垃圾填埋場防滲屏障的服役壽命評價

席永慧 楊 帆 蔡策毅

(同濟大學土木工程學院建筑工程系,上海 200092)

0 引 言

隨著經濟的快速發展,人民生活水平提高,生活垃圾的產生量也不斷增加。填埋是生活垃圾處理的主要方式之一,國家統計局最新數據顯示,2014年全國垃圾填埋量達10 744.3萬噸[1]。為了避免填埋場中的滲濾液滲出,導致地下水、土壤或混凝土遭受污染,在已存在或者正在建設中的填埋場地應用污染物防滲屏障技術,其目的是確保結構的完整性,并減少因滲濾液遷移造成的危害。

填埋是生活垃圾處理的主要方法之一。垃圾填埋場滲濾液滲漏引起的地下環境污染問題越來越受到社會的關注和重視。垂直防滲屏障是最主要污染控制措施,已獲得廣泛應用。防滲屏障在填埋場中有廣泛的應用,用于生活垃圾填埋場滲濾液污染控制的垂直防滲屏障的滲透系數宜在10-7cm/s量級[2],其類型可選用水泥-膨潤土墻、土-膨潤土墻、塑性混凝土墻、HDPE土工膜-膨潤土復合墻等。

目前國內外關于防滲屏障的研究主要集中于屏障材料特性和配比對防滲性能影響的試驗研究[3-6];陳云敏[7]提出了基于污染物濃度擊穿時間的屏障設計方法,屏障擊穿時間需要大于垃圾穩定固化時間和填埋場運行時間之和;劉偉[8]對懸掛式及嵌入式塑性混凝土防滲帷幕服役壽命進行了研究,通過建立填埋場含塑性混凝土防滲帷幕的二維運移數值分析模型,分析了不同因素對塑性混凝土材料類型的防滲帷幕防污性能的影響;詹良通等[9]研究了垃圾填埋場污染物擊穿豎向防滲帷幕時間的影響因素,以COD作為代表性污染物,在蘇州七子山填埋場地質條件勘查基礎上建立了有限差分計算模型,對防滲帷幕被污染物擊穿時間的影響因素進行了計算分析;D.G.Ruffing[10]在膨潤土中參入粉煤灰制成的泥漿,使鎘離子在防滲屏障中的擴散系數減小60%,對屏障的擊穿時間增加了5.3倍;也有對于其他防滲基材的使用壽命進行研究的,Abdelaal[11]對不同滲濾液情況下,土工膜的機械性能的研究,并用阿倫尼烏斯模型對土工膜的破壞時間進行推斷;國內外對防滲屏障的服役壽命的研究仍較少。

對于我國填埋場來說,滲濾液水位往往較高,達到了十幾米甚至更高。在如此高的水位條件下,防滲屏障的服役壽命尤其值得關注。防滲屏障服役壽命研究對于無控制填埋場的污染狀況及風險的評估有重要的作用,而且可以對防滲屏障的設計提出要求和建議。本文基于垃圾填埋場遷移方程的解析解,進行了Matlab曲線的模擬。采用本項目支持的實驗室擴散試驗得到的試驗數據,結合浦東老港垃圾填埋場對其服役壽命進行評價與分析,并結合某工業搬遷場地對其防滲屏障進行設計。

1 一維對流-彌散遷移方程及邊界條件

人們關心的是填埋場中污染物離子的遷移對地下水及周圍土壤的危害。描述污染物離子在土壤中的遷移,通常采用一維數學表達式,這類偏微分方程統稱為遷移方程。污染場地的滲濾液中含有多種污染物質,這些污染物質在黏土、水泥土(水泥摻量較小)襯墊或防滲屏障中遷移時,將受到對流運移、分子擴散、機械彌散、吸附作用等遷移機理的綜合作用。綜合考慮這些遷移機理的作用,滲濾液中污染物在防滲屏障中遷移的計算模型包含如下假定:

(1) 土壤多孔介質系統是均質的、半無限的;

(2) 土壤是飽和的,地下水在土壤中的流動符合達西定律;

(3) 溶質沿一個方向遷移;

(4) 防滲屏障中滲透系數k是常數;

(5) 污染物在防滲屏障中的遷移只發生在一個方向。

在上述假定的基礎上,污染物在填埋場防滲屏障中的遷移就可用一維對流-彌散模型來描述平流、彌散與吸附等作用對滲濾液中污染物在防滲屏障中遷移的影響。如果這些假定被接受,且既不考慮污染物的源匯,又不考慮污染物的蛻變,則污染物溶質通過飽和土壤的一維遷移模型由著名的平流-彌散方程[12-13]來表達:

(1)

式中:Rf是阻滯因子;D為污染物在土中的分子擴散系數;v是滲流速度。

假定:①土壤多孔介質系統是半無限的;②土體開始沒有受污染;③污染源濃度是常數,則邊界條件為

c(∞,t)=0

c(x,0)=0

c(0,t)=c0

(2)

式中:c0為常數,土/滲濾液交界面處的溶質濃度。

Freez和Cherry(1979)給出了遷移方程在上述邊界條件下的解析解:

(3)

對于反應性物質(Rf≠1):

;

(4)

式中:v*=v/Rf;De=D/Rf(De為有效擴散系數)。擴散模型示意圖如圖1所示。

圖1 擴散模型Fig.1 Model of diffusion

這個解被廣泛地應用在野外和實驗室數據分析中。本文用MATLAB進行計算,繪制了不同De值、v值組合下,對有限厚度(L)的防滲屏障,給定c,c0,vs,v,De值,在屏障出口處污染液的濃度可將L代入方程中的x計算求得,這樣可得到屏障出口處相對濃度與時間的關系圖c/c0～t/Rf曲線圖2、圖3。如果給定t,則可求得屏障在經過給定時間t時,屏障出口處的相對濃度,這樣可畫出c/c0-x曲線圖(圖4和圖5)。

圖2 De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a情況下c/c0-t/Rf曲線圖Fig.2 Curves of c/c0-t/Rf under the condition of De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a

2 填埋場服役性能的評價

《生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范》(CJJ 176—2012)[14]中提到防滲屏障的服役壽命應該大于填埋場運行時間和固廢穩定化時間的時間總和,即

圖3 De=0.000 47 m2·a-1,v=0.003 m·a-1情況下c/c0-t/Rf曲線圖Fig.3 Curves of c/c0-t/Rf under the condition of De=0.000 47 m2/a,v=0.003 m/a

圖4 De=0.001 4 m2·a-1,v=0.003 m·a-1情況下c/c0-x曲線圖Fig.4 Curves of c/c0-x under the condition of De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a

圖5 De=0.000 47 m2·a-1,v=0.003 m·a-1情況下c/c0-x曲線圖Fig.5 Curves of c/c0-x under the condition of De=0.000 47 m2/a,v=0.003 m/a

(5)

填埋場的運行時間,可用防滲屏障的擊穿時間代表。確定防滲屏障的擊穿時間可按照下列步驟進行:

(1) 選擇設計標準:首先,選定設計厚度;其次,確定在設施設計壽命期中土屏障中最大的滲流速度。

(2) 確定或估計設計中滲濾液的初始濃度c0。

(3) 計算擊穿水平ce/c0;關于擊穿濃度標準沒有統一說法,有按照擊穿濃度相對值確定[15],有按照地下水標準確定,本研究用ce/c0=10%來確定擊穿濃度ce,當溶液原濃度c0較大時,根據《國外水和空氣質量標準》,對不同污染物離子有不同的擊穿濃度限制。

(4) 估計有效擴散系數,用已報道的研究成果或通過擴散試驗確定。

(5) 確定阻滯因子Rf。《生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范》[14](CJJ 176—2012)中提到在重金屬離子污染的土體中,阻滯因子可取3～40,計算時,保守起見取阻滯因子為3。 因為研究表明,阻滯因子的影響因素很多,如混和液和單種溶液的有效擴散系數和阻滯因子是有差別的,相伴離子對擴散的影響也是明顯的。

(6) 利用相關曲線圖估計屏障的擊穿時間。利用所求得的c/c0-t/Rf曲線,在Matlab程序中求出擊穿水平為10%的點,從而求得污染物離子擊穿防滲屏障的時間。

3 案例分析

3.1 案例一

現有上海老港衛生填埋場,填埋深度3.5 m。為防止垃圾滲瀝液擴散污染土壤與地下水,在垃圾體底部設有防滲襯墊,垃圾體周邊設置豎向防滲墻,墻深12 m,厚300 mm,墻體采用混合材料,膨潤土∶水泥∶砂=2.57∶1∶1.2,水固比取1.4。已知垃圾滲瀝中銅離子濃度為2 mg/L,不考慮防滲屏障兩側的水頭差。

通過我們最新的室內擴散試驗結果測得銅離子在上述混合材料的有效擴散系數D/Rf=4.5×10-7cm2/s (0.001 4 m2/a),滲濾液滲流速度為0.003 m2/a,查圖2的局部放大圖(圖6),擊穿水平為10%時,在Matlab程序中找到相對應的點,可知t/Rf=10 a (年),因為阻滯因子為3,所以銅離子屏障擊穿的時間t=30 a (年)。

圖6 De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a情況下c/c0～t/Rf曲線選點圖Fig.6 Curves of c/c0～t/Rf under the condition of De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a

王羅春等[16]對老港垃圾填埋場穩定化的研究表明:老港填埋場達到三、二、一級穩定化狀態所需的時間分別為4 a、10 a、32 a。根據李華和趙由才[17]對上海市老港填埋場的研究,垃圾填埋24 a后,垃圾中可生物降解含量(BDM)為2.55%,填埋場表面沉降量0.009 m2/a,滲濾液COD濃度約為5 mg/L,即可認為達到穩定化。據此本文假定,老港填埋場的穩定化時間為24 a。

根據公式(5)和銅離子的有效擴散系數,老港填埋場的服役壽命為屏障擊穿時間與老港填埋場的穩定化時間總和,即為54 a (年){30 a (屏障擊穿時間)+24 a (填埋場穩定化時間)},滿足填埋場的一般設計使用年限50年的要求。

3.2 案例二

現有某工業搬遷場地,經調查場地土壤地下水存在重金屬等污染,其中地下水銅離子濃度500 mg/L,最大污染深度4 m。擬對污染區域采用水泥土攪拌樁墻進行污染阻隔,水泥摻量為12%,需設計此污染場地防滲屏障的厚度。

根據我們最新的室內擴散試驗結果,銅離子在水泥摻量為12%的防滲屏障中的有效擴散系數Rf=1.5×10-7cm2/s (0.000 47 m2/a)為參考,滲濾液滲流速度取0.003 m2/a。根據擬合的曲線(圖7),在Matlab中選擇擊穿水平c/c0為10%的點,同樣取穩定化時間為24年,根據曲線圖假定t=35 a。從圖中查得所需的防滲屏障最小厚度x=0.202 m,結合結構使用的長久性和經濟性,防滲屏障厚度宜設計為0.25 m。

圖7 De=0.000 47 m2/a,v=0.003 m/a情況下c/c0-x曲線選點圖Fig.7 Curves of c/c0-x under the condition of De=0.000 47 m2/a,v=0.003 m/a

4 結 論

從一維對流一彌散方程的數值模擬結果可以看出:

(1) 隔離屏障的服役壽命大小主要取決于隔離屏障的擊穿時間,而對隔離屏障取的De值越大,擊穿時間越短,De提高3倍可將擊穿時間增加1.5倍。所以如果要增加隔離屏障的服役壽命,則可以通過改變防滲屏障材料來降低金屬離子在防滲屏障中的De值。

(2) 填埋場隔離屏障服役壽命是填埋場穩定化時間與隔離屏障擊穿時間之和,通過對上海老港填埋場0.30 m厚防滲屏障的分析,查閱c/c0～t/Rf曲線圖得出上海老港填埋場的服役壽命為54 a。

(3) 填埋場隔離屏障服役壽命是填埋場穩定化時間與隔離屏障擊穿時間之和,通過對屏障擊穿時間的假定,對案例二中的某工業場地的防滲屏障設計,假定其擊穿時間為35年,通過查閱c/c0～x的曲線圖,厚度宜設計為0.25 m。