高有机质含量垃圾的含水量监测试验研究——利用表面处理的TDR探头

徐 辉,詹良通,穆青翼,王顺玉,陈云敏

(浙江大学,软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州310027)

高有机质含量垃圾的含水量监测试验研究
——利用表面处理的TDR探头

徐 辉,詹良通*,穆青翼,王顺玉,陈云敏

(浙江大学,软弱土与环境土工教育部重点实验室,浙江 杭州310027)

为了研究时域反射技术(TDR)对高电导率、高有机质含量的填埋垃圾的适用性,设计并制作了探针表面镀环氧树脂基复合材料和套PVC管的TDR探头,测试并评估了各个探头测试介质含水量的电导率适用范围和感应区域范围,同时推荐了95%探针长度套PVC热缩管的探头作为最优选择.对所选探头进行标定后,安装在填埋自制新鲜垃圾和现场老垃圾的模型单元中,测试渗滤液入渗过程中和入渗后的含水量变化,结果表明:经表面处理后的 TDR探头能够有效测试高有机质含量填埋垃圾的含水量,且能够对瞬态渗流过程引起的含水量变化迅速响应;当渗流达到稳定时,TDR测试的含水量结果与水量平衡分析结果较为接近,绝对误差在5%以内.

时域反射技术(TDR)；含水量；城市生活垃圾；高有机质含量；渗流

水分的分布和运移在垃圾填埋场中具有极其重要的作用.首先,水分不仅是固相垃圾厌氧降解所必需的反应物,还是微生物生长繁衍和保持活性所必需的条件,适宜的含水率是促进填埋垃圾快速稳定的最基本条件[1-11].通过渗沥液或其他液体的回灌可以增强水分的流动,从而达到含水量增加、反应底物和微生物补给的目的,实现生化降解的快速稳定化.其次,水是污染物的运载媒介,水通过垃圾骨架时会溶解同时垃圾降解也会析出部分污染物质,从而形成了对地下水体有危害的渗沥液.降雨入渗或其它水分的进入将会引起渗沥液水位的升高,对垃圾堆体的稳定和渗滤液的泄露和扩散造成了极大的威胁[12-14].因此,对填埋垃圾含水量进行实时监测和控制是实现以液体为媒介的生化环境主动调控的关键.

目前,填埋垃圾含水量的现场测试方法主要有中子探测法、电阻/阻抗法、电磁法、电阻率成像法、气体分区示踪法等,各自有其优点和局限性[15-17].时域反射技术(TDR)属于电磁法的一种,是基于电磁波在多孔介质中的传播特性而发展出来的含水量测试方法,具有可靠、方便、经济及自动化监测等方面的优势,因而广泛应用于岩土介质的含水量测试[18-20].与传统岩土材料不同,MSW介质具有大孔隙、非均质、多组分等特征,更重要的是其渗滤液具有很高的电导率,容易造成电磁波信号的损失,从而使得TDR技术尚未广泛应用于垃圾填埋场.为了解决电磁波在高电导率介质中衰减过快的问题,Ferre´[21]、Li[22]、Persson[23]、Staub[24-26]等国外学者提出了在探针表面加化学涂层或塑料套管的处理方法并进行了试验验证,结果表明:探针表面处理技术可以有效减少能量的衰减,使得TDR能够应用于高电导率介质中.

填埋垃圾中的水分主要以3种形式存在:固相组分所含的胞内水、固相组分之间的由于毛细作用而保持的孔隙水以及被低渗透性组分所滞留的孔隙水[27].不同于欧美发达国家,我国填埋垃圾有机质含量较高[28-30],水分存在形式极其复杂,降解初期以胞内水为主,随着降解过程的进行胞内水逐渐得以释放转化为孔隙水,所以后期主要以孔隙水的形式存在.另外,利用渗滤液回灌技术加速垃圾降解时,需要对垃圾体内渗滤液运移过程以及达到稳定状态时的含水量进行监测.因此,在国内外已有研究基础上,选取合适的 TDR探针表面处理方法,并对不同水分存在形式的填埋垃圾的适用性以及对瞬态和稳态渗流过程的响应进行评估是及其必要的.

针对上述问题,本文开展了一系列试验研究,主要工作有:通过TDR探头的电导率适用范围试验和感应区域范围试验选取了适用于填埋垃圾含水量测试的探针表面处理方法;标定了所选TDR探头的介电常数和行程时间以及体积含水量和介电常数的关系曲线;评估了TDR技术对新鲜垃圾和老垃圾含水量测试的适用性;(4)检验了TDR技术对渗滤液渗流过程中填埋垃圾含水量变化的响应效果.

1 试验原理及方法

1.1 TDR测试含水量原理

TDR测试系统主要包括:TDR探头、传输线、信号发射器和示波器,如图1所示.基于同轴传输线中的电磁波传播理论,通过对反射波形的分析可以得到被测介质的介电常数.如表1所示,水的介电常数要远大于干燥的岩土介质和空气,因而岩土介质中水的含量对其介电常数起决定性作用,通过岩土介质介电常数与含水量的关系模型,便可得到被测介质的含水量.

介质的介电常数可以表示成如下所示的复数形式

式中:K*表示复介电常数;K′表示介电常数实部;K″表示介电损失;σdc/ωε0表示电导损失.

图1 TDR测试系统及典型波形Fig.1 TDR testing system and typical waveform

表1 常见材料的介电常数[31-32]Table1 Dielectric constants of common materials[31-32]

Topp[18]提出了表观介电常数的概念,使得计算大大简化,其表达式如下:

式中:c表示电磁波在真空中传播速度,即3×108m/s;Δt为电磁脉冲沿探头的行程时间,可通过分析反射波形获得(图1),与周围介质的介电常数有关;L为插入介质中探针的长度,2L表示电磁波在Δt时间内沿探针行程一个来回.

介电常数的测试与环境的温度有关,所以需要对测试结果进行温度修正,可用式(3)进行修正(ASTM D6780-05,2005)[33]:

式中:Ka,20℃为20℃时介质的介电常数;Ka,T℃为 T℃时介质的介电常数;TCF为温度修正系数,对于MSW介质,TCF=0.97+0.0015T℃.

岩土介质的体积含水量与介电常数的关系模型主要有半理论模型和经验模型.半理论模型最典型当属体积混合模型,Birchak[34]首先提出了固液两相层状介质的体积混合模型,Dobson[35]在此基础上提出了考虑介质中存在结合水和空气等的广义混合体积模型,Ledieu[36]提出了更为简化的模型,即

许多学者通过总结试验数据提出了反映岩土介质介电常数与含水量之间关系的经验模型,如3次回归曲线、4次回归曲线、考虑了电导率或密度影响的模型等.在众多的经验模型中,Topp[18]提出的关于砂土介质的经验公式被许多学者应用并验证[37～38],其表达式为

然而,由于填埋垃圾高有机质含量、大孔隙、非均质、多组分的特性与岩土材料性质相差较大,该公式将不再适用[22],而式(4)却较广泛地被国内外学者所采用[21,32,39-42].

1.2 TDR探针表面处理方法评价试验

正常情况下,岩土介质的电导率并不高,但对于 MSW 这种渗滤液电导率可高达3000mS/ m[26,43-45]的岩土介质而言,应用TDR行程时间法测试其含水量可能会使测试波形中的反射点 B不明显甚至无法识别.另外,TDR探头能够感应的介质区域范围对测试结果的表征性有较大影响.为了选择最适用于测试 MSW介质含水量的TDR探头类型,开展了电导率适用范围和感应区域范围试验.

试验设备主要包括计算机、美国 Campbell Scientific公司生产的 TDR100测试仪、特征阻抗50欧姆的同轴电缆、自制TDR探头、有机玻璃容器.其中,TDR100测试仪发射电磁脉冲的频率范围为106～109Hz,有机玻璃容器尺寸为Ф20cm×25cm(图2),自制TDR探头为三针式(表2).依据Ferre[46]、Knight[47]对不同结构尺寸TDR探头在测试介质中感应范围的分析,本试验所用探头感应范围基本在直径6cm高15cm的圆柱体内.因此,该有机玻璃容器足够满足本试验 TDR探头对测试范围的要求.

电导率适用范围试验设计思路为:配制不同电导率的 CaCl2溶液,对表2所示的不同类型TDR探头分别进行波形测试,根据波形图中反射点AB之间的行程时间以及B点对应的反射系数随电导率的变化,判断各探头对测试介质电导率的适用范围.

图2 TDR标定试验筒结构Fig.2 Schematic diagram of TDR calibration cell

感应区域范围试验分平行(X方向)和垂直(Y方向)于探针排列方向2组,如图3所示:对于Y方向,试验装置由一系列宽度(X方向)和高度(Z方向)相同而长度(Y方向)不同的有机玻璃容器组成,高和长分别为200mm和90mm,宽度由80mm逐渐变化到16mm,间隔4mm;试验时,先将容器盛满去离子水,然后将TDR探头放置在容器中间,测试介电常数;随着容器 Y方向长度的减小,TDR探头测试结果由单一的去离子水介质转变为综合反映去离子水、有机玻璃和空气介质,由于有机玻璃和空气的介电常数远小于去离子水(表1),因此介电常数测试结果开始明显降低的容器长度可以作为该探头在 Y方向上的感应范围.对于X方向,同理.

表2 TDR探头编号及探针表面处理情况Table2 TDR No. and probe coating treatment

图3 感应区域范围试验装置Fig.3 Experimental equipment for measuring influence area

1.3 TDR探头标定试验

根据TDR探针表面处理方法评价结果选定的探头需要进行标定试验,主要包括:探针长度标定、介电常数-行程时间关系曲线标定和体积含水量-介电常数关系曲线标定.

由于探针的长度在制作时有误差,为了更精确地测量介电常数,需要在去离子水中对探针长度进行标定.依据 Weast[48]提供的去离子水介电常数(Kw)与温度(T)的经验关系,先根据温度计算出去离子水的介电常数,然后依据反射波形信息反算探针长度.试验平行进行10次.

由于探针进行了表面处理,必然会对介电常数的测试产生影响,意味着Topp[18]提出的行程时间法计算公式(2)可能不再适用,因此需要重新校准介电常数与行程时间之间的关系.试验基本思路为:根据表1配制不同介电常数Ka的试样,填入有机玻璃试验筒内,填样过程中控制各个筒内试样的压实程度一致,然后将 TDR插入试样筒中,测试并保存波形,重复上述步骤;分析测试波形,得到各个波形的行程时间 Δt;获得行程时间 Δt与介电常数Ka数据点,并进行拟合.

为了得到生活垃圾体积含水量随介电常数的变化规律,在标定筒内开展了θ-Ka曲线标定试验.采用人工配制的垃圾样,控制各组分特征粒径小于3cm,充分混合后分层填入标定筒内.不同体积含水量的试样主要通过以下方式来实现:控制菜叶、果皮等有机质含量的不同以获得初始低、中、高含水量的垃圾试样;添加自来水或增大密实度进一步改变试样的体积含水量.每一含水量工况平行开展2组试验.

1.4 TDR监测填埋垃圾含水量模型试验

为了检验所选TDR应用于监测填埋垃圾含水量的效果,开展了模型试验,主要监测稳定状态时的含水量及瞬态渗流引起的含水量变化.

模型试验系统的设计如图4所示,模型箱尺寸为0.5m×0.5m×1.2m,底部设置厚约20cm的渗滤液导排层,自下而上分别为渗滤液收集口、排水管网、碎石滤层及土工织物滤层,中间填埋厚约80cm的垃圾层,顶部设置厚约20cm的渗滤液回灌层,自上而下分别为渗滤液回灌口、回灌管网、瓜子片布水层及土工织物滤层.TDR探头和温度传感器埋设在垃圾层中部,模型箱顶部设置出线口和排气口.

本次试验共建上述系统两套.模型箱1中填埋的垃圾取自天子岭垃圾填埋场,组分特征见表3,龄期约3a,有机质含量低,水分存在形式以孔隙水为主,共130kg,填埋后垃圾层密度为0.71t/m3,体积含水量28.9%;模型箱2选用配制的新鲜垃圾,组分特征见表3,有机质含量高,主要以胞内水形式存在,共180kg,填埋后密度为0.98t/m3,体积含水量66.4%.模型箱准备完毕后,分别读取TDR传感器及温度传感器的初始数据,并量测垃圾体的初始高度.

图4 模型试验箱剖面Fig.4 Chamber profile of TDR cell

模型试验系统建立完成后,对2个模型试验箱中的垃圾体进行渗滤液回灌,每次回灌量约3L,回灌完成后立刻测试TDR波形和温度,测试频率为1次/min,后逐渐变疏,然后量取渗滤液收集量用于水量平衡分析,最后测量垃圾体高度用于计算当前密度.模型箱1共回灌3次,模型箱2回灌2次.

表3 填埋垃圾样组分(%)Table3 Composition of burial MSW (%)

2 结果与分析

2.1 TDR探针表面处理方法评价结果

电导率适用范围试验结果如图5所示.可以发现,渗滤液的介电性能(虚线)与CaCl2溶液(实线)非常相似,因此利用后者来模拟高电导率的渗滤液操作上更简便,所获得的结论是可信的,这也是被国外很多学者所证实的[26,49-50].从图5可以得到:随着溶液电导率的升高,表面无处理和镀膜的TDR探头测试得到的波形中,反射点AB之间的行程时间呈现略增大的趋势,而套热缩管的 TDR探头则基本保持不变.理论上,不同电导率的溶液中测得的行程时间应该为定值,而行程时间的变化将会导致介电常数计算结果的误差,从而影响含水量测试结果.因此,套热缩管的TDR表面处理方法受测试介质电导率的影响较小,稳定性较好.随着溶液电导率的升高,不同类型的TDR波形中的反射点B的反射系数均呈逐渐下降的趋势直至消失不见;对于表面处理的探头,处理程度越深,反射点B消失越迟.反射点B的消失,即意味着行程时间法在该电导率介质中不再适用,从而可以得到不同类型探头的电导率适用范围如表4所示.

图6(a)表示不同类型TDR探头在Y方向上的感应区域范围试验结果.图中纵坐标等效行程时间百分比表示在不同长度尺寸的有机玻璃容器条件下测得的等效行程时间(Δt)与基值(Δt0)的百分比.试验中,将 Y方向长度最大(80mm)的有机玻璃容器中行程时间测试值作为基值.从图6(a)可以看出:随着有机玻璃容器 Y方向长度不断增大,等效行程时间百分比逐渐趋近100%;若将等效行程时间百分比为95%时的容器长度作为TDR探头在Y方向上的测试感应范围,此时TDR3-1～TDR3-6的感应范围分别为17,14,15,21,19,17.5mm.相比于无任何处理的 TDR探头,探针表面套热缩管会减小探头的测试感应范围,而镀膜处理则会增大感应范围.

由图6(b)可知,随着有机玻璃容器长度不断减小,等效行程时间百分比基本在100%附近.因此在X方向,三针式TDR探头测试感应范围基本在两端探针之间的区域.

图5 不同电导率溶液中的测试波形Fig.5 TDR waveforms for different conductivity solutions

不同类型TDR探头中,介质电导率适用范围从小到大依次为:普通探头、镀膜探头、套热缩管探头,而感应区域范围则为镀膜探头>普通探头>套热缩管探头.为了评估各种类型TDR探头的工作性能,选取电导率适用范围和感应区域范围作为评价指标,权重各取0.5,以最大电导率适用范围或感应范围的探头作为基值并计100分,然后根据比值分别给出其他探头的评分,评价结果如表4所示.从表4可以看出,TDR3-2和TDR3-4的得分最高,考虑到TDR3-2制作工艺简单、质量较易控制且测试结果受电导率干扰较小,本文将其作为测试 MSW含水量的最优选择,但是TDR3-4若能够通过改进降低对电导率的敏感性则具有较好的前景.

图6 TDR探头X和Y方向感应范围测试结果Fig.6 Influence areas in X and Y directions

表4 TDR探针表面处理方法评价结果Table4 Evaluation results for TDR rod surface treatment methods

2.2 TDR探头标定结果

根据平行开展的10次探针长度标定试验结果,选定的TDR3-2的探针长度为15.3cm.

图7 介电常数-行程时间关系曲线Fig.7 Calibration of permittivity-travel time relationship

介电常数-行程时间曲线的标定如图7所示.可以看出:对 TDR探针进行表面处理后,测试得到的介电常数与行程时间之间的关系不再符合Topp公式,而Staub[26]认为其符合二次曲线函数关系;利用二次曲线对数据点进行拟合后得到TDR3-2介电常数-行程时间关系为 Ka=2.243Δt2-3.086Δt+1.510,拟合效果较好.

体积含水量-介电常数关系标定试验共获得数据点34个,如图8所示.2次平行测试结果较为接近,说明测试数据是较为可靠的.利用式(4)对所有数据点进行拟合,得到体积含水量与介电常数之间的关系曲线为 θ=0.12Ka0.5-0.081,与Chen[32]的试验结果较接近.初始不同含水量的试样表现出较一致的规律,说明有机质含量对TDR测试结果影响较小,这一结论与文献[22]一致.

2.3 TDR模型试验结果

由于现场垃圾初始含水量低于其持水能力,导致回灌过程中无渗滤液排出,而自制垃圾初始含水量高于持水量,试验一开始便能够收集到渗滤液.整个试验过程中含水量的计算结果和TDR测试结果如图9所示:

图8 体积含水量-介电常数标定结果Fig.8 Calibration of volumetric moisture contentpermittivity relationship

现场垃圾试样模型试验.根据TDR测试结果,每次回灌后的1～2min内,体积含水量便达到峰值,第1次回灌后体积含水量由最初的29.0%迅速升至37.8%,后逐渐下降,6d后降至30.0%,第2次回灌后升至40.5%,并于4d后降至31.9%,第3次回灌后又迅速达到峰值39.1%.根据水量平衡结果,回灌期间垃圾体积含水量由最初的28.9%上升至30.54%再升至32.2%.

自制垃圾试样模型试验.根据TDR测试结果,初始体积含水量为67.3%,自由排水1d后下降至41.5%,第一次回灌后1min即达到峰值67.0%,随后逐渐下降,6d后降至44.3%,第二次回灌后1min升至56.4%.根据水量平衡结果,垃圾样静置并自由排水1d后,体积含水量便由最初的66.4%下降至44.6%,回灌后升至45.2%,后随着渗滤液的排出,6d后降至43.0%.

无论是以胞内水为主要存在形式的自制垃圾还是以孔隙水为主的现场垃圾,对于初始状态含水量以及渗滤液回灌后达到稳定状态的含水量,TDR测试结果分别与烘干法计算结果以及水量平衡分析结果均较为接近,绝对误差一般在5%以内.因此,可以认为TDR技术适用于不同水分存在形式的填埋垃圾,且能够准确测试稳态渗流时的含水量.

图9 模型试验结果Fig.9 Testing results for different TDR cells

TDR对瞬态渗流引起的含水量变化比较敏感:渗滤液回灌后,湿润锋面进入 TDR探头感应范围时,含水量测试值瞬间增大至峰值;随着渗滤液向下运移,湿润锋面逐渐离开感应范围,含水量测试值逐渐下降至稳定状态.在渗滤液回灌后一段时间内,TDR测试结果与水量平衡分析结果相差较大,这是由于后者是整个模型箱中垃圾体含水量的平均值,而TDR测试结果则反映感应范围内垃圾层的含水量情况.

3 结论

3.1 电导率适用范围试验和测试影响范围试验结果表明:TDR3-1～TDR3-6能够测试的介质电导率范围依次为400,3000,2000,2000,1200,800mS/m以内,测试感应范围(垂直于探针排列方向)分别为17,14,15,21,19,17.5mm.利用权重评分法及综合考虑测试结果稳定性、制作工艺及质量控制等因素后,认为探针表面95%长度包裹热缩管的TDR是测试MSW介质含水量的较优选择.

3.2 选定的 TDR3-2的探针长度标定结果15.3cm;由于探针进行了表面处理,测得到的介电常数 Ka与行程时间 Δt之间的关系不再满足Topp公式,而是符合Ka=2.243Δt2-3.086Δt+1.510的二次曲线关系;体积含水量θ与介电常数Ka之间的关系曲线为θ=0.12Ka0.5-0.081.

3.3 模型试验结果表明,表面处理后的 TDR能够测试填埋垃圾的含水量,测试结果与利用烘干法计算得到的体积含水量较接近,绝对误差在5%以内;TDR探头能够对渗滤液瞬态渗流引起的垃圾体内含水量的变化迅速作出正常响应,当渗流达到稳定时,TDR测试结果与水量平衡分析结果较为接近,绝对误差在5%以内.

因此,TDR技术可以用于生活垃圾填埋场中以液体为媒介的生化环境主动调控的大型模型试验和现场试验中含水量的监测.

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Experimental study on monitoring moisture content in municipal solid wastes with high organic content: using coated TDR probe.

XU Hui, ZHAN Liang-tong*, MU Qing-yi, WANG Shun-yu, CHEN Yun-min
(Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou310027, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2030～2039

The aims of this experimental study were to evaluate the applicability of coated TDR probes in highly conductive MSWs with high organic content. TDR probes with identical geometry but different kinds of coating, i.e., coating with an epoxy-resin composite and PVC tube, were produced. The effect of the coating treatment on the dielectric permittivity measurement and the influence area of the TDR probes were evaluated. Based on the evaluation, the probe with a PVC coating on the95% of the rod length was recommended for the application in MSWs. The recommended TDR probe was calibrated and installed in two laboratory cells, i.e., one containing fresh MSWs and the other containing decomposed MSWs. The change of moisture content in the wastes was measured during and after leachate infiltration into the cells. The measurements demonstrated that the recommended coated TDR probe was effective in measuring the moisture content in the MSWs with a high organic content and was able to capture the hydraulic response of MSWs with transient seepage. The measurement of moisture content at the steady state condition was close to the result that calculated from water balance analysis, and the maximum difference was less than5%.

t：TDR；moisture content；MSW；high organic content；seepage

X705,TU411

：A

：1000-6923(2014)08-2030-10

徐 辉(1987-),男,浙江舟山人,博士研究生,主要从事岩石流变力学、城市固废填埋体多场相互作用及液气调控等方面的研究.发表论文7篇.

2013-11-22

国家“973”项目(2012CB719802)

* 责任作者, 教授, zhanlt@zju.edu.cn