刘东 孙建亭 江丁酉 张洁 谈正雄
(武汉市环境卫生科学研究设计院，武汉430015) 摘要 卫生填埋处理城市生活垃圾不仅是现在，就是将来也是垃圾处理的一种必不可少的处理方式。作者在对武汉市郭茨口、流芳和金口垃圾场多年调研的基础上，对武汉市拟建的二妃山垃圾填埋场地下水环境影响因素进行了分析，并对填埋场设计和管理进行了探讨。分析结果表明：①垃圾渗滤液对地下水环境存在巨大的潜在危害性；②垃圾渗滤液潜在污染危害年限长；③场内渗滤液水力梯度和场底防渗层渗透系数的设计管理有很大关系。
关键词 卫生填埋 堆放场 渗滤液 防渗层 水力梯度 1.前言 卫生填埋是目前国内外广泛采用的一种垃圾处理处置技术，也是垃圾处理中必不可少的一种方法，而垃圾渗滤液是垃圾填埋的产物，其在填埋过程中和封场后都存在着对周围环境产生污染的可能，渗滤液对地面水和土壤的污染防治由于看得见摸得着，因此比较重视，这方面的研究报道也比较多，而对填埋场渗滤液下渗污染地下水的研究报道则比较少。地下水是非常宝贵的未受任何污染的天然水资源，是缺水地区和发酵工业的主要用水来源，地下水若被污染将很难治理，甚至可以说不能治理。因此，在设计建设垃圾填埋场前，应对拟建填埋场可能造成地下水污染的因素进行分析，最大限度地减少或消除填埋场对地下水环境污染的可能性。本文依据多年来对武汉市郭茨口、金口和流芳垃圾填埋场现场调研和模拟试验结果，对武汉市拟建的二妃山垃圾填埋场污染地下水的可能性进行分析。 2.二妃山垃圾填埋场概况 2.1 场地概况
武汉市二妃山垃圾卫生填埋场位于武昌区东偏南方向，属江夏区流芳镇湖口村，距武昌区中心地带（大东门）约17公里，占地23.41万平方米（351亩）。场地为低山丘陵地貌，最高标高88.00米，最低标高49.45米，场区东、西、北三面环山，地势较高，南侧较低，为向南敞开的簸箕状地势。平均可供填埋高度40米，库容量320万立方米，设计填埋年限12年。
2.2 水文地质概况
场区为一倒转向斜构造，倒转的一翼外侧（场地北侧）为泥盆系石英砂岩，向内为石炭系灰岩，二迭系硅质岩。三迭系页岩夹煤层，石炭系灰岩受构造控制，呈东西向条带状分布（见图1）。本区灰岩，受构造影响沿二迭系硅质岩接触部位，在地下水的径流作用下，岩溶发育。 
场地内主要为覆盖型岩溶区，含水层呈东西向带状分布，水位变化较大，岩溶水主要由大气降水和地表水的远源补给。由于构造的影响，在灰岩与硅质岩接触部位，灰岩溶蚀严重，岩溶发育，形成了地下水的主要径流通道。场区内泥盆系石英砂岩，由于构造作用，节理、裂隙发育，风化作用形成的风化裂隙直接出露地表，大气降水为岩溶水补给的主要通道。地层上层为堆积土、淤泥、粘土、和碎石粘土，下层灰岩、硅质岩及页岩。上层土层性状见表1。 表1 武汉市二妃山垃圾填埋场场底土层性状| 地层、层次 | 厚度 (m) | 分布 | 层底标高 (m) | 渗透系数 (cm/s) | 吕荣值(1/min) | | 堆积土①层 | 0～5.40 | 堤坝及北侧 | 49.12～59.60 | 1.68～3.54×10-5 | 0.060 | | 淤泥②层 | 1.00～2.00 | 污水处理区 | 47.12 | | | | 粘土③层 | 3.10～10.84 | 整个场区 | 29.00～51.60 | 0.23～6.38×10-8 | 0.01l/ | | 碎石粘土④层 | 5.40～10.84 | 整个场区 | 29.00～51.60 | 0.23～6.38×10-8 | 0.01l/ | 3. 渗滤液下渗污染地下水的影响因素分析 填埋场对地下从水污染影响主要取决于渗滤液量、淋滤速度、填埋年代、垃圾性质、填埋垃圾量及填埋场的设计和管理[1] ～ [4]。结合数学模型将武汉市二妃山垃圾填埋场渗滤液下渗污染地下水环境影响因素分为：垃圾性质与污染强度，填埋趋稳年限，水力梯度和渗透系数，填埋场的设计和管理等四个方面进行分析。
3.1垃圾性质及污染强度
3.1.1垃圾成份
垃圾渗滤液中污染物浓度直接影响着地下水污染的程度及下渗速度。从理论上讲浓度越大下渗速度及污染程度越大。在填埋场设计已完成的情况下渗滤液中污染物浓度与填埋垃圾的成份有很大关系。从我们模拟垃圾填埋试验结果来看，高有机垃圾含量的燃气区垃圾，填埋渗滤液污染物负荷是普通混合垃圾的4～20倍[5]（见表2、表3）。 表2 模拟试验垃圾与武昌区垃圾成份构成（湿重%） | 厨渣 | 纸张 | 果皮 | 塑料 | 毛骨 | 橡胶皮革 | 纺纤 | | 燃气区 | 40.70 | 10.36 | 19.04 | 9.82 | 3.52 | 0.80 | 1.35 | | 燃煤区 | 13.14 | 2.88 | 17.24 | 1.29 | 1.32 | 0.29 | 1.02 | | 武昌区 | 32.20 | 4.81 | 8.83 | 3.21 | 4.78 | 0.57 | 1.01 | | 木质杂草 | 有机物合计 | 煤灰 | 玻璃 | 金属 | 陶瓷砖石 | 无机物合计 | | 燃气区 | 1.20 | 86.79 | 5.17 | 4.78 | 1.18 | 2.08 | 13.21 | | 燃煤区 | 1.22 | 38.40 | 57.69 | 1.81 | 0.44 | 2.69 | 62.63 | | 武昌区 | 0.53 | 55.95 | 39.60 | 2.44 | 0.65 | 1.36 | 44.05 | 表3 模拟试验垃圾渗滤液中污染物累计排放量(g/kg)| | 总残渣 | 挥发残渣 | CODcr | BOD5 | 有机酸 | 氯化物 | 总磷 | | >燃气区 | 69.8 | 37.7 | 112.1 | 55.5 | 45.5 | 6.1 | 0.201 | | 燃煤区 | 19.5 | 8.0 | 16.1 | 12.0 | 9.5 | 1.2 | 0.012 | 流芳垃圾填埋场是武汉市正在运行的垃圾填埋场之一，主要处理处置武昌区城市生活垃圾，预计该场2003年中旬封场，而后由二妃山垃圾填埋场替代。表4为流芳垃圾场内渗滤液水质状况（后续计算以表内值为基准值），从表中可以看出除PH值外，色度、SS、CODcr、氨氮、总磷超过污水综合排放二级标准的30倍以上，氨氮超过地下水Ⅲ类指标500倍。 表4 武汉市流芳垃圾填埋场场内渗滤液水质状况 | PH值 | 色度 | SS(mg/l) | CODcr(mg/l) | 氨氮(mg/l) | 总磷(mg/l) | 氯化物(mg/l) | | 渗滤液 | 7.02 | 2048 | 29334 | 17031 | 1189 | 73.84 | 2657 | | 标准值* | 6～9 | 80 | 200 | 300 | 50 | 1.0 | | | 标准值** | | | 200 | 300 | 25 | | | | 标准值*** | 6.5～8.5 | ≤15 | | | ≤0.2 | | ≤250 | *污水综合排放二级标准值(化工皮革)—（BB8978-1996）
**生活垃圾渗滤液排放限值—（GB16889-1997）
***地下水Ⅲ类指标 | 3.1.2污染物负荷
武汉市二妃山填埋场设计日填埋处理垃圾量720吨，渗滤液250吨，净填埋垃圾320万吨（压缩密度1吨/立方米），使用年限为12年。若以现垃圾成份估算污染物溶出负荷将是巨大的CODcr、总残渣达上万吨（见表5）。 表5 武汉市二妃山填埋场污染物溶出负荷估算(吨/万吨)| 总残渣 | 挥发残渣 | CODcr | BOD5 | 有机酸 | 氯化物 | 总磷 | | 11805 | 5558 | 13706 | 8259 | 6653 | 867 | 15.712 | 以沈耀良等人建立的垃圾填埋场污染物溶出负荷经验模式[6]得武汉市二妃山填埋场，垃圾填埋期间COD负荷变化图,表明填埋场污染物溶出负荷随填埋年限的延长而增大。 
3.1.3污染强度
以面源强值表示填埋场渗滤液下渗污染强度，其计算公式为： M=QCi/F 式中M为面源强值mg/d·m2；Q为渗滤液入渗量m3/ d；Ci为渗滤液浓度mg/l；F为填埋面积m2。 在不考虑渗滤液下渗时的降解、吸咐、稀释等反应的条件下，假设二妃山填埋场渗滤液日下渗量为日产生量的1%即2.5吨，主要污染物单位渗滤面积上源强值计算结果见表6。 表6 武汉市二妃山填埋场污染物单位渗滤面积上源强值| 污染组分 | SS | CODcr | 氨氮 | 总磷 | 氯化物 | | 面源强/ mg·d-1·m2 | 481.52 | 279.60 | 19.52 | 1.212 | 43.61 | 综上所述表明垃圾填埋场是个巨大污染源，处理不妥将对环境产生较大的危害，因此对垃圾填埋场的选址、设计和管理上一定要认真对待。
3.2填埋趋稳年限
预测垃圾填埋场稳定时间对填埋场的设计管理有重大意义，而填埋场稳定的重要标志就是垃圾渗滤液的达标。渗滤液中污染物浓度与填埋时间的关系可以用微生物代谢一级反应速率方程描述[7]～[9]。表7中Ⅰ类为国外James等人建立的垃圾填埋场渗滤液中CODcr、氯化物一级反应方程,Ⅱ类为国内刘疆鹰等人根据对上海市老港垃圾填埋场现场试验建立的CODcr、NH3-N一级反应方程。 表7 国内外垃圾填埋场渗滤液中污染物衰减速规律| 类别 一 级 反 应 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中公式预测武汉市二妃山填埋场渗滤液趋稳年限。用Ⅰ类方程渗滤液COD衰减至地面水质量标准Ⅴ类标准需60多年（见表8），用Ⅱ类方程渗滤液氨氮衰减至地下水质量分类指标Ⅰ类指标需60年。Ⅰ类方程渗滤液COD衰减至达到地面水质量标准Ⅰ类标准，所需年限是Ⅱ类方程的2.55倍，造成此种情况的原因有：（1）西方发达国家垃圾组分中有机物占60%以上，而我国垃圾组分中有机物仅占30左右；（2）我国有机垃圾近60%是厨渣，而国外有机垃圾主要为包装纸和木质[10][11]。 表8 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类方程预测武汉市二妃山填埋场渗滤液趋稳年限 (年)| 类别 | 指标 | 污水综合排放标准 | 地面水质量标准 | 地下水质量分类指标 | | 三级标准 | 一级标准 | Ⅴ类 | Ⅲ类 | Ⅰ类 | Ⅴ类 | Ⅲ类 | Ⅰ类 | | 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 | | | 根据Ⅰ、Ⅱ类方程和有关资料[4][12][13]及我们对武汉市郭茨口垃圾堆放场封场后跟综监测结果，建立二妃山填埋场渗滤液CODcr 一级反应方程（Ⅲ）如下： Ci=C0×10-0.0869t 式中：Ci——封场后至i年渗滤液CODcr浓度（mg/l）；
C0——封场时渗滤液CODcr浓度（mg/l）；
T——封场后至i年年限。 经测算武汉市二妃山垃圾填埋场渗滤液COD衰减至污水综合排放标准一级标准需25.66年，衰减至地面水质量标准Ⅰ类标准约需近36年的时间。表明垃圾渗滤液潜在污染危害年限较长，需引起足够重视。
3.3水力梯度和渗透系数
根据达西定律垃圾渗滤液的下渗速度与水力梯度、渗透系数成正比，而水力梯度值大小取决于场底上方渗滤液的聚集高度[14]。我们1992年对武汉市郭茨口垃圾堆放场钻探调研结果证实了这一点[12][13]，在场底土层性状大致相同的情况下，位于堆放场中部，场底为垃圾场低凹处，下渗深度达140cm；而位于堆放场入口处堆放时间比其长近5年的钻孔处，下渗深度仅40cm。
由数学模型计算二妃山垃圾填埋场40年和60年趋稳所需粘土层渗透系数K值，及场底上方渗渗滤液聚集高度h的控制值。从图3可以看出当趋稳年限一定时，场底上方渗滤液聚集高度越高，若要阻止渗滤液下渗污染地上水，土层的K值应越小；趋稳年限长、h值大，当场底上方渗滤液聚集高度一定时，趋稳年限越长要求土层渗透系数K值应越小。说明减少填埋场趋稳年限，降低场底上方渗滤液聚集高度，对阻止渗滤液下渗污染地下水有利。 
3.4填埋场的设计和管理
武汉市二妃山垃圾填埋场地质构造较为复杂。石英砂岩、硅质岩裂隙发育、下伏灰岩溶蚀严重。场底虽覆盖有10m的粘性土，但渗滤液仍可通过山坡处裸露地表的石英砂岩、硅质岩裂隙向内部渗透。为防止下渗污染在进行垃圾场底部处理时，先去掉表层堆积土，然后采用轮式压实机，反复碾压5～6遍。山坡处有岩石出露及其发育的裂隙出露的地方，进行开挖处理，喷浆灌浆防渗处理，再夯填1.5米厚的粘土，其渗透系数控制在10-8 cm/s以下。高密度聚乙烯（HDPE）是80年代发展起来的广泛用于各项防渗漏工程中的塑料产品，填埋区在上述处理的基础上，再沿整个厍区铺设厚度为1.5mm的HDPE。
为降低场底上方渗渗滤液聚集高度，及时排出场内渗滤液，特加大渗滤液收集系统的坡度，盲沟和导渗层最小坡度分别为2.308%和30.77%，山坡底至盲沟最小坡度为6.13%。场底上方渗滤液聚集高度控制在7 m以下，尽可能降低地下水污染的可能性。 4.渗滤液下渗污染可能性分析 二妃山垃圾填埋场场渗滤液下渗污染地下水，最有可能的部位为场区西南侧的的小山坡，此处山石裸露处高程较低仅57.40m，比盲沟最低处高程（50.10m）仅高7.30m；其次为场底粘土层最薄处厚度10.8m，渗透系数K=2.34×10-7 cm/s。
HDPE膜的渗透系数小于10-11 cm/s，静水耐压40.92m水柱，防渗能力达上百年，考虑到垃圾场内恶劣的环境条件——高温（垃圾发酵温度可达60～70℃）、高压和渗滤液的高腐蚀性，假设其防渗能力仅20年，此时场内渗滤液的Cl-和氨氮分别衰减至265.7 mg/l和30.87 mg/l，Cl-接近地面水Ⅴ标准。
HDPE防渗能力失效后渗滤液将通过横向扩散和纵向渗透渗过粘土层，产生污染地下水的可能性。横向扩散渗过1.5m厚粘土层需30万年，纵向渗透渗过10.8m厚粘土层需62年，此时（年限80年后）渗过土层的渗滤液中污染物经降解、吸咐、稀释已微乎其微，Cl-浓度为0.2657mg/l，氨氮仅为3.75×10-4mg/l，大大低于地下水质量Ⅰ类指标值。 5.结论 （1）垃圾渗滤液对地下水环境存在巨大的潜在危害性，其氨氮值超过地下水Ⅲ类指标500倍，且污染强度随着垃圾填埋量的增加而增大。
（2）垃圾渗滤液潜在污染危害年限长，渗滤液氨氮值衰减至地下水Ⅰ类指标需近60年的时间,其危害年限与垃圾成份有关。
（3）场内渗滤液水力梯度与场底防渗层渗透系数的设计管理有很大关系，水力梯度越大，对防渗层的要求越高，相应建设费用也越高。
（4）在严格按要求设计、施工和管理的情况下，武汉市二妃山垃圾卫生填埋场不会对地下水环境造成危害。 参考文献 [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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