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城市生活垃圾填埋场渗滤液粘度研究 ＊ 瞿 贤 何品晶 邵立明 李国建 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092 摘要 采用旋转粘度计测试了 CODCr浓度为1 000～ 75 000 mg L、温度在 5～ 70 ℃范围内的渗滤液粘度。 实验结果表 明, 相同温度下渗滤液的粘度值与 CODCr浓度呈线性关系; 不同浓度渗滤液中溶质性质的差异是造成渗滤液比浓粘度 差异的原因; 研究填埋场水分运移时, 可以不考虑粘度对渗滤液流动的影响。 关键词 城市生活垃圾填埋场 渗滤液粘度 比浓粘度 ＊国家“十五”863 计划课题 2001AA644010和 2003AA644020 资助 上海市重点学科 环境工程专业 建设项目资助 1 引言 在研究垃圾的渗透性时, 须考虑渗滤液粘度对其 的影响。影响渗滤液粘度的因素主要包括渗滤液中 有机物的含量和温度 。不同填埋龄的渗滤液中的有 机 物 含 量 差 异 较 大 CODCr浓 度 1 000 ～ 70 000 mg L [ 1] , 这种差异会造成渗滤液粘度也相应 发生改变 。生物反应器填埋加速了垃圾的降解过程, 渗滤液中有机物的含量降低较快。填埋初期渗滤液 有机物浓度变化所造成的粘度改变 ,可能会使渗滤液 的流动情况差异较大 。另一方面, 填埋场内部由于生 物化学反应的不断进行, 反应产生的热能积累和扩散 会导致填埋场内部温度的改变 Augenstein 等指出 ,填 埋场内温度可达到 55 ～ 60 ℃ [ 1] 。由于垃圾的不均 匀性 ,填埋场内部的不同区域微生物活动的差异也会 导致温度在填埋场内随空间和时间发生改变。本研 究的目的是考查不同有机质浓度和温度下渗滤液的 粘度变化 ,建立估算填埋场渗滤液粘度的简易方法, 同时探讨了水分运移时考虑渗滤液粘度的必要性 。 2 实验方法与材料 2. 1 实验装置 实验采用 NDJ-7 型旋转粘度计测试渗滤液的粘 度 以动力粘滞系数表示 。该型粘度计的测试范围 为1～ 1 10 6 mPas。为了提高测试精度, 实验特制 了一低粘度的不锈钢转子, 该转子的测试范围为 0. 025～ 2. 500 mPas。用 DC30 循环水浴槽控制测试 温度 ,以测试不同温度下渗滤液的动力粘滞系数。 2. 2 实验材料 对不同有机物含量的渗滤液进行测试。渗滤液 来源于实验室模拟生物反应器填埋柱 [ 2] 不同时期的 产水和上海老港填埋场的渗滤液 。测试的渗滤液 CODCr浓度范围为1 000～ 75 000 mg L。 2. 3 实验内容 用蒸馏水校正旋转粘度计的准确性 ,然后分别测 试模拟填埋柱产生的不同有机物含量的渗滤液在不 同温度下的粘度 ,计算渗滤液的比浓粘度 。即 ηsp c η-η0 η0 c [ 3] 式中 η 比粘度; η0 溶剂 水 浓度; c 溶液浓度 。 判断渗滤液中的溶质性质对粘度的影响 ,推导确 定渗滤液粘度拟合曲线, 测试上海老港填埋场渗滤液 的粘度,验证拟合曲线的有效性。 测试过程为 连接粘度计测筒和恒温水浴槽。在 粘度计测筒中加入待测渗滤液 , 调节恒温水浴至 5 ℃, 待温度保持稳定后, 开旋转粘度计, 读数稳定后 记录测试结果, 重复 3 次。然后提高 5～ 10 ℃, 测下 一温度下的粘度 。温度的测试范围为 5～ 70 ℃。相 同水源的渗滤液样品重复测试 1 次, 结果取平均值。 3 实验结果与讨论 3. 1 旋转粘度计的校核 测试蒸馏水的值 ,并将测试值与文献值进行比较 见表 1 。由结果可得, 采用旋转粘度计测得的蒸馏 水的粘度值与文献值偏差较小 ,并且随温度升高标准 偏差基本保持不变, 说明采用该仪器可以对低粘度的 流体进行测试。 3. 2 渗滤液粘度测试结果 各渗滤液的粘度值测试结果表明,渗滤液的粘度 82 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 变化与蒸馏水相似 ,但均高于蒸馏水的粘度值 ,随温 度的升高粘度降低, 并且粘度降低的趋势变缓 。 表 1 蒸馏水的粘度mPas 温度 ℃ 文献值[3] 实测值标准偏差 51. 5191. 51- 0. 6 101. 3071. 310. 2 151. 1391. 151. 0 201. 0021. 010. 8 250. 890 40. 912. 2 300. 797 50. 811. 6 400. 652 90. 661. 1 500. 546 80. 562. 4 600. 466 50. 46- 1. 4 700. 404 20. 40- 1. 0 3. 2. 1 有机质对渗滤液粘度的影响 1 浓度的影响 粘度与 CODCr浓度之间的关系 试验结果可得, 温度较低时, 粘度值与 CODCr浓度成 较好的线性关系 ; 温度较高时, 这种线性关系表现得 不明显 。分别对不同温度下的粘度和 CODCr值进行 曲线拟合, 结果见表 2。除了 60 ℃和 70 ℃2 条拟合 曲线外,其他拟合曲线的拟合系数 R 2 均 0. 95。渗 滤液的有机质浓度越高, 其粘度值越大 。 表 2 不同温度下粘度与 CODCr浓度的拟合曲线 温度 ℃拟合曲线拟合系数 R2 5y 1E-05x 1. 5360 . 988 7 10y 9E-06x 1. 326 60 . 984 5 15y 8E-06x 1. 1610 . 995 5 20y 7E-06x 1. 0340 . 976 7 25y 6E-06x 0. 926 40 . 972 7 30y 5E-06x 0. 829 60 . 986 4 40y 4E-06x 0. 692 80 . 951 4 50y 3E-06x 0. 583 60 . 973 8 60y 2E-06x 0. 522 70 . 827 8 70y 2E-06x 0. 470 90 . 626 5 2 溶质性质的影响 实验采用比浓粘度的指标 间接反映渗滤液中溶质的差异。溶液中含大分子溶 质时 ,溶液的比浓粘度受溶质大分子性质 形状、 比容 等 的影响显著 [ 4] 。 CODCr 15 000 mg L 时, 渗滤液的比浓粘度随有 机质浓度的变化不大 ,且随着温度的提高渗滤液比浓 粘度值也较恒定; CODCr15 000 mg L 时 , 比浓粘度 值随 CODCr浓度减小而增大, 并且随温度发生改变; CODCr为1 000 mg L 左右时 , 比浓粘度值远大于其他 浓度的渗滤液。这说明 , 不同 CODCr浓度的渗滤液中 的有机物性质存在差异 。高 CODCr浓度时渗滤液中 含有大量水解产物大分子物质; 而较低 CODCr浓度 时,随 CODCr浓度的降低, 渗滤液中腐殖质 大分子物 质 的含量增大 [ 5] 。对 CODCr浓度1 000 ～ 1 500 mg L 的渗滤液测试结果也表明 ,腐殖质约占渗滤液中有机 物总量的 60。这也可解释低 CODCr浓度时比浓粘 度随 CODCr浓度降低而增大的现象。因此, 溶质大分 子性质的差异是造成渗滤液粘度在不同 CODCr变化 范围内表现出的粘度变化有所差异的原因。 3. 2. 2 温度对渗滤液粘度的影响 随着温度的升高 ,渗滤液的粘度减小 。温度较低 时,粘度值随温度下降的趋势较大 。温度较高时, 这 种趋势变缓。随着温度的升高 , 温度对粘度的影响 减小 。 对于高浓度的渗滤液 ,温度在 60～ 70 ℃ 时 ,温度 的提高对比浓粘度的影响不大。而渗滤液 CODCr浓 度较低时, 温度的提高导致渗滤液比浓粘度增大。表 明随温度的提高 , 渗滤液中大分子物质的含量提高, 故比浓粘度值提高 。说明了不同浓度的渗滤液中溶 质的差异。 3. 3 验证实验 用于本实验验证的上海老港填埋场渗滤液的 CODCr值为13 100 mg L 。渗滤液的粘度与曲线拟合值 见表 3。 温 度 60℃时, 拟 合 值 和 测 试 值 的 偏差 3. 48。 这说明可以利用本实验获得的拟合曲 线预测渗滤液的粘度 。 表 3 上海老港填埋场渗滤液的粘度 温度 ℃渗滤液粘度 mPas曲线拟合值标准偏差 51 . 731. 692 . 33 101 . 501. 443 . 48 151 . 301. 272 . 54 201 . 141. 131 . 13 300 . 900. 891 . 09 400 . 740. 75-0 . 72 500 . 610. 62-1 . 60 600 . 530. 55-4 . 54 700 . 450. 50-9 . 33 3. 4 讨论 前已述及, 填埋场内的渗滤液浓度约为1 000 ～ 70 000 mg L, 填埋内部温度在 30 ～ 60 ℃之间。由实 验结果可得, 实际填埋场中渗滤液的粘度值约为 0. 5～ 1. 5 mPas。 地下水动力学中渗透系数的计算公 式为 k cd 2ρ g μ 83 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 式中 k 渗透系数; c 比例系数 ; d 多孔介质中孔隙的尺寸 ; ρ 液体密度; g 重力加速度; μ 液体粘度 [ 6] 。 由计算公式可得 ,粘度值的波动会导致渗透系数 变化约3 倍 。而现有的填埋场的实测资料表明,渗透 系数值的变化范围在 1 10 -2 ～ 1 10 - 4 cm s 之 间 [ 7] 。Townsend 等的现场试验测得的同一填埋场同 一填埋时期不同位置填埋垃圾的渗透系数也相差 5～ 10倍 [ 8] 。 生物反应器填埋场内 , 渗滤液循环加速 填埋场内部的生物降解, 使垃圾的降解程度在较短时 间内趋于一致。研究填埋场内部水分运移时 ,如果考 虑有机质浓度和温度对渗滤液流动的影响,将使研究 内容复杂化 。因此 ,研究填埋场内水分运移时 ,不考 虑粘度对渗透系数的影响是可以接受的 。 4 小结 1 相同温度下渗滤液的粘度值与 CODCr浓度呈 线性关系 。根据渗滤液 CODCr浓度可近似估算渗滤 液粘度。 2 不同有机质浓度的渗滤液中溶质的性质不 同,低浓度渗滤液中腐殖质等大分子物质的存在是渗 滤液比浓粘度值较大的原因。 3 研究填埋场内的渗滤液运动时 , 可以不考虑 粘度的影响 。 参考文献 1 Don Augenstein, Ramin Yazdani. Landfill Bioreactor Instrumentation and Monitoring. In Landfill Bioreactor Design and Operation Sem. Proc. , EPA 600 R- 95 146 57～ 68. 2 张晓星, 何品晶, 邵立明, 李国建. 不同回灌方式对填埋气体产生的 影响比较. 环境科学学报, 2004. 24 2 304～ 308. 3 陈惠钊. 粘度测量. 北京 中国计量出版社, 1994. 4 K. E. 范霍尔德. 物理生物化学. 北京 科学出版社, 1978. 5 Kang Ki-Hoon,Shin Hyun Sang, Park Heekyung. Characterization of Humic Substances Present in Landfill Leachates with Different Landfill Ages and Its Implications. Water Research. 2002. 36 16 4023～ 4032. 6 张蔚榛. 地下水与土壤水动力学. 北京 中国水利水电出版社,1996. 7 钱学德. 现代卫生填埋场的设计与施工. 北京 中国建筑工业出版社, 2001. 8 T. G. Townsend, W. L . Miller, J. F . K. Earle . Leachate-recycle infiltration ponds. Journal of Environmental Engineering . 1995. 121 6 465～ 471. 作者通讯处 何品晶 200092 上海市四平路 1239 号 同济大学污 染控制与资源化研究国家重点实验室 电话 021 65981383 E -mail xhpjkmail. tongji. edu. cn 2004- 04-23 收稿 环境工程期刊编辑委员会 主任委员 岳清瑞 副主任委员 马广大 曲久辉 杨景玲 翁仲颖 委 员 马广大 王华聪 王成端 王克虹 韦朝海 宁 平 曲久辉 任南琪 朱桂林 李成江 张水龙 沈恒根 陈吉宁 邵 斌 杨景玲 杨志峰 岳清瑞 罗万申 郝吉明 赵由才 栾兆坤 翁仲颖 钱 雷 蒋伟康 程 刚 马占青 王丽萍 刘 波 李定龙 李百战 李国学 李善评 李树文 农以宁 阮晓红 严莲荷 邵 红 吴永强 沈耀良 杨景亮 郑旭煦 林春绵 金毓 呼世斌 郭绍辉 钱 枫 崔兆杰 黄卫东 黄显怀 解庆林 蔡建安 84 环 境 工 程 2005年 2 月第23 卷第1 期 PHTHALIC ANHYDRIDE AND FUSEL OILShi Shuncun et al 77 Abstract The preparation of qualified phthalic C4～ C5mixed ester plasticizer involves direct esterification of crude phthalic anhydride with fuseloil catalyzed by solid acid and distillation of the ester under reduced pressure. It was indicated by trial production that the technique is feasible. Both rate of recovery of phthalic anhydride and C4～ C5alcohol can exceed 90, and the discharge of waste water is very little. Factors such as the ratio of feedings and catalyst, reaction temperature and time, agitation and the distilling pressure were studied in the test. The optimal technological conditions are as follows. 1For esterification, n C4～ C5alcohol ∶n C8H4O32. 6∶ 1. 0, amount of catalyst is 1. 5 of the total mass of reactants, and the reaction is carried out at 110～ 160℃ for 5 h with agitation. 2 The ester is distilled under reduced pressure 2. 0 kPa. The exploitation of technology will inaugurate a new approach to the comprehensive utilization of crude phthalic anhydride and fusel oil. Keywords crude phthalic anhydride, fusel oil, comprehensive utilization, phthalic C4～ C5mixed ester and plasticizer STUDY ON ADSORPTION OF CADMIUM ⅡIN WASTEWATERWITH MODIFIED BENTONITE Luo Tai′ an et al 80 Abstract The abilities in treating Cadmium Ⅱof original and modified bentonite had been compared in this study. The results show that the adsorption of CdⅡby modified bentonite is better than that of the original bentonite.The pH value of wastewater and the amounts of modifiedbentonite will greatly influence the adsorption of CdⅡ .The adsorptive percentage reached 96 in treating 40 mg L CdⅡ wastewater at pH8～ 9 by 4 g L modified bentonite. The curves of isothermal adsorption of original and modified bentnite in treating CdⅡare in line with the equation of Freundlich. Keywords modified bentonite, cadmiumⅡand adsorption RESEARCH ON THE VISCOSITY OF THE LEACHATE FROM MUNICIPAL SOLID WASTE LANDFILLSQu Xian et al 82 Abstract The viscosity of leachatewith different CODCrconcentrations from 1 000 to 75 000 mg L from laboratory experimentswas tested in different temperature from 5 to 70 centigrade . The experimental results showed that the viscosity of leachate at similar temperatures is linear with CODCrconcentration. The different specific viscosities of leachate with different concentrations were ascribed to the solute in leachate. It is acceptable to omit the influence of viscosity when studying the moisture movement in the landfills. Keywords municipal solid waste landfill, viscosity of leachate and specific viscosity RESEARCH ON CALCIUM CARBONATE INHIBITION BEHAVIOR OF POLYEPOXY SODIUM SUCCINATEYu Yuxin et al 85 Abstract The effect of several factors on calcium carbonate inhibition behavior of polyepoxy sodium succinate is studied. The experimental results indicate that the polyepoxy sodium succinate is an excellent water treatment agent. It can be used in water system with high calcium concentration and at high temperature for a long time remaining significant scale inhibition. Keywords polyepoxy sodium succinate, scale inhibitor and calcium carbonate STUDYONMODIFIEDCLAY-LINERPERANCEANDTHEANALYSISOFITS INFLUENCING FACTORSDong Jun et al 87 Abstract Hexadecyltrimethylammonium bromide HDTMABand polyaluminium cations were used as denaturant to per organic, inorganic, and organic -inorganic modification on the natural clay respectively. Investigations were conducted into availability and feasibility of the modified -liners to contanminants removal and leachate penetration control. Various influencing factors on the perance of the modified -liners were also analyzed. Experimental results indicated that the sorption abilities and capacities of the modified clay were improved, the permeability of the liners was less than 110- 7cm s after some time. Therefore, modified clay used as the material of the linersisfeasible. pH, concentration of the denaturant, and the ratio of aluminium to soil etc. have significant influence on the contaminants removal efficiency of liners. Keywords modify, clay, HDTMAB and polyaluminium cations Manager Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Editor The Editorial Department of Environmental Engineering Publisher Industrial Construction Magazine Agency 33, Xitucheng Road, Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227637、82227638 Fax 01082227637 Chief EditorWeng Zhongying Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O. Box 399, Beijing China Journalistic Code ISSN1000-8942 CN11-2097 X E-mail Addresshjgc hjgc. com. cn WWW Addresshttp www. hjgc. com. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 1,Feb. , 2005