基于數(shù)值模擬的某臨河工業(yè)固體廢物渣場地下水污染控制研究

肖再亮,王 飛,灑永芳,宋 凱,劉 建

(1.四川省環(huán)境工程評估中心，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 研究背景

隨著工業(yè)快速發(fā)展，我國工業(yè)固廢產(chǎn)生量持續(xù)增長，至2016年我國214個大、中型城市一般工業(yè)固廢產(chǎn)量達(dá)17.9×108t，綜合利用率48%，處置率21%，貯存率31%[1]。工業(yè)固廢貯存過程中，因監(jiān)督、管理不善，尚存在大量違規(guī)簡易堆放現(xiàn)象，如甘肅蘭州某電解鋁廢渣違規(guī)堆放[2]，安徽貴池某工業(yè)園區(qū)堿渣沿長江簡易堆存[3]，四川德陽17座磷石膏渣場簡易堆放[4]等。簡易工業(yè)固廢堆場運(yùn)行過程中，污染物通過降雨淋濾進(jìn)入地下污染含水層[5-6]。

根據(jù)《固體廢物污染環(huán)境防治法》《土壤環(huán)境保護(hù)和污染治理行動計(jì)劃》等法律法規(guī)和近年來環(huán)保督察的要求，簡易堆場須進(jìn)行治理，并以徹底清除污染源和重新規(guī)范渣場建設(shè)為優(yōu)先方案。但針對無條件徹底清除污染源或重新規(guī)范建設(shè)的簡易堆場，一些地方也采用就地封場并配套水動力阻隔、防滲帷幕、抽出-處理等措施予以緩解和控制污染[7-14]。

本文以某臨河工業(yè)固體廢物渣場為研究對象，通過模擬就地封場和就地封場基礎(chǔ)上聯(lián)用水動力阻隔、防滲帷幕、抽出-處理等多種方案的治理效果，為渣場污染控制提供依據(jù)。

2 渣場概況

某渣場位于A河左岸，面積約3.0×104m2，堆渣總量約25×104m3，已運(yùn)行10余年。渣場南側(cè)、西側(cè)外圍設(shè)置有擋墻，無規(guī)范防滲、滲濾液收集處理和雨污分流措施。與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)相比，渣場區(qū)地下水中SO42-超標(biāo)范圍約0.1 km2。

3 地下水污染控制方案

徹底清除污染源或按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求重新規(guī)范渣場是有條件時應(yīng)優(yōu)先考慮的方案。在確無上述條件時，有些地方也采用就地封場并配套相應(yīng)物理阻隔和地下水抽出處理措施，以最大程度控制和緩解渣場對周邊地下水環(huán)境的影響。

本文僅就就地封場、就地封場聯(lián)合水動力阻隔、就地封場聯(lián)合防滲帷幕及抽出-處理3種方案進(jìn)行比較，采用Modflow模擬各方案的控制效果。3種方案的具體措施如下：

(1)就地封場：主要內(nèi)容包括建設(shè)雨污分流和滲濾液收集處理系統(tǒng)、采用HDPE等材料進(jìn)行封場覆蓋。

(2)就地封場聯(lián)合水動力阻隔：在就地封場的基礎(chǔ)上在南側(cè)攔渣壩下游設(shè)置抽水井抽取受污染地下水至地表處理。假設(shè)抽水井?dāng)?shù)量相同，設(shè)計(jì)單井抽水量為30、50、70、90、110、130、150、170及190 m3/d依次變化。

(3)就地封場聯(lián)合防滲帷幕與抽出-處理：封場基礎(chǔ)上，將防滲帷幕布設(shè)位置于污染羽上游、污染羽側(cè)向及污染羽下游。抽水井布設(shè)于下游帷幕內(nèi)側(cè)，以避免帷幕內(nèi)地下水位雍高。共設(shè)計(jì)8種方案，見表1。

圖1 渣場區(qū)地下水中SO42-污染范圍(單位：mg/L)

表1 防滲帷幕與抽出-處理聯(lián)用方案設(shè)計(jì)

4 地下水污染控制效果模擬

4.1 模型基本設(shè)置

4.1.1 數(shù)學(xué)模型 將模擬區(qū)地下水流概化為均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[16]，建立地下水流動的污染物遷移數(shù)學(xué)模型[17]，并分別選用MODFLOW和MT3D進(jìn)行數(shù)值模擬。

4.1.2 模型離散及邊界條件設(shè)置 模型范圍設(shè)置：東-西方向作為模型x軸方向，長3 000 m，每40 m劃分一個網(wǎng)格；南-北方向作為模型y軸方向，長2 400 m，每40 m劃分一個網(wǎng)格；垂直于xy平面向上為模型z軸方向，模擬范圍552～660 m，垂向上概化為2層。模型邊界條件設(shè)置：排泄面A河設(shè)置為河流邊界；東側(cè)碎屑巖山區(qū)地表分水嶺設(shè)置為零流量邊界；模型北側(cè)設(shè)置為補(bǔ)給邊界。

4.1.3 參數(shù)設(shè)置及模型校正 根據(jù)場區(qū)水文地質(zhì)勘查報告、區(qū)域水文地質(zhì)資料、有關(guān)規(guī)范和模型校正確定模型區(qū)降雨補(bǔ)給量、含水層滲透系數(shù)、給水度、彌散度等參數(shù)，見表2。以場區(qū)鉆孔實(shí)測水位作為校驗(yàn)獲得模型區(qū)初始流場，見圖2。

表2 模型參數(shù)取值

圖2 模型區(qū)邊界條件及初始流場

4.1.4 污染現(xiàn)狀擬合及污染源項(xiàng)分析

(1)污染現(xiàn)狀擬合。渣場非覆蓋狀態(tài)下入滲系數(shù)取0.3[18]，計(jì)算得降雨補(bǔ)給量約450 mm。以非穩(wěn)定流方式運(yùn)行模型，采用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，獲得模型區(qū)SO42-濃度分布，如圖1所示。

(2)污染源項(xiàng)分析。根據(jù)數(shù)值模型校正結(jié)果，渣場SO42-平均下滲濃度約110.5 g/L，下滲量約450 mm/a。據(jù)有關(guān)測算，廢渣中可溶SO42-還余約0.5×104t。封場后，入滲量設(shè)置為非覆蓋狀態(tài)的10%，SO42-下滲濃度仍假設(shè)為110.5 g/L，根據(jù)估算，封場30 a后，堆渣剩余SO42-完全進(jìn)入地下水，即封場30 a后渣場SO42-下滲濃度衰減為0。

4.2 模擬結(jié)果

4.2.1 就地封場 封場后地下水中SO42-濃度貢獻(xiàn)值變化見圖3。由圖3可知，渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩及南側(cè)下游A河周邊在封場后0～30 a，SO42-貢獻(xiàn)值分別由46 277、40 974和19 529 mg/L降低至5 229.4、5 144.5、777.5 mg/L；30 a后，SO42-繼續(xù)降低，至42 a，渣場及其下游地下水恢復(fù)至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)。封場雖降低了污染源強(qiáng)，改善了地下水環(huán)境質(zhì)量，但封場后污染物主要以對流擴(kuò)散形式進(jìn)入含水層和A河，事實(shí)上污染物并未得到清除。

圖3 封場后渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩及河邊SO42-貢獻(xiàn)值隨時間變化情況

4.2.2 就地封場聯(lián)合水動力阻隔

(1)方案篩選。封場基礎(chǔ)上，于渣場南側(cè)攔渣壩下游設(shè)置1口抽水井，以抽水量30、50 、70 、90 、110 、130 、150、170及190 m3/d為條件運(yùn)行模型。利用Modflow粒子跟蹤功能，在渣場北東側(cè)上游、垂直地下水主流方向設(shè)置1排示蹤粒子，單井捕獲帶見圖4(a)。調(diào)整抽水井?dāng)?shù)量、位置至抽水井?dāng)?shù)量最少且捕獲帶形成的包絡(luò)線能覆蓋渣場，見圖4(b)。布井方案及捕獲范圍統(tǒng)計(jì)見表3。

圖4 捕獲帶及抽水井?dāng)?shù)量確定過程示意

表3 布井方案及捕獲帶統(tǒng)計(jì)

由表3知，在就地封場聯(lián)合水動力阻隔方案中，設(shè)置抽水量170 m3/d的抽水井1口，為最優(yōu)。

(2)優(yōu)選方案的污染控制效果。優(yōu)選方案下地下水中SO42-濃度貢獻(xiàn)值變化見圖5。由圖5可知，0～30 a渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩SO42-貢獻(xiàn)值分別由46 277、40 974 mg/L降低至4 612、3 759 mg/L；封場后38 a，渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩SO42-貢獻(xiàn)值恢復(fù)至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)限值。A河周邊在采取水動力阻隔措施后5a，SO42-貢獻(xiàn)值恢復(fù)至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)限值。水動力阻隔技術(shù)強(qiáng)化了地下水的水力交替，對渣場及下游地下水質(zhì)量的恢復(fù)具有明顯效果。

4.2.3 就地封場聯(lián)合防滲帷幕與抽出處理

(1)方案篩選。在封場基礎(chǔ)上，按Wall-1#～Wall-8#方案運(yùn)行模型，確保場區(qū)內(nèi)地下水位不壅高的抽水量見表4。

圖5 最優(yōu)抽水井設(shè)置方案下渣場區(qū)地下水中SO42-貢獻(xiàn)值隨時間變化情況

表4 各帷幕設(shè)置方式下防滲渣體內(nèi)水位不壅高的抽水量模擬結(jié)果

注：示意圖中方塊表示渣體，段線表示帷幕。

由表4可知，Wall-1#方案抽水量與Wall-2#～Wall-7#方案相差不大，但帷幕長度最少；Wall-8#方案帷幕長度雖最長，但其抽水量僅為Wall-1#～Wall-7#方案抽水量的1/20～1/16。因此，選擇Wall-1#和Wall-8#方案作比較。

(2)優(yōu)選方案的污染控制效果。Wall-1#、Wall-8#方案地下水中SO42-貢獻(xiàn)值變化情況見圖6。

圖6 渣場區(qū)地下水水質(zhì)恢復(fù)情況對比

由圖6可知，Wall-1#方案實(shí)施后0～30a，渣場、南側(cè)攔渣壩周邊SO42-貢獻(xiàn)值分別由46 277、40 974降低至4 201、4 947 mg/L；至封場后47 a，渣場區(qū)、攔渣壩SO42-恢復(fù)至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標(biāo)準(zhǔn)限值。Wall-8#方案實(shí)施后，帷幕完全截斷渣場區(qū)地下水側(cè)向補(bǔ)給，但由于渣場內(nèi)污染物的持續(xù)釋放，致使渣場區(qū)地下水中污染物濃度持續(xù)升高，至封場30 a時SO42-貢獻(xiàn)值由46 277上升至58 864 mg/L；南側(cè)攔渣壩因靠近抽水井，方案實(shí)施開始受抽水井影響SO42-貢獻(xiàn)值降低，后仍表現(xiàn)為逐步上升的趨勢，至封場后30 a，南側(cè)攔渣壩SO42-貢獻(xiàn)值仍達(dá)35 452 mg/L。帷幕外側(cè)，因防滲帷幕截斷污染源，帷幕外側(cè)地下水逐步恢復(fù)。

4.3 綜合對比分析

綜合前述模擬結(jié)果：(1)封場處理雖能減少污染源強(qiáng)，但仍將持續(xù)向含水層和A河釋放SO42-，因此地下水的恢復(fù)時限較長，且這種方式不能從根本上消除污染物；(2)在封場基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)水動力阻隔方案，以在渣場南側(cè)設(shè)置1口抽水量170 m3/d的抽水井為佳，但存在運(yùn)行費(fèi)用較高等缺點(diǎn)；(3)封場基礎(chǔ)上，配套設(shè)置帷幕和抽出處理在污染控制、工程量和運(yùn)行管理方面具有一定優(yōu)勢，該方案中以在渣場南側(cè)設(shè)置帷幕并配套100 m3/d的抽水井1口為佳。需要說明是，上述3種方案并不能在短時間內(nèi)恢復(fù)地下水環(huán)境質(zhì)量且或多或少存在運(yùn)行管理困難、污染物持續(xù)下滲等問題，有條件時建議徹底清除污染源或按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求重新規(guī)范渣場建設(shè)。

5 結(jié) 論

(1)單純的封場方案可以在一定時間內(nèi)恢復(fù)地下水環(huán)境質(zhì)量，但主要依靠地下水的對流、擴(kuò)散作用，并不能從根本上消除污染物。

(2)封場聯(lián)合水動力阻隔亦可控制污染物的擴(kuò)散，但運(yùn)行費(fèi)用相對較高；封場聯(lián)合帷幕注漿和抽出-處理對于污染控制有一定優(yōu)勢，但運(yùn)行管理方面仍有一定困難。

(3)為切實(shí)保護(hù)地下水環(huán)境，建議有條件時徹底清除污染源或按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求重新規(guī)范渣場建設(shè)。