渗沥液防渗导排系统特性研究及设计

摘要：本文就渗沥液防渗导排系统的运行特性和各种堵塞情况，介绍了实验室和现场相关试验研究结果。研究结果表明，堵塞情况与渗沥液的浓度和流量、导排系统过滤的材料粒径、级配及初始孔隙率相关。
关键词：渗沥液；防渗导排系统；特性；研究
文章还介绍了防渗系统主要材料性能要求以及几个国外填埋场防渗系统参数。
1导渗系统的基本构造
过滤和导排是渗沥液收集系统的主要功能。设计的基本原则是：使得渗沥液顺利排除、限制固体颗粒的迁移，防止堵塞。其中化学和生物作用对整个系统的运行效率和寿命的影响是至关重要的。将渗沥液顺利地排出填埋场，减少其可能对地下水和地表水的污染是渗沥液系统的基本要求。
填埋场渗沥液收集导排系统是位于填埋场底部较低位置的砾石盲沟和埋设其中的穿孔管组成。对于平坦的填埋场，其底部可以设置多条盲沟。间距在50～200m，早期的渗沥液盲沟系统为了防止堵塞，采用了三种构造（见图1)：
a.整个盲沟系统各组成部分没有如何分隔过滤；
b.在盲沟内的穿孔管包裹土工布作为过滤层防止固体颗粒进入；
c.在盲沟系统与填埋垃圾之间敷设土工布分隔层，防止固体颗粒进入盲沟。
上述三种方式均存在渗沥液导排不畅而积累升高的情况，实验室试验和填埋场现场调查研究发现，随着渗沥液的汇流通过导排盲沟系统，有机物负荷、无机物负荷和悬浮物负荷增加，并最终导致堵塞。

图1早期的渗沥液盲沟系统
现代的渗沥液导排系统由敷设于整个库底的砾石盲沟组成。过去的导排系统主要由砂组成，极易导致堵塞。现代的渗沥液导排系统由不同粒径(d>25mm)的砾石构成，并采用土工布将导排系统与垃圾层隔离。

图2现代填埋场导排系统
在美国，有些填埋场采用土工格网替代砾石导排层，以节省部分填埋空间。此种系统需要上层土工布分隔层，并可能有蠕变和杂物突入影响正常运行的情况发生。这种导渗层长期使用可能存在的受压变形和堵塞，因此不宜将土工格网作为主要的渗沥液导排系统。
2填埋场渗滤液导排系统堵塞情况研究
2.1近20年填埋场现场调查结果
2.1.1德国工程师对一大批填埋场渗滤液导排系统的现场调查发现，由于微生物活动和进入颗粒的共同作用，导渗层的结垢堵塞严重，系统向集液穿孔管输送渗滤液的能力下降。现场分析发现导渗层中渗滤液厌氧菌浓度达到105～107个／ml，厌氧条件使矿物质产生沉淀，导致导渗层堵塞。沉淀物的主要成分是钙铁的碳酸盐和硫酸盐。实验室通过试验发现，导渗层的结垢堵塞情况与渗滤液的浓度密切相关，例如COD50000～80000mg/l，Ca2+3500mg/l的渗滤液大流量通过导渗层，很快可以在导渗层和穿孔管发现结垢现象，而相应浓度为COD1000mg/l，Ca2+130mg/l的渗滤液的低流量通过导渗层未发现结垢现象。研究结论是：①高浓度的有机物和无机物是导渗层堵塞的主要原因；②堵塞物的主要成分是碳酸钙（含量＞55％），一定量的Si和Fe，少量的Mg。Si的主要来源是进入了导渗层的砂。
表1导渗层中渗滤液结垢物质成分分析单位：％

2.1.2荷兰工程师在一个使用了4年的填埋场进行挖掘调查发现，渗滤液COD和BOD的浓度分别为14800mg/l和10000mg/l，pH值6.3。导渗层为粒径50mm的均匀白云石材料HDPE穿孔管埋设其中。大量的黑色柔软淤泥覆盖在导渗层砾石（粒径50mm）表面，砾石间的空隙也主要被其占据，导渗层底部饱和区域空隙被占据50%-100%，上部未饱和区域30%-60%。现场测定的导渗层水力渗透系数为10-4m/s，较初始状态下的导渗层水力渗透系数下降2-3个数量级。穿孔管的全部下部孔眼和部分上部孔眼（孔径均为8mm)被堵。堵塞物成分的50％以上是CaCO3。对比有无土工布分隔层的作用发现：具有土工布分隔层(180g/m2）的导渗层的砾石空隙的堵塞率为0%-20%，大大低于没有土工布分隔层的情况。分隔层减少了颗粒进入导渗层，发生在导渗层的堵塞是真正意义的化学沉淀堵塞。穿孔管内有胶接状的沉淀物积累，多数沉淀物的尺寸大于孔眼直径，这些沉淀物是在管内形成的。研究者认为渗滤液导排系统的环境条件类似于厌氧生物滤池。
2.1.3另一个现场调查情况：填埋场使用6年，渗滤液导排系统在填埋场库底呈鱼刺状布置，穿孔管直接用土工布包裹，整个底部用0.6m覆盖形成导渗层。清洁砂导渗层的渗透系数是1.8×10-4m/s，现场实测的渗透系数平均为1.2×10-4m/s，平均下降33%。导渗层砂中未见明显生物堵塞，但是，砂的挥发性固体的含量由0.22增加到0.44%，金属物质(Ca、Fe、Mg和K)的浓度有几倍到几十倍的增加。
2.1.4加拿大一填埋场的导渗系统由砂和穿孔管构成，经过20年运行，导渗层上的渗沥液深度达到10m以上。
2.2实验室研究结果
*国内外研究机构就不同粒径导渗层、不同浓度渗沥液进行的堵塞试验发现：
#采用粗粒径的导渗材料可以降低堵塞程度；