垃圾淋滤液胶体在含水介质中迁移-滞留规律

 康旭，  李海明，  李娜，  夏雪桐，  张荣海

（1．天津科技大学滨海地下利用与保护研究室，天津300457；

2．天津市海洋资源与化学重点实验室，天津300457）

  摘要：运用室内砂柱试验，研究垃圾淋滤液通过含水介质时胶体浓度的变化规律，胶体在砂柱不同位置的滞留情况以及含水介质对胶体的阻滞作用。研究发现，胶体相对浓度随时间变化趋势大致为“S”型，直至试验结束也并未完全穿透；沿水流方向，距进水口越远胶体迁移速率越小，含水介质对胶体的阻滞作用越大。在进水口0～60 cm之内胶体的突破时间稍稍早于示踪剂，其迁移速率略大于示踪剂；而60—100 cm之问胶体的突破时间稍稍晚于示踪剂，胶体的迁移速率小于示踪剂；60 cm处二者正好相等。垃圾淋滤液胶体在砂柱中不

同位置滞留情况不同，在距进水口0—20 cm内，胶体累积滞留量随时间不断增加，累计滞留量最多；距进水口20—40 cm、40—60 cm段累计滞留量随时问先增多后减少；60—80 cm、80—100 cm段累计滞留量随时间增加到一定程度后趋于稳定。

  关键词：垃圾淋滤液；胶体；迁移-滞留

  垃圾淋滤液为高浓度有机废水，对环境具有很大的危害。国内外对垃圾淋滤液污染地下水的研究很多，例如刘长礼等研究表明垃圾淋滤液污染地下水的综合污染指数高达59，单项污染组分如N02-、NH4+、COD等普遍比参照浓度高几十倍。温小乐等也研究发现，垃圾淋滤液进入土壤后，大量有机物质及金属离子与铵态氮共存，减弱了土壤胶体对铵态氮的吸附能力。狄军贞等研究认为当垃圾淋滤液中C1-含量较高时，极易对垃圾填埋场周边地区土壤一水环境产生污染。廖利等研究发现受到渗滤液浸蚀的土壤酸性降低，有机质和其它营养元素明显增加，并且存在重金属在土壤中的富集现象。王英等对垃圾淋滤液中胶体态组分构成发现主要为大分子有机物包裹在无机物表面，含量较高，性质稳定。垃圾淋滤液中大分子有机物，主要为腐殖酸，是极难生物降解的，这类物质基本分布于胶体态组分上，而可生物降解的有机物绝大多数存在于溶解态组分中。所以研究垃圾淋滤液中胶体态组分的特性是很有必要的。

 胶体对污染物，特别是低溶解度污染物迁移的促进作用已经在很多情况下得到了证实。例如王丰雨用粘壤土和粉壤土为基质，研究发现土壤胶体对Pb的迁移都具有不同程度的促进作用。郭清海等在研究粘土对砷的吸附作用时，发现未过滤的水样比过滤0.21 m滤纸的水样的As5+的浓度高出20—30倍，故而推测大部分As5+存在于胶体相。有研究发现胶体的存在并不仅仅对污染物的迁移起促进作用，当胶体形成并吸附污染物后，也可能抑制污染物的迁移。李海明等通过研究不同钠吸附比胶体在滨海含水介质中迁移动态特征，发现胶体的穿透曲线与示踪离子相比，存在一个临界孔隙体积数（临界点），在临界点之前胶体的迁移速率大于示踪离子，之后则相反。贾晓玉等运用土柱实验研究发现胶体在pH<7的时候胶体迁移会受阻，使含水介质的渗透性降低，孑1隙发生堵塞；反之，胶体在pH>7情况下会大大地促进胶体在含水介质中的迁移。

 目前，多数研究垃圾淋滤液污染物在含水介质中的变化规律，对于垃圾淋滤液胶体在含水介质中迁移一滞留空间变化规律的文献很少。本试验通过室内砂柱试验，研究垃圾淋滤液通过含水介质时，胶体浓度的变化规律，胶体在砂柱不同位置的滞留情况以及含水介质对胶体的阻滞作用。研究成果有助于揭示垃圾淋滤液胶体在含水层中的迁移转化规律。

1  试验材料与方法

1.1  试验材料

1.1.1  水样

 垃圾淋滤液取自天津市某一垃圾场，试验之前预沉淀24 h，使用棉布过滤，取澄清液置于供水箱中。测得垃圾淋滤液pH为8.29，胶体浓度为6.7x103 mg/1。

1,1.2  砂样

 试验采用粒径为150～200um的石英砂，容重为1.89，比重为2.45，孔隙度0.23.试验开始前使用超声波清洗石英砂，直至上清液浊度接近蒸馏水为止。

1.2  试验装置

本试验装置为自行装配的试验仪器，试验砂柱直径5 cm，长1m。主要由砂柱、定水头缓冲柱和供水箱组成。砂柱和定水头缓冲柱材质为PVC，砂柱具有进水口、出水口，距进水口20、40、60、80、100 cm处设5个取样口。定水头缓冲柱带有进水口、出水口和泄水口。其上端侧边为泄水口，使柱内水位一定，也在供水箱供水不足时起到一定的缓冲作用，确保试验的进行。试验装置示意图如图1所示。

1.3  试验方法

 将洗净的石英砂均匀装柱。装好后，取样口连接胶皮管，并用止水夹夹好。将进水口用胶皮管和若干三通头与定水头缓冲柱相连，将配置好的溶液由水泵送到供水箱，由供水箱向定水头缓冲柱供水。定水头由溢流口控制，溢流出的水重新送入供水箱循环使用。试验开始前，用蒸馏水浸泡并淋滤砂柱，赶走砂柱含水介质气泡。试验正式运行时，先使用一定浓度的氯化钠溶液淋滤砂柱，进行示踪试验，直到出水电导率平稳，用蒸馏水淋滤砂柱至出水电导率接近进水。然后用垃圾淋滤液淋滤砂柱，定时从不同取样口、出水口取样，测定其水样的电导率、浊度，同时记录出水流量。试验在水力梯度为0.25的情况下进行的。

本试验中利用重量法测得垃圾渗滤液中胶体浓度，为6 700 mg/1，分别移取0.50、1.00、2.00、3.00、5.00和7.00 m1垃圾渗滤液溶液于25 m1比色管中，加水至10 m1标线，均匀混合，用浊度计测定其浊度。以胶体浓度为横坐标，对应的浊度为纵坐标，绘制胶体浓度与浊度之间的相关曲线，即标准曲线，如图2所示。实际水样中可以测水样中的浊度应用标准曲线计算胶体浓度。

2  结果与分析

2.1  胶体在砂柱中迁移变化规律

2.1.1  示踪剂在砂柱中迁移的水动力弥散特征

  图3为距进水口不同位置示踪剂穿透曲线，即对浓度C/Co-时间f的曲线。李霄等在研究土柱试验求解地下含水介质弥散系数中，应用公式(1)求解弥散系数(D)。示踪剂水动力弥散特征见表1。

  根据公式(1)计算出弥散系数。

  式(1)中，D为弥散系数(m2/h)；y为水的运移速率(m/h)；t0.16、%．。、tom分别为示踪剂穿透曲线C/Co等于0.16、0.5和0.84时对应的时间(h)。

  根据公式(2)计算迁移速率。

式(2)中，1为取样口位置(m)。

  经对比发现沿水流方向，距进水口不同位置示踪剂迁移速率和弥散系数逐渐降低，迁移速率在距进水口40 cm之前并没有变化，均为0.143m2/h,但弥散系数下降，从2.434x10_3 m2/h下降到1.826x10-3 m2/h;在40—60 cm阶段，迁移速率下降幅度最大，从0.143m2/h下降到0.133 m2/h，下降了0.010 m2/h，弥散系数依旧下降，此阶段下降幅度为0.6x10-3 m2/h，与20—40 cm段相同；距进水口60—80 cm段迁移速率下降幅度很小，只下降0.002 m2/h．弥散系数从1.228x10-3 m2/h下降到0.705x10-3 m2/h；距进水口80—100 cm段迁移速率下降幅度略有增加，从0.131 m/h减小到0.127 m/h，减小了0.005 m/h，弥散系数下降的趋势变缓，只减少了0.2x10-3 m2m。总体来说，弥散系数降低得比较明显，从2.434x10-3 m2/h降低到0.507x10-3m2/h，其中相邻取样口间下降幅度分别为0.61x10-3、0.6x10-3、0.52x10-3、0.2x10-3 m2/h．可以明显看出，下降趋势逐渐变小，距进水口60 cm之前，下降的变化规律几乎为一条直线，但60 cm之后，弥散系数下降趋势变缓，最后降低到0.507x10-3 m2/h。

2.1.2  砂柱不同位置胶体浓度变化规律

垃圾淋滤液中含有一定量的胶体，进水胶体浓度为6.7x103 mg/1。胶体相对浓度与时间作C/Co-t图，如图4所示。

由图4可知，出水胶体浓度动态曲线近似为“S”型曲线。5个取样口的胶体相对浓度从0分别上升到0.6～0.8左右，并没有完全穿透，说明有一部分胶体滞留在砂柱内。其中距进水口20、40、60、80、100 cm处的出水相对胶体浓度分别稳定在0.60、0.72、0.77、0.74和0.68左右。根据试验数据和公式(1)、(2)，通过计算可得表2。

 通过表2可以看出在垃圾淋滤液淋滤砂柱情况下，出水胶体相对浓度到达0.5时的时间从1.3 h增加到8.3 h左右，直至试验结束，出水胶体相对浓度均未达到0.84。胶体迁移速率大体上呈现下降趋势，但在距进水口40 cm之前胶体迁移速率是不变的，均为0.154 m/h，而后变为0.133、0.123、0.120 m/h，迁移速率分别减少了0.021、0.010、0.003 m/h，下降趋势变缓。

对比表1和表2发现，在距进水口40 cm之前，示踪剂出水相对浓度达到0.16和0.5的时间分别长于出水胶体相对浓度达到0.16和0.5的突破时间；当距进水口60 cm时，二者相对浓度到0.16和0.5的突破时间相同，均为4.33 h和4.5 h；但在距进水口80cm和100 cm处胶体相对浓度达到0.16和0.5的突破时间晚于示踪剂。示踪剂溶液淋滤砂柱时，出水C1-的相对浓度均接近1，而垃圾淋滤液淋滤砂柱时，胶体出水相对浓度均未达到0.8。研究发现，砂柱不同位置垃圾淋滤液胶体迁移速率曲线与示踪剂相比，在距进水口60 cm处存在一交点，如图5所示。交点之前，胶体的迁移速率略大于示踪剂的迁移速率，交点之后示踪剂的迁移速率大于胶体的迁移速率，交点处二者正好相等。整体来看，示踪剂的迁移速率没有明显变化，大致呈现一条直线。

2.2  垃圾淋滤液胶体在砂柱中滞留量变化规律

经过图2可以看出，随着垃圾淋滤液的淋滤，砂柱不同位置出水胶体相对浓度并未达到1，说明有一部分胶体滞留在砂柱内。本文采用公式：胶体滞留量=（进水胶体浓度一出水胶体浓度）×流量，算出砂柱分段胶体滞留量，进一步不同位置分别计算累积滞留量，以时间为横坐标，累积滞留量为纵坐标，作图6如下。

 从图6中不难看出，胶体在砂柱内的滞留情况，大致可以分为3种情况。第1种情况为砂柱内胶体累计滞留量随时间的增加而不断增加。这种情况在距进水口0～20 cm段表现最为明显。总体来说，随着试验的进行，胶体的累积滞留量是不断增加的，从0增加到2 900 mg，并一直在上升，说明在此阶段中胶体不断滞留在砂柱中。第2种情况是开始阶段胶体累计滞留量不断增加，增加到最大值后开始下降。距进水口20—40 cm、40—60段就表现出如此变化规律。在距进水口20～40 cm段，胶体是在试验进行th后开始滞留，直至试验进行到3h左右，胶体从0-直累积到最大值640 mg，而后总的累积量开始下降，且变化曲线大致呈一条直线，直至试验结束，此段中砂柱内胶体累积滞留量只剩下50 mg左右。距进水口40～60cm段，也呈现同样的变化趋势，在试验开始2.5 h后，砂柱内开始滞留胶体，5h左右达到最大累积值900mg，而后累积滞留量略有下降，直至试验结束降低到820 mg。说明在此种情况下胶体先滞留在砂柱内，而后进行释放，所以总的滞留量表现出先上升后下降的趋势。第3种情况是在距进水口60～80 cm、80—100cm段，在这2段中，胶体在砂柱内累积滞留量为先上升，后稳定达到最大值。其中在60—80 cm段，试验开始4.2 h砂柱内开始出现胶体的滞留，在6.3 h之前，胶体累计量快速增加，增加到1 000 mg左右，在6.3 h之后胶体仍继续累积，但累积量很小，直至试验结束时，累积量只增加了200 mg;在80—100 cm段，在试验开始6h后，砂柱内开始出现胶体的滞留，2h后，1此段的胶体滞留量达到940 mg，随着试验的进行，胶体滞留量不断增加，直至试验结束，滞留量增加到970mg。

  直至试验结束，砂柱内胶体滞留量为6 101 mg，其中距进水口o—20 cm段胶体滞留量所占比例最大，达到47.94%，约占胶体总滞留量的一半。砂柱20～40 cm段胶体滞留量最小，仅为胶体总滞留量的3.59‰砂柱40—60 cm、60—80 cm、80～100 cm段胶体累积滞留量占总滞留量的百分比相差不大，分别为13.37%、19.22%和15.87%。说明垃圾渗滤液中胶体在砂柱内的滞留作用主要发生距入水口0—20 cm段。

2.3  含水介质对胶体的阻滞作用

影响胶体在砂柱中迁移速率、浓度分布和污染范围分布的一个重要因素是胶体在随地下水运动的过程中，由于含水介质对胶体的物理吸附另外等作用，导致胶体的运移速率低于甚至远低于地下水流速，这种延迟作用表现在定量化的数学描述上就是阻滞系数，用Rd表示。Rd可通过公式(3)测得：

式(3)中，t。。为胶体穿透曲线中相对浓度达到0.5时所需要的时间；to。为示踪剂穿透曲线中相对浓度达到0.5时的时间。根据公式(3)计算结果见表3。

  根据计算结果可以看出沿水流方向随着砂柱长度的增加，含水介质对胶体的阻滞系数逐渐增大，从0.867增加到1.051。距进水口60 cm之前，污染物穿透砂柱时间≤示踪剂穿透砂柱所需时间，此时阻滞系数≤1，说明污染物并未起到阻滞作用。距进水口80cm、100 cm处污染物在砂柱中迁移速率变慢，阻滞系数分别为1.066和1.051，均大于1，说明此时污染物的迁移速率小于示踪剂的迁移速率，阻滞作用明显。随着试验进行，进入砂柱的胶体越来越多，阻滞作用逐渐增大。

3结论

  (1)砂柱不同位置示踪离子和胶体迁移速率和弥散系数逐渐下降。不同位置示踪剂迁移速率曲线和胶体迁移速率曲线有一交点，交点之前，胶体的迁移速率略大于示踪剂的迁移速率，交点之后示踪剂的迁移速率大于胶体的迁移速率。

  (2)垃圾淋滤液胶体在砂柱中不同位置滞留情况不同。距进水口0—20 cm段，胶体累积滞留量随时间不断增加；距进水口20—40 cm、40—60 cm段，胶体累积滞留量随时间先逐渐增多，达到最高值后缓慢下降；距进水口60—80 cm、80—100 cm段胶体累积滞留量增加到一定程度后，增加幅度很小，基本趋于稳定。

  (3)胶体相对浓度随时间变化趋势大致为“S”型，直至试验结束也并未完全穿透。沿水流方向，含水介质对胶体的阻滞作用逐渐增大。