渗滤液和生活污水在黄土中的渗透试验研究

王军利

摘要通过选取垃圾填埋场马兰黄土、渗滤液和污水厂生活污水样品，进行为期112天的室内土柱入渗试验，结果表明：在同一条件下，渗滤液在马兰黄土中的入渗率比生活污水在马兰黄土的入渗率小，在入渗前期，渗滤液和生活污水在马兰黄土中的入渗率逐渐减小，随着入渗时间的延长，渗滤液的入渗率又反弹升高，而生活污水的入渗率一直缓慢降低。

关键词 ：渗滤液生活污水马兰黄土入渗率

中图分类号：TU992文献标识码： A

我国黄土主要分布于西北地区黄河中上游一带，是世界上黄土分布最广泛的地区 。黄土沉积厚度大，结构疏松，是典型的风力沉积物，其具有大空隙结构，垂直节理发育，粒组成分以粗粒粉土为主，细粒粉土、黏粒粉土和粉细砂含量较低，易溶盐含量高，土体各向异性明显。当污水进入黄土后，一方面引起黄土的物理力学特性和化学特性发生变化；另一方面，污染物也在土体中发生弥散、稀释、吸附、挥发、化学、生物化学和生物降解作用。我国水体污染严重，有近 90 %以上的城市水域污染严重 ,50 %重点城镇水源水质不合标准。水污染正从东部向西部发展 ,从支流向干流延伸 ,从城市向农村蔓延 , 从地表向地下渗透 ,从区域向流域扩散。面临这种严重的水环境问题，近年来我国加大了污水人力处理力度，经过此次试验，本人将更深入地掌握生活污水及垃圾渗滤液在地层中的迁移转化规律，期望能为生活污水土地处理风险评价提供一定理论依据，使污水土地处理相关部门在考虑或正在运用土地处理生活污水时要合理安排干湿比及水力负荷；也期望为垃圾填埋场地的治理和风险评价提供一定的理论依据。

1 试验装置及方法

试验由相同的2套装置构成，每套装置由渗透土柱、支撑角钢台架、供液瓶和出液收集容器4部分组成。渗透土柱为有机玻璃管，管内径186mm，管长800mm，土柱净高650mm（下端设30 mm厚的砂粒滤层，上铺滤网）。采用马氏瓶原理供液，土柱上端进液，液面层厚保持5cm。

2 渗滤液和生活污水入渗率分析

2.1渗滤液和污水入渗曲线对比

本实验通过一维土柱淋浴实验，分析渗滤液和生活污水两种污染液体在一定温度下的垂直入渗率。渗透性是马兰黄土的重要水理性质之一，它不仅反映了黄土的颗粒组成、结构、紧密程度、孔隙度、空隙大小等因素，它也决定了进入地下含水层污染物的量以及地下水被污染的难易程度。渗滤液和生活污水入渗率-时间变化曲线见图5。渗滤液刚出液时入渗率为298ml/d，第3天上升到520ml/d，以后逐渐减少，第97天时降到112 ml/d，此后又逐渐升高，到实验结束时达到274ml/d；生活污水刚出液时入渗率为1129ml/d，第8天时上升到1340ml/d，此后缓慢降低到实验结束时的490ml/d。渗滤液和生活污水前期入渗规律是相似的，刚出液时入渗率都比较低，逐渐上升到一最大值，以后又开始下降。此外渗滤液曲线比生活污水波动大，渗滤液入渗率从第3天以后开始逐渐下降，但随时间推进入渗率开始波动，第33天入渗率由之前的75ml/d升到260ml/d，此后逐渐下降到第51天时的88ml/d，又逐渐升到第54天的225ml/d,此后逐渐降低到第97的112 ml/d，到实验结束时又升高到290 ml/d。而生活污水入渗率总体是降低的。

2.2 渗滤液入渗率和生活污水入渗率分析

2.2.1 渗滤液入渗率与生活污水入渗率差别分析

入渗率降低主要受物理化学生物三个方面因素的影响。一般而言，土体耐水性团粒的稳定程度是影响土体渗透率的重要因素，土体团粒稳定度低的系统，团粒破碎后变成细微的粘土粒子，在渗透作用下，其不断向下移动，逐渐形成致密的不透水层，从而导致了严重的土体堵塞。污水中的悬浮物、化学反应沉淀物、微生物代谢产物等在土体中的积累而造成的空隙减小是比较缓慢的。对于粘土粒子含量高，有效孔隙率小的土体，上述物质在土体颗粒表面聚集是非常迅速的，由此导致土体渗透速率迅速下降。

渗滤液和生活污水入在相同条件下入渗黄土，但渗滤液的入渗率比生活污水的低。引起两者入渗率不同的主要因素有以下几方面：首先，渗滤液中ss含量比生活污水高，由于机械溶率和吸附作用，大量的ss被拦截在土体中，填充有效孔隙率。此外，渗滤液中无机质占的比率相对也高，并且无机质更容易被吸附，也不会被微生物降解，由此造成土体有效孔隙率的减小幅度更大，这是引起渗滤液的入渗率比生活污水入渗率降低快的主要原因。其次,根据泊肃叶定律：Q=πGR4/(8µ)(在同一介质中,渗滤液在土体中G和R是相同的),µ值大时对应的Q就小, 由于在相同温度下渗滤液的粘度比生活污水大,因此渗滤液的入渗率比生活污水的小。再次，渗滤液中易形成难溶性的物质Mn4+，Fe3+,Na+.SO42-等比生活污水高很多，土体表面大量脱落的钙离子与钠离子交换后与硫酸根离子形成难溶性物质并堵塞土体孔隙。

2.2.2 渗滤液入渗率和生活污水入渗率变化趋势不同的原因

渗率液入渗率波动的主要原因是：原土体中杂质含量相对较少，土体颗粒比较均匀，分子引力强，它们之间的位置相对固定，随着土体自上而下吸附饱和，土颗粒周围吸满杂质后它们之间的分子引力减小，彼此相对独立，在土体底端一部分细小颗粒被渗滤液溶解（化学侵蚀），或者冲杀携带（机械侵蚀）向下运移。当这些细小颗粒被搬运走以后，土体中渗透流速加快，粒径较大的颗粒也被搬运，首先土体底部渗流出口处形成孔洞，孔洞又会促使渗透路径已经缩短、水力梯度有所增加的渗流向它集中，而在孔洞末端集中的渗透水流具有更大的侵蚀能力，所以孔洞不断沿最大水力梯度线溯源发展，最终形成一条水流集中的“管道”，因而其渗透速率升高。“管道”流速加快后孔道内部的压强减小，它周围一些离散的大颗粒又将被压入孔洞，这条管道又将被慢慢堵上，入渗率开始下降。渗流时间一长，上述现象重复出现，重复次数增多后，细小颗粒流失严重，延一方向上将出现不可逆的“管道”渗流----土体被穿透。

生活污水入渗率总趋势是减小的，第90天左右时渗透率有一段时间很低，这是由于当时试验温度很低，渗透失衡所致。生活污水水质相对简单，水溶性物质也较少，毒性化合物及重金属含量少，可生化性比渗滤液好，许多研究证明微生物的作用会导致土体堵塞现象。在土体渗透初期,污水中的SS在土体团粒表面和孔隙中聚集,堵塞了部分土体孔隙,使土体局部的Eh值不断下降并形成了厌氧环境。随着污水渗透的进行,在厌氧区域土体逐渐趋于还原状态,微生物活性受抑制,不但污水中的污染物质得不到彻底去除,而且微生物胞外聚合物也不断积累,进一步堵塞了土体孔隙,使厌氧形成过程进一步加速。此时的堵塞称为暂时性堵塞,这种堵塞经一段时间的落干后可以得以消除。在堵塞过程的后期,土体的团粒结构被破坏,形成的细微粘土粒子与许多淤积的SS共同形成致密不透水层,胞外聚合物的蓄积不断加速并继续堵塞土体孔隙。最终,在各种堵塞机理的综合作用下,土体孔隙完全堵塞,此时形成的堵塞很难通过落干操作消除,可以认为是一种永久性的堵塞。

3 结论

1）在积液5cm深，连续入渗下，刚入渗时，渗滤液在马兰黄土中的入渗率比较高，在入渗第3时高达520ml/d,此后入渗率波动降低，到第97天时为112ml/d,但随入渗时间延长，渗滤液在马兰黄土中的入渗率开始反弹升高，到第112天时高达274ml/d，可认为其在马兰黄土中形成渗流“管道”。因此，垃圾填埋场的人工防渗是保护地下水不受污染的关键措施，必须予以高度重视。

2）在积液5cm深，连续入渗时，生活污水在马兰黄土中的入渗率在实验运行第8天时达到1340ml/d，此后其入渗率逐渐降低，实验运行112天时降到490ml/d。因此在北方秋末、冬季、春初温度低时污水土地处理要合理安排，以防其对地下水的严重污染。

参考文献

【1】刘东生，孙继敏，吴文祥.中国黄土研究的历史、现状和未来—一次事实与故事相合的讨论【J】.第四纪研究，2001，21（3）：185—207.

【2】文启忠，潘景瑜，刁桂仪.黄河中游地区马兰黄土主要化学成分的再研究，自然科学进展，1994，

【3】李保雄; 牛永红; 苗天德. 兰州马兰黄土的物理力学特性.甘肃科学学报，2007.06