城市垃圾填埋场的沉降研究
刘疆鹰1，徐迪民1，赵由才1，李国建1，陈绍伟2，黄仁华2
1：同济大学污染控制与资源化国家重点实验室，上海 200092；2：上海市环卫局废弃物处置公司，上海 200063
摘要：通过对位于上海老港填埋场的3000 m2试验场（垃圾填埋高度4 m，填入垃圾10800 t）历时880 d的沉降监测，根据垃圾在填埋场中的降解机理，建立了反映填埋场沉降规律的数学模型，证明了模型的可靠性。研究表明，填埋场的第二阶段沉降（由于垃圾的生物降解而产生的）与填埋时间的指数呈线性关系。根据沉降规律，上海老港填埋场完成大约79%的第二阶段沉降，才能处于高稳定化状态。
关键词：垃圾；填埋场；沉降；垃圾生物降解；填埋场稳定化
中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1008-181X（2002）02-0111-05
卫生填埋是目前垃圾处理主要的方法之一，在填埋场垃圾漫长地降解与稳定化过程中，产生了填埋场表面的沉降，影响和妨碍了土地再利用，然而沉降却是填埋场稳定化进程的宏观表现和重要考察指标。因此，城市垃圾填埋场的沉降规律一直是填埋场研究中的重要课题。一般填埋场场地沉降要持续25年以上，其总沉降量为垃圾初始填埋高度的25%~50%，其中50%以上发生在封场后的第一年[1]。影响填埋场沉降的因素有[2]：①最初的压实程度；②垃圾的性质和降解情况；③被压实垃圾产生的固结作用；④最终覆盖层的高度。根据不同时期引发沉降的主要原因不同，填埋场的沉降过程一般可以分为三个阶段[3-5]：初始阶段、第一阶段和第二阶段。初始阶段的沉降，发生在填埋操作过程中；第一阶段的沉降，主要是填埋场内垃圾空隙中的水分和气体由于上层垃圾的压实作用而散逸所引起的，一般在1～6个月内完成；第二阶段的沉降，主要是由于垃圾自身的降解引起的。由物理原因而引起的初始沉降和第一阶段沉降历时较短，本文重点研究第二阶段沉降。
在过去国外的相关研究中，研究人员大多借用Holtz and Kovacs编写的《地质工程导论》中的经验公式，即沉降量与时间的对数呈线性关系，其数学模式为[3-6]：
S = H0 C（lnt-lnt0） （1）
式中：S — 第二阶段t时的沉降量，m；
H0 — 扣除初始阶段、第一阶段沉降量后的垃圾高度，m；
C — 第二阶段的沉降系数，d-1；
t — 时间，d；
t0 — 第一阶段沉降结束的时间，d.
经研究，我们认为上述模型应用于垃圾填埋场不合适。主要原因如下：（1）虽然Holtz and Kovacs在此式中对各参数的物理意义进行了说明，但参数之间的物理关系不明确，反映不出特定极限情况下的沉降量。从理论上说，若沉降时间足够长，垃圾降解趋于完全，沉降将趋于平衡，可按此式将得出沉降为无穷大；（2）此式并没有反映出第二阶段沉降同沉降原因—垃圾降解的联系。
虽然在填埋场内同时发生着物理、化学和生物变化，但过去的许多研究已证实，在漫长的垃圾降解过程中生物作用占主导，我们可以近似认为填埋场第二阶段沉降的完全是由于垃圾的生物降解而引起的，因此可以根据微生物作用规律来推倒理论模型，并可以认为填埋场中微生物对垃圾的降解为一级反应过程[7]。垃圾填埋场沉降模型可由以下几个方程组成：
PH = PH 0·C·e-kt （2）
ΔPH = PH 0－PH = PH 0（1－C·e-kt） （3）
S2 = H0·ΔPH = H0·PH 0（1－C·e-kt） （4）
H0 = H－S0－S1 （5）
S = S0 + S1 + S2 （6）
式中：S — 填埋场t时刻的总沉降量，m；
S2 — 第二阶段t时刻的沉降量，m；
S0 — 初始阶段的沉降量，m；
S1 — 第一阶段的沉降量，m；
H0 — 扣除初始阶段、第一阶段沉降量后的垃圾高度，m；
H — 填埋场内垃圾的初始高度，m；
C — 第二阶段的沉降系数，反映垃圾降解与沉降之间的转化关系；
t — 填埋时间，d；
k — 垃圾生物降解系数，d-1；
PH — 在第二阶段沉降的t时刻，填埋场内垃圾中可降解组分所占的相对高度（与H0的比值）；
PH 0 — 在第二阶段沉降起始时，填埋场内垃圾中可降解组分所占的相对高度（与H0的比值）；
图1 各监测点在试验场内的分布
ΔPH —在第二阶段沉降过程中，填埋场内垃圾中可降解组分所占的相对高度的变化量；
参数PH 0、C、H0和k主要与垃圾填埋高度、填埋场填毕后的压实状况、垃圾的组成与特性、垃圾填埋的方式、最终覆土层厚度、覆土层及垃圾层的渗透系数、填埋场的水文气象特征等具体因素有关。
由于对于填埋场的稳定化至今没有统一的定量化的评价指标，而沉降是垃圾降解的宏观表现，因此，可以把沉降作为一项指标来考察稳定化状况。若与渗滤液浓度、垃圾的总糖、总碳、BDM等微观指标相结合[8~12]，就可全面地把握填埋场的稳定化进程。本研究就是基于目前研究的现状，对试验场进行了两年半的监测，然后对垃圾降解的生物作用机理建立数学模型，并确定出模型中各参数的取值范围，最后利用模型对填埋场稳定化进程进行了预测。
1 试验现场
本研究以老港填埋场为研究对象。上海老港填埋场位于距市区60 km的东海边，占地约300 ha。垃圾填埋高度4 m，每天消纳城市生活垃圾6000～8000 t，至今已运行了15年。本工作所建造的试验场位于上海老港垃圾填埋场的北侧，试验场底部铺设有粘土和高分子材料衬底及排水管道，四周为厚2～3 m的粘土墙。填埋完毕后在垃圾表面覆盖了30 cm的粘土，渗透系数为1.5×10-5 cm/s，四周设有排水沟，以确保雨水及时排出。1995年4月10日开始将上海市区的生活垃圾不经任何预处理直接填入试验场，历时2周，共填入垃圾10858.26 t，垃圾填埋高度4 m，有效填埋面积3000 m2。填入后垃圾的初始密度为0.905 t/m3，所填垃圾组成（干质量）为，有机物37.67%、无机物43.78%、其它18.55%、含水率43.12%。
在试验场选定有代表性的7个点位，见图1。分别测定试验场在这些位置的沉降量。从1995年5月到1997年10月历时880 d，其中C点测定了12次，E点测定了6次，F点测定了10次，其余各点测定了29次。试验场中的监测点分布见图1。
2 结果与讨论
2.1 沉降的测定
图2 各监测点沉降实测值与模拟值对比
沉降量通过水准仪进行测定，各点沉降量测定值见图2。由于C、E、F点的实测数据不多，本文对A、B、D、G四个点的沉降规律进行了研究。从图中可以看出，填毕封场后174 d内，各点的沉降速率均较大，这是由于上层垃圾及覆土对下层垃圾的压实作用和垃圾孔隙中的水分和气体的逸出而引起的。其后沉降速率减慢，可以认为从此刻开始的沉降主要是由于垃圾自身缓慢地生物降解所引起的，本文重点研究由此往后的沉降规律。
2.2 沉降量与填埋时间关系及相应的数学模式
在方程(2)~(6)的基础上，根据最小二乘法拟合原理和现场试验数据（174 d后的监测数据），对4个点的沉降及平均沉降（实测沉降的算术平均值）与时间的关系进行指数回归拟合，结果列于表1。
表1 4个点处各参数的取值及沉降公式
监测点 k(d-1) PH 0 S0+S1+S21（m） C 相关系数r S2=H0·PH0（1－C·e-kt）
A S21 0.00290 0.013 0.489 1.695 0.969 S21=0.0465 - 0.0788e-0.0029t
S22 0.000212 0.090 0.505 1.056 0.978 S22=0.316 - 0.334e-0.000212t
B S21 0.00297 0.015 0.685 1.724 0.963 S21=0.0491 – 0.0847e-0.00297t
S22 0.000207 0.094 0.702 1.052 0.977 S22=0.309 – 0.325e-0.000207t
D S21 0.00204 0.019 0.793 1.446 0.981 S21=0.0614 – 0.0888e-0.00204t
S22 0.000239 0.178 0.809 1.083 0.995 S22=0.568 – 0.615e-0.000239t
G S21 0.00286 0.018 0.959 1.685 0.971 S21=0.0558 – 0.094e-0.00286t
S22 0.000150 0.163 0.978 1.043 0.984 S22=0.492 – 0.513e-0.00015t
平均 S21 0.00273 0.016 0.732 1.663 0.989 S21=0.0513 – 0.0853e-0.00273t
S22 0.000208 0.126 0.749 1.065 0.976 S22=0.409 – 0.435e-0.000208t
注：本研究中S21和S22均表示第二阶段沉降，S21适用于174 d≤t≤332 d，S22适用于t≥332 d。
根据得到的各监测点沉降方程，绘出S-t关系拟合曲线，并与实测数值进行了对比，结果列于图2。由图可知，实测数据与采用各对应点沉降方程式的计算值所绘制的S-t曲线基本相吻合，从而证实第二阶段沉降与时间指数的呈线性关系，并可采用方程（2）～（5）来预测试验场各对应位置不同时期的沉降和试验场的平均沉降。
2.3 讨论
填埋场内垃圾的生物降解使填埋场在宏观上表现出表面沉降，在本研究中A、B、D、G点沉降速率互有差异，由此可知，在这些点下填埋的垃圾组成不同，从研究得到的各点不同的垃圾生物降解系数也说明了这一点，说明填埋场发生的是有规律不均匀沉降。对方程（4）进行微分后可以看出沉降速率与初始填埋高度成正比，与时间成反比，随时间推移各点的沉降速率差距在减小，所以在图2上表现出各点的沉降曲线随时间推移趋于平行。
本研究中模拟出老港填埋场的第二阶段沉降曲线在332天处出现折点，说明填埋场垃圾降解进入完全厌氧阶段后，垃圾的降解呈现出两阶段的变化。根据微生物作用规律，填埋场中微生物对垃圾的降解经历了厌氧状态下养分较充足的外源代谢阶段和养分不充足的内源代谢阶段。当然，在每个阶段两种微生物代谢作用都是并存的。需要指出的是，在内源代谢阶段，垃圾中可供微生物降解的底物数量较少，又由于已经经历了好氧阶段、兼性好氧阶段、完全厌氧状态下的外源代谢阶段，积累了大量的不利用微生物生长的代谢产物，所以，微生物以内源代谢为主，对剩余垃圾的降解更加缓慢。对于上海老港填埋场，第二阶段沉降曲线折点位于332 d左右，由于每一个垃圾填埋场的具体条件：垃圾组成、填埋方式、填埋场的水文气象条件等等都不尽相同，所以，对于不同的填埋场折点出现的时间也不一样，332 d这一参数（其余各参数亦然）只适用于上海老港填埋场和其它条件相同或相近的填埋场。
由于填埋场内垃圾的降解引起的第二阶段的沉降，其沉降量与时间的指数呈线性关系，这一规律在本次大型现场试验研究中得到了证实；研究中得到在332 d后，老港填埋场的垃圾生物降解系数k的取值范围是0.0547～0.0875 a-1，平均为0.0762 a-1，由于k为通过对沉降的监测间接得到的，它反映了填埋场一定区域内垃圾整体的降解情况，从数值上分析，本研究中的k值范围与国外针对垃圾中某组分（如有机碳、纤维素等）研究所得的k值范围（0.012～0.087 a-1）相符，且处于偏高区段[13-19]，原因是老港填埋场表层覆土仅30 cm，而且处在气候温和，降雨丰富的地区，非常有利于垃圾的降解，我们对渗滤液和填埋场中垃圾的研究结果也充分说明了这一点[8~12]。
本研究表明上海老港填埋场可发生的沉降约为初始填埋高度的28.9%（四个点分别为20.5%、25.3%、34.4%、36.7%）；其中第二阶段沉降的可沉降程度为初始填埋高度的10.7%（4个点分别为8.3%、8.2%、14.6%、12.8%）。垃圾的初始沉降和第一阶段沉降均历时较短，本研究经测定分析在174 d内完成，两者的沉降总量约占可发生的总沉降的18.3%（4个监测点的这部分沉降分别占总沉降的12.2%、17.1%、19.8%、24%）。
表2 封场后16年时各项指标预测值
年平均沉降/m 总糖 有机碳 挥发性固体 粗纤维 生物可降解物 COD质量浓度/(mg×L-1) NH3-N质量浓度/(mg×L-1)
/%
< 0.01 0.0128 4.81 8.59 4.43 3.93 64 44
随着填埋时间的推移，沉降幅度越来越小，安全性越来越大。对于填埋场的稳定化由于至今没有统一的定量化的评价指标，在宏观方面，可以通过沉降指标来考察，例如若以年平均沉降小于1 cm作为填埋场处于稳定化状态的基本条件之一，通过表1中平均沉降方程可以预测，对上海老港填埋场而言，至少需要16年才可满足稳定化对沉降的要求，此时填埋场的平均总沉降为1.286 m。为验证这一点，我们结合对渗滤液和垃圾研究成果[8-12]，相应的考察指标预测值列于表2。
从表2可知，经过16年后，虽然老港填埋场大约70%的第二阶段沉降已完成，而且每年发生的沉降非常小，渗滤水中COD浓度已衰减到国家规定的生活垃圾填埋污染控制一级排放标准规定的300 mg/L以下，但氨氮浓度仍未衰减到25 mg/L的标准。对渗滤水的研究表明，若其中氨氮浓度小于25 mg/L，则至少需要21年的填埋时间，以此推算，此时填埋场已完成了约79%的第二阶段沉降，垃圾也基本上变成了矿化垃圾，稳定化和无害化程度都非常高。
3 结论
对大型垃圾填埋场的沉降进行了历时880天的监测，取得以下研究结论：
①填埋场内部垃圾的生物降解导致填埋场发生规律显著的表面沉降。由于填埋堆层垃圾组分的差异，致使填埋场产生不均匀沉降；
②由填埋场中垃圾降解引发的第二阶段沉降，其沉降量与时间的指数呈线性关系，其数学模型可用本文中方程（2）～（6）来表示；
③由于填埋场中微生物对垃圾的降解经历厌氧状态下养分较充足的外源代谢阶段和养分不充足的内源代谢阶段，导致填埋场第二阶段沉降呈现出明显不同的两阶段；
④对于上海老港填埋场，最少要发生79%的第二阶段沉降，才能处于高稳定化状态；
⑤沉降是垃圾降解的宏观表现，是填埋场稳定化过程的重要指标，沉降过程呈现出显著规律性，并易于监测。因此可采用监测填埋场垃圾沉降的规律来描述填埋场垃圾的降解过程和填埋场的稳定化进程。
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