固化污泥對(duì)滲濾液中氟阻滯作用的數(shù)值分析

王月香++顧歡達(dá)++陳茂

摘要：固化污泥是一種新型填埋場(chǎng)底部防滲阻滯材料，為論證其防滲阻滯作用的有效性，需進(jìn)行典型污染物的穿透試驗(yàn)，但由于固化污泥滲透性很低，采用常規(guī)土柱試驗(yàn)很難得到污染物透過(guò)其遷移時(shí)的相關(guān)參數(shù)。為解決該問(wèn)題，用柔性壁滲透試驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)土柱試驗(yàn)。滲濾液中污染成分較多，取含量較高且較易穿透的污染物即氟離子作為典型污染物，首先進(jìn)行穿透試驗(yàn)獲得遷移參數(shù)，然后結(jié)合二維有限元法研究分析其在防滲阻滯層及周邊巖土環(huán)境中60 a內(nèi)的運(yùn)動(dòng)遷移范圍、濃度分布情況，并對(duì)比分析未設(shè)防滲阻滯層的情況。研究表明，在填埋場(chǎng)底部設(shè)置固化污泥防滲層對(duì)于以氟為代表的陰性污染物有較好的延遲阻滯作用。由于陽(yáng)性污染物的穿透能力較陰性污染物弱，因而固化污泥防滲層對(duì)重金屬等陽(yáng)性污染物也應(yīng)具有較強(qiáng)的阻滯作用，從而能進(jìn)一步延遲填埋場(chǎng)滲濾液對(duì)周邊環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞：固化污泥；填埋場(chǎng)防滲；氟離子；遷移阻滯；數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：X705文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2017）01013208

收稿日期：20160304

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51378327、51378118、51508369），江蘇省自然科學(xué)基金（BK20150289），江蘇省建設(shè)系統(tǒng)項(xiàng)目（2016ZD26），蘇州科技大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目（331531102）

作者簡(jiǎn)介：王月香（1977），女，博士后，主要從事環(huán)境巖土工程研究， （Email）wyxcjy@sina.cn。

Received：20160304

Foundation item：National Natural Science Foundation of China（No.51378327，51378118，51508369），Jiangsu Provincial Natural Science Foundation （No. BK20150289）， Jiangsu Architecture System Foundation（No.2016ZD26），SUST Research Approval Foundation（No.331531102）

Author brief：Wang Yuexiang（1977）， postdoctor， main research interest： geoenvironment，（Email）wyxcjy@sina.cn.Numerical analysis of the postponing effect of solidified

sludge as a new type of landfill liner material

Wang Yuexiang 1，2， Gu Huanda 1，Chen Maolin3

（1.Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011，Jiangsu， P. R. China；

2.Nanjing Technolgy University，Nanjing 211186， P. R. China；

3.Suzhou Danlin Environmental Engineering Limited Corporation， Suzhou 215129，Jiangsu， P. R. China）

Abstract：The solidified sludge as a new type of liner material should be at the bottom of municipal solid waste landfill site to prevent the contamination of the pollutant leakage. The hydrodynamic dispersion test was conducted to investigate the postponing effect of solidified sludge. It was very difficult to obtain hydrodynamic dispersion parameters of sludge solidified layer with low permeability by the existing column tests and methods. The flexible wall parameter was proposed and improved to solve the problem. Because of the high concentration and strong penetrating power， fluorine ion was chosen as the typical representative. The hydrodynamic dispersion parameters could be calculated by the breakthrough curve of fluorine ion. And then， the two dimentional definite method was used to analyze the transference scope and concentration distribution of fluorine ion in solidified sludge layer and surrounding in 60 years. The situation without solidified sludge layer had a contrast with the above. The results showed that the solidified sludge layer had an important postponing effect on the transference of fluorine ion. Because positive pollutants had weaker penetrating ability than negative ones. The solidified sludge also had a strong blocking effect on the positive pollutant such as heavy metals or other positive pollutants， which could further delay the pollution of landfill leachate.

Keywords：solidified sludge； landfill seepage control； fluorine ion； transfer block； numerical analysis

在城市固體廢棄物填埋過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生滲濾液，這些滲濾液中往往含有很多污染物。當(dāng)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)出現(xiàn)破損時(shí)，這些污染物將會(huì)滲入周邊巖土環(huán)境中造成污染。對(duì)于污染物隨滲濾液的遷移擴(kuò)散，其一般歷時(shí)很長(zhǎng)，很難由室內(nèi)淋濾試驗(yàn)在短期內(nèi)完成，因此，多通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行分析，馮民權(quán)等[1]對(duì)水環(huán)境污染采用有限差分、有限元等方式進(jìn)行了模擬與預(yù)測(cè)，F(xiàn)reeze等[25]對(duì)地下水的水動(dòng)力特性、污染及模擬進(jìn)行了研究，趙穎等[68]對(duì)土壤有機(jī)污染物的遷移建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值分析和預(yù)測(cè)，方晰等[9]研究了重金屬的累積和遷移規(guī)律，寧麗等[10]對(duì)柴油在土壤中的遷移污染進(jìn)行了數(shù)值模擬。這些研究成果均采用數(shù)值分析方法來(lái)模擬分析各種污染物遷移和分布，說(shuō)明數(shù)值模型非常適合用于研究污染物隨水遷移問(wèn)題。

固廢填埋場(chǎng)底部一般設(shè)置有防滲層，防滲層必須對(duì)廢棄物滲濾液具有良好的阻滯作用。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)填埋場(chǎng)底部防滲性能進(jìn)行了較多研究，羅春泳[11]對(duì)粘土襯墊的環(huán)境土工特性進(jìn)行了分析，劉福東[12]研究了填埋場(chǎng)固化污泥屏障材料的阻滯特性，陳云敏等[13]研究了填埋場(chǎng)水位雍高對(duì)襯墊的影響。為了保證良好的防污性，填埋場(chǎng)底部防滲材料必須要滿足一定阻滯性能。參照Mustafa等[14]、Valls等[15]、Cinquepalmi等[16]、Malviyar等[17]、Lasheen等[18]利用沸石、垃圾焚燒飛灰、水泥膠凝材料固化處理污泥等廢棄物的研究思路。筆者將污泥固化[19] ，并應(yīng)用到填埋場(chǎng)底部作為防滲層，其防滲性能夠滿足<10-7cm/s[20]的要求，防滲性能較好，且由于是固廢制成，因而較為經(jīng)濟(jì)。

為更深入地分析固化污泥作為新型填埋場(chǎng)防滲材料的阻滯作用，采用有限元法進(jìn)行研究。由于在一般情況下氟、氯等陰離子比重金屬等陽(yáng)離子的穿透速度快，防滲層一般對(duì)其阻滯作用偏弱[5]，因而采用滲濾液測(cè)試中含量較高的氟離子[21]作為典型污染物，先通過(guò)穿透試驗(yàn)獲得其遷移參數(shù)，然后結(jié)合二維有限元法進(jìn)行計(jì)算，從而分析固化污泥這種新型防滲材料對(duì)氟的阻滯作用的有效性。

1遷移數(shù)學(xué)模型和參數(shù)

污染物遷移過(guò)程及機(jī)制非常復(fù)雜，其中可能包含解吸附、對(duì)流、彌散、衰變、降解等，由于氟在滲濾液中遷移以對(duì)流、彌散和吸附3種作用為主，因而分析時(shí)僅考慮這3種作用耦合。

1.1遷移數(shù)學(xué)模型

污染物遷移數(shù)學(xué)模型包括3部分，即控制方程、初始條件和邊界條件[25]。所采用的有限元數(shù)值分析模型以及模型參數(shù)確定公式的推導(dǎo)見(jiàn)文獻(xiàn)[22]，以下僅列出模型參數(shù)確定公式，模型參數(shù)確定需通過(guò)室內(nèi)彌散試驗(yàn)以及繪制相應(yīng)彌散曲線獲得。

1）水動(dòng)力彌散系數(shù)[22]DL=18z-vt0.159t0.159-z-vt0.841t0.8412（1）式中：DL為水動(dòng)力彌散系數(shù)，m2/s；z為空間位置，m；v為達(dá)西平均流速，m/s；t0.159、t0.841分別為溶質(zhì)相對(duì)濃度達(dá)到0.159、0.841時(shí)所需要的時(shí)間，s。

2）有效孔隙度n[22]e有效孔隙度為一維滲流時(shí)，達(dá)西流速v與多孔介質(zhì)中平均線性流速之比，對(duì)應(yīng)多孔介質(zhì)，有ne=vt0.5L（2）式中：v為達(dá)西流速，cm/s；t0.5為相對(duì)濃度為0.5時(shí)所需時(shí)間，s；L為滲流路徑長(zhǎng)度，cm。

3）線性流速[22]u=vne=Lt0.5（3）式中：u為線性流速，m/s，ne為有效孔隙率，無(wú)量綱，t0.5為相對(duì)濃度達(dá)到0.5所需的時(shí)間，s。

4）縱橫向彌散度[22]αL=DLu（4）式中：αL為縱向彌散度。

據(jù)Gelhar等[23]所得高可靠度的數(shù)據(jù)表明橫向彌散度一般比縱向彌散度要小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，因而文中橫向彌散度取縱向彌散度的1/10。

5）吸附系數(shù)[22]，由Batch試驗(yàn)法[14]獲得。Kd=（C0-C）VsolC0·Ms（5）式中： Kd為吸附系數(shù)；C0為初始濃度，mg/L；C為吸附平衡后的濃度，mg/L；Vsol為溶液體積，L；Ms為風(fēng)干土樣重量，mg。

6）延遲因子[22]Rd=1+ρdneKd（6）式中：Rd為延遲因子；ρd為干密度，g/cm3。

為得到氟在阻滯層中遷移的相對(duì)濃度Ct /C0與時(shí)間t曲線，即Ct曲線，其中相對(duì)濃度C為某時(shí)間測(cè)得濃度Ct與初始濃度C0之比。所用試驗(yàn)裝置如圖1所示，為柔性壁滲透儀，將3個(gè)相同高度固化污泥試樣裝在1、2、3號(hào)壓力室中進(jìn)行滲透試驗(yàn)，氟污染液初始濃度采用實(shí)測(cè)值10 mg/L，滲透速度v為2.18×10-6 cm/s，對(duì)應(yīng)于同一高度試樣，所采用滲透壓相同。試樣所采用滲透壓和圍壓見(jiàn)表1。滲濾液收集時(shí)間段為間隔24 h。

圖1彌散實(shí)驗(yàn)裝置[22]

Fig.1hydrodynamic dispersion equipment表1試驗(yàn)所用壓力和流速

Table 1The test pressure and velocity壓力/cm滲透壓/kPa圍壓/kPaL1=5D=510200L2=8D=516200L3=11D=520200

由彌散試驗(yàn)得到滲濾液中氟相對(duì)濃度Ct /C0與時(shí)間t曲線，如圖2所示，由此得表2。圖2氟離子Ct曲線

Fig.2The curve of Fluorine and time表2達(dá)相對(duì)濃度運(yùn)移時(shí)間

Table 2Time for the relative concentration of Fluorined項(xiàng)目L1=5 cmL2=8 cmL3=11 cmt0.159 3.88.212.7t0.5 5.810.815.3t0.841 9.213.417.9

由（3）式u=vne=Lt0.5結(jié)合表2可得氟離子通過(guò)固化污泥的線性流速為：u1=9.98×10-6cm/s、u2=8.57×10-6cm/s、u3=8.32×10-6cm/s，平均運(yùn)移線性速度為u=8.96×10-6cm/s。

由式（1）DL=18z-vt0.159t0.159-z-vt0.841t0.8412，并且有z=L，得到水動(dòng)力彌散參數(shù)為DL1=1.82×10-6 cm2/s，DL2=3.28×10-6 cm2/s，DL3=5.43×10-6cm2/s。則得平均水動(dòng)力彌散參數(shù)為3.59×10-6 cm2/s。

結(jié)合上述得到的水動(dòng)力彌散參數(shù)，由（4）式得縱向彌散度為αL=DLu=3.59×10-68.96×10-6=0.40 cm。

根據(jù)Gelhar等[23]與Neuman[24]的研究成果，所得彌散度與前人研究成果范圍接近，能夠滿足可靠度和精度要求。

結(jié)合表2和式（2），有效孔隙度分別為ne1=0218、ne2=0.254、 ne3=0.262，則平均孔隙度為0.245。

而據(jù)自然界中各種巖土質(zhì)的參數(shù)性質(zhì)[5]，取粘土層的有效孔隙度為0.6。

由表2和式（5）可得吸附系數(shù)Kd為5.77×10-5 m3/kg。

根據(jù)ne=0.245和所測(cè)干密度ρd=1.442 g/cm3，結(jié)合式（6）得延遲因子Rd為4.39。

固化污泥下臥粘土的水動(dòng)力彌散參數(shù)取用文獻(xiàn)[5，2324]的研究數(shù)據(jù)。所得模型各參數(shù)見(jiàn)表3。表3有限元模型參數(shù)

Table 3FEM model parameters參數(shù)滲透系數(shù)

k/（cm·s-1）縱向彌散度橫向彌散度延遲因子吸附系數(shù)

Kd/（m3·kg-1）初始濃度

C0/（mg·L-1）有效孔隙

度ne固化污泥1.09×10-70.400.044.395.77×10-5100.245下臥粘土1.00×10-7100.0010.001.009.00×10-300.600

1.2模型初始濃度和邊界條件

圖3有限元模型[22]

Fig.3Analysis model1）邊界條件Labc（hab=16.0 m，bc坡面的坡度為1∶1.5）：初始濃度CF-=10 mg/L，污染滲濾液總水頭高H=19 m，t≥0。

2）邊界條件Lcd、Ldef（def坡面的坡度為1∶15）、Lfg、Lgh、Lhj、Lja上流量Q：Q=0，t≥0。

3）邊界條件Lefg：地表凈水源水頭高H=12 m，t≥0。

通過(guò)對(duì)比分析填埋場(chǎng)底部設(shè)固化污泥阻滯層和不設(shè)阻滯層時(shí)氟在整個(gè)場(chǎng)地、污染坑和地表凈水源處的污染分布，從而評(píng)價(jià)阻滯作用的有效性?？紤]到污泥阻滯層在短期內(nèi)不會(huì)被擊穿，將考察時(shí)間取至60 a以內(nèi)。在分析過(guò)程中，根據(jù)中國(guó)環(huán)?？偩值南嚓P(guān)規(guī)定[25]，如果地表凈水源中氟離子濃度大于10 mg/L即認(rèn)為污染。

2結(jié)果與分析

1）水頭變化圖4顯示滲濾液在壓強(qiáng)作用下緩慢地透過(guò)地層向地表凈水源處運(yùn)移。圖4表明，在地層中設(shè)有污泥阻滯材料時(shí)，水頭下降較快，尤其在污染坑底部位置。

圖4場(chǎng)地水頭

Fig.4Distribution of Water head由圖5可知，在污染坑底部設(shè)有固化污泥阻滯層時(shí)，在地層同一深度的水頭比沒(méi)有阻滯層的要低，表明污染滲濾液受到固化污泥的阻滯作用，其在地層中的滲透速度減緩。

圖5污染坑底部水頭

Fig.5Distribution of Water head at

the bottom of pollution pit location2）氟離子的遷移圖6～8表示，氟離子在10 a后在地層中的遷移情況及濃度分布。

圖6場(chǎng)地歷經(jīng)10 a氟離子的污染

Fig.6Concentration distribution of Fluorine in 10 years比較圖6可知，當(dāng)在地層中設(shè)有污泥阻滯層時(shí)，在同一深度和水平位置，氟濃度均比未設(shè)的要低。而就廣度方面即遷移擴(kuò)散范圍相比較，沒(méi)有阻滯層的地層中氟擴(kuò)散的更快，范圍更廣。

圖7表示10 a后污染坑底部氟濃度的分布情況。由圖7可知，當(dāng)設(shè)有污泥阻滯層時(shí)，在污染滲濾液面下10 m深度處，同一水平位置的氟濃度比未設(shè)的低很多。如在距污染源40 m處氟濃度達(dá)到最大值，約為6.9 mg/L（g/m3），而相比之下，沒(méi)有阻滯層的則約為8.3 mg/L。固化污泥作為防滲層的阻滯作用十分顯著。

圖710 a后污染坑底部氟離子的濃度分布

Fig.7Concentration distribution at the

bottom of pollution pit location in 10 years圖8表示距離污染坑為147 m處即地表凈水源處氟濃度分布規(guī)律。由圖8可知，氟濃度沿深度逐漸增大。在污染坑底部設(shè)置固化污泥防滲層時(shí)，在同一深度處，氟濃度比未設(shè)阻滯層的低一個(gè)10的數(shù)量級(jí)。由此可見(jiàn)，固化污泥防滲層的阻滯作用非常有效。

圖810 a后凈水源處氟離子濃度分布

Fig.8Concentration distribution at the

source of water location in 10 years由圖9可看出，隨著時(shí)間的不斷增長(zhǎng)和滲流的逐步深入，氟離子的污染暈不斷擴(kuò)大，漸漸向地表凈水源地推進(jìn)。經(jīng)50 a后，氟離子在設(shè)有污泥阻滯材料的地層中最大擴(kuò)散范圍為115.0～132.0 m，水源地未受到污染。而在未設(shè)污泥阻滯層中最大擴(kuò)散范圍約140.0～150.0 m，已經(jīng)使水源受到污染。

圖9場(chǎng)地歷經(jīng)50 a氟離子的污染

Fig.9Concentration distribution of Fluorine in 50 years由圖10顯示，50 a后，在同一深度地層即（Elevation）Y=10 m，污染坑底部的氟離子濃度仍然較其他部位高，設(shè)有污泥阻滯層的污染坑底部范圍內(nèi)，氟離子濃度在8.0～9.0 mg/L范圍，而未設(shè)有污泥阻滯層的地層在同一位置氟離子濃度較高，為9.0～9.5 mg/L。

圖1050 a后污染坑底部氟離子濃度分布

Fig.10Concentration distribution of Fluorine

at the bottom of pollution pit location in 50 years圖11表示經(jīng)50 a后，氟離子在縱深的濃度變化。由圖11可知，在同一水平位置，同一深度，設(shè)有污泥阻滯層的地層中氟離子濃度仍然比未設(shè)地層中的低。在地表凈水源處，經(jīng)50 a后，設(shè)有污泥阻滯層的氟離子濃度為0.54 mg/L，達(dá)到III水標(biāo)準(zhǔn)，而未設(shè)的地層在該處氟離子濃度為1.14 mg/L，已經(jīng)被污染。

圖1150 a后凈水源處氟離子的濃度分布

Fig.11Concentration distribution at the

source of water location in 50 years圖12～14表示經(jīng)過(guò)60 a后地層中氟離子濃度的變化，其變化規(guī)律同前。時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散范圍越大，地表凈水源逐漸被污染。在60 a時(shí)，設(shè)有污泥阻滯層地層中下游地表水源中氟離子濃度達(dá)到085 mg/L，仍然達(dá)到III水標(biāo)準(zhǔn)，而未設(shè)有污泥阻滯層的該處，氟離子濃度為1.64 mg/L，水源被污染。

圖12場(chǎng)地歷經(jīng)60 a氟離子的污染

Fig.12Concentration distribution in 60 years圖1360 a后污染坑底部氟離子的濃度分布

Fig.13Concentration distribution at the

bottom of pollution pit location in 60 years圖1460 a后凈水源氟離子的濃度分布

Fig.14Concentration distribution at the

source of water location in 60 years

由圖15氟濃度與時(shí)間的關(guān)系曲線可知，在填埋場(chǎng)底部設(shè)置污泥阻滯層可以長(zhǎng)期有效的阻滯氟對(duì)于地表凈水源的污染。

圖15設(shè)阻滯層時(shí)凈水源氟濃度與時(shí)間關(guān)系

Fig.15Relationship of Fluorine concentration and time3結(jié)論

利用柔性壁滲透試驗(yàn)得出氟隨滲濾液遷移參數(shù)，并采用二維有限元法建立數(shù)學(xué)模型，研究了氟在固化污泥防滲阻滯層及周邊環(huán)境中60 a內(nèi)的遷移情況，得出如下結(jié)論：

1）在填埋場(chǎng)底部設(shè)置固化污泥防滲阻滯層，與未設(shè)阻滯層相比，減緩了滲濾液對(duì)周邊環(huán)境的污染。

2）經(jīng)50 a后，氟離子在設(shè)有污泥阻滯材料的地層中最大擴(kuò)散范圍為115.0～132.0 m，水源地未受到污染。而在未設(shè)污泥阻滯層中最大擴(kuò)散范圍約140.0～150.0 m，水源已經(jīng)受到污染。

3） 時(shí)間越長(zhǎng)、擴(kuò)散范圍越大。經(jīng)50～60 a后，設(shè)有污泥阻滯層的氟離子濃度為0.54、0.85 mg/L，達(dá)到III水標(biāo)準(zhǔn)，而未設(shè)的地層在地表凈水源處氟離子濃度為1.14、1.64 mg/L，已經(jīng)被污染。

由上述分析可知，對(duì)于遷移速度較快的陰性污染物如氟，固化污泥作為填埋場(chǎng)新型防滲層，其阻滯作用十分顯著，并且長(zhǎng)期持續(xù)。由于在一般情況下陽(yáng)性污染物的穿透能力弱于陰性污染物，固化污泥防滲阻滯層對(duì)于重金屬等陽(yáng)性污染物應(yīng)具有較強(qiáng)的阻滯作用，文獻(xiàn)[22]也證實(shí)這一點(diǎn)，因而在填埋場(chǎng)底部設(shè)置固化污泥防滲阻滯層能進(jìn)一步延緩填埋場(chǎng)滲濾液對(duì)周邊巖土環(huán)境的污染。

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