顾莹莹, 张秀霞, 李鸿江, 赵东风

(1. 中国石油大学(华东) 化学工程学院, 山东 青岛 266580; 2. 青岛水务集团有限公司, 山东 青岛 266002)



垃圾填埋场防渗层渗漏检测及污染动态监测教学实验

顾莹莹1, 张秀霞1, 李鸿江2, 赵东风1

(1. 中国石油大学(华东) 化学工程学院, 山东 青岛 266580; 2. 青岛水务集团有限公司, 山东 青岛 266002)

针对垃圾填埋场防渗监测的研究热点问题,提出一种新的防渗层检漏技术,设计了有效的动态监测实验。实验结果表明,这种防渗层监测技术可以较为准确地反映填埋场的漏点位置及渗滤液的扩散范围。通过该实验的教学实践,能使学生将所学的固体废物专业基础理论、电学监测理论与实验学习有机结合,提高了学生的实验动手能力,对于培养学生的工程实践能力和科研素质具有重要意义。

教学实验; 填埋场; 防渗层; 动态监测

垃圾填埋场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制地导出,具有防止渗滤液向四周渗透污染地下水和土壤的功能。由于垃圾中成分复杂[1],渗滤液的性质复杂、毒性强且难降解[2],防渗衬层一旦破损,高浓度且毒性很强的垃圾渗滤液渗出就会对地下环境造成严重污染[3]。垃圾填埋场渗漏监测技术主要有监测井法、水枪技术[4]、双电极法[5-9]、示踪剂法[10]、扩散管法及电极格栅法,但大部分检测技术无法即时对渗滤液污染进行动态反映,使得渗漏点的找寻和污染监控非常困难[11]。

为了培养学生的工程实践能力[12],让环境工程专业的学生了解垃圾填埋场常用的防渗系统结构、理解电学监测渗漏的基本原理和渗滤液渗漏监测方法,本实验创新性地提出一种新的防渗层检漏技术,设计出有效的动态监测实验。通过该实验,可让学生巩固所学的固体废物专业基础理论,并将学术研究的前沿问题通过实验来展现和探讨,培养学生的学习兴趣和探索精神。

1 渗漏检测原理

土壤是由骨架颗粒、孔隙水和空气组成的三相介质,颗粒电阻率、持水度、孔隙水中的离子含量决定了土壤电阻率的大小,电阻率可以描述土壤的导电性能[13]。异常区电阻率的探测是通过在地面人为建立电场并观测电场分布实现。地下介质的电性不均匀促使人工建立的稳定电场的空间分布特征发生改变:低阻体吸引电流线,致使大部分电流从它的内部流过(见图1(a)),在地面会观测到低电位;高阻体排斥电流线,致使电流几乎不能通过其内部而在其旁边流过(见图1(b)),在地面会观测到高电位。

图1 非均匀介质中电流分布示意图

垃圾填埋场常用的防渗系统为单复合衬层防渗系统(见图2),一般上层是人工合成防渗膜,下层是压实黏土。防渗系统下面是依次为渗透性较高的包气带和饱水带,它们之间构成一种动态平衡过程。

图2 垃圾填埋场防渗系统

如果有渗漏发生(见图3),渗滤液会穿过黏土层侵入包气带中,土体电阻率随含水率增大而减小;渗滤液继续向下迁移至饱水带时,渗滤液含有的导电性离子使土层中孔隙水电阻率降低,进而使土层的电阻率减小[14]。渗滤液浸入区实际成为一个电阻率异常的低阻体,通过探测这个低阻体就可以探测渗滤液扩散的影响范围。分析影响区的分布特征可确定渗漏点的位置;通过不同时期的连续动态监测,可估算渗滤液扩散范围及速率。

图3 垃圾填埋场渗漏后渗滤液羽状体形态

2 实验装置设计和实验步骤

2.1 实验装置设计

室内模拟实验装置见图4。玻璃钢槽尺寸1.5 m×1.5 m×2.0 m,装填土壤模拟垃圾填埋场衬层:最底层为40 cm的饱和砂土层——饱水带,中层为30 cm的不饱和砂土层——包气带,上层为2 cm的黏土层。玻璃钢槽上方安装一个体积为100 L的水箱,用阀门控制流速以模拟垃圾渗滤液的渗漏过程。上层黏土层内埋设的电传感器为不锈钢电极,系呈网状布设,电极间距5 cm。电极之间通过电缆相连,外接控制主机(某研究机构的三维电学监测系统)。以其中一个电极(电感器)为基准点,将电极依次布设,其相对位置如图5所示。

图4 模拟实验装置

图5 三维电极系布设

2.2 实验步骤

模拟实验具体操作步骤如下:

(1) 启动控制主机,按照电极布设情况建立三维电极观测系统,依次对电极系分布区域的自然电位分布和一定深度土层的电阻率进行本底测量;

(2) 在黏土层下人为布设渗漏点,通过水箱中渗滤液的直接注入模拟渗漏过程;

(3) 随着渗滤液持续侵入土体,分别在第0、2、4、6天重复(1)的观测过程,直到渗滤液停止侵入且测试数据保持稳定;

(4) 将采集数据导出,利用Surfer软件绘制不同时期监测范围内自然电位等值线,及不同时期不同深度土层横向电阻率剖面,圈定电异常区。

3 实验数据分析和讨论

在实验开始前,要求学生回顾渗滤液侵入对土壤电阻率改变的原理、电阻率异常特征对渗滤液渗漏位置的反映,及电阻率异常区范围与渗滤液污染范围的对应关系。在实验过程中,要求学生学会采集数据,同时注意观察实验进行中发生的直观现象并进行分析。在实验结束后,要求学生学会处理实验原始数据,理解电阻率测定的理论依据,分析实验数据并作出直观的电阻率剖面图。

垃圾渗滤液性质分析见表1。因渗滤液的电导率对其侵入土壤后电阻率的影响较大,因此单独进行测定。测得垃圾渗滤液电导率为19.71 mS/cm,属于导电性较强的液体。

表1 垃圾渗滤液性质分析

实验取得了第0天(背景值)、第2天(7月12日监测值)、第4天(7月14日监测值)、第6天(7月16日监测值)的黏土层下表面以下0.06、0.12 、0.18、0.24、0.30、0.36、0.42、0.48 m的电阻率剖面图,见图6和图7,从中比较土壤被垃圾渗滤液污染前后的土壤电阻率动态变化。

图7 饱水带不同深度处的电阻率剖面图

从图6和图7中可以看出,垃圾渗滤液侵入地下土层中,通过改变土壤的含水率和土壤水中的离子含量,同时降低了包气带和饱水带中土壤的电阻率。图中颜色较深的区域是渗滤液扩散范围的反映。这说明渗滤液的侵入,会对地下土层的包气带和饱水带形成大致类似的电阻率降低趋势。电剖面图上低阻区域的出现,深色区域最终形成近圆形,且由近圆形区域的中心向四周颜色深浅程度逐渐减小,即中心电阻率值最低,四周电阻率值逐渐升高。

对比第0、2、4、6天的测定结果可以看到，渗滤液污染区大致从中心向四周扩散,并且随着渗滤液的渗漏,渗漏区域内土壤的电阻率呈减小趋势,低阻范围不断扩大。与不同深度处的电阻率剖面图结合,基本可以判定中间浅色低阻区域为渗滤液的侵入点,这与实际渗漏点位置大致相符。

4 结束语

该实验结合当前研究热点——垃圾填埋场在线电学动态监测,创新性地提出一种新的防渗层检漏技术,开阔了学生的视野且提高了学生的学习兴趣。通过垃圾填埋场防渗层渗漏监测系统的设计和教学,能将学生所学的固体废物专业基础理论、电学监测理论与实验学习有机结合,提高了学生的实验动手能力。在实验进行过程中,学生表现出很大的主动性,达到了很好的教学效果。通过该实验,既提高了实验教学质量,又为学生从课本中学到的理论知识提供很好的感性认识。另外,该实验平台为学生创新提供良好基础,本科生和研究生可进一步利用该平台进行探索实验,这对培养学生的工程实践能力和科研素质具有重要意义。

References)

[1] 丁智,朱玮彬,陈伟军，等.城市生活垃圾的土工性质及实验方法研究[J].实验技术与管理,2009,26(9):36-39.

[2] 江娟,徐丽丽,谢文刚.去除生物反应器渗滤液生物毒性的实验研究[J].实验技术与管理,2009,26(11):24-26.

[3] 李鸿江.垃圾填埋场地下环境污染三维在线监测技术研究[D].青岛:中国海洋大学,2005.

[4] Rollin A L,Marcotte M,Jacquelin T,et al.Leak location in exposed geomembrane liners using an electrical leak detection technique[C]//Proceedings of Geosynthetics ’99.Boston,1999:615-626.

[5] White C C,Barker R D S.Electrical leak detection system for landfill liners:a case history[J].Ground Water Monitor Remediation,1997,17(3):153-159.

[6] 能昌信,董路,王琪,等.填埋场地电模型的电学特性[J].中国环境科学,2004,24(6):758-760.

[7] 能昌信,王彦文,王琪,等.填埋场渗漏检测高压直流电法等效电路模型的建立[J].环境科学,2005,26(1):200-203.

[8] 王斌,王琪,董路,等.垃圾填埋场土工膜渗漏电学检测法的研究[J].环境科学研究,2003,16(2):54-57.

[9] 王斌,王琪,董路.垃圾填埋场防渗层渗漏检测方法的比较[J].环境科学研究,2002,15(5):47-54.

[10] Looser M O,Parriaux A,Bensimon M.Landfill underground pollution detection and characterization using inorganic traces[J].Water research,1999,33(17):3609-3616.

[11] 刘建国,聂永丰,王洪涛,等.填埋场不同防渗配置下渗滤液及污染物渗漏[J].清华大学学报:自然科学版,2004,44(12):1684-1687.

[12] 张忠福.建立以能力培养为中心的实践教学体系[J].实验技术与管理,2011,28(2):11-14.

[13] 刘国华,王振宇,黄建平.土的电阻率特性及其工程应用研究[J].岩土工程学报,2004,26(1):83-87.

[14] Maxwell A M.Geoelectrical investigation of ole/abandoned,covered landfill sites in urban areas:model development with a genetic diagnosis approach[J].Journal of Applied Geophysics,2000,44:115-150.

Teaching experiment of leakage detection of landfill impervious liners and pollution dynamic monitoring

Gu Yingying1, Zhang Xiuxia1, Li Hongjiang2, Zhao Dongfeng1

(1. College of Chemical Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580, China; 2. Qingdao Water Group Co.Ltd.,Qingdao 266002, China)

Aiming at the current problem of landfill leakage monitoring,a new monitoring technology for landfill impervious liners is put forward and an effective dynamic motoring experiment is designed.The experimental results show that this technology can accurately detect the leakage position and the diffusion area of leachate.Through this teaching experiment,students could combine the fundamental theories of solid wastes and electrical monitoring with experimental learning.This experiment is capable of improving the operational ability of students and has significant meanings for training the engineering practice ability and scientific quality of students.

teaching experiment; landfill impervious liner; leakage detection; dynamic monitoring

2014- 06- 29

中国石油大学(华东)教学改革项目“基于网络技术的化工实验教学资源平台建设的研究与实践”(SY-B201205)

顾莹莹(1982—)，女，山东滨州，博士，讲师，研究方向为环境与安全工程.

E-mail：yingyinggu@upc.edu.cn

G642.423;X833

B

1002-4956(2015)2- 0061- 04