生活垃圾填埋场渗滤液性质随时间变化关系研究环境科学学报.docx
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生活垃圾填埋场渗滤液性质随时间变化关系研究环境科学学报
生活垃圾填埋场渗滤液性质随时间变化关系研究
楼紫阳，赵由才*，宋玉，李雄，刘振宇
同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海20092
摘要：
通过对上海老港填埋场不同年份渗滤液的取样分析，测定了以下参数：
电导率、ORP、CODCr、NPOC、NH3-N、TN、正磷酸盐与总磷、pH、阴离子（F-、Cl-、Br-、SO42-），并建立了各参数与时间的关系。
发现不同的渗滤液指标随填埋时间延长，其变化趋势略有差异，其中NPOC、COD、N、P、pH、电导率等指标值随时间的延长，总体表现为降低趋势；而ORP则逐渐升高；阴离子等变化趋势不明显，呈现波动趋势。
对于相同变化趋势的指标，其降解过程也并不一致，对于含C物质－NPOC和COD，经4年降解后分别达到<500mg·L-1和<2000mg·L-1；对于含N物质，则可分为三个阶段，前4年的快速降解阶段，随后3年的中速降解，最后进入慢速降解阶段稳定在500mg·L-1以内；TP含量随填埋时间在开始的9年内降解迅速，从35mg·L-1降到3.4mg·L-1，后基本维持稳定值；pH值则在开始的7年内下降较快，随后变化不大；电导率在填埋开始的7年内下降较快；而ORP则在开始的9年内上升较多。
同时发现，随着填埋时间的延长，NPOC/TOC、NH3-N/TN、正磷酸盐/TP比例总体表现为降低，硫酸根/Cl-比例有稍微升高，最终保持在0.2左右。
关键词：
渗滤液，老港填埋场，不同时间，性质表征
CharacteristicsofleachatewithdifferentagesfromLaogangRefuseLandfill
LouZiyangZhaoYoucai*SongYuLiXiongLiuZhengyu
TheStateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,TongjiUniversity,Shanghai200092
Abstract:
LeachatewithdifferentageswerecollectedfromLaogangLandfillinShanghai,China,andtheparameters,suchasconductivity、ORP、CODCr、NPOC、NH3-N、TN、orthophosphate、TP、pH、anionions（F-、Cl-、Br-、SO42-）,weredetermined,andtherelationshipbetweentheparametersandtimeswereco-related.Itisfoundthatvaluesoftheseparameters,suchasNPOC、COD、N、P、pH、conductivity,generallydecreasedandORPincreasedandanionsfluctuated,astimeextended.NPOCandCODdecreasedquicklyinthefirst4yearsto<500mg·L-1and<2000mg·L-1,respectively.ThedecompositionprocessofNcanbedividedintothreestages,i.e.,degradationfastestinthefirst4years,andthendegradationslowinthenext3years,whileslowerdegradationinthelatter6years,whichreachedtobelow500mg·L-1.TPdecreasedquicklyinthefirst9years,andthenreachedtoastablevalueofaround3.4mg·L-1.pHdeclinedslightlyinthefirst7years,andthenalmostreachedtoastablevalueofaround7.5.Forconductivity,itdecreasedfastintheinitial7yearsafterlandfillwhileORPincreasedremarkablyinthefirst9years.ItisalsofoundthatratiosofNPOC/TOC、NH3-N/TN、orthophosphate/TPinleachatesdeclinedingeneralasageextended,whileratiosofSO42-/Cl-increasedslightly,andultimatelyreachedtoabout0.2.
Keywords:
Leachate,LaogangLandfill,differentages,characteristics
1.引言
填埋场稳定化过程的研究，对于填埋场建设、设计以及管理具有重要的作用。
为得到填埋场内生物降解过程以及垃圾的自然衰减规律，需对不同时间的垃圾进行取样研究，但由于研究费用、取样要求以及填埋方式（我国通常采用山谷型填埋）等原因，使得很难对同一个填埋场各时间段的垃圾进行取样分析（朱青山等，1996；Jensen,etal.1999;赵由才等，2000）。
而对于不同填埋场，则由于垃圾来源、气候、操作方式、地质状况等原因，使得各个年龄段垃圾的性质相差较多。
填埋场稳定化过程主要考察渗滤液组成产量的变化、垃圾成分沉降的变化以及填埋气组成产量的变化，其中渗滤液组成变化能较为直观的反映填埋场的稳定化进程。
基于以上原因，虽然已有不少关于填埋场稳定化过程的研究，但大都以实验室模拟实验为主，且所用垃圾的规模主要集中于几百公斤到几千公斤垃圾（朱青山等，1996；Jensen,etal.1999;赵由才等，2000;谢强等，2003；杨玉飞等，2005），目前文献报道中最大的模拟装置为赵由才等于1995年进行的一个垃圾稳定化现场试验，所用垃圾量也只有10800吨（面积3000m2）（赵由才等，2000），相对于垃圾填埋场动则填埋上千至上万吨/天的规模，仍有一定的差距。
总结起来，此类模拟试验，主要存在以下几个问题：
垃圾量较少，不能有效保证渗滤液量，一般此类规模的垃圾如果不通过外加水量，其自产渗滤液通常在2～3个月内即消失；实验过程中为了保证渗滤液产生量，一般都是通过外加水源，类似于对垃圾的淋溶试验；②实际填埋场一般每天都填埋新鲜垃圾，而模拟过程由于试验容器等的限制，使得一般都是开始阶段装填好垃圾后，基本都以此垃圾作为渗滤液的母体，而没有考虑新鲜垃圾携带水分的淋洗以及原有垃圾降解过程产生的微生物接种作用；③一般填埋场中虽然要求及时导排水份，但总会有部分水分的积累，而水分可有效加速填埋场的稳定化过程以及促进渗滤液的降解，而模拟过程其水分积累很少；④模拟过程试验装置的壁效应相对实际填埋场要严重，使得渗滤液与垃圾的接触时间与面积明显减少；⑤由于人员变动、经费问题，使得试验模拟过程一般只持续3～5年，对于推测出的降解规律其相对数据量较少；⑥虽然也有部分学者对实际填埋场进行了监测，但一般也由于经费以及其它原因，只是对3～5个不同的填埋场进行取样分析，持续时间一般少则几个月，多则2～3年。
这样使得不同气候、不同垃圾组成、不同填埋方式影响了渗滤液性质随时间的变化状况。
因此，对于垃圾来源较为一致的实际填埋场，通过长时间研究其产生的渗滤液性质随时间的变化状况，对于了解填埋场的稳定化过程，渗滤液的实际降解规律以及最终物质的组成具有重要的意义。
本文主要通过收集上海老港填埋场不同填埋时间单元的渗滤液，分析其性质的变化规律，了解渗滤液组分随着稳定化时间推移的变化过程。
2.采样流程与分析方法
2.1老港填埋场简介
老港填埋场作为我国目前最大的填埋场，坐落于上海市南汇区，始建于1985年，1991年正式投入运行。
垃圾填埋采用单元操作的方式，每个填埋单元约10公顷，一般可填埋大约3～4个月的垃圾。
老港填埋场每天接受上海市产生的75％垃圾，约9000吨/天。
采用分期建设，已完成三期工程，目前正在进行四期工程的建设，并于2005年初投入运行。
目前老港处置场填埋区面积5134亩，其中1号填埋场2400亩，2号填埋场1500亩，3号填埋场1234亩。
前三期项目的场地基本已经填埋完毕，其具体的填埋垃圾量以及相应的位置都有较为详细的记录，老港填埋场前三期的平面图见图1，各填埋单元相应的填埋时间见表1。
老港填埋场分单元填埋方式能有效解决以往填埋场渗滤液研究中的问题：
填埋场垃圾都来自同一城市，而上海市在90年代初即已实现了家庭气化工程，因此进入填埋场的垃圾可认为具有一定的相同性；不同填埋单元位于同一种滩涂型地质，具有相同的地质要求及气候要求；不同填埋单元的垃圾填埋操作方式基本类似；填埋场管理部门对于每一单元都有良好的记录，方便采样；封闭后的填埋单元不采用渗滤液外排方式，使得各单元内渗滤液能消除排放过程的外界影响因素。
图1老港填埋场各填埋单元分布平面图
Figure1theschematicmapofLaogangRefuseLandfill
表1填埋单元与垃圾年份的对应关系
Table1ageofrefuseinthelandfillandtheirrelativeplacementsite
填埋单元
垃圾年份
填埋时间（a）
填埋单元
垃圾年份
填埋时间（a）
16＃
1991年
14
23＃
1998年
7
32＃
1992年
13
10＃
1999年
6
31＃
1993年
12
54＃
2001年
4
40＃
1994年
11
19＃
2002年
3
12＃
1996年
9
49＃
2003年
2
2.2采样流程
虽然填埋场的本体物质－垃圾具有较大的异质性，但由于老港填埋场封闭单元内渗滤液不外排，所以底部积累的水样具有良好的流通性。
因此本实验过程中，采用随机采样方式，基本可以认为每个单元内部的渗滤液能够有效代表特定年限垃圾所产生的渗滤液。
采样具体流程如下：
选用型号WY160的履带式挖掘机，斗容量1.6m3，液压驱动，最大转速9rmp，最大挖掘深度4.5m，最大挖掘半径7.38m，理论生产能力384m3·h-1；筛选采用孔径为50mm的滚筒筛，筛分量约为20～30t·h-1。
采样过程一般先移去表面30～40cm的覆土层，再进行挖掘，一般挖掘3m左右，可见到渗滤液，等待半个小时，通过填埋场垃圾的自重，可使渗滤液集中到挖掘坑内，收集渗滤液于采样瓶中，尽快避光冷冻送到实验室进行分析。
2.3分析方法
为了尽可能了解渗滤液的性质及随时间的变化，在实验可行的条件下，本试验选用了以下一些参数：
电导率、ORP、CODCr、NPOC、NH3-N、TN、正磷酸盐与总磷、pH、阴离子（F-、Cl-、Br-、SO42-）等作为渗滤液的污染指标。
各参数的具体测定分析方法如下：
电导率：
采用上海雷磁仪器厂生产的DDS-307型电导率仪进行测定；pH：
采用上海雷磁仪器厂生产的PHS-3C精密pH计直接测定；ORP：
采用便携式自动电位仪测定；CODCr：
重铬酸钾标准法测定；NPOC、TN：
采用岛津公司TOC-VCPN型总有机碳分析仪测定；NH3-N：
纳氏试剂光度法测定，正磷酸盐：
钼酸盐溶液比色法，采用棱光牌UV755B紫外可见分光光度计；总磷：
过硫酸钾—钼酸铵分光光度法；F-、Cl-、Br-、SO42-：
采用美国戴安公司ICS-1000离子色谱仪。
3.实验结果与讨论
3.1试验结果
3.1.1还原性物质的降解过程
渗滤液对水体污染的一个重要原因是其还原性物质含量很高，其随填埋时间的变化过程见图2。
图2渗滤液NPOC和COD与不同填埋时间的变化关系
Figure2therelationshipbetweenNPOC,CODofleachateandleachateages
从图2中可看出，随着填埋时间的延长，渗滤液中的还原性物质以及不可吹扫性有机物总的趋势都逐渐减少。
大约经过4年左右的时间（到2001a），渗滤液的COD达到一个较为稳定的状态，大约维持在1000～2000mg·L-1，而NPOC则虽然仍持续下降，但下降幅度不大，最后达到200mg·L-1之间。
图3渗滤液NPOC/COD与不同填埋时间的变化关系
Figure3therelationshipbetweentheratioofNPOC/CODandleachateages
NPOC/COD可以部分反映出渗滤液组分的变化状况，从图3中可以看出不同年份渗滤液NPOC/COD总体来说随填埋时间有下降趋势，从开始阶段较大值0.43降到0.1左右。
说明渗滤液中有机C所占的比例逐渐减少，这主要是由于填埋场中渗出的有机污染物减少和有机化合物降解速度提高两方面共同作用的结果。
3.1.2无机营养物质的降解过程
对于渗滤液中N元素的含量，从图4中可看出，渗滤液中N含量很高，2003年的TN和氨氮分别达到了4368mg·L-1和4251mg·L-1。
在填埋初期的4年内（2001年前），N的含量下降较快，从4368mg·L-1降到1753mg·L-1；随后3年（1998年前）的降解速度相对较慢；最后一直到1993年，渗滤液中N含量以较低的速度下降，最终的TN维持在500mg·L-1左右。
图4渗滤液中N含量与不同填埋时间的变化关系
Figure4therelationshipbetweenNofleachateandleachateages
相对一般废水，渗滤液P的含量总体含量相对较高，但相对于生物所需的C:
N:
P=100:
5:
1，其比例明显偏低。
从总体趋势来看，渗滤液中P的含量随填埋时间延长逐渐降低，特别是开始的9年时间内（1996年）呈持续下降趋势，从35mg·L-1降到3.4mg·L-1；随后虽然在1994年有波折，但总体趋势仍旧下降，到1993年时，TP含量小于1mg·L-1。
图5渗滤液中P含量与不同填埋时间的变化关系
Figure5therelationshipbetweenPofleachateandleachateages
3.1.3pH、电导率与ORP
从图6中可以看出，渗滤液的pH值随时间逐渐下降，从开始的8.15逐渐下降到7.34，说明渗滤液pH随时间的延长，逐渐降低，在开始的7年内（1998年前）下降较为迅速，而随后的变化较小。
图6渗滤液中pH与不同填埋时间的变化关系
Figure6therelationshipbetweenpHandleachateages
渗滤液的ORP值可作为判断溶液中有机物量以及多价离子的氧化还原状态的一个参照值，同时可以用于量化离子活度和确定溶液的氧化还原特性。
从图7中可看出，随着填埋时间的推移，渗滤液的ORP值逐渐升高，从开始阶段-307mv升高到-88mv。
图7渗滤液中ORP与不同填埋时间的变化关系
Figure7therelationshipbetweenORPandleachateages
渗滤液的电导率值反映了渗滤液中自由离子的总量。
随着填埋时间的延长，渗滤液的电导率值逐渐降低，从41500μs·cm-1（2003a）降到6380μs·cm-1（1993a），而且渗滤液中的电导率在开始7年内（1998年前）下降较快，而在随后年份变化不大。
图8渗滤液中电导率与不同填埋时间的变化关系
Figure8therelationshipbetweenconductivityandleachateages
3.1.4阴离子
从渗滤液的卤素阴离子与硫酸根离子的浓度随时间的变化图9和10可以看出：
渗滤液中Cl－、Br－、F－等离子的浓度都很大。
由于这些离子很难降解，因此其浓度值随时间变化不明显，Cl－浓度在1500mg·L-1左右，Br－浓度在60～100mg·L-1，F－浓度在15mg·L-1左右，而硫酸根离子在一般在200～400mg·L-1范围内。
图9渗滤液中F－、Br－与不同填埋时间的变化关系
Figure9therelationshipbetweenF－,Br－andleachateages
图10渗滤液中Cl－、SO42－与不同填埋时间的变化关系
Figure10therelationshipbetweenCl－、SO42－andleachateages
3.2讨论
一般认为：
渗滤液中主导性污染物质为可溶性有机物，悬浮物所贡献的CODCr相对较低。
而上述各年龄段的渗滤液中，悬浮物含量较少。
渗滤液中的有机物质总体可分成三部分：
小分子的醇和有机酸；
中等分子量的灰磺酸类物质；
高分子的腐殖质。
填埋初始阶段的渗滤液，大约90%的可溶性有机碳由短链的可挥发性脂肪酸组成，相应的有机C含量较高，其次是带多羧基和芳香族羧基的灰黄酶酸。
而当填埋场达到相对稳定时，大部分有机物得到降解，剩余的主要为灰黄酶酸物质以及高分子的腐殖质，还有较多的无机还原物质，从而使得NPOC/COD降低。
渗滤液的N元素中，主要以氨氮形式存在，其所占比例范围在97％～55％间波动，说明随着时间的推移，渗滤液中的N逐渐由氨氮转化为其它形式的氮，而且填埋初期垃圾中的氮先以氨氮形式淋洗到渗滤液中。
渗滤液中的正磷酸盐在TP中所占的比例随着时间也逐渐减小，从开始的98.2％一直降到29.2％，说明老龄渗滤液中的磷主要以其它形式的磷（缩合磷酸盐、有机结合的磷酸盐等）存在，而非正磷酸盐，也说明正磷酸盐等可能不易与渗滤液中的降解产物－腐殖质粒子、水生生物等结合。
而1991年与1992年垃圾由于混杂了部分较近年份的垃圾，使得其磷的含量与总的变化趋势发生改变（其它指标也有相似的趋势）。
对于渗滤液的宏观化学性质pH，其随着时间的推移逐渐降低，这可以从其碳酸盐浓度可以看出，初期渗滤液加入盐酸，渗滤液产生大量的气泡，相应的碱度值也较大，在18000mg·L-1（2003a）左右，而老龄渗滤液加入盐酸几乎不冒泡，碱度在2000mg·L-1（1993a）左右，说明渗滤液主要是碳酸盐以及碳酸氢盐等对渗滤液的pH值产生贡献。
从渗滤液ORP值可以看出：
渗滤液中ORP都为负值，内含物质为还原态为主，说明其填埋单元都处于产甲烷化阶段。
而且渗滤液中的很多物质都具有得到电子的能力，说明其仍处于较为活跃的降解阶段；同时可以看出渗滤液中还原态随时间的延长逐渐降低，在开始的9年内变化最为剧烈，这也可以从COD值的大小得到应证。
电导率主要与渗滤液中自由态物质总量的下降有关，渗滤液中盐分下降（包括碳酸盐、卤素等）也是一个较为主要的原因。
当浓度增加到一定程度后，由于正、负离子之间的相互作用力增大，解离度下降，离子活度降低，电导率也随之降低。
渗滤液中含高浓度的阴离子，主要是由于其母体－垃圾中大量废弃餐厨垃圾的作用结果，上海垃圾中大约含50～70％左右的餐厨垃圾，同时老港填埋场向外100m左右即为东海，因此，海水的渗漏也将增大渗滤液中的阴离子的浓度值。
这些阴离子中，SO42-与Cl的比值随时间推移有稍微增加的趋势，但变化不大，基本在10～20％左右波动。
在上述渗滤液性质随时间的变化趋势图中可以发现：
1991年和1992年渗滤液的性质与变化的总体趋势相异，主要是因为此两单元为整个填埋场填埋初期使用，缺少衬底，特别是后期在这些单元中又填入了部分垃圾，所以此部分渗滤液为当年和后续年份渗滤液的混合体，所以各参数表现出与总体趋势相反的结果。
对老港填埋场渗滤液的研究表明：
实际填埋场现场所取渗滤液浓度最大，在封场后开始的4年时间内降解速度最快，一般在9年左右时间后污染物变化不大。
而实际填埋场中的渗滤液性质由于受很多因素的影响，包括填埋方式、地质状况、气候条件、封场维护等，其性质与实验室模拟相差较大，不可控因素较多。
因此，有条件的地区需要经过现场模拟试验来反映其真实的稳定过程。
4结论
（1）渗滤液随填埋时间变化较为明显，从NPOC和COD来看，大约经过4年时间，垃圾所排放的渗滤液COD<2000mg.L-1，NPOC则<500mg·L-1。
（2）渗滤液中的N降解速度大致可分成三个阶段：
前4年的快速降解阶段，随后3年的中速降解，随后进入慢速降解阶段达到500mg·L-1以内。
虽然渗滤液中的N主要以氨氮形式存在，但随着时间的推移，其所占比例逐渐下降，从开始的97.3％降到1993年的55.6％。
（3）渗滤液P含量相对于一般废水要高10倍左右。
TP含量随填埋时间在开始的9年内降解迅速，从35mg·L-1降到3.4mg·L-1，后基本维持稳定值。
正磷酸盐/TP比例随填埋时间也逐渐降低，从开始的98.2％降到29.2％。
（4）渗滤液的pH值随填埋时间延长逐渐下降，从开始的8.15逐渐下降到7.34，在开始的7年内下降较快，随后变化不大。
（5）随着填埋时间的推移，渗滤液的ORP值逐渐升高，从-307mv升高到-88mv，说明渗滤液总体表现为还原性，其还原状态随时间的延长逐渐降低，其变化在开始的9年内上升较快，随后变化不大。
（6）填埋场渗滤液中的电导率值很大，并且随填埋时间延长，下降较为迅速，从41500μs·cm-1（2003a）降到6380μs·cm-1（1993a），并且下降趋势主要集中在开始的7年内。
（7）渗滤液中阴离子的含量较高，特别是Cl－浓度；而这些离子随填埋时间延长，其变化趋势有部分下降，而硫酸根/Cl-比例有稍微上升趋势。
Reference：
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