土壤填埋试验

土壤填埋试验技术指南

1 试验目的与意义

土壤填埋试验是固体废物安全处置技术研究中的核心环节，其目的在于通过可控模拟或实地观测，全面评估特定废物在填埋环境下的长期行为及其对环境介质（土壤、地下水、大气）的潜在影响。该试验为关键科学问题提供实证依据，包括：

• 污染物释放规律： 揭示目标废物中关键污染物（如重金属、有机污染物、氮磷营养盐等）随渗滤液迁移或在填埋层内转化的动力学过程。
• 降解稳定性评估： 量化废物有机组分在厌氧或准好氧填埋条件下的生物降解速率与程度，预测沉降行为与气体（甲烷、二氧化碳等）产生量。
• 屏障系统有效性验证： 检验各类衬垫（粘土、人工合成材料）和覆盖系统的物理阻隔性能、化学相容性及长期防渗效果。
• 环境影响预测建模： 为数值模型提供关键输入参数（如渗透系数、阻滞因子、降解速率常数），提升填埋场长期环境风险预测的准确性。
• 废物预处理/稳定化效果评价： 评估焚烧灰渣固化稳定化、污泥好氧预处理等工艺对降低废物填埋环境风险的实际效能。

2 试验类型与方法

根据研究目的、尺度与精度要求，主要采用两类试验方法：

• 2.1 实验室模拟试验

  • 浸出试验： 采用标准方法（如HJ/T 299-2007、HJ 557-2010、EN 12457系列、TCLP、SPLP等）测定废物在特定液固比、浸提剂（酸、水等）及振荡时间下的污染物浸出浓度与总量，初步表征其可浸出性。
  • 柱试验：
    • 土柱淋溶试验： 将废物样品（或废物-土混合物）填充于垂直柱中，模拟降水入渗过程。控制淋溶液流速、成分（如模拟酸雨），持续收集渗滤液分析污染物浓度变化，研究污染物在包气带中的迁移、吸附与转化行为。
    • 渗透试验： 测定压实废物层或衬垫材料的饱和水力传导系数（渗透系数），评估其防渗性能。通常使用柔性壁或刚性壁渗透仪。
  • 生物降解模拟试验：
    • 填埋模拟反应器： 使用可控制温度、湿度、压实度、渗滤液回灌及气体收集的中小型反应装置（如1L至100L），模拟厌氧或生物反应器填埋条件。持续监测渗滤液污染物（COD、BOD₅、NH₄⁺-N、重金属等）、产气量及成分（CH₄, CO₂, H₂S等）、pH、ORP（氧化还原电位）等指标，研究降解动力学与稳定化速率。
    • 呼吸计量法： 通过测定密闭系统中微生物耗氧量或产气量（如OxiTop®系统），快速评估有机废物的生化降解潜能与稳定性。
  • 材料相容性试验： 将衬垫材料（合成材料、粘土）与渗滤液或其浓缩物长期接触，测试材料的溶胀、收缩、强度变化及化学稳定性，评估其在填埋环境下的耐久性。

• 2.2 现场试验单元

  • 试验坑/试验单元： 在拟建或运行中的填埋场内，构建具有独立衬垫、渗滤液收集导排（LCRS）和气体收集（GCS）系统的小型填埋单元（几十至数百立方米）。填入研究对象废物，进行长期（数年甚至数十年）监测：
    • 渗滤液： 产量、主要理化指标（COD、BOD₅、TOC、NH₄⁺-N、NO₃^--N、TDS、重金属等）、特定目标污染物。
    • 填埋气： 产量、成分（CH₄, CO₂, O₂, N₂, H₂S, VOCs等）。
    • 沉降： 表面沉降量及速率。
    • 周围环境： 邻近地下水监测井水质、填埋单元周边土壤气。
  • 原位采样与监测： 在大型填埋场特定区域（如不同填龄、不同废物类型分区）钻孔取样，分析废物基质理化性质、污染物残留量及分布；安装传感器长期监测温度、湿度、压力、气体组分等。

3 关键监测指标

• 渗滤液特性： 流量（产量）、pH、电导率（EC）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD₅）、总有机碳（TOC）、总悬浮固体（TSS）、氨氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、总氮（TN）、总磷（TP）、氯化物（Cl^-）、硫酸盐（SO₄^2-）、碱度、重金属（As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn等）、挥发性有机化合物（VOCs）、半挥发性有机化合物（SVOCs）、新兴污染物（如PFAS、药品及个人护理用品PPCPs）。
• 填埋气特性： 流量（产量）、甲烷（CH₄）含量、二氧化碳（CO₂）含量、氧气（O₂）含量、氮气（N₂）含量、微量气体（H₂S, NH₃, VOCs等）。
• 废物基质特性： 含水率、堆积密度、有机质含量（LOI - 灼烧失量）、总碳（TC）、总氮（TN）、总磷（TP）、纤维素/半纤维素/木质素含量、重金属及其他目标污染物总量与形态、生物活性（呼吸活性）。
• 物理参数： 沉降量（表面沉降、内部变形）、温度（废物体内部、填埋气、渗滤液）、孔隙水压力。
• 环境介质： 周边地下水中关键污染物浓度、填埋场边界土壤气中CH₄及VOCs浓度。

4 数据分析与评估

• 污染物释放通量/负荷计算： 基于渗滤液污染物浓度和流量数据，计算特定污染物单位时间或单位质量废物的释放量。
• 污染物迁移转化模型标定： 利用试验获得的污染物穿透曲线（BTC）、吸附分配系数（K_d）、降解速率常数（λ）等参数，验证和改进污染物在土壤/废物包气带及含水层中迁移转化的数学模型。
• 长期行为预测： 整合试验数据（污染物释放模式、衰减规律、填埋体沉降稳定时间），应用数学模型预测填埋场在封场后数十年甚至上百年的渗滤液水质变化趋势、产气规律及环境风险。
• 稳定化程度评价： 综合评估渗滤液污染物浓度下降速率、BOD₅/COD比值降低、产甲烷速率、沉降速率趋缓等指标，判断废物达到相对稳定状态所需时间（稳定化阶段）。
• 屏障系统性能评估： 分析衬垫渗透系数长期变化、渗漏检测层流量、材料物理化学性能变化数据，评估其长期防渗有效性及服役寿命。
• 环境影响与风险评估： 结合污染物释放量、迁移转化规律以及场地水文地质条件，评估污染物迁移至地下水或通过土壤气挥发对周边环境和人体健康的潜在风险。

5 安全与环境注意事项

• 人员防护： 涉及渗滤液、填埋气、粉尘样品采集与分析的试验人员，必须配备适当的个人防护装备（PPE），包括但不限于防护手套（耐化学腐蚀）、护目镜/防护面罩、防护服、呼吸防护装备（尤其在密闭空间或高浓度气体环境）。
• 气体安全： 填埋气（特别是甲烷）具有易燃易爆性，硫化氢具有剧毒性。现场试验单元、实验室模拟装置的气体空间需持续监测（CH₄, O₂, H₂S, CO），安装通风设备和防爆电器。严禁明火。
• 渗滤液处理： 试验产生的渗滤液含有高浓度污染物和病原微生物，属于危险废物。必须严格按照相关管理规定进行安全收集、妥善储存（如耐腐蚀密闭容器，清晰标识）、规范处置（交由有资质的危险废物处理单位处理），严禁未经处理直接排放。
• 废物处置： 试验结束后的残留废物（如柱试验填料、反应器内废物）同样可能含有高浓度污染物，需按危险废物或一般固体废物管理要求进行分类、包装、标识和安全处置。
• 场地安全： 现场试验单元建设须符合工程规范，防止坍塌。监测井应安装保护套管并加盖，防止人员跌落或异物进入污染地下水。
• 应急准备： 制定详细的应急预案，包括泄漏应急处置、火灾爆炸应对、人员中毒急救等，配备必要的应急物资（如吸附剂、灭火器、急救箱），并进行定期演练。

6 结论

土壤填埋试验是科学认知固体废物在填埋处置状态下复杂环境行为的基石，为填埋场安全设计、优化运行管理、制定科学封场方案以及精准评估长期环境风险提供了不可或缺的实证数据和技术支撑。严谨的实验设计、规范的监测操作、准确的样品分析、深入的数据解读以及对安全和环境规范的严格遵守，是保证试验结果科学性、可靠性和指导价值的关键。持续深化填埋试验研究，尤其关注复杂污染物相互作用、长期性能演变及新型废物（如焚烧飞灰、新兴污染物废物等）填埋特性，对于提升固体废物环境安全管理水平、降低环境风险具有重要意义。