垃圾填埋场防渗屏障的服役寿命评价

2018-09-12席永慧蔡策毅

结构工程师 2018年4期

席永慧杨帆蔡策毅

(同济大学土木工程学院建筑工程系,上海 200092)

0 引言

随着经济的快速发展,人民生活水平提高,生活垃圾的产生量也不断增加。填埋是生活垃圾处理的主要方式之一,国家统计局最新数据显示,2014年全国垃圾填埋量达10 744.3万吨[1]。为了避免填埋场中的渗滤液渗出,导致地下水、土壤或混凝土遭受污染,在已存在或者正在建设中的填埋场地应用污染物防渗屏障技术,其目的是确保结构的完整性,并减少因渗滤液迁移造成的危害。

填埋是生活垃圾处理的主要方法之一。垃圾填埋场渗滤液渗漏引起的地下环境污染问题越来越受到社会的关注和重视。垂直防渗屏障是最主要污染控制措施,已获得广泛应用。防渗屏障在填埋场中有广泛的应用,用于生活垃圾填埋场渗滤液污染控制的垂直防渗屏障的渗透系数宜在10-7cm/s量级[2],其类型可选用水泥-膨润土墙、土-膨润土墙、塑性混凝土墙、HDPE土工膜-膨润土复合墙等。

目前国内外关于防渗屏障的研究主要集中于屏障材料特性和配比对防渗性能影响的试验研究[3-6];陈云敏[7]提出了基于污染物浓度击穿时间的屏障设计方法,屏障击穿时间需要大于垃圾稳定固化时间和填埋场运行时间之和;刘伟[8]对悬挂式及嵌入式塑性混凝土防渗帷幕服役寿命进行了研究,通过建立填埋场含塑性混凝土防渗帷幕的二维运移数值分析模型,分析了不同因素对塑性混凝土材料类型的防渗帷幕防污性能的影响;詹良通等[9]研究了垃圾填埋场污染物击穿竖向防渗帷幕时间的影响因素,以COD作为代表性污染物,在苏州七子山填埋场地质条件勘查基础上建立了有限差分计算模型,对防渗帷幕被污染物击穿时间的影响因素进行了计算分析;D.G.Ruffing[10]在膨润土中参入粉煤灰制成的泥浆,使镉离子在防渗屏障中的扩散系数减小60%,对屏障的击穿时间增加了5.3倍;也有对于其他防渗基材的使用寿命进行研究的,Abdelaal[11]对不同渗滤液情况下,土工膜的机械性能的研究,并用阿伦尼乌斯模型对土工膜的破坏时间进行推断;国内外对防渗屏障的服役寿命的研究仍较少。

对于我国填埋场来说,渗滤液水位往往较高,达到了十几米甚至更高。在如此高的水位条件下,防渗屏障的服役寿命尤其值得关注。防渗屏障服役寿命研究对于无控制填埋场的污染状况及风险的评估有重要的作用,而且可以对防渗屏障的设计提出要求和建议。本文基于垃圾填埋场迁移方程的解析解,进行了Matlab曲线的模拟。采用本项目支持的实验室扩散试验得到的试验数据,结合浦东老港垃圾填埋场对其服役寿命进行评价与分析,并结合某工业搬迁场地对其防渗屏障进行设计。

1 一维对流-弥散迁移方程及边界条件

人们关心的是填埋场中污染物离子的迁移对地下水及周围土壤的危害。描述污染物离子在土壤中的迁移,通常采用一维数学表达式,这类偏微分方程统称为迁移方程。污染场地的渗滤液中含有多种污染物质,这些污染物质在黏土、水泥土(水泥掺量较小)衬垫或防渗屏障中迁移时,将受到对流运移、分子扩散、机械弥散、吸附作用等迁移机理的综合作用。综合考虑这些迁移机理的作用,渗滤液中污染物在防渗屏障中迁移的计算模型包含如下假定:

(1) 土壤多孔介质系统是均质的、半无限的;

(2) 土壤是饱和的,地下水在土壤中的流动符合达西定律;

(3) 溶质沿一个方向迁移;

(4) 防渗屏障中渗透系数k是常数;

(5) 污染物在防渗屏障中的迁移只发生在一个方向。

在上述假定的基础上,污染物在填埋场防渗屏障中的迁移就可用一维对流-弥散模型来描述平流、弥散与吸附等作用对渗滤液中污染物在防渗屏障中迁移的影响。如果这些假定被接受,且既不考虑污染物的源汇,又不考虑污染物的蜕变,则污染物溶质通过饱和土壤的一维迁移模型由著名的平流-弥散方程[12-13]来表达:

(1)

式中:Rf是阻滞因子;D为污染物在土中的分子扩散系数;v是渗流速度。

假定:①土壤多孔介质系统是半无限的;②土体开始没有受污染;③污染源浓度是常数,则边界条件为

c(∞,t)=0

c(x,0)=0

c(0,t)=c0

(2)

式中:c0为常数,土/渗滤液交界面处的溶质浓度。

Freez和Cherry(1979)给出了迁移方程在上述边界条件下的解析解:

(3)

对于反应性物质(Rf≠1):

;

(4)

式中:v*=v/Rf;De=D/Rf(De为有效扩散系数)。扩散模型示意图如图1所示。

图1 扩散模型Fig.1 Model of diffusion

这个解被广泛地应用在野外和实验室数据分析中。本文用MATLAB进行计算,绘制了不同De值、v值组合下,对有限厚度(L)的防渗屏障,给定c,c0,vs,v,De值,在屏障出口处污染液的浓度可将L代入方程中的x计算求得,这样可得到屏障出口处相对浓度与时间的关系图c/c0～t/Rf曲线图2、图3。如果给定t,则可求得屏障在经过给定时间t时,屏障出口处的相对浓度,这样可画出c/c0-x曲线图(图4和图5)。

图2 De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a情况下c/c0-t/Rf曲线图Fig.2 Curves of c/c0-t/Rf under the condition of De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a

2 填埋场服役性能的评价

《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》(CJJ 176—2012)[14]中提到防渗屏障的服役寿命应该大于填埋场运行时间和固废稳定化时间的时间总和,即

图3 De=0.000 47 m2·a-1,v=0.003 m·a-1情况下c/c0-t/Rf曲线图Fig.3 Curves of c/c0-t/Rf under the condition of De=0.000 47 m2/a,v=0.003 m/a

图4 De=0.001 4 m2·a-1,v=0.003 m·a-1情况下c/c0-x曲线图Fig.4 Curves of c/c0-x under the condition of De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a

图5 De=0.000 47 m2·a-1,v=0.003 m·a-1情况下c/c0-x曲线图Fig.5 Curves of c/c0-x under the condition of De=0.000 47 m2/a,v=0.003 m/a

(5)

填埋场的运行时间,可用防渗屏障的击穿时间代表。确定防渗屏障的击穿时间可按照下列步骤进行:

(1) 选择设计标准:首先,选定设计厚度;其次,确定在设施设计寿命期中土屏障中最大的渗流速度。

(2) 确定或估计设计中渗滤液的初始浓度c0。

(3) 计算击穿水平ce/c0;关于击穿浓度标准没有统一说法,有按照击穿浓度相对值确定[15],有按照地下水标准确定,本研究用ce/c0=10%来确定击穿浓度ce,当溶液原浓度c0较大时,根据《国外水和空气质量标准》,对不同污染物离子有不同的击穿浓度限制。

(4) 估计有效扩散系数,用已报道的研究成果或通过扩散试验确定。

(5) 确定阻滞因子Rf。《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[14](CJJ 176—2012)中提到在重金属离子污染的土体中,阻滞因子可取3～40,计算时,保守起见取阻滞因子为3。因为研究表明,阻滞因子的影响因素很多,如混和液和单种溶液的有效扩散系数和阻滞因子是有差别的,相伴离子对扩散的影响也是明显的。

(6) 利用相关曲线图估计屏障的击穿时间。利用所求得的c/c0-t/Rf曲线,在Matlab程序中求出击穿水平为10%的点,从而求得污染物离子击穿防渗屏障的时间。

3 案例分析

3.1 案例一

现有上海老港卫生填埋场,填埋深度3.5 m。为防止垃圾渗沥液扩散污染土壤与地下水,在垃圾体底部设有防渗衬垫,垃圾体周边设置竖向防渗墙,墙深12 m,厚300 mm,墙体采用混合材料,膨润土∶水泥∶砂=2.57∶1∶1.2,水固比取1.4。已知垃圾渗沥中铜离子浓度为2 mg/L,不考虑防渗屏障两侧的水头差。

通过我们最新的室内扩散试验结果测得铜离子在上述混合材料的有效扩散系数D/Rf=4.5×10-7cm2/s (0.001 4 m2/a),渗滤液渗流速度为0.003 m2/a,查图2的局部放大图(图6),击穿水平为10%时,在Matlab程序中找到相对应的点,可知t/Rf=10 a (年),因为阻滞因子为3,所以铜离子屏障击穿的时间t=30 a (年)。

图6 De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a情况下c/c0～t/Rf曲线选点图Fig.6 Curves of c/c0～t/Rf under the condition of De=0.001 4 m2/a,v=0.003 m/a

王罗春等[16]对老港垃圾填埋场稳定化的研究表明:老港填埋场达到三、二、一级稳定化状态所需的时间分别为4 a、10 a、32 a。根据李华和赵由才[17]对上海市老港填埋场的研究,垃圾填埋24 a后,垃圾中可生物降解含量(BDM)为2.55%,填埋场表面沉降量0.009 m2/a,渗滤液COD浓度约为5 mg/L,即可认为达到稳定化。据此本文假定,老港填埋场的稳定化时间为24 a。

根据公式(5)和铜离子的有效扩散系数,老港填埋场的服役寿命为屏障击穿时间与老港填埋场的稳定化时间总和,即为54 a (年){30 a (屏障击穿时间)+24 a (填埋场稳定化时间)},满足填埋场的一般设计使用年限50年的要求。

3.2 案例二

现有某工业搬迁场地,经调查场地土壤地下水存在重金属等污染,其中地下水铜离子浓度500 mg/L,最大污染深度4 m。拟对污染区域采用水泥土搅拌桩墙进行污染阻隔,水泥掺量为12%,需设计此污染场地防渗屏障的厚度。

根据我们最新的室内扩散试验结果,铜离子在水泥掺量为12%的防渗屏障中的有效扩散系数Rf=1.5×10-7cm2/s (0.000 47 m2/a)为参考,渗滤液渗流速度取0.003 m2/a。根据拟合的曲线(图7),在Matlab中选择击穿水平c/c0为10%的点,同样取稳定化时间为24年,根据曲线图假定t=35 a。从图中查得所需的防渗屏障最小厚度x=0.202 m,结合结构使用的长久性和经济性,防渗屏障厚度宜设计为0.25 m。