初始含水率50%為例,對(duì)每個(gè)計(jì)算階段的日均滲濾液產(chǎn)量和來源進(jìn)一步分析,如圖9所示.整個(gè)計(jì)算周期10a內(nèi)日均滲濾液產(chǎn)量823m3·d-1.5個(gè)階段日均滲濾液產(chǎn)量分別為728、907、849、781和849m3·d-1,均接近于平均值823m3·d-1.5個(gè)階段垃圾自身滲濾液產(chǎn)量分別為240、384、432、479和503m3·d-1,隨垃圾存量和平均齡期的增加逐漸增加.因降雨入滲產(chǎn)生的水量分別為489、524、418、302和346m3·d-1,其計(jì)算結(jié)果與每個(gè)計(jì)算階段的覆蓋條件有關(guān).在第1和第2計(jì)算階段,因處于填埋初期,堆體內(nèi)垃圾存量較小,且堆體高度處于垃圾壩之下,雨污分流難度較大,降雨入滲產(chǎn)生的日均滲濾液較大;在后3個(gè)計(jì)算階段,隨垃圾堆體存量的增加,以及堆體填高后雨污分流效果的改善,垃圾自身產(chǎn)生的水量大于因降雨入滲產(chǎn)生的水量,成為填埋場(chǎng)滲濾液的主要來源.由此可見,對(duì)于初始含水率高的填埋場(chǎng),當(dāng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),垃圾存量較大時(shí),垃圾自身滲濾液產(chǎn)量也越大,成為總滲濾液產(chǎn)量的重要組成部分.3修正后的計(jì)算公式為3.1滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法如前所述,我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的滲濾液產(chǎn)量計(jì)算方法,也是目前設(shè)計(jì)中普遍采用的“浸出系數(shù)法”,僅考慮了因降雨入滲產(chǎn)生的水量,忽略了垃圾自身產(chǎn)生(或吸收)的水量.中國(guó)填埋垃圾初始含水率普遍較高,若計(jì)算時(shí)不考慮這部分量,將使計(jì)算結(jié)果偏低.按照前述方法建立水量平衡模型,分階段計(jì)算,可較為準(zhǔn)確的計(jì)算垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量),但計(jì)算過程復(fù)雜,設(shè)計(jì)較難采用.考慮設(shè)計(jì)計(jì)算取值宜偏保守的原則,垃圾自身滲濾液產(chǎn)量(或吸收量)可以用初始含水率和最終田間持水量的差值與填埋量乘積計(jì)算.則現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中滲濾液產(chǎn)量計(jì)算公式可修正為:式中,L為日均滲濾液產(chǎn)量(m3·d-1);Id為日均降雨量(mm·d-1);A1為填埋作業(yè)區(qū)域匯水面積(m2);CL1為填埋作業(yè)區(qū)域滲出系數(shù),一般取0.5~0.8;A2為中間覆蓋區(qū)域匯水面積(m2);CL2為中間覆蓋區(qū)域滲出系數(shù),宜取(0.4~0.6)C1;A3為終場(chǎng)覆蓋區(qū)域匯水面積(m2);CL3為終場(chǎng)覆蓋區(qū)域滲出系數(shù),0.1~0.2;Md為日均填埋垃圾量(t·d-1);MS為填埋垃圾初始含水率,以質(zhì)量含水率形式表達(dá)(%);WR為降解后填埋垃圾的田間持水量,以質(zhì)量含水率形式表達(dá)(%);ρw為水的密度(t·m-3).3.2填埋垃圾初始含水率按圖6所示的模型尺寸,考慮填埋場(chǎng)寬度為500m,使用現(xiàn)行規(guī)范滲濾液產(chǎn)量計(jì)算公式、式(7)所示的修正計(jì)算公式和第2節(jié)精細(xì)計(jì)算方法等3種計(jì)算方法,對(duì)不同初始含水率條件下日均滲濾液產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,結(jié)果如圖10所示.由圖10可見,與精細(xì)計(jì)算結(jié)果相比較,當(dāng)填埋垃圾初始含水率為27%時(shí),現(xiàn)行規(guī)范浸出系數(shù)法和本研究提出的修正計(jì)算公式計(jì)算較果均較為接近.但隨著填埋垃圾初始含水率提高,浸出系數(shù)法計(jì)算結(jié)果偏差越來越大.當(dāng)初始含水率為50%時(shí),計(jì)算結(jié)果偏低近一半;而當(dāng)初始含水率為60%時(shí),計(jì)算結(jié)果偏低60%.現(xiàn)行規(guī)范中浸出系數(shù)法應(yīng)用于垃圾初始含水率較高的填埋場(chǎng)時(shí),誤差較大.本研究提出的修正計(jì)算公式與精細(xì)計(jì)算公式相比較,在任何含水率條件下,前者計(jì)算結(jié)果均比后者稍大,且隨初始含水率提高,偏差率越小.當(dāng)初始含水率為27%時(shí),前者偏大33%,當(dāng)初始含水率60%時(shí),偏大17%.修正計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)偏安全、偏保守的原則,可在實(shí)際工程中采用.3.3生活垃圾的滲濾液產(chǎn)量測(cè)定根據(jù)廣州興豐填埋場(chǎng)和老港四期填埋場(chǎng)的運(yùn)行實(shí)測(cè)資料,對(duì)式(8)進(jìn)行了驗(yàn)證.廣州興豐填埋場(chǎng)實(shí)測(cè)資料周期為2007年1月~2009年12月,共計(jì)3a.該場(chǎng)垃圾初始含水率為55%;2002年投運(yùn),至計(jì)算時(shí)最大填埋齡期8a,填埋高度超過80m,由圖4和圖5,確定降解后田間持水量取值30%.廣州興豐填埋場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖11(a)所示.在2007年1月~2009年12月間,填埋場(chǎng)日均填埋量7053t·d-1,實(shí)測(cè)日均滲濾液產(chǎn)量為2328m3·d-1,滲濾液產(chǎn)量與日均填埋量比值為33.0%.利用現(xiàn)行規(guī)范“浸出系數(shù)法”計(jì)算得到的日均滲濾液產(chǎn)量為271m3·d-1,為填埋規(guī)模的3.8%,明顯偏小;利用本研究提出的修正計(jì)算公式計(jì)算得到的日均滲濾液產(chǎn)量為2034m3·d-1,與實(shí)測(cè)值接近.上海老港四期填埋場(chǎng)實(shí)測(cè)資料周期為2005年3月~2008年9月,共計(jì)43個(gè)月.該場(chǎng)垃圾初始含水率為54%;2005年投運(yùn),至計(jì)算時(shí)最大填埋齡期4a,填埋高度超過30m,由圖4和圖5,確定降解后田間持水量取值34%.上海老港四期填埋場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖11(b)所示.在2005年3月至2008年9月間,填埋場(chǎng)日均填埋量5160t·d