（环境工程专业论文）垃圾填埋场地下环境污染三维在线监测技术研究.pdf

垃圾填埋场地下环境污染三维在线监测技术研究 摘要 我国城市生活垃圾污染是城市发展的主要制约因素。填埋法是目前我国垃圾 处理的主要方法，占垃圾总处理量的9 0 以上。但是根据大量国内外垃圾填埋场 的运行资料，垃圾填埋场有可能对地下环境( 地下水、地下土壤) 造成严重污染， 如何监测并防止垃圾填埋场对地下环境的污染成为我国环境工作者当前急需解 决的问题。 在垃圾填埋场的渗漏监测方面，国内外监测技术主要有监测井法、水枪技术、 双电极法、示踪剂法、扩散管法及电极格栅法。通过对现有监测技术的优缺点分 析，本论文提出了一种预先埋设于填埋场衬层系统下的三维在线监测系统，这种 监测系统是电极格栅法的进步发展，不但可以确定垃圾填埋场渗漏点的位置、 大小和数量，还可以根据渗滤液渗漏在地下环境中形成的羽状体形态与地下介质 电阻率异常区域之间的关系+ 确定渗滤液羽状体的扩散范围。 通过文献调查和理论分析，概括出垃圾填埋场地下介质电学性质的影响因素 主要有含水率、孔隙水的导电性、饱和度和土的种类；当填埋场发生渗漏后，地 下介质的物理性质和化学性质会发生变化，进而影响电性变化及自然电位场的改 变。这是三维在线监测系统探测地下污染区域的前提条件。在这个理论基础上， 结合垃圾填埋场的结构特点，提出了三维在线监测系统的设计思路，讨论三维在 线监测系统的构成、电传感器的布设位置及整个系统的监测流程，并通过室内模 拟实验进行验证。 室内模拟实验通过向玻璃钢槽中地下土层渗漏一定体积的蒸馏水，证实了蒸 馏水侵入后会导致不饱和砂土层的视电阻率平均值减小。用一种油类含量大的渗 滤液进行渗漏监测模拟实验，提出一种比较合理的电阻率采集方式，讨论该系统 对电阻率异常区域的反映能力。在此基础上，利用取自青岛小涧西垃圾填埋场的 渗滤液进行模拟实验，研究该系统对真正垃圾渗滤液的反映能力，进而确定该系 统的可行性。 研究结果表明，渗滤液入侵地下土层后，导致土体的电性发生变化。在两种 不同成分及浓度的渗滤液渗漏监测模拟实验中，渗滤液侵入形成低阻区域。可以 根掘不同深度处电阻率剖面图上低阻区域的分布特点及变化规律，确定低阻区域 的中心为渗漏点的位置。发现不同深度处渗滤液实际扩散区域与电阻率异常区域 之l 训j 下相关。利用电阻率剖面图上的低阻区域随着渗漏时问的延长而扩大的特 点，可以实现对污染区域的动态监测。另外根据三维尺度上电阻率剖面图的异常 区域，可以判断渗滤液羽状体在地下空问上的三维分布。 关键词：垃圾填理场：环境污染：渗漏：监测技术 s t u d yo nt h r e e d i m e n s i o n a io n ii n em o n i t o r i n g t e c h n o i o g yf o ri a n d f ii i i e a k a g ep o ll u t i o n a b s 七r a c t m u n i c i p a l s 0 1 i dw a s t e p o l l u t i o n i st h em a j nr e s t r i c t i v ef a c t o rf o r c i t y d e v e l o p m c n ti nc h i n a a tp r e s e n t ，l a n d 删m e m o di saw j d e l y u s e dm e m o df o r m u n i c i p a ls o l i dw a s t ed i s p o s a l ，w h i c hd i s p o s e so v e r9 0 o f t h ew h 0 1 eq u a m i 可b u t a c c o r d i n gt oo p e r a t i o nd a 诅o fl o t so fl a n d f n l si na f l da b r o a d ，l a n d 丘um e t h o di sl i k e l y t oc a u s es e r i o u sp 0 1 l u t i o nt ou n d e 唱r o u n de n v i r o m e n t ( g r o u n d w a t c r 、蚰d e 唱r o u n d s o i l ) s o “i sa 1 1u 唱e n tt a s kf o re r i r o 砌e n t a l i s t st os n l d yh o w t om o n j t o ra n dp r c v e n t l l i l d e 玛r o l l i l dc n v i m m e m 疗o m 胁h e rp o l l u t i o nb yl a n d 棚 l a i l d f i l l l e a k 喀em o n i t o r i n g t e c h n o l o g yn o wi n u s e i n c l u d e 掣d 1 m d w a t e r m o n i t o r i n gm e t h o d ，w a t e ri a n c et e c h n o l o g y ，t w o e i e c t r o d em e t h o d ，t r a c e r sm e t l l o d ， d i 髓s i o nh o s e sm e t b o da n de l e c t r o d e 面dm e t h o d at h r e e - d i m e n s i o n a io n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mp u tb e l o wl i n e rs y s 把m 泣a d v a n c ei sp u tf o m 渔r db a s e do nl h e d e t a i la i l a l y s i so ft h e s em e t h o d s t h i ss y s t e mi sa i li m p r o v e m e n to fe l e c 仃o d e 鲥d m e t h o d ，w h i c hc a nr l o to i l l yc o n f i m lt h eo c c u r r e n c eo f1 e a k a g e ，p i n p o i n tt h el e a k a g e 1 0 c a t i o na n de s t i m a t et h en u r n b e r so f t l l e1 e a k a g e ，b u ta l s od e t e c tt h es h a p eo fl e a c h a t e p l u m ea c c o r d i n gt ot h ea _ b n o 衄a la r e ao ft h ep r o f i l e sc o n s p o n d i n gw i t hs p a t i a l d i 嘶b u t i o no fp 0 1 l u t e da r e a a c c o r d i n gt o l “e r a t u f es e a r c ha i l dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t l l ef 砬t o r sa 廿b c t i n g e l e c t r i cp r o p e r t i e so fu n d e r 口d u n dm e d i a b e l o w1 a n d f i l li n c i u d ew a t e rc o n t e n t ，e l e c t r i c c o n d u c t i v i t yo fp o r ew a t e r s a t u r a t i o na n dt y p e so fs o i l ；w h e nl e a k a g eo c c u r si n l a n d f i l l - t l ep h y s i c a la t l dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fs o i l s 谢l lc h a n g e ，w h i c hl e a d st o c h a i l g e so fe l e c t r i c i t y 锄dn a t i l r a lp o t e m i a lo fu n d e r 可o l l i l ds o i l 0 n 1 eb a s i so ft h j s p r e m i s ca n dc o n s t m c t i o nc h a r a c t e r so fl a i l d m l ，d e s i g no fm r e e d i m e n g i o n a lo n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mi sl a i do u t ，w h i c hd i s c u s s e sm es t m c t u r eo fs y s t e m ，m ep o s i t i o n0 f e l e c t r i c a ls e l l s o ra n dt h en o we h a r to ft h ew h 0 1 e s y s t e m i n d o o rs i m u j “o ne x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e du s i n gag i a s s s t e e lt a l l ki no r d e rt o t e s t i f yi ft h ea p p a r e n tr e s i s t i v i t yo fu n s a t u r a t e ds a n d ys o i ll a y e rd e c r e a s e sa r e rt h e d i s t i l l e dw a t e rl e a l ( a g e ，l e a c h a t ec o n t a i n i n gal a 略ea m o u n to fo i li su s e dt os t 妇1 1 u l a t e s e e p a g ep m c e s sa n dar c a s o n a b l er e s i s t i v i t yi sp u tf o n a r d 0 nt h ef o l u l d a t i o no ft h i s ， l e a c h a t ef i r o mx i a o j i a n x i1 a n d f i l li nq i n g d a oi su s e dt os t u d yt h er e n e c t i o na b i l i t yo f t h r e e d i m e n s i o n a lo n l i n em o n i t o t i n gs y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a te l e c t r i c i t yo fs o 订c h a r 】g e so nt h ep e r c o l a t i o no fl e a c h a t e i nt h es i m u j a t i o ne x p e r i m e n t su s i n gt h el e a c h a t ea d d r e s s e da b o v e ，l o wr c s i s t i v i t ya r e a i sf b n n e dd u et o l e a c h 如p e r c 0 1 a t i d n n i ep o s s i b l e1 0 c a t i o no fl e a k a g ec a i lb e d e t e m l i n e da st h ec e n t e ro fl o wr e s i s t i v i t ya r e ab a s e do nt h ed i s 廿i b u t i o nf e a t u r ea 1 1 d c h a n g i n gt r e n do fl o wr e s i s t i v i t ya r e ao ne l e c 岍c a lr e s i s t i v i 啦c r o s ss e c t i o n s t h a t a c t u a ld i 疗u s i o na r e ai sp r o p o r t i o n a lt oa b n o m a la r e ao fr e s i s t i v i t yi sv e r i f i e d d y n a m i cm o n i t o r i n go fp o l l u t e da r e ac a nb ea c h i e v e do na c c o u n to ft h er e g u l a t i o n m a tl o wr e s i s t i v i t ya r e ae x p a n d s 州t ht i m e a c c o r d 抽gt ot l l eb o u n d a r yo ft h e r e s i s t i v i 谚o fp o l l u t a n t ，t i l et h r e e d i m e n s i o n a ld i s 砸b u t i o no fl e a c h a t ep l u m ec a l lb e d e d u c e d k e yw o r d s ： l a n d f iil ：e n v jr o t 砖n t a lp o li u t i o n ： l e a k a g e ：m o n i t o ri n g t e c h n o i o g y 垃圾填埋场地下王f 境污染三维征线雌测技术研究 o 前言 卫生填埋法、堆肥法和焚烧法是世界上最为常用的处理垃圾方法( 龙燕， 1 9 9 7 ) 。卫生填埋最早出现于1 9 3 0 年，由于处理费用较低，目前世界上许多城市 采用该方法进行城市垃圾处置( 梁余火，1 9 9 1 ) 。在我国垃圾中有机物含量低， 可燃成分少，适合较多地利用卫生填埋技术处理( 徐文龙，1 9 9 6 ) 。目前我国9 0 以上的垃圾采用堆放和填埋的方法进行处理( 郑雅杰，1 9 9 7 ) 。 垃圾填埋场在垃圾填埋过程中及封场后都会产生渗滤液。垃圾渗滤液成分复 杂，是污染负荷很高的环境污染物，自然沉降陛能较差( 张锡根，1 9 9 6 ：喻晓， 2 0 0 2 ) ，很可能导致对地下环境，尤其是地下水的严重污染( 贾永刚，2 0 0 3 ：赵 新泽，2 0 0 2：夏立江，2 0 0 1 ) 。建设部2 0 0 1 年颁布了城市生活垃圾卫生填埋 技术规范( c j j l 7 2 0 0 1 ) ，对垃圾填埋场中天然防渗层渗透系数及厚度指标做了 规定，其控制指标值远低于德国等发达国家标准。现有的技术水平下，很难保证 垃圾渗出液的地下收集处理设旌万无一失。穿透防渗层渗入地下的渗出液对土 壤，特别是地下含水层造成的污染，已经成为世界范围普遍关注的城市地下环境 污染问题，威胁区域的可持续发展和人们的正常生活。在我国已有诸多污染案例 发生，如广东大i = l = i 山垃圾场、湖南岳阳羊角山垃圾场、山东蓬莱垃圾场、武汉郭 茨口垃圾场、青岛湖岛垃圾场都对地下环境造成了不同程度的污染( 贾永刚， 2 0 0 3 ) 。如果能够从垃圾场使用伊始，实时监测渗出液渗入地下情况及在地下的 三维赋存状态，预测动态扩散规律，及时采取针对性处理措施，对防止地下环境 大范围污染，尤其是地下环境敏感区段的保护，具有重要意义。因此，有效的垃 圾填埋场地下环境污染动态监测与预警系统的研究建立十分必要。 对垃圾填埋场可能造成的地下环境污染的监测，通常的方法是利用观测井进 行取样分析( 生活垃圾场环境监测技术标准，c j t 3 0 3 7 1 9 9 5 ) 。利用这种方法对 垃圾填埋场地下污染状况进行监测时，对取样点的污染状况可以准确地了解，但 对渗漏污染物的地下三维空间分布，及污染物的动态扩散趋势无法掌握。尤为严 重的是，当这种监测发现了地下环境污染时，往往垃圾渗滤液已经造成了非常严 重的污染后果。 目前国内外已有很多学者基于电阻率等物性的变化，利用电阻率法等地球物 理方法进行地下环境污染的探测与监测。但从研究情况看，国内外的学者所采用 的电阻率方法多为一维或二维的方法，研究的问题多为垃圾场分布区的地层分布 状况和垃圾渗滤液对垃圾场周围土壤造成的污染状况的静态调查或垃圾场施工 建设期间的防渗层质量监测。 本论文是在研究渗滤液侵入对地下介质导电性改变的基础上，预先通过布设 垃圾上f l 埋场地下玮境污染三维n t 线；忾测技术研究 在垃圾填埋场底部的电位观测系统，测得垃圾场运营期地下介质的电性变化和自 然电位场变化，然后根据建立的电性变化和渗滤液侵入区的对应关系实时监测渗 滤液在地下的分布扩散过程，以达到对污染过程的监控和预警作用，是建设新型 生态智能垃圾填埋场的重要组成部分。 本论文的研究内容得到齐鲁石化专项基金资助和国家自然科学基金项目碱 业废渣对填埋场防渗性能与垃圾降解过程的调节机理的部分资助。 2 垃圾填埋场地下王4 ：境污染三维“线脏测技术卅f 究 1 绪论 1 1 城市垃圾处理的主要方法一填埋法 我国现有7 0 0 个中等规模以上的城市，2 3 0 0 多座县城，3 3 0 0 0 座镇。在这些 城镇晕居住着大约3 5 亿居民。如果按照每人每天产生l 千克生活垃圾计算，则 每天可产生3 5 万吨城市生活垃圾，而1 年就有1 3 亿吨。再加上市郊居民产生 生活垃圾，则我国年产生活垃圾超过1 5 亿吨。如此大的垃圾产量，导致我国约 有2 3 的城市陷入垃圾围城的困境( 赵由才，2 0 0 4 ) 。 目前，城市垃圾处理方法主要有填埋法、堆肥法和焚烧法。表1 列出了世界 部分国家处理城市垃圾所使用的堆肥、焚烧和填埋的比例( 括号内为材料统计年 限) 。从表中可以看出，一些土地资源比较紧张的国家如瑞士、同本，垃圾处理 多采用焚烧技术，而美国、德国这些国土面积比较大的国家，还是多采用填埋技 术来处理城市垃圾。 表l 世界部分国家不同城市垃圾处理方法所l _ 比例( 赵由才，2 0 0 2 ) 国家填埋，焚烧堆肥 美国( 1 9 9 6 ) 6 22 6 2 英国( 1 9 9 3 )8 3】6 1 法国( 1 9 9 4 ) 4 03 82 2 荷兰( 1 9 8 2 )5 03 0 2 0 比利时( 1 9 8 2 ) 6 22 99 德国( 1 9 9 ” 6 03 73 瑞士( 1 9 7 8 ) 】57 01 4 丹麦( 1 9 7 9 ) 1 87 01 2 奥地利( 1 9 7 9 ) 6 5 2 4 1 1 瑞典( 1 9 7 9 ) 7 52 32 日本( 1 9 9 3 ) 2 57 41 2 0 0 3 年对全国2 2 个省、2 3 5 个城市( 县) 共3 2 4 座垃圾处理厂进行调查分 析，在各种垃圾处理的方式中，以填埋处理为主，约占总处理皇的8 5 ；而堆肥 垃圾_ i f l 埋场地下王 境污染三维n ：线航测技术研究 法和焚烧处理法处理所占总处理量的比例均不到l o 。考虑到全国的总体情况， 可以税，至少有约9 0 以上的垃圾进行的是填埋处理( 徐文龙，2 0 0 5 ) 。 这三种城市垃圾处理方法的主要功能不同：填埋法是最终处置，焚烧法是减 容减量，而堆肥法是为了回收利用其中的营养物质。焚烧法有如下的缺点：从环 境的角度考虑，焚烧过程中可能产生较严重的“二噫英”问题；从经济的角度考 虑，焚烧法投资大，占用资金周期长；从垃圾本身特性考虑，要求垃圾具有一定 的发热值( 低位发热值大于3 3 5 0 k j k g ) ，而各地区、各季节垃圾热值的变化是很 大的，这给垃圾焚烧带来一定困难。目前我国只有在少数几个经济比较发达的城 市如上海、深圳建立了垃圾焚烧厂。堆肥法需要预先对垃圾进行分选，并且在我 国堆肥产品存在销路问题，也没有得到广泛的应用。相比较而言，城市垃圾填埋 技术初期投资小，土地利用率高，填埋结束后土地可重新再利用。对于我国这样 的发展中国家，应该充分利用广阔的土地资源，大力发展卫生填埋技术，以缓解 目前存在的比较严重的“垃圾危机”。 1 2 垃圾填埋场对地下环境污染的现状 早期建造的垃圾填埋场就是简单的露天堆放，较少考虑环境保护。据1 9 7 7 年资料，美国共有1 8 5 0 0 个垃圾填埋场，几乎有一半对水体产生污染。加拿大的 孟克顿早在2 0 世纪4 0 年代就在城市附近的河边设垃圾填埋场，近年来的调查研 究表明，垃圾中大量的有机和无机污染物通过降水淋滤，进入周围地下水。水质 中硬度、氯化物、砷、铬、钻的含量远远超过生活饮用水标准，迫使自来水厂不 得不到更远的河流上游取水( 郑铣鑫，1 9 8 9 ) 。 中国环境科学研究院专家赵章元研究员指出：“我国无一安全垃圾填埋场， 地下水受到严重污染。”2 0 0 2 年，北京市市政管委会委托一个研究小组对北京市 的阿苏卫、北神树等几个大型垃圾填埋场周边的地下水质进行了检测，结果发现 由垃圾填埋场渗漏出来的有毒物质已经污染到了地表3 0 米以下的地下水。北京 西北郊的阿苏卫垃圾填埋场和六里屯垃圾填埋场，建在北京市西北郊的山前冲洪 积扇上，是首都优质地下水补给区，垃圾填埋渗漏后会直接影响到2 0 0 8 奥运场 地中心一带的居民住宅小区( 如图1 ) 。中国地质大学程业勋教授指出，垃圾处 理是一个世界性的难题，不漏是不可能的，只不过是早一天漏还是晚一天漏，漏 4 垃圾填埋场地下环境污染兰维拄线临测技术研究 得多还是漏得少的问题。 圈l 北京垃圾填瑚场对地f 水的扔染 在我们国家，个别填埋场由于所处地区的环境地质和水文地质条件较好，加 强填埋场的管理并严格进行卫生填埋，较好的防止了垃圾填埋场对周围环境的影 响。例如位于杭州市青龙坞内的天子岭垃圾填埋场，是一个三面环山、西北开口 的山谷型填埋场。场内设有较为完善的渗滤液收集和处理系统，并且采用帷幕灌 浆垂直防渗技术。陈增丰等人( 1 9 9 7 ) 对该填埋场下游地下水水质进行5 年的观 测，发现篡对下游地下水基本上不产生污染。宋树林等人( 1 9 9 9 ) 在野外取得大 量数据的基础上，用二维连续污染方程预测了西小涧垃圾场渗漏对地下水的影 响，证明填埋场产生的污染物对地下水的影响是有限的。张淑娟等人( 2 0 0 3 ) 对 广州李坑填埋场周围植被现状进行了调查，测算了物种量、覆盖度、污染状况等。 同时对z n 、p b 、c d 等重金属进行了评价。证明填埋场场夕 污染相对较轻或无污 染。 持圾填埋场地下王f 、境污染蔓维卉域：j f 【洲投术研究 但是聂永丰等人( 1 9 9 8 ) 指出，些填埋场由于所处场区的环境地质和水文 地质条件刁：好或施工质量欠佳，防渗效果不好，对地下水的污染也十分明显。刘 东等人( 1 9 9 3 ) 对武汉市郭茨口垃圾场环境污染调查表明，陔垃圾场已经对附近 的汉江造成严重污染。广州市北郊老虎窿填埋场、大阳山填埋场周围水环境长达 5 年的追踪监测表明，垃圾渗滤液对地下水的影响确实存在，尤其是不易降解的 有机污染物和微量重金属元素的影响应该引起足够的重视( 郑曼英等，1 9 9 8 ) 。 对北京北天堂地区地下水调查研究表明，该地区填埋生活垃圾致使地下水环境受 到明显污染，主要污染因子为n o i 、c o d 、b o d i 、酚、细菌总数、总硬度及溶解性 固体。2 0 0 0 年北天堂周围1 ，2 1 0 6 m 。范围内的地下水已不能饮用。且随着时佃j 的推移，地下水的污染范围逐年增大，地下水环境质量的恶化越来越严重( 王翊 虹等，2 0 0 2 ) 。在2 0 0 4 年l o 月中国地质大学举办的中德环境工程地质论坛上， 罗泽焦等人( 2 0 0 4 ) 提到武汉市盒口垃圾填埋场地下水氨氮含量较高，超标达 8 4 倍，而且武汉市流芳垃圾填埋场也给大气、地下水造成比较严重的污染。上 海黄浦江上游港口段，近年检测水质时发现水中氨氮和硝酸盐的含量明显增高， 原因是位于该江段距江堤不足2 0 0 m 的地方有一个大的三林塘垃圾填埋场，其垃 圾渗滤液不停地流入江中( 张红梅等，2 0 0 3 ) 。2 0 0 5 年3 月。北京市地勘局地调 院发布了我国第一个城市生活垃圾地质环境调查成果一北京城市生活垃圾处理 现状及选址地质环境调查。调查结果显示，北京市垃圾处理场9 5 违规，这些 非f 规垃圾处理场多使用露天堆放或简易填埋等原始方式处理，污染水体、土壤、 大气并传播疾病。 中国的填埋垃圾占垃圾处理处置总量如此大的比例，如何提升垃圾填埋的水 平，使之成为真正意义上的“卫生”填埋，而不是般意义上的“堆填”，这是 我国垃圾处理处置最迫切需要解决的问题，也是中国环境保护工作者需要迫切解 决的一个问题。 1 3 “卫生”填埋场场底防渗系统 城市垃圾卫生填埋场是一个系统工程，其建造和运行包括：填埋场厂址选择、 规划设计、丌发建设、填埋操作以及封场和封场后的管理等。其中，场底防渗是 关系到卫生填埋场管理的一个关键环节。这是因为垃圾填埋场渗滤液对周围的地 6 垃圾填埋场地下环境污染三维神：线精测技术研究 下水和地表水均造成严重的环境污染，渗滤液一旦发生渗漏，尤其将会对地下水 产生严重后果。主要表现在：地下水的水质混浊，有臭味，c o d 、n 含量高，油、 酚污染严重，细菌、大肠菌超标。根据中华人民共和国建设部2 0 0 1 年1 2 月1 同发布的城市生活垃圾卫生填埋技术规范：卫生填埋场必须防止对地下水的 污染。不具备自然防渗条件的填埋场必须进行人工防渗。采取自然防渗的填埋场， 天然粘土类衬里的渗透系数不应大于1 0 1 0 c m s ，场底及四壁衬旱厚度不应 小于2 m ；改良土衬里的防渗性能应能达到粘土类防渗性能。当填埋场不具备粘 土类衬里或改良土衬里防渗要求时，宜采取自然和人工结合的防渗技术措施。采 用单复合衬里防渗结构和双复合衬里防渗结构，高密度聚乙烯土工膜的厚度不应 小于1 5 硼，并应具有较大延伸率，膜的焊( 粘) 接处应通过实验、检验。在地 形、地貌和水文地质条件达不到自然防渗要求的生活垃圾卫生填埋场场地，必须 采取水平防渗和垂直防渗措施，当采用粘土类衬里、土工合成膜、帐幕灌浆等防 渗措施应达到规定要求。 填埋场场底防渗系统是通过在填埋场底部和周边铺设低渗透性材料建立衬 层系统以阻隔填埋气体和渗滤液进入周围的土壤和水体产生污染，并防止地下水 和地表水进入填埋场，有效控制渗滤液的产生量。填理场场底防渗系统通常包括 渗滤液收排系统、防渗系统( 层) 和保护层、过滤层等。渗滤液收排系统的作用 是及时将被阻隔的渗滤液排除，减轻对防渗层的压力，减小渗滤液外渗的可能性。 防渗系统( 层) 的功能是通过铺设渗透性低的材料来阻隔渗滤液于填埋场中，防 止其迁移到填埋场之外的环境中，同时也可以防止外部的地表水和地下水进入填 埋场中。保护层的功能是对防渗层提供合适的保护，防止防渗层受到外界影响而 被破坏，如石料或垃圾对其上表面的刺穿，应力集中造成膜破损，粘土等矿物质 受侵蚀等。过滤层的作用是保护排水层，过滤掉渗滤液中的悬浮物及其他固态和 半固态物质，否则这些物质在排水层中积聚，造成排水系统堵塞，使排水系统效 率降低或完全失效。 根据填埋场场底防渗设施铺设方向的不同，可将填埋场场底防渗分为垂直防 渗和水平防渗，这两种防渗系统适用于不同的水文地质条件。 垃圾坊垭场地下环境污染二维打线瓶测技术研究 1 3 1 填埋场垂直防渗系统 填坪场的垂直防渗系统建在填埋场的四周，主要是利用在填埋场基础f 方存 在的不透水或弱透水层，将垂直密封建筑建于其上，以便封闭填埋场气体和渗滤 液于填埋场之中。垂直防渗系统既肯防止渗滤液向周圈渗透污染地下水和防止填 埋场气体无摔释放的工程同时也有阻止周围地下水流入填埋场的功能。 垂直防渗系统在山貉型填埋场中应用较多( 如国内的杭州天子岭、南昌麦园、 长沙、贵阳等垃圾填埋场) ，在平原医填埋场工程中也有应用。而且这种防渗系 统既可以用于新建填埋场的j 方渗丁程中，电可以用于老填埋场的污染治理工程 中。尤其是在老填埋场的污染治理工程中，如果不准备清除填埋废物，那么基础 防渗就是不可能的，存这种情况下周边垂直防渗就显得特别重要了。 根掘施n j 二方法的不同，通常采用的垂直防渗工程有土层改性法防渗墙、打入 法防渗墙和工程丌挖法防渗墙等。土层改性方法是用充填、压实等方法使原土渗 透性降低而形成的防渗墙。在填埋场的垂直防渗措施中较适用的有原状土就地混 合防渗墙、注浆墙和喷射墙：打八法防渗墙是利用打夯或液压动力将预制好的防 渗墙体构件打入土体。用这种方法施工的防渗墙有板桩墙、窄壁墙及挤压和换层 防渗墙；工程开挖法防渗墙是通过土方工程将土层挖出，然后在挖好的沟槽中建 立防渗墙。 1 32 填埋场水平防渗系统 水平防渗系统是在填埋场场底及四周基础表面铺设防渗衬层，将垃圾渗滤液 封闭于填埋场中进行有控地导出，防j l 渗滤液向四周渗透污染地下水和填埋场气 体的无控释放，同时也有防止周围地下水流入填埋场的功能。根据防渗材料来源 的不同，可将水平防渗系统分为天然防渗系统和人工防渗系统； 1 天然防渗系统 天然防渗系统是指采用粘土粪土层或改良土作防渗衬层的防渗方法。设计时 应考虑土层的渗透性、含水率、密实度、强度、厚度、粒度与级配、塑性和坡度 对防渗效果的影响。 2 人工防渗系统 2 人工防渗系统 8 垃圾填埋场地下环境污染三维拍煞脏测技术研究 人工防渗系统是指采用人工合成有机材料和粘土结合作防渗衬层的防渗方 法。通常可分为单层衬层防渗系统、单复合衬层防渗系统、双层衬层防渗系统和 双复合衬层防渗系统。 生活垃圾 涪滤液收集系统 人一【：合成防渗膜 地下水收集系统 地基 图2 单层衬层防渗系统图3 单复合衬层防渗系统 收集系统 合成防渗膜 收集系统 合成防渗膜 系统 图4 双层衬层防渗系统图5 双复台衬层防渗系统 ( 1 ) 单层衬层防渗系统( 图2 ) ：这种防渗系统只有一层防渗层，其上是渗滤 液收集系统和保护层，必要时其下有一个地下水收集系统和一个保护层。 这种类型的衬垫系统只能用在抗损性低的条件下。对于场地低于地下水 水位的填埋场，只要地下水流入速率不致造成渗滤液量过多或地下水的上 升压力不致破坏衬垫系统，可采用此系统。 ( 2 ) 单复合衬层防渗系统( 图3 ) ：这种防渗系统是采用复合防渗层，即由两 种防渗材料相贴而形成的防渗层。两种防渗材料相互紧密地排列，提供综 埽圾填埋场地下环境污染二三维札线椎测技术研究 合效力。比较典型的复合结构是上层为高密度聚乙烯膜( h d p e ) ，f 层 为渗透性低的粘土矿物层。这种防渗系统是目前比较常用的防渗方法。 ( 3 ) 双层衬层防渗系统( 图4 ) ：这种防渗系统由两层防渗层，两层之问是排 水层，以控制和收集防渗层之间的液体或气体。透过e 部防渗层的渗滤液 或者气体受到下部防渗层的阻挡而在中问的排水层中得到控制和收集，在 这一点上它优于单层衬层防渗系统，但在施工和衬层的紧固性等方面不如 复合衬层系统。 ( 4 ) 双复合衬层防渗系统( 图5 ) ：与双层衬层防渗系统类似，即在两层防渗 层之间设排水层，用于控制和收集从填埋场渗出的液体。双复合衬层防渗 系统综合了单复合衬层防渗系统和双层衬层防渗系统的优点，具有抗损坏 能力强、坚固性好、防渗效果好等优点，但其造价比较高。 1 4 填埋场渗漏问题的监测研究 根据大量的国内外生活垃圾填埋场的运行资料显示，即使按照规定采取了垃 圾渗滤液防渗措施，大多垃圾填埋所产生的渗滤液还是会向地下渗漏，从而对地 下环境( 地下水和地下土壤) 造成严重污染。清华大学刘建国等人( 2 0 0 2 ) 指出， 根据国外的调查研究，填埋场防渗衬层施工时，在施工质量保证较好的情况下， 复合衬层土工膜上存在8 一1 0 孔h m 2 ；质量保证较差的情况下，土工膜上存在1 7 孔h m 2 ；即使在质量保证极好的情况下，土工膜上孔密度至少为卜2 孔h i i l 2 。这 就决定了，大多数的填埋场都有可能发生渗漏，从而污染周围环境。 为了尽可能减小垃圾填埋场对环境的污染，国内外很多学者进行了大量的研 究工作。在垃圾填埋场渗漏的检测方面，目前主要有两种研究趋势：一种是在垃 圾填埋场的建设期间，检测其防渗衬层的施工质量，减小发生渗漏的可能性。另 一种是在垃圾填埋场的运营期间，检测垃圾填埋场是否发生渗漏，以及渗漏发生 后渗滤液形成的羽状体在地下的扩散形态。 1 4 1 填埋场建设期间防渗衬层的施工质量检测 防渗衬层的施工质量检测主要是对垃圾填埋场衬层系统中的土工膜 ( h d p e ) 焊缝进行质量检测。一般采用的检测方法是对焊缝进行真空压力检测， 1 0 垃圾填埋场地下王；f = 境污染三维n ：线临测技术研宄 在3 0 6 0 m 的双焊缝之间充气，使压力达到0 1 5 o 2 m p a ，保持1 5 m i n ，压力 无明显下降，即焊缝质量合格。另外，最近几十年内，发达国家还有一些新兴的 检测技术。 ( 1 ) 水枪技术( r 0 1 1 i na l e ta l ，1 9 9 9 ) 在垃圾填埋场衬层系统建设初期，可以使用水枪技术对土工膜进行施工质量 检测。整个系统检测流程是：检测人员手持可以持续供水并通有一定电流的检测 器在土工膜上行走，利用土工膜的绝缘性和水流的导电性，如果h d p e 膜的铺设 有漏洞，则整个系统电流形成回路，检测器会有电流显示并以声音呜叫作为提示 ( 图6 ) 。这种技术在些发达国家已经有比较成熟的经验及成型的产品。 电流供应 图6 水枪技术：作原理示意闰 ( 2 ) 双电极法 双电极法是在垃圾填埋场内埋设一个发射电传感器，在填埋场外地表面放置 一个接收电传感器，对埋设于填埋场内部的发射电传感器供电。利用垃圾填埋场 的衬层系统普遍采用的高密度聚乙烯膜( h d p e ) 的绝缘性，以及渗漏点的导电 性，实现对填埋场的渗漏检测。如果h d p e 膜没有破损，给两个电传感器施加 一定的电压时，不会形成回路，也就检测不到电流。当h d p e 膜发生破损时， 这时给两个电传感器施加一定的电压时，可以形成回路并在电流表上显示一定的 电流值( 图7 ) ( w h i t ee ta 1 ，1 9 9 7 ) 。 双电极法的优点是检测方法简便，检测费用低。不足之处是，这种方法只能 检测渗漏点的有无，而不能检测出渗漏点的位最、大小和数量。 针对上面所提到的这种缺点，美国学者s h u n zo w ( 1 9 8 6 ) 对双电极法进行 改良，提出一种电极一偶极子法。如图8 所示；除了填埋场内的发射电传感器和 外的接收电传感器，还另外加了一个移动检测电极对( 偶极子) 。给发射电传感 垃圾填埋场地下习、境污染三维礼线临测技术研究 器和接收电传感器施加一定电压，如果有渗漏发生，移动检测电极两端就会有一 定的电压显示，通过由移动检测电极测得的电压数据所绘制的电压分布图，可以 判断渗漏点的位置及数量。 一 图7 双电极法剖面图图8 电极一偶极子法示意图 美国学者j 0 p a r r a 等人( 1 9 8 8 ) 对s h u l t zo w 提出的电极一偶极子法进行 了研究，提出了理论模型并且在实验室内进行了模拟实验，确定了其实用价值。 中国环境科学研究院王斌、王琪等人对j o p a m 的方法与其它检测方法进行了 比较( 2 0 0 2 ) ，并在实验室内做了进一步研究( 2 0 0 3 ) ，主要针对垃圾填埋场土工 膜施工质量进行检测，已经于2 0 0 4 年进行了中试实验，根据其结果提出了填埋 场渗漏检测高压直流电法等效电路模型( 2 0 0 5 ) 。张守本( 2 0 0 3 ) 也利用这一原 理，采用不同的电极排列方式，在实验室进行模拟实验来检测防渗衬层的破损情 况，取得了比较好的实验结果。 1 4 2 填埋场运营期间监测 一般来讲，在填埋场运营期间，理想的监测系统应当满足以下几个条件： 1 ) 经济上可行： 2 ) 在垃圾填埋场运营期间及封场后3 0 年内一直可使用； 3 ) 能够判断渗漏点的大小、位置、数量以及污染物质扩散的区域： 4 ) 可实现自动化采集及处理； 5 ) 适用于所有类型的填埋场( 平原型、滩涂型、山谷型) ； 垃圾填埋场地下环境污染三维神减脏剽技术研究 6 ) 能够监测填埋场场底下整个区域。 而在实际应用中，不可能上述几个条件都满足，只能是在特定的地区，监测 系统满足上述一个或几个条件。以下介绍几种垃圾填埋场渗漏监测技术，都是在 特定的水文地质条件下，监测特定的污染物质及其扩散范围。 ( 1 ) 监测井法 图9 监测井法剖面圈 目前，国内外最普遍的渗滤液渗漏监测方法就是设置地下水监测井，直接监 测垃圾填埋场地周围的地下水是否受到污染( 图9 ) 。通常，地下水按一季度一 次、半年一次或一年一次进行监测，这取决于废物的类型、填埋场的大小和设计、 蓄水层材料等。在设置监测井时，需要一个三维的监测点排布来对填埋场地下水 进行适当的监测。根据中华人民共和国国家标准生活垃圾填埋污染控制标准( g b 1 6 6 8 9 1 9 9 7 ) ，填埋场地下水采样点应布设五点：本底井一眼，设在填埋场地下 水流向上游3 0 5 0 m 处。污染扩散井两眼，设在填埋场两旁各3 0 一5 0 m 。污染监 视井两眼，设在填埋场地下水流向下游3 0 m 处、5 0 m 处各一眼井。这种方法比较 简单，技术要求低。但是这种方法的缺点很多，主要表现在：不能及时有效的发 现渗漏；不能判断垃圾填埋场的渗漏点；很难估测出垃圾渗滤液在地下羽流的几 何形念。 ( 2 ) 示踪齐u 法( m o l o o s e re ta 1 ，1 9 9 9 ) 垃圾填埋场地下环境污染三维订溅临测技术研究 监测井法有时候虽然在污染扩散井中检测到污染物质，但是并不能确定污染 是由于垃圾填埋场渗漏发生的，因此可以把一种化学示踪剂注入正在运营的或已 经封场的垃圾填埋场内，利用采样探测器在填埋场区外进行采样分析，如果探测 器检测到示踪剂，则表明有渗漏发生。这种监测技术的优点是，可以用于任何填 埋场和填埋场的任何阶段的渗漏监测。但是，大多数示踪系统只能确定是否发生 渗漏，而不能发现渗漏点的位置。另外，系统自动化及分析采集样品的技术不成 熟。 ( 3 ) 扩散管法( s l 蛐m l e re ta l ，1 9 8 5 ) 图l o 扩散管法示意图 扩散管法最初是用来监测管道中的渗漏问题。该系统将可以透过气体的管路 系统放置在填埋场下，一个运转周期后，渗滤液产生的气体进入管路系统( 图 l o ) 。因为从渗漏点扩散出的渗滤液蒸汽在土壤中按照一定的体积比例进入管内， 通过分析管内水蒸汽中污染物的浓度可以近似得到漏洞大小。该系统的优点是自 动化程度高，减小操作费用，因此可以广泛应用于管线的渗漏检测。不足之处是， 如果渗滤液不产生蒸汽，则管路系统需要排列紧密以便能够接触到渗滤液，而这 会极大的增加系统的建设费用。 ( 4 ) 电极格栅法( w h i t ee ta 1 ，1 9 9 7 ) 电极格栅法是在衬层系统建设初期，于其下面预先埋设网状电传感器( 用导 线做的格栅，每根导线上都按一定的距离布置若干电传感器) 。对电传感器格栅 4 垃圾填埋场地下环境污染三维在线临测技术研究 进行供电，出于渗漏的渗滤液相对于土壤和水来说有更高的电传导性，根据不同 区域电压的不同，可以判断渗漏点的位置、大小和数量( 图1 1 ) 。 电极格栅法的优点是可以监测衬层系统下的整个区域，埋设于地下的电极格 栅可以使用几十年，可以比较准确的判断渗漏点的位置、大小和数量。缺点是， 整套系统需要预先埋设，只适用于新建的垃圾填埋场，而且系统的埋设会使垃圾 填埋场的施工费用增加。而且，这种技术不能检测出渗漏的渗滤液在地下的运移 状态。 例1 1 电极格栅法剖面图 1 4 3 各种监测方法的优缺点比较 表2 各种监测技术的优缺点 任何时候确定确定 重复 监测技术 自动化 都可安装t 渗漏点位置渗漏范围使j = 扩散管法 示踪剂法 水枪技术 域电极法 电极格栅法 综上所述，不同的垃圾填埋场污染监测技术中各有其优缺点及适用条件，表 2 中从是否任何时候都可安装、是否确定渗漏点的位置、是否确定渗漏范围、是 垃圾琐埋场地下玎境污染三维订线临测技术训宄 西重复使用及是否可实现自动化做一比较。为了避免垃圾填埋场渗滤液的渗漏对 地下水造成严重的污染，除了要做好填埋场的结构防渗以外，还有必要找出种 有效的垃圾填埋场渗滤液渗漏监测装置用以替代目前常规的渗滤液监测方法，以 便在渗滤液发生渗漏后能及时的发现、准确的确定出渗漏点，这是我国建设垃圾 填埋场要解决的一个关键问题。 1 5 研究课题的提出 我国的垃圾卫生填埋工程起步较晚，随着经济建设的发展和对垃圾处理的需 求，目前各大中城市都在新建各种规模的垃圾填埋场。研究垃圾填埋场场运营期 渗滤液渗漏的实时监测技术，预防渗滤液对地下环境造成严重污染，实现垃圾填 埋场的清洁生产，是摆在我国环境工作者面前的一个重要课题。 根据对目的各种监测技术的优缺点比较可以看出，扩散管法和电极格栅法相 对其它监测技术优点最多。但是扩散管法主要应用于管线的渗漏检测，并且需要 在地下埋设管路系统，系统的安装及运行费用都很高。因此电极格栅法是一种相 对比较可取的监测技术。本论文提出的三维在线监测系统是电极格栅法的进一步 发展。通过分析渗滤液入侵地下介质引起的物性变化和电位场改变研究确定垃圾 填埋场渗漏点的位置、大小和数量， 根掘渗滤液渗漏在地下环境中形成的羽状 体形态与地下介质电阻率异常区域之间的关系，确定渗漏污染的范围。本论文