1. 研究目的与意义（文献综述）
1目的及意义（含国内外的研究现状分析）
1.1研究的背景
随着城市规模的扩大和城市化进程的加速 ,近几年城市生活垃圾的年增长率在8 %～10%,少数城市,如北京,垃圾增长率则达 15%～20%。我国目前的城市生活垃圾处理技术最常用的是卫生填埋,占总处理量的 79.2%,而且垃圾填埋还将是今后相当长一段时间应采取的主要的、实用的垃圾处理方式。根据《生活垃圾填埋污染控制标准》(gb 16889 - 1997), 生活垃圾填埋场的渗滤液不应对地下水造成污染。但是,垃圾填埋场的实际运行表明,渗滤液很容易渗入地下进而对地下环境造成 严重污染 。
2. 研究的基本内容与方案
2基本内容和技术方案
2.1 渗漏检测方法的比较
2.1.1 地下水监测法。地下水监测法是利用检测填埋场的集水井中有无渗滤液来实现的。如果没有渗漏, 集水井中的水应是干净的地下水; 一旦发生渗漏并流到了地下水层,就有可能在集水井中发现渗滤液。优点:利用填埋场自身的设施进行检测。缺点:由于集水井数量一般较少,不能保证渗滤液一定会流入集水井,如果增加集水井的数量,工程费用又太高。
2.1.2 扩散管法。扩散管系统是将汽体透过性管路网络埋在衬层下的土壤中,一个运转周期后,由于渗滤液蒸汽进入管路,可以通过 抽出管内汽体、探测记录污染物浓度,从而达到检测漏洞的目的。因为从漏洞扩散出的渗滤液蒸汽在土壤中按照一定的体积比例进入管内,所以分析管内水蒸汽中污染物的浓度可以近似得到漏洞大小。优点: 系统可自行运行,操作费用少。缺点:如果渗滤液不产生蒸汽, 只有当渗滤液接触到管路才能检测到漏洞。
2.1.3 电容传感器法。电容传感器法是通过测量土壤绝缘常数的变化来检测渗漏。干土的绝缘常数在5左右, 水的绝缘常数在80左右,当土壤因渗漏而变得潮湿,绝缘常数会增加。测试一个区域土壤绝缘常数的变化可知是否有漏洞出现。电容传感器是利用周围土壤绝缘常数在某一个谐波频率下共振,根据得到的频 率,由校准曲线可确定湿度。优点: 已有电容传感器成品,不需要另行研制。缺点: 通过电容传感器测到的湿度并非专为渗滤液的湿度。
2.1.4 示踪剂法。 示踪剂法是将采样收集探针插入填埋场周边近地面的土壤中, 并把一种挥发的化学示踪剂注入垃圾填埋坑中,如果探针检测到示踪剂,则表明有漏洞。优点:可用于任何填 埋物和填埋场任何阶段的检测。缺点:大多数示踪系统不能发现漏洞位置,只能确定是否存在漏洞。另外,系统自动收 集、分析样品的技术还未成熟,一些系统需要技术人员对土 壤气体进行人工收集和分析。
2.1.5 电化学感应电缆法。 电化学感应电缆法主要是利用目标污染物引起了应电缆的物理和化学变化, 这些变化引起或干扰光电信号,通测量由于与污染物接触导致的电压降来检测渗漏。优点:特别适用于检测含有碳氢化合物的填埋场。电缆发生的反应大多数是可逆的,所以电缆可以利用可逆反应再生而不需要在出现渗漏后被替换。缺点: 电缆只能检测一个狭窄范围的污染物。每个填埋场必须安装特殊的电缆来检测产生渗滤液的不同成分。
2.1.6 电学法
（1） 双电极法。双电极法是利用渗滤液或地下水的导电性和 HDPE 的绝缘性来实现的。在填埋坑中放置一个发射电极, 在填埋坑 以外的近地面的土壤中放置一个接受电极。当土工膜没有 漏洞时, 给两个电极加一定的电压,不能形成回路, 无电流; 当有漏洞时, 电流就可以把渗滤液或地下水作为导体穿过漏 洞从而形成回路, 显示一定的电流值。优点: 不需要预先在 衬层下安装任何传感器。缺点:只能检测到有无漏洞,不能检测到漏洞的大小、位置和数量。
（2）美国学者 Shultz O.W 研究的电极- 偶极子法( 改良的双电极法)如图4所示: 在填埋场外放一回流电极, 场内放一发生电极和一移动检测电极对(偶极子) 。给发生电极和回流电极加一电压,当衬层有漏洞时,移动检测电极两端就会有一定的电压显示。通过由移动检测电极测得的电压数据所绘制的电压分配图,可以判断漏洞的位置和数量。该法适用于在没填垃圾前的衬层施工验收。
（3）电极格栅法。电极格栅法是利用渗滤液比地下水有更好的导电性来实现的。施工时在土工膜下安装电极格栅( 用导线做的格 栅, 每根导线上都按一定的距离有若干电极),当有渗漏发生 时,被渗滤液浸湿的电极显示出比没有被浸湿的电极较高的电压,有较多渗滤液的地区比渗滤液较少地区的电压高。根 据绘制的电压分配图可以判断漏洞的位置、大小和数量。优 点:组件简单、耐用,可监测衬层下的完整区域。缺点:不适用于已建好的垃圾填埋场, 因为电极格栅必须在施工时放入填埋单元。
以上几种方法的综合比较见表 1。
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| 方法 | 任何时候 确定渗 确定漏 能否广能否重 自动化 | |||||
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| 都可安装 漏位置 洞大小 泛应用复使用 | 程度 | |||||
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| 地下水检测法 | 不可以 | 不能 | 不能 | 能 | 能 | 没有 | |
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| 扩散管法 | 不可以 | 能 | 能 | 不能 | 能 | 有 |
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| 电容传感法 | 不可以 | 能 | 不能 | 能 | 不能 | 没有 |
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| 示踪剂法 | 可以 | 不能 | 不能 | 能 | 能 | 没有 |
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| 电化学感 | 不可以 | 部分 | 不能 | 能 | 部分 | 有 |
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| 应电缆法 | ||||||
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| 双电极法 | 可以 | 不能 | 不能 | 不能 | 能 | 没有 |
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| 电极格栅法 | 不可以 | 能 | 能 | 能 | 能 | 有 |
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由以上的比较和国外的一些评述, 可以得出电学法 ( 许多情况下是将双电极法和电极格栅法结合使用) 是较好的一种。
2.2 渗漏检测技术方案
目前应用的电极栅格法可以准确确定渗漏点位置及渗漏点数量, 但对渗滤 液形成的羽状体在地下的扩散还不能实时监测。本文所提出的在线电学监测系统是电极栅格法的进一步发展,通过垃圾填埋场衬层系统下预先网状布置 的电传感器和填埋场监测站的数据采集及控制处理 系统 ,不仅可以迅速准确地确定渗漏点的位置及数量 ,还可实时监测渗滤液羽状体在地下介质中的空间分布 ,以便及时采取更为有效的措施防止渗滤液 造成严重的地下环境污染 ,真正实现新建垃圾填埋场的智能化、环保化。
2.2.1 电学监测原理
当垃圾填埋场发生渗漏后, 渗滤液中带电离子在渗漏点位置的富集和交换会引起土壤自然电位场的改变,根据实时监测的自然电位场的变化, 可以确定渗漏点的位置和数量。而且 ,这种高浓度多组分渗滤液渗入地下后,会使周围地层介质的物理性质特 别是导电性质发生变化。基于这种原理, 本研究通过探测垃圾填埋场衬层系统下一定深度范围内土壤的电阻率,和填埋场建成初期本底监测的电阻率进行比较,可以确定垃圾渗滤液在填埋场地下介质中形成的羽状体形态和扩散区域。
目前, 城市生活垃圾填埋场渗滤液的主要成分为：
| 渗滤液成分 | 浓度 |
| COD | 100 ～ 62 400 mg/L |
| 氨氮 | 5 ～ 1 000 mg/L |
| 氯化物 | 100 ～ 3 000 mg/L |
| 硫酸盐 | 80 ～ 460 mg /L |
| Na | 40 ～ 2 800 mg/L |
| K | 20 ～ 2 050 mg/L |
| Mg | 10 ～ 480 mg /L |
2.2.3 填埋场气体的组成、性质及产生过程
垃圾填埋场可以被概化为～个生态系统，其主要输入项为垃圾和水，主要输出项为渗滤液和填埋场气体，二者的产生是填埋场内生物、化学和物理过程共同作用的结果。填埋场气体主要是填埋垃圾中可生物降解有机物在微生物作用下的产物。其组成和性质见表2。
表2 城市垃圾填埋场释放气体的典型成分和性质
| 成分 |
| 体积百分比(干基) |
| 甲烷 |
| 45～60 |
| 二氧化碳 | 40～60 | |
| 氮气 |
| 2～5 |
| 氧气 |
| 0.1～1.0 |
| 硫化氢 |
| 0～1.0 |
| 氨气 |
| 0.1～1.0 |
| 氢气 |
| O～0.2 |
| 一氧化碳 | 0～0.2 | |
| 微量气体 | 0.001～0.006 | |
| 性质 |
| 特征值 |
| 温度 | 37.8～48.9 | |
| 比重 |
| 1.02～1.06 |
| 含水率 |
| 饱和 |
| 商热值(MJ／m3) | 14.9～20.5 |
2.2.4 水域功能和标准分类
依据地表水水域环境功能和保护目标，按功能高低依次划分为五类：
Ⅰ类：主要适用于源头水、国家自然保护区；
Ⅱ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等；
Ⅲ类：主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区；
Ⅳ类：主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；
Ⅴ类：主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。
对应地表水上述五类水域功能，将地表水环境质量标准基本项目标准分为五类，不同功能类别分别执行相应类别的标准值。水域功能类别高的标准值严于水域功能类别低的标准值。同一水域兼有多类使用功能的，执行最高功能类别对应的标准值。实现水域功能与达标功能类别标准为同一含义。
表3地表水环境质量标准基本项目标准限值
单位：mg/L
| 序号 | 标准值分类 项目 | Ⅰ类 | Ⅱ类 | Ⅲ类 | Ⅳ类 | Ⅴ类 |
|
1 |
水温(℃) | 人为造成的环境水温变化应限制在： 周平均最大温升≤1 周平均最大温降≤2 | ||||
| 2 | PH值（无量纲） | 6-9 | ||||
| 3 | 溶解氧≥ | 饱和率90%（或7.5） | 6 | 5 | 3 | 2 |
| 4 | 高锰酸盐指数 ≤ | 2 | 4 | 6 | 10 | 15 |
| 5 | 化学需氧量（COD） ≤ | 15 | 15 | 20 | 30 | 40 |
| 6 | 五日生化需氧量（BOD5） ≤ | 3 | 3 | 4 | 6 | 10 |
| 7 | 氨氮（NH3-N） ≤ | 0.15 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
| 8 | 总磷（以P计）≤ | 0.02(湖、库0.01) | 0.1(湖、库0.025) | 0.2(湖、库0.05) | 0.3(湖、库0.1) | 0.4(湖、库0.2) |
| 9 | 总氮（湖、库，以N计）≤ | 0.2 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 |
| 10 | 铜 ≤ | 0.01 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
| 11 | 锌 ≤ | 0.05 | 1.0 | 1.0 | 2.0 | 2.0 |
| 12 | 氟化物（以F-计） ≤ | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.5 | 1.5 |
| 13 | 硒≤ | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.02 | 0.02 |
| 14 | 砷≤ | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.1 | 0.1 |
| 15 | 汞≤ | 0.00005 | 0.00005 | 0.0001 | 0.001 | 0.001 |
| 16 | 镉≤ | 0.001 | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 0.01 |
| 17 | 铬（六价） ≤ | 0.01 | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.1 |
| 18 | 铅≤ | 0.01 | 0.01 | 0.05 | 0.05 | 0.1 |
| 19 | 氰化物≤ | 0.005 | 0.05 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 20 | 挥发酚 ≤ | 0.002 | 0.002 | 0.005 | 0.01 | 0.1 |
| 21 | 石油类≤ | 0.05 | 0.05 | 0.05 | 0.5 | 1.0 |
| 22 | 阴离子表面活性剂≤ | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.3 | 0.3 |
| 23 | 硫化物 ≤ | 0.05 | 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1.0 |
| 24 | 粪大肠菌群（个/L） ≤ | 200 | 2000 | 10000 | 20000 | 40000 |
表4 地表水环境质量标准基本项目分析方法
单位：mg/L
| 序号 | 项目 | 分析方法 | 最低检出限（mg/L） | 方法来源 |
| 1 | 水温 | 温度计法 |
| GB13195-91 |
| 2 | PH值 | 玻璃电极法 |
| GB6920-86 |
| 3 | 溶解氧 | 碘量法 | 0.2 | GB7489-87 |
| 电化学探头法 |
| GB11913-89 | ||
| 4 | 高锰酸盐指数 |
| 0.5 | GB11892-89 |
| 5 | 化学需氧量 | 重铬酸盐法 | 10 | GB11914-89 |
| 6 | 五日生化需氧量 | 稀释与接种法 | 2 | GB7488-87 |
| 7 | 氨氮 | 纳氏试剂比色法 | 0.05 | GB7479-87 |
| 水杨酸分光光度法 | 0.01 | GB7481-87 | ||
| 8 | 总磷 | 钼酸铵分光光度法 | 0.01 | GB11893-89 |
| 9 | 总氮 | 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法 | 0.05 | GB11894-89 |
| 10 | 铜 | 2,9-二甲基-1,10-菲啰啉分光光度法 | 0.06 | GB7473-87 |
| 二乙基二硫代氨基甲酸钠分光光度法 | 0.010 | GB7474-87 | ||
| 原子吸收分光光度法(螯合萃取法) | 0.001 | GB7475-87 | ||
| 11 | 锌 | 原子吸收分光光度法 | 0.05 | GB7475-87 |
| 12 | 氟化物 | 氟试剂分光光度法 | 0.05 | GB7483-87 |
| 离子选择电极法 | 0.05 | GB7484-87 | ||
| 离子色谱法 | 0.02 | HJ/T84-2001 | ||
| 13 | 硒 | 2,3-二氨基萘荧光法 | 0.00025 | GB11902-89 |
| 石墨炉原子吸收分光光度法 | 0.003 | GB/T15505-1995 | ||
| 14 | 砷 | 二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法 | 0.007 | GB7485-87 |
| 冷原子荧光法 | 0.00006 | 1) | ||
| 15 | 汞 | 冷原子荧光法 | 0.00005 | 1) |
| 冷原子吸收分光光度法 | 0.00005 | GB7468-87 | ||
| 16 | 镉 | 原子吸收分光光度法(螯合萃取法) | 0.001 | GB7475-87 |
| 17 | 铬（六价） | 二苯碳酰二肼分光光度法 | 0.004 | GB7467-87 |
| 18 | 铅 | 原子吸收分光光度法(螯合萃取法) | 0.01 | GB7475-87 |
| 19 | 氰化物 | 异烟酸-吡唑啉酮比色法 | 0.004 | GB7487-87 |
| 吡啶-巴比妥酸比色法 | 0.002 |
| ||
| 20 | 挥发酚 | 蒸馏后4-氨基安替比林分光光度法 | 0.002 | GB7490-87 |
| 21 | 石油类 | 红外分光光度法 | 0.01 | GB/T16488-1996 |
| 22 | 阴离子表面活性剂 | 亚甲蓝分光光度法 | 0.05 | GB7494-87 |
| 23 | 硫化物 | 亚甲基蓝分光光度法 | 0.005 | GB/T16489-1996 |
| 直接显色分光光度法 | 0.004 | GB/T17133-1997 | ||
| 24 | 粪大肠菌群 | 多管发酵法、滤膜法 |
| 1) |
2.2.2 电学监测系统构成
由图5可知, 电传感器系统由埋设于填埋场内部通过电缆相连的电传感器组成,实现向地下供电建立电场和实施监测自然电位和电场电位的功能;电传感器信号转换系统接受数据处理与分析系统的指令实现对电传感器的选择,同时将电传感器的测量信号传给数据处理与分析系统 ;数据处理与分析系统控制整个系统的各个动作,同时对采集数据进 行实时处理分析。
电传感器是由不极化的材料组成, 由于渗滤液的 pH 在5. 8～ 7.5,具有耐腐蚀、强导电性的特点。 电传感器通常在垃圾填埋场人工合成衬层(最常用的是高密度聚乙烯膜)下布设,其垂向剖面见图6 。电传 感器的布设根据垃圾场分布区的地层情况而定,在需要 特殊监测的位置可以加密传感器的布设。传感器的布设间距根据地下水位面深度、监测精度和监测成本共同确 定。电极间距可在5～ 20m 不等。
2.2.3 电化学传感器
电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。电化学传感器对工作电源的要求很低。实际上，在气体监测可用的所有传感器类型中，它们的功耗是最低的。因此，这种传感器广泛用于包含多个传感器的移动仪器中。它们是有限空间应用场合中使用最多的传感器。TGS202烟雾传感器是一种综合传感器，其用途广，能探测CO2，CO，甲烷、煤气等多种气体，他灵敏度高，稳定性好。
虽然TGS202烟雾传感器各方面性能较之电化学传感器优秀，但其结构复杂，成本较高，使用寿命并不是很长。相比较而言，电化学传感器结构简单，成本极低，可反复跟换。
电化学传感器与被测气体发生电化学反应并产生与气体浓度成正比的电信号，再加上必要的信号调理电路，就可以完成气体实时连续在线检测。该系统主要实现对一氧化碳、硫化氢及甲醛的检测，故选择Co／CF一200、H2S／M—100、CH20／C—10这3种电化学传感器。
敏感极的输出电流通过精密电阻R洲转换成电压信号，再经过集成运算放大器Ic。及与它相连的几个电阻所构成的典型反相比例放大电路放大调理后，最后得到一个稳态信号。反相比例放大电路的输出为：
其中：RLood是精密电阻值，RGain是反馈电阻值。如果气体的检测范围已知，那么通过调整这2个电阻的大小，可以改变电化学传感器的输出电压值的范围。
2.3 系统设计技术方案
为保障生活垃圾 填埋场无害化的正常运行，随时掌握场区的环境监测数据。充分、快速、实时地了解和掌握填埋场管理涉及的相关数据信息越来越繁多,管理难度越理的各属性信息越来越大,人工信息管理方法的弊端愈加突出,迫切也是决策部门正确制定圾填埋场发展规划及相关需要实现信息的自动化、 动态化、 定位化管理。对提高信息应用水平和 管理效率是十分必要的。
用单片机控制一个数据采集系统，与以往用数字逻辑电路组成的控制系统相比，用单片机组成的数据采集系统，应具有更大的灵活性，功能也更强，并具有智能性, 在实际工作中是一种行之有效的方法。因此，从理论上分析利用单片机和PC机为核心设计一个垃圾填埋场监测系统设计是可行的。
垃圾填埋场监测系统设计技术方案分为：
（1）智能数据采集卡
（2）PC机管理界面
功能原理如下所述：
垃圾填埋场检测系统是对垃圾填埋场渗滤液有害成分进行检测，通过传感器对垃圾填埋场现场渗滤液浓度的检测，从而转换成相应的电压值，又通过A/D模数转换器将传感器的电压值的模拟信号转换为数字信号，然后所转换的数字量接到单片机的 I/O口，最后单片机对接入的数字信号做出反应，判断所测渗滤液的浓度是否超标，超标则做出闪光响铃的报警指示，处于安全范围保持正常状态不变。此时，工作人员在PC机操作，将此时的渗滤液值通过单片机串口通信录入PC机数据管理界面完成相应的数据保存、数据显示、数据跟踪分析等功能。
3.1智能数据采集卡
系统以PC机为主控机 ,由 AT89C51单片机、A/ D 转换器及外围电路组成分机,以RS232连接主机和从机,组成垃圾填埋场渗滤液有害成分泄漏检测报智能数据采集卡。其硬件结构见图7所示：
传感器能够把自然界的各种物理量和化学量等精确地变换为电信号, 再经电子电路或计算机进行处理, 从而对这些量进行监测或控制。本系统选用电学双电极法和电极格栅法传感器以实现对生活垃圾填埋场渗滤液的主要成分COD、氨氮、氯化物、硫酸盐、Na 、K 、Mg 浓度值相关的模拟量的数据采集。用电化学有害气体传感器 以实现对被监测环境中与一氧化碳、硫化氢和甲醛等3种毒害气体浓度值相关的模拟量的数据采集。
2.3.2单片机程序流程图
系统复位后，首先进行定时器初始化，液晶模块初始化，串行口初始化。然后启动A/D转换通道，读取转换结果，重新标度变换，并且保存数值结果。如果接收到上位机发来的信号，就将对应的浓度值传送给上位机进行后续处理，其具体系统设计流程见下图8：
2.3.3 PC机管理界面
为保障生活垃圾卫生填埋场无害化的正常运行，随时掌握场区的环境监测数据。建立环境监测信息管理系统对生活垃圾填埋场进行科学管理非常重要。沈阳市生活垃圾卫生填埋场建立的环境监测信息管理系统包括生活垃圾填埋场大气监测信息管理、地面水监测信息管理、地下水监测信息管理、污水监测信息管理。本次设计采用SQL2005和Labview2014进行PC机数据管理界面的设计。
系统功能设计各部分功能如下：
1）系统管理功能
在系统管理中主要有用户管理、用户密码修改和数据库备份与恢复。
用户管理：对用户名和密码进行添加、删除及用户权限进行分配。
密码修改：可对用户现设置的密码进行重新设置。
数据库备份与恢复：可按用户指定的路径备份数据库，并可按选择的备份时间进行数据库恢复。
2）数据维护功能 数据维护主要是数据录入和修改。 数据录入主要有文本和表格录入方式。表格式录入，主要解决数据量大，录入过程与保存过程分开，在处理数据时，不易引起数据错误。
3）数据查询检索功能
以选择字段查询、日期查询和按所选择时间段进行检索查询。
4）数据统计分析功能
一是利用SQL2005语言编程技术进行数据统计；
二是利用 Labview2014的决策分析组件以表格和图形的多维方式显示统计分析的查询结果。
5）数据输出功能
为了充分利用各种数据资源和提高数据互换能力，在各系统模块中使用了Excel 2007 的表格，可将数据查询结果保存到电子表格中，然后按照需要输出报表。
综上所述PC机界面功能如图9所示
3. 研究计划与安排
3进度安排
1．查阅文献资料，提交英文文献翻译（第1周）
2．控制系统总体方案设计及论证，撰写并提交开题报告（第2-4周）
4. 参考文献（12篇以上）
参考文献：
[1]李新德主编．单片机应用技术，北京：北京理工大学出版社，2009
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