大型城市垃圾填埋场的沉降研究 .doc

城市垃圾填埋场的沉降研究 刘疆鹰1，徐迪民1，赵由才1， 1：同济大学污染控制与资源化国家重点实验室，上海 200092；2：上海市环卫局废弃物处置公司，上海 200063 摘要：通过对位于上海老港填埋场的3000 m2试验场（垃圾填埋高度4 m，填入垃圾10800 t）历时880 d的沉降监测，根据垃圾在填埋场中的降解机理，建立了反映填埋场沉降规律的数学模型，证明了模型的可靠性。研究表明，填埋场的第二阶段沉降（由于垃圾的生物降解而产生的）与填埋时间的指数呈线性关系。根据沉降规律，上海老港填埋场完成大约79%的第二阶段沉降，才能处于高稳定化状态。 关键词：垃圾；填埋场；沉降；垃圾生物降解；填埋场稳定化 中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1008-181X（2002）02-0111-05卫生填埋是目前垃圾处理主要的方法之一，在填埋场垃圾漫长地降解与稳定化过程中，产生了填埋场表面的沉降，影响和妨碍了土地再利用，然而沉降却是填埋场稳定化进程的宏观表现和重要考察指标。因此，城市垃圾填埋场的沉降规律一直是填埋场研究中的重要课题。一般填埋场场地沉降要持续25年以上，其总沉降量为垃圾初始填埋高度的25%(50%，其中50%以上发生在封场后的第一年[1]。影响填埋场沉降的因素有[2]：①最初的压实程度；②垃圾的性质和降解情况；③被压实垃圾产生的固结作用；④最终覆盖层的高度。根据不同时期引发沉降的主要原因不同，填埋场的沉降过程一般可以分为三个阶段[3-5]：初始阶段、第一阶段和第二阶段。初始阶段的沉降，发生在填埋操作过程中；第一阶段的沉降，主要是填埋场内垃圾空隙中的水分和气体由于上层垃圾的压实作用而散逸所引起的，一般在1～6个月内完成；第二阶段的沉降，主要是由于垃圾自身的降解引起的。由物理原因而引起的初始沉降和第一阶段沉降历时较短，本文重点研究第二阶段沉降。 在过去国外的相关研究中，研究人员大多借用Holtz and Kovacs编写的《地质工程导论》中的经验公式，即沉降量与时间的对数呈线性关系，其数学模式为[3-6]： S = H0 C（lnt-lnt0） （1） 式中：S — 第二阶段t时的沉降量，m； H0 — 扣除初始阶段、第一阶段沉降量后的垃圾高度，m； C — 第二阶段的沉降系数，d-1； t — 时间，d； t0 — 第一阶段沉降结束的时间，d. 经研究，我们认为上述模型应用于垃圾填埋场不合适。主要原因如下：（1）虽然Holtz and Kovacs在此式中对各参数的物理意义进行了说明，但参数之间的物理关系不明确，反映不出特定极限情况下的沉降量。从理论上说，若沉降时间足够长，垃圾降解趋于完全，沉降将趋于平衡，可按此式将得出沉降为无穷大；（2）此式并没有反映出第二阶段沉降同沉降原因—垃圾降解的联系。 虽然在填埋场内同时发生着物理、化学和生物变化，但过去的许多研究已证实，在漫长的垃圾降解过程中生物作用占主导，我们可以近似认为填埋场第二阶段沉降的完全是由于垃圾的生物降解而引起的，因此可以根据微生物作用规律来推倒理论模型，并可以认为填埋场中微生物对垃圾的降解为一级反应过程[7]。垃圾填埋场沉降模型可由以下几个方程组成： PH = PH 0·C·e-kt （2） ΔPH = PH 0－PH = PH 0（1－C·e-kt） （3） S2 = H0·ΔPH = H0·PH 0（1－C·e-kt） （4） H0 = H－S0－S1 （5） S = S0 + S1 + S2 （6） 式中：S — 填埋场t时刻的总沉降量，m； S2 — 第二阶段t时刻的沉降量，m； S0 — 初始阶段的沉降量，m； S1 — 第一阶段的沉降量，m； H0 — 扣除初始阶段、第一阶段沉降量后的垃圾高度，m； H — 填埋场内垃圾的初始高度，m； C — 第二阶段的沉降系数，反映垃圾降解与沉降之间的转化关系； t — 填埋时间，d； k — 垃圾生物降解系数，d-1； PH — 在第二阶段沉降的t时刻，填埋场内垃圾中可降解组分所占的相对高度（与H0的比值）； PH 0 — 在第二阶段沉降起始时，填埋场内垃圾中可降解组分所占的相对高度（与H0的比值）； 图1 各监测点在试验场内的分布 ΔPH —在第二阶段沉降过程中，填埋场内垃圾中可降解组分所占的相对高度的变化量； 参数PH 0、C、H0和k主要与垃圾填埋高度、填埋场填毕后的压实状况、垃圾的组成与特性、垃圾填埋的方式、最终覆土层厚度、覆土层及垃圾层的渗透系数、填埋场的水文气象特征等具体因素有关。