垃圾淋濾液膠體在含水介質(zhì)中遷移-滯留規(guī)律
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康旭， 李海明， 李娜， 夏雪桐， 張榮海
（1．天津科技大學(xué)濱海地下利用與保護(hù)研究室，天津300457；
2．天津市海洋資源與化學(xué)重點實驗室，天津300457）
摘要：運用室內(nèi)砂柱試驗，研究垃圾淋濾液通過含水介質(zhì)時膠體濃度的變化規(guī)律，膠體在砂柱不同位置的滯留情況以及含水介質(zhì)對膠體的阻滯作用。研究發(fā)現(xiàn)，膠體相對濃度隨時間變化趨勢大致為“S”型，直至試驗結(jié)束也并未完全穿透；沿水流方向，距進(jìn)水口越遠(yuǎn)膠體遷移速率越小，含水介質(zhì)對膠體的阻滯作用越大。在進(jìn)水口0～60 cm之內(nèi)膠體的突破時間稍稍早于示蹤劑，其遷移速率略大于示蹤劑；而60—100 cm之問膠體的突破時間稍稍晚于示蹤劑，膠體的遷移速率小于示蹤劑；60 cm處二者正好相等。垃圾淋濾液膠體在砂柱中不
同位置滯留情況不同，在距進(jìn)水口0—20 cm內(nèi)，膠體累積滯留量隨時間不斷增加，累計滯留量最多；距進(jìn)水口20—40 cm、40—60 cm段累計滯留量隨時問先增多后減少；60—80 cm、80—100 cm段累計滯留量隨時間增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：垃圾淋濾液；膠體；遷移-滯留
垃圾淋濾液為高濃度有機(jī)廢水，對環(huán)境具有很大的危害。國內(nèi)外對垃圾淋濾液污染地下水的研究很多，例如劉長禮等研究表明垃圾淋濾液污染地下水的綜合污染指數(shù)高達(dá)59，單項污染組分如N02-、NH4+、COD等普遍比參照濃度高幾十倍。溫小樂等也研究發(fā)現(xiàn)，垃圾淋濾液進(jìn)入土壤后，大量有機(jī)物質(zhì)及金屬離子與銨態(tài)氮共存，減弱了土壤膠體對銨態(tài)氮的吸附能力。狄軍貞等研究認(rèn)為當(dāng)垃圾淋濾液中C1-含量較高時，極易對垃圾填埋場周邊地區(qū)土壤一水環(huán)境產(chǎn)生污染。廖利等研究發(fā)現(xiàn)受到滲濾液浸蝕的土壤酸性降低，有機(jī)質(zhì)和其它營養(yǎng)元素明顯增加，并且存在重金屬在土壤中的富集現(xiàn)象。王英等對垃圾淋濾液中膠體態(tài)組分構(gòu)成發(fā)現(xiàn)主要為大分子有機(jī)物包裹在無機(jī)物表面，含量較高，性質(zhì)穩(wěn)定。垃圾淋濾液中大分子有機(jī)物，主要為腐殖酸，是極難生物降解的，這類物質(zhì)基本分布于膠體態(tài)組分上，而可生物降解的有機(jī)物絕大多數(shù)存在于溶解態(tài)組分中。所以研究垃圾淋濾液中膠體態(tài)組分的特性是很有必要的。
膠體對污染物，特別是低溶解度污染物遷移的促進(jìn)作用已經(jīng)在很多情況下得到了證實。例如王豐雨用粘壤土和粉壤土為基質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)土壤膠體對Pb的遷移都具有不同程度的促進(jìn)作用。郭清海等在研究粘土對砷的吸附作用時，發(fā)現(xiàn)未過濾的水樣比過濾0.21 m濾紙的水樣的As5+的濃度高出20—30倍，故而推測大部分As5+存在于膠體相。有研究發(fā)現(xiàn)膠體的存在并不僅僅對污染物的遷移起促進(jìn)作用，當(dāng)膠體形成并吸附污染物后，也可能抑制污染物的遷移。李海明等通過研究不同鈉吸附比膠體在濱海含水介質(zhì)中遷移動態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)膠體的穿透曲線與示蹤離子相比，存在一個臨界孔隙體積數(shù)（臨界點），在臨界點之前膠體的遷移速率大于示蹤離子，之后則相反。賈曉玉等運用土柱實驗研究發(fā)現(xiàn)膠體在pH<7的時候膠體遷移會受阻，使含水介質(zhì)的滲透性降低，孑1隙發(fā)生堵塞；反之，膠體在pH>7情況下會大大地促進(jìn)膠體在含水介質(zhì)中的遷移。
目前，多數(shù)研究垃圾淋濾液污染物在含水介質(zhì)中的變化規(guī)律，對于垃圾淋濾液膠體在含水介質(zhì)中遷移一滯留空間變化規(guī)律的文獻(xiàn)很少。本試驗通過室內(nèi)砂柱試驗，研究垃圾淋濾液通過含水介質(zhì)時，膠體濃度的變化規(guī)律，膠體在砂柱不同位置的滯留情況以及含水介質(zhì)對膠體的阻滯作用。研究成果有助于揭示垃圾淋濾液膠體在含水層中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。
1 試驗材料與方法
1.1 試驗材料
1.1.1 水樣
垃圾淋濾液取自天津市某一垃圾場，試驗之前預(yù)沉淀24 h，使用棉布過濾，取澄清液置于供水箱中。測得垃圾淋濾液pH為8.29，膠體濃度為6.7x103 mg/1。
1,1.2 砂樣
試驗采用粒徑為150～200um的石英砂，容重為1.89，比重為2.45，孔隙度0.23.試驗開始前使用超聲波清洗石英砂，直至上清液濁度接近蒸餾水為止。
1.2 試驗裝置
本試驗裝置為自行裝配的試驗儀器，試驗砂柱直徑5 cm，長1m。主要由砂柱、定水頭緩沖柱和供水箱組成。砂柱和定水頭緩沖柱材質(zhì)為PVC，砂柱具有進(jìn)水口、出水口，距進(jìn)水口20、40、60、80、100 cm處設(shè)5個取樣口。定水頭緩沖柱帶有進(jìn)水口、出水口和泄水口。其上端側(cè)邊為泄水口，使柱內(nèi)水位一定，也在供水箱供水不足時起到一定的緩沖作用，確保試驗的進(jìn)行。試驗裝置示意圖如圖1所示。
1.3 試驗方法
將洗凈的石英砂均勻裝柱。裝好后，取樣口連接膠皮管，并用止水夾夾好。將進(jìn)水口用膠皮管和若干三通頭與定水頭緩沖柱相連，將配置好的溶液由水泵送到供水箱，由供水箱向定水頭緩沖柱供水。定水頭由溢流口控制，溢流出的水重新送入供水箱循環(huán)使用。試驗開始前，用蒸餾水浸泡并淋濾砂柱，趕走砂柱含水介質(zhì)氣泡。試驗正式運行時，先使用一定濃度的氯化鈉溶液淋濾砂柱，進(jìn)行示蹤試驗，直到出水電導(dǎo)率平穩(wěn)，用蒸餾水淋濾砂柱至出水電導(dǎo)率接近進(jìn)水。然后用垃圾淋濾液淋濾砂柱，定時從不同取樣口、出水口取樣，測定其水樣的電導(dǎo)率、濁度，同時記錄出水流量。試驗在水力梯度為0.25的情況下進(jìn)行的。
本試驗中利用重量法測得垃圾滲濾液中膠體濃度，為6 700 mg/1，分別移取0.50、1.00、2.00、3.00、5.00和7.00 m1垃圾滲濾液溶液于25 m1比色管中，加水至10 m1標(biāo)線，均勻混合，用濁度計測定其濁度。以膠體濃度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的濁度為縱坐標(biāo)，繪制膠體濃度與濁度之間的相關(guān)曲線，即標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖2所示。實際水樣中可以測水樣中的濁度應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)曲線計算膠體濃度。
2 結(jié)果與分析
2.1 膠體在砂柱中遷移變化規(guī)律
2.1.1 示蹤劑在砂柱中遷移的水動力彌散特征
圖3為距進(jìn)水口不同位置示蹤劑穿透曲線，即對濃度C/Co-時間f的曲線。李霄等在研究土柱試驗求解地下含水介質(zhì)彌散系數(shù)中，應(yīng)用公式(1)求解彌散系數(shù)(D)。示蹤劑水動力彌散特征見表1。
根據(jù)公式(1)計算出彌散系數(shù)。
式(1)中，D為彌散系數(shù)(m2/h)；y為水的運移速率(m/h)；t0.16、%．。、tom分別為示蹤劑穿透曲線C/Co等于0.16、0.5和0.84時對應(yīng)的時間(h)。
根據(jù)公式(2)計算遷移速率。
式(2)中，1為取樣口位置(m)。
經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)沿水流方向，距進(jìn)水口不同位置示蹤劑遷移速率和彌散系數(shù)逐漸降低，遷移速率在距進(jìn)水口40 cm之前并沒有變化，均為0.143m2/h,但彌散系數(shù)下降，從2.434x10_3 m2/h下降到1.826x10-3 m2/h;在40—60 cm階段，遷移速率下降幅度最大，從0.143m2/h下降到0.133 m2/h，下降了0.010 m2/h，彌散系數(shù)依舊下降，此階段下降幅度為0.6x10-3 m2/h，與20—40 cm段相同；距進(jìn)水口60—80 cm段遷移速率下降幅度很小，只下降0.002 m2/h．彌散系數(shù)從1.228x10-3 m2/h下降到0.705x10-3 m2/h；距進(jìn)水口80—100 cm段遷移速率下降幅度略有增加，從0.131 m/h減小到0.127 m/h，減小了0.005 m/h，彌散系數(shù)下降的趨勢變緩，只減少了0.2x10-3 m2m�？傮w來說，彌散系數(shù)降低得比較明顯，從2.434x10-3 m2/h降低到0.507x10-3m2/h，其中相鄰取樣口間下降幅度分別為0.61x10-3、0.6x10-3、0.52x10-3、0.2x10-3 m2/h．可以明顯看出，下降趨勢逐漸變小，距進(jìn)水口60 cm之前，下降的變化規(guī)律幾乎為一條直線，但60 cm之后，彌散系數(shù)下降趨勢變緩，最后降低到0.507x10-3 m2/h。
2.1.2 砂柱不同位置膠體濃度變化規(guī)律
垃圾淋濾液中含有一定量的膠體，進(jìn)水膠體濃度為6.7x103 mg/1。膠體相對濃度與時間作C/Co-t圖，如圖4所示。
由圖4可知，出水膠體濃度動態(tài)曲線近似為“S”型曲線。5個取樣口的膠體相對濃度從0分別上升到0.6～0.8左右，并沒有完全穿透，說明有一部分膠體滯留在砂柱內(nèi)。其中距進(jìn)水口20、40、60、80、100 cm處的出水相對膠體濃度分別穩(wěn)定在0.60、0.72、0.77、0.74和0.68左右。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和公式(1)、(2)，通過計算可得表2。
通過表2可以看出在垃圾淋濾液淋濾砂柱情況下，出水膠體相對濃度到達(dá)0.5時的時間從1.3 h增加到8.3 h左右，直至試驗結(jié)束，出水膠體相對濃度均未達(dá)到0.84。膠體遷移速率大體上呈現(xiàn)下降趨勢，但在距進(jìn)水口40 cm之前膠體遷移速率是不變的，均為0.154 m/h，而后變?yōu)?.133、0.123、0.120 m/h，遷移速率分別減少了0.021、0.010、0.003 m/h，下降趨勢變緩。
對比表1和表2發(fā)現(xiàn)，在距進(jìn)水口40 cm之前，示蹤劑出水相對濃度達(dá)到0.16和0.5的時間分別長于出水膠體相對濃度達(dá)到0.16和0.5的突破時間；當(dāng)距進(jìn)水口60 cm時，二者相對濃度到0.16和0.5的突破時間相同，均為4.33 h和4.5 h；但在距進(jìn)水口80cm和100 cm處膠體相對濃度達(dá)到0.16和0.5的突破時間晚于示蹤劑。示蹤劑溶液淋濾砂柱時，出水C1-的相對濃度均接近1，而垃圾淋濾液淋濾砂柱時，膠體出水相對濃度均未達(dá)到0.8。研究發(fā)現(xiàn)，砂柱不同位置垃圾淋濾液膠體遷移速率曲線與示蹤劑相比，在距進(jìn)水口60 cm處存在一交點，如圖5所示。交點之前，膠體的遷移速率略大于示蹤劑的遷移速率，交點之后示蹤劑的遷移速率大于膠體的遷移速率，交點處二者正好相等。整體來看，示蹤劑的遷移速率沒有明顯變化，大致呈現(xiàn)一條直線。
2.2 垃圾淋濾液膠體在砂柱中滯留量變化規(guī)律
經(jīng)過圖2可以看出，隨著垃圾淋濾液的淋濾，砂柱不同位置出水膠體相對濃度并未達(dá)到1，說明有一部分膠體滯留在砂柱內(nèi)。本文采用公式：膠體滯留量=（進(jìn)水膠體濃度一出水膠體濃度）×流量，算出砂柱分段膠體滯留量，進(jìn)一步不同位置分別計算累積滯留量，以時間為橫坐標(biāo)，累積滯留量為縱坐標(biāo)，作圖6如下。
從圖6中不難看出，膠體在砂柱內(nèi)的滯留情況，大致可以分為3種情況。第1種情況為砂柱內(nèi)膠體累計滯留量隨時間的增加而不斷增加。這種情況在距進(jìn)水口0～20 cm段表現(xiàn)最為明顯�？傮w來說，隨著試驗的進(jìn)行，膠體的累積滯留量是不斷增加的，從0增加到2 900 mg，并一直在上升，說明在此階段中膠體不斷滯留在砂柱中。第2種情況是開始階段膠體累計滯留量不斷增加，增加到最大值后開始下降。距進(jìn)水口20—40 cm、40—60段就表現(xiàn)出如此變化規(guī)律。在距進(jìn)水口20～40 cm段，膠體是在試驗進(jìn)行th后開始滯留，直至試驗進(jìn)行到3h左右，膠體從0-直累積到最大值640 mg，而后總的累積量開始下降，且變化曲線大致呈一條直線，直至試驗結(jié)束，此段中砂柱內(nèi)膠體累積滯留量只剩下50 mg左右。距進(jìn)水口40～60cm段，也呈現(xiàn)同樣的變化趨勢，在試驗開始2.5 h后，砂柱內(nèi)開始滯留膠體，5h左右達(dá)到最大累積值900mg，而后累積滯留量略有下降，直至試驗結(jié)束降低到820 mg。說明在此種情況下膠體先滯留在砂柱內(nèi)，而后進(jìn)行釋放，所以總的滯留量表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。第3種情況是在距進(jìn)水口60～80 cm、80—100cm段，在這2段中，膠體在砂柱內(nèi)累積滯留量為先上升，后穩(wěn)定達(dá)到最大值。其中在60—80 cm段，試驗開始4.2 h砂柱內(nèi)開始出現(xiàn)膠體的滯留，在6.3 h之前，膠體累計量快速增加，增加到1 000 mg左右，在6.3 h之后膠體仍繼續(xù)累積，但累積量很小，直至試驗結(jié)束時，累積量只增加了200 mg;在80—100 cm段，在試驗開始6h后，砂柱內(nèi)開始出現(xiàn)膠體的滯留，2h后，1此段的膠體滯留量達(dá)到940 mg，隨著試驗的進(jìn)行，膠體滯留量不斷增加，直至試驗結(jié)束，滯留量增加到970mg。
直至試驗結(jié)束，砂柱內(nèi)膠體滯留量為6 101 mg，其中距進(jìn)水口o—20 cm段膠體滯留量所占比例最大，達(dá)到47.94%，約占膠體總滯留量的一半。砂柱20～40 cm段膠體滯留量最小，僅為膠體總滯留量的3.59‰砂柱40—60 cm、60—80 cm、80～100 cm段膠體累積滯留量占總滯留量的百分比相差不大，分別為13.37%、19.22%和15.87%。說明垃圾滲濾液中膠體在砂柱內(nèi)的滯留作用主要發(fā)生距入水口0—20 cm段。
2.3 含水介質(zhì)對膠體的阻滯作用
影響膠體在砂柱中遷移速率、濃度分布和污染范圍分布的一個重要因素是膠體在隨地下水運動的過程中，由于含水介質(zhì)對膠體的物理吸附另外等作用，導(dǎo)致膠體的運移速率低于甚至遠(yuǎn)低于地下水流速，這種延遲作用表現(xiàn)在定量化的數(shù)學(xué)描述上就是阻滯系數(shù)，用Rd表示。Rd可通過公式(3)測得：
式(3)中，t。。為膠體穿透曲線中相對濃度達(dá)到0.5時所需要的時間；to。為示蹤劑穿透曲線中相對濃度達(dá)到0.5時的時間。根據(jù)公式(3)計算結(jié)果見表3。
根據(jù)計算結(jié)果可以看出沿水流方向隨著砂柱長度的增加，含水介質(zhì)對膠體的阻滯系數(shù)逐漸增大，從0.867增加到1.051。距進(jìn)水口60 cm之前，污染物穿透砂柱時間≤示蹤劑穿透砂柱所需時間，此時阻滯系數(shù)≤1，說明污染物并未起到阻滯作用。距進(jìn)水口80cm、100 cm處污染物在砂柱中遷移速率變慢，阻滯系數(shù)分別為1.066和1.051，均大于1，說明此時污染物的遷移速率小于示蹤劑的遷移速率，阻滯作用明顯。隨著試驗進(jìn)行，進(jìn)入砂柱的膠體越來越多，阻滯作用逐漸增大。
3結(jié)論
(1)砂柱不同位置示蹤離子和膠體遷移速率和彌散系數(shù)逐漸下降。不同位置示蹤劑遷移速率曲線和膠體遷移速率曲線有一交點，交點之前，膠體的遷移速率略大于示蹤劑的遷移速率，交點之后示蹤劑的遷移速率大于膠體的遷移速率。
(2)垃圾淋濾液膠體在砂柱中不同位置滯留情況不同。距進(jìn)水口0—20 cm段，膠體累積滯留量隨時間不斷增加；距進(jìn)水口20—40 cm、40—60 cm段，膠體累積滯留量隨時間先逐漸增多，達(dá)到最高值后緩慢下降；距進(jìn)水口60—80 cm、80—100 cm段膠體累積滯留量增加到一定程度后，增加幅度很小，基本趨于穩(wěn)定。
(3)膠體相對濃度隨時間變化趨勢大致為“S”型，直至試驗結(jié)束也并未完全穿透。沿水流方向，含水介質(zhì)對膠體的阻滯作用逐漸增大。
