填埋場固體廢物水力參數的直接測定方法及其專用設備的製作方法
2023-10-06 19:39:44 1
專利名稱：填埋場固體廢物水力參數的直接測定方法及其專用設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種填埋場固體廢物水力參數的直接測定方法及其專用設備。
背景技術：
掌握影響垃圾水力特性的因素是研究填埋場水運移規律的基礎。由於垃圾中含有50-80％可快速降解的廚餘廢物，隨著廢物的不斷穩定化，在整個填埋期滲透性質變化很大。但是，目前尚無有效方法可以準確測定填埋場固體廢物的水力滲透性質。
間接測定水力參數的常用方法包括水分再分布過程法，水平柱法，垂直柱水分蒸發過程法和瞬時剖面法。其中，前兩種方法只有對粒徑小於1-2mm的樣品才適用，顯然不適合成分複雜、顆粒變化大、非均質的垃圾的水力參數測定；第三種和第四種方法需要用張力計(或負壓計)測量樣品的基質勢，但由於垃圾組成極其複雜，尤其是含有較多的塑料製品，因此使用張力計直接測定基質勢必然會產生較大偏差。
同時，與土壤相比，垃圾組成複雜，結構均一性差，有機物含量高，團聚體形成機率大，其比表面積和孔隙狀況與土壤存在較大差異，不能完全套用土壤的水力學參數測定方法，必須研究出適於垃圾特性的測定方法。
多步出流法(Van Dam，J.C.，Strickler，J.N.M.and Droogers，P.，FromOne-step to Multistep Determination of Soil Hydraulic Functions by OutflowExperiments，Report no.7.Department of Hydrology，Soil Physics andHydraulics，Agricultural University，Wageningen，Netherlands，1990.；J.Xiang，B.R.Scanlon，W.F.Mullican.A multistep constant head borehole test todetermine field saturated hydraulic conductivity of layered soils[J].Advancesin Water Resources，1997，20(1)45-57.；Stefan Finsterle，Boris Faybishenko.Inverse modeling of a radial multistep outflow experiment for determiningunsaturated hydraul ic propert ies[J].Advances in Water Resources，1999，22(5)431-444)是隨著計算機的普及而發展起來的一種數值模擬反演法，具有快速簡捷、能同時得到水分特徵曲線和滲透係數的優點，缺點是後續數據處理工作量大，需要事先給定描述水力參數的經驗公式，如van Genuchten model(Van Genuchten M T.A closeform equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturatedsoils[J].Soil Sci.Soc.Of Am J.，1980，44892-898；O.Ippisch，H.J.Vogel，P.Bastian.Validity limits for the van Genuchten-Mualem model and implicationsfor parameter estimation and numerical simulation[J].Advances in WaterResources，2006，291780-1789)對公式中的參數用非線形參數估值的方法，如最小平方差為目標函數進行優化，得到的結果是公式中的優化參數，並非水力參數本身，而且只能得到近似最優解，甚至有可能是局部最優解。儘管如此，多步出流法仍不失為一種行之有效的測定手段。
發明內容
本發明的目的是提供一種可用於直接測定垃圾水力參數的設備。
為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案一種用於直接測定填埋場固體廢物水力參數的設備，它包括由連接結構連接，可拆分和組裝的蓋體、側壁和底座三部分組成的箱體；在箱體的內腔中底座上部架設有一多孔陶土板，該多孔陶土板上設有用於裝實驗樣品的環刀；所述箱體的頂部蓋體上設有通氣孔和壓力監控裝置；所述箱體底座上設有出水口。
所述連接結構可為在所述蓋體、側壁和底座三部分側面中的相對兩側或多側的斷面處分別向垂直於箱體外側的方向延伸出一平面，所述延伸平面上設有螺絲孔，且相鄰兩個延伸平面上的螺絲孔位置相對，從而通過螺絲將蓋體和側壁，以及側壁和底座連接形成所述箱體。
所述多孔陶土板是用親水陶土為原材料製成的，是上述設備中用於滲透的關鍵部分，首先，多孔陶土板內存在大量的連通孔隙，但必須滿足在加壓情況下透水不透氣的要求，由於進氣壓力與孔隙半徑成反比，最大連通孔隙半徑必須小於最大工作壓力所對應的孔隙半徑，其次，所述多孔陶土板還必須有足夠的耐壓強度，如1cm厚的陶土板在最大工作壓力100kPa時所承受的壓力可為500-510kg。所述多孔陶土板優選為1BAR B01M1標準多孔陶土板，孔隙率34％，最大孔徑1.7μm，飽和滲透係數7.56×10-7cm·s-1。
所述箱體蓋部設有通氣孔，通氣管道插於通氣孔中與箱體內部連通，所述通氣管道通過截至閥和三通與高壓氣瓶連接。
為更加準確的調節壓力，所述通氣孔和高壓氣瓶之間還連接有壓力調節器。
所述壓力監控裝置可為壓力表等。
此外，為使所述設備能夠連接得更加堅固，可承受更大的壓力，所述箱體的蓋體和底座上設有加固帶，所述加固帶通過加固杆連接。
可用常規方法製備上述用於直接測定垃圾水力參數的設備，其尺寸可根據實驗需要隨意調整，此外，其材質的選擇是多種多樣的，如有機玻璃、PVC或鋼板等防腐的金屬材料。
本發明的第二個目的是提供一種用上述設備直接測定填埋場固體廢物水力參數的方法。
本發明所提供的直接測定填埋場固體廢物水力參數的方法，可包括以下步驟1)將多孔陶土板浸入盛滿水的容器中，靜置24-48小時，排擠出陶土板中的空氣；2)從垃圾填埋場取回擾動樣品，測定垃圾樣品的含水率；3)根據幹容重和所需樣品體積求出需要的樣品量，稱取所述重量的樣品，裝入上述設備內腔的環刀中並壓實，然後對裝有樣品的環刀稱重；4)用水對垃圾樣品進行毛細飽和；5)卸下所述裝置的側壁和蓋體，堵住所述裝置底座上的出水口，然後將裝置底座灌滿水；6)用水潤溼濾紙，貼於所述多孔陶土板中心，再將貼有濾紙的一面倒扣在內有樣品、底部有蓋子的環刀上，將環刀及樣品置於陶土板之上(託住環刀蓋將樣品、環刀和陶土板整體翻轉180度，使環刀及樣品處於陶土板之上)，將它們放在裝滿水的裝置底部的正中之上，卸下環刀蓋；7)打開高壓氮瓶向裝置中充氣，檢驗裝置的氣密性能，保證裝置處於良好的密封狀態；8)緩慢開啟壓力調節器，使容器內壓力達到並穩定在5.0-8.5kPa，維持24-96h或出流停止後，再逐漸增大調節器出口壓力，進行下一個壓力實驗，期間記錄出流量隨時間的變化關係；9)測定結束後關閉壓力調節器，取出樣品稱重後烘乾至恆重，計算脫溼後樣品的含水率，根據理論出流量和實驗結束時樣品的平均含水率由後向前依次反算各壓力平衡時樣品中的含水率，最後，對含水率與基質勢作圖，得到填埋場固體廢物的水分特徵曲線。
在上述測定方法中，步驟2)中可用常規的烘乾法測定垃圾樣品的含水率，即將樣品放入105℃±2℃烘箱中烘乾至恆重，測得其含水率。
步驟4)中對垃圾樣品進行毛細飽和的方法可為將環刀蓋上墊有粗濾紙的多孔底蓋，放入底部鋪有一層石子的水中，保持水面與環刀上口齊平，浸泡4-12小時後每隔2小時稱重，直至恆重為止，所需時間為24-36小時；水優選為無氣水。
步驟6)中濾紙的直徑應和多孔陶土板的大小一致。
步驟7)中可用凡士林和密封膠密封漏氣部位。
步驟9)中可在105℃±2℃下烘乾至恆重；理論出流量可用Michaelis-Menten公式計算(計算公式參見D.A.Barry，H.Prommer，C.T.Miller，P.Engesgaard，A.Brun and C.Zheng，Modelling the fate ofoxidisable organic contaminants in groundwater[J]Advances in WaterResources，2002，25(8-12)945-983；Stefano F.Simoni，Anke Schfer，Hauke Harms and Alexander J.B.Zehnder，Factors affecting mass transferlimited biodegradation in saturated porous media[J]Journal ofContaminant Hydrology，2001，50，99-120；Christof Beyer，Sebastian Bauer，Olaf Kolditz.Uncertainty assessment of contaminant plume lengthestimates in heterogeneous aquifers[J].Journal of ContaminantHydrology，2006，8773-95)。
本發明提供了一種填埋場固體廢物水力參數的直接測定方法及其專用設備。本發明的裝置是基於垃圾的非均相多孔介質的特性，以多步出流滲透裝置為基礎開發的，對其不足之處進行了改進，包括以下方面1)本發明裝置透水不透氣，可在陶土板上下兩側壓力差不變的條件下，保證水分有效滲透；2)取樣環刀與外套裝置尺寸匹配，適於原狀樣的水分特徵曲線測定，同時也可用於擾動樣的水利學特性測定；3)可利用壓力梯度進行不同含水率條件下的垃圾的非飽和滲透係數測定。用本發明的裝置測定填埋場固體廢物的水力參數具有操作簡單、快速，結果準確、可靠的優點，從而為研究垃圾堆的水份運移特性提供一條新的途徑，應用前景廣闊。
下面結合具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
圖1為本發明用於直接測定垃圾水力參數的設備的結構示意2為填埋場固體廢物的水分特徵曲線具體實施方式
下述實施例中所用方法如無特別說明均為常規方法。
實施例1、用於直接測定填埋場固體廢物水力參數的設備的獲得及其檢測效果鑑定一、用於直接測定填埋場固體廢物水力參數的設備的獲得以有機玻璃為材料，用常規方法加工出如圖1所示的用於直接測定填埋場固體廢物水力參數的設備，該設備包括由連接結構連接，可拆分和組裝的蓋體1、側壁2和底座3三部分組成的箱體；在箱體的內腔中底座上部架設有一多孔陶土板9(1BARB01M1標準多孔陶土板，孔隙率34％，最大孔徑1.7μm，飽和滲透係數7.56×10-7cm·s-1)，該多孔陶土板上設有用於裝實驗樣品的無縫鋼製環刀11(Φ19.4cm×15cm)，；所述箱體的頂部蓋體上設有通氣孔6和壓力監控裝置12(壓力表Y-150)；所述箱體底座上設有出水口10；所述連接結構為在蓋體、側壁和底座三部分側面中的相對兩側或多側的斷面處分別向垂直於箱體外側的方向延伸出一平面4，所述延伸平面上設有螺絲孔，且相鄰兩個延伸平面上的螺絲孔位置相對，從而可通過螺絲5將蓋體和側壁，以及側壁和底座連接形成所述箱體。
所述通氣管道7插於通氣孔中與箱體內部連通，所述通氣管道通過精密截至閥和三通與高壓氣瓶15連接，所述通氣孔和高壓氣瓶之間連接有兩級壓力調節器8。
此外，所述箱體的蓋體和底座上設有加固帶(法蘭盤)14，所述加固帶通過加固杆13連接。
上述設備的工作原理為開啟壓力調節器向壓力室加壓，使樣品中的水形成正壓P，這種正壓與自由水通過多孔陶土板接觸，樣品中的水慢慢流出，直到樣品中水的正壓逐漸被樣品基質勢所抵消，多孔陶土板兩側水勢趨於平衡，此時所加壓力的負值就等於該樣品的基質勢。隨後進一步增大正壓P，並記錄流出的水隨時間的變化曲線。根據流出的水量可以反算出平衡時樣品中的含水率，將含水率與壓力P作圖，即可得到檢測樣品的水分特徵曲線。
二、用上述設備測定填埋場固體廢物的水力參數用步驟一中的設備測定填埋場固體廢物的水力參數，具體方法包括以下步驟1)將多孔陶土板9浸入盛滿無氣水的容器中，靜置48小時(24-48小時均可)，排擠出陶土板中的空氣；2)從垃圾填埋場取回擾動樣品(共10份，編號1-10)，用常規的烘乾法，即將樣品放入烘箱中在105℃±2℃下烘乾至恆重，測定垃圾樣品的含水率，結果含水率約為56.5％；3)根據幹容重和所需樣品體積求出需要的樣品量為2.518Kg，稱取所述重量的樣品，裝入上述設備內腔的環刀11中並壓實，然後對裝有樣品的環刀稱重；4)用無氣水對垃圾樣品進行毛細飽和，方法為將環刀蓋上墊有粗濾紙的多孔底蓋，放入底部鋪有一層石子的水中，保持水面與環刀上口齊平，浸泡4-12小時後每隔2小時稱重，直至恆重為止，結果共浸泡36小時(24-36小時均可)；5)卸下所述裝置的側壁2和蓋體1，堵住所述裝置底部的出水口10，然後將裝置底座灌滿水；
6)用水潤溼直徑約22cm的濾紙，貼於所述多孔陶土板中心，再將貼有濾紙的一面倒扣在內有樣品、底部有蓋子的環刀上，應注意使環刀及其樣品只接觸濾紙，並要防止垃圾中的微小顆粒堵塞陶土板中的孔隙，託住環刀蓋將樣品、環刀和陶土板整體翻轉180度，使環刀及樣品處於陶土板之上，將它們放在裝滿水的裝置底部正中之上，卸下環刀蓋；7)打開高壓氮瓶向裝置中充氣，檢驗裝置的氣密性能，用凡士林和密封膠密封漏氣的部位，直至裝置處於良好的密封狀態；8)緩慢開啟壓力調節器，使容器內壓力達到並穩定在設定值5.0-8.5kPa，維持24-96h或出流停止後，再逐漸增大調節器出口壓力，進行下一個壓力實驗，期間記錄出流量隨時間的變化關係，記錄的結果如表1所示(5組實驗)；表15組實驗工況一覽表
9)測定結束後關閉壓力調節器，鬆開螺絲，卸下裝置蓋體，取出樣品稱重後在烘箱內於105℃±2℃下烘乾至恆重，計算脫溼後樣品的含水率，根據理論出流量和實驗結束時樣品的平均含水率由後向前依次反算各壓力平衡時樣品中的含水率，理論出流量用Michaelis-Menten公式(計算公式見文獻D.A.Barry，H.Prommer，C.T.Miller，P.Engesgaard，A.Brun and C.Zheng，Modelling the fate of oxidisableorganic contaminants in groundwater[J]Advances in WaterResources，2002，25(8-12)945-983；Stefano F.Simoni，Anke Schfer，HaukeHarms and Alexander J.B.Zehnder，Factors affecting mass transfer limitedbiodegradation in saturated porous media[J]Journal of ContaminantHydrology，2001，50，99-120)計算，最後，根據含水率與基質勢作圖，得到填埋場固體廢物的水分特徵曲線，其中，3號和4號垃圾樣品的水分特徵曲線如圖2所示。
上述檢測結果表明本發明的設備可以有效地測定固體廢物(如生活垃圾等)的水力性質。
權利要求
1.一種用於直接測定填埋場固體廢物水力參數的設備，它包括由連接結構連接，可拆分和組裝的蓋體、側壁和底座三部分組成的箱體；在箱體的內腔中底座上部架設有一多孔陶土板，該多孔陶土板上設有用於裝實驗樣品的環刀；所述箱體的頂部蓋體上設有通氣孔和壓力監控裝置；所述箱體底座上設有出水口。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述連接結構為在所述蓋體、側壁和底座三部分側面中的相對兩側或多側的斷面處分別向垂直於箱體外側的方向延伸出一平面，所述延伸平面上設有螺絲孔，且相鄰兩個延伸平面上的螺絲孔位置相對，從而通過螺絲將蓋體和側壁，以及側壁和底座連接形成所述箱體。
3.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述多孔陶土板為1BAR B01M1標準多孔陶土板，孔隙率34％，最大孔徑1.7μm，飽和滲透係數7.56×10-7cm·s-1。
4.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述通氣管道通過截至閥和三通與高壓氣瓶連接。
5.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於所述通氣孔和高壓氣瓶之間連接有壓力調節器。
6.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述壓力監控裝置為壓力表。
7.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於所述箱體的蓋體和底部上設有加固帶，所述蓋體和底部上的加固帶通過加固杆連接。
8.根據權利要求1-7任一項所述的設備，其特徵在於所述箱體的材質為有機玻璃、PVC或防腐的金屬。
9.一種用權利要求1-8任一項所述的設備測定填埋場固體廢物水力參數的方法，包括以下步驟1)將多孔陶土板浸入盛滿水的容器中，靜置24-48小時；2)從垃圾填埋場取回擾動樣品，測定垃圾樣品的含水率；3)根據幹容重和所需樣品體積求出需要的樣品量，稱取所述重量的樣品，裝入所述設備內腔的環刀中並壓實，然後對裝有樣品的環刀稱重；4)用水對垃圾樣品進行毛細飽和；5)卸下所述裝置的側壁和蓋體，堵住所述裝置底座上的出水口，然後將裝置底座灌滿水；6)用水潤溼濾紙，貼於所述多孔陶土板中心，再將貼有濾紙的一面倒扣在內有樣品、底部有蓋子的環刀上，將環刀及樣品置於陶土板之上，將它們放在裝滿水的裝置底部的正中之上，卸下環刀蓋；7)打開高壓氮瓶向裝置中充氣，檢驗裝置的氣密性能，保證裝置處於良好的密封狀態；8)緩慢開啟壓力調節器，使容器內壓力達到並穩定在5.0-8.5kPa，維持24-96h或出流停止後，再逐漸增大調節器出口壓力，進行下一個壓力實驗，期間記錄出流量隨時間的變化關係；9)測定結束後關閉壓力調節器，取出樣品稱重後烘乾至恆重，計算脫溼後樣品的含水率，根據理論出流量和實驗結束時樣品的平均含水率由後向前依次反算各壓力平衡時樣品中的含水率，最後，對含水率與基質勢作圖，得到填埋場固體廢物的水分特徵曲線。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於所述步驟2)中用常規烘乾法測定垃圾樣品的含水率，方法為將樣品放入105℃±2℃烘箱中烘乾至恆重，測得其含水率；步驟2)中對垃圾樣品進行毛細飽和的方法為將環刀蓋上墊有粗濾紙的多孔底蓋，放入底部鋪有一層石子的水中，保持水面與環刀上口齊平，浸泡4-12小時後每隔2小時稱重，直至恆重為止，所需時間為24-36小時；步驟6)中濾紙的直徑應和孔陶土板的大小一致；步驟7)中對漏氣部位用凡士林和密封膠密封；步驟9)中在105℃±2℃下烘乾至恆重，用Michaelis-Menten公式計算理論出流量。
全文摘要
本發明公開了一種填埋場固體廢物水力參數的直接測定方法及其專用設備。該設備它包括由連接結構連接，可拆分和組裝的蓋體、側壁和底座三部分組成的箱體；在箱體的內腔中底座上部架設有一多孔陶土板，該多孔陶土板上設有用於裝實驗樣品的環刀；所述箱體的頂部蓋體上設有通氣孔和壓力監控裝置；所述箱體底座上設有出水口。用本發明的裝置測定填埋場固體廢物的水力參數具有操作簡單、快速，結果準確、可靠的優點，從而為研究垃圾堆的水分運移特性提供了一條新的途徑，應用前景廣闊。
文檔編號G01N5/00GK101025412SQ20071006513
公開日2007年8月29日 申請日期2007年4月5日 優先權日2007年4月5日
發明者王洪濤, 陸文靜, 王昊, 趙晨曦 申請人:清華大學