城市垃圾填埋场地地下水污染的模拟与控制

赵勇胜 何连生
吉林大学环境与资源学院

一、课题背景

　　城市垃圾是环境与水资源的重要污染源之一，据报道，我国城市生活垃圾的平均日产量为人均0.7-1kg，而且每年以10%左右的速度增加。目前，我国绝大多数的城市垃圾采用了垃圾填埋的方法，在城市周围存在着众多的垃圾填埋场。据统计，我国近400座城市中大多数已陷入垃圾填埋场地的重围。这些过去已经存在的垃圾场大多未经科学的设计与防护处理，有的直接在低洼地带堆放，造成了周围环境和地下水的污染。如何预报和控制这些垃圾填埋场地对地下水的污染，进而对污染进行治理,将是水资源保护的重大课题。我国对城市垃圾填埋场地下水污染的数值模拟和控制方面的研究还很少。本文是在作者已经完成和正在承担的下列科研项目的基础上完成的：国家教委优秀年轻教师基金，“城市垃圾地质处理方法及环境污染模拟研究”;吉林省杰出青年科学研究计划，“城市垃圾的地质处理研究”;国土资源部大调查项目“北京市垃圾处置的地质--生态环境评价”子课题，“北京市西郊南部地区垃圾填埋场地下水污染模拟及恢复治理策略研究”。

二、研究方法

　　未经科学防护的城市垃圾填埋场被认为是造成地下水污染的“定时炸弹”，而且垃圾场地作为一个潜在的污染源与其它地下水污染源具有很大的不同。首先，垃圾填埋场地对地下水的污染，及其污染程度受多种因素的影响;其次，垃圾渗滤液中的污染物组成十分复杂，而且不断发生着变化，给污染的模拟与控制带来了困难。本文以不同的垃圾场地，如长春市垃圾填埋场、北京市北天堂垃圾填埋场等为例，研究垃圾渗滤液的变化规律及其在地下环境中的迁移和作用机理；研究污染物在地下环境中运移的模拟预测和控制方法，并利用模型进行污染控制效果的模拟分析。研究方法包括野外调查、实验室物理模拟实验和计算机数值模拟分析。
　　1．野外调查与室内模拟实验
　　分别对北天堂和长春市的几个垃圾场地进行野外调查，包括垃圾取样分析、场地附近的土样和地表、地下水水样分析等。研究不同填埋时间的垃圾场中垃圾渗滤液的特点、地下水污染的现状和趋势等。
　　（1）垃圾渗滤液变化规律实验研究
　　垃圾填埋以后，由于废物中水分和外部水的渗入，形成了污染物组分复杂、污染浓度大的垃圾渗滤液。随着外部水对垃圾的淋滤作用的进行，渗滤液中污染物的组分浓度不断发生着变化。本实验即为模拟外部水对垃圾的淋滤作用的实验。
　　实验的具体做法是：野外实地取垃圾样品，装入高1m内径为15cm的有机玻璃柱中，在装样时要尽量保持与垃圾场中的垃圾密度一致。在柱的上部设置降水（外部水）模拟装置，在柱底部取渗滤液样进行分析。淋滤实验持续1000多小时，在实验的开始阶段连续取样分析，然后，取样间隔可逐渐增大为24小时、48小时等。垃圾渗滤液的分析项目有：温度、pH值、电导率、COD、总硬度、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-和NH4+等。分别对不同垃圾场的垃圾进行了本实验。最后利用曲线拟合建立污染组分变化的模型，并进行预测分析。
　　（2）垃圾渗滤液污染组份在土层中的迁移转化规律的实验
　　利用土柱和砂箱模拟实验，研究污染物在包气带和含水层中的迁移规律，并进行有关参数的计算。取研究区包气带和含水层土样，分别装入土柱和砂箱中，尽量模拟其天然状态，加入垃圾渗滤液进行模拟，取样分析。其中土柱实验原理同上，砂箱实验模拟含水层的情形。最后，利用实验数据进行分析和参数的计算。
　　（3）阻滞系数和水化学迁移率的确定
　　根据污染质在介质中的运移理论，阻滞因子可由两种方法求得：

R=(ρ/n)K_d+1 R=V/V^t

　　式中R—阻滞因子，ρ—土的容重，n—土的有效孔隙度，Kd—分配系数，V—渗透流体的平均流速，Vˊ—污染质迁移锋面速度。
　　水化学迁移率E是污染质迁移锋面移动速度与平均渗透速度的比值，即E=V’/V=1/R。
　　2．地下水污染的数值模拟及污染控制方法和效果
　　研究区为北京市的北天堂垃圾填埋场，该垃圾场原为采砂场，在未做任何防渗措施下，进行生活垃圾填埋，垃圾渗滤液进入地下，使地下水遭受污染。污染质运移模拟的计算区面积74.88平方公里（长10400米，宽7200米），应用地下水渗流理论和溶质运移的弥散理论建立污染物在地下环境中运移的模型。根据Pinder和 Bredehoft（1968)的工作，在非均质各向异性含水层中水流运动的二维流数学方程可以写成：

　　
　　其中：Tij一水动力传导系数；h一地下水位；S一储水系数；t一时间；W = w(x，y，t)源汇项；xi，xj — 座标。

　　包括对流、弥散和化学作用的溶质运移方程其形式如下：

　　其中CR是化学作用项，它包括离子交替吸附、化学反应等。Dij为含水层的弥散系数： C — 模拟污染质的浓度；n — 有效孔隙度；C＇— 模拟污染质的源汇浓度；W — 源汇单位面积上的通量；Vi — 渗流速度。联合求解上述方程，就可得到污染质的运移的结果。
　　本文在研究中应用了目前国际上地下水污染模拟预报先进的模拟软件MT3D等，在建立了污染质运移模型并进行模型识别和检验后，对填埋场地下水的污染进行了预报。针对北天堂的具体情况，提出了控制地下水污染的5种方案，并在计算机模型中进行控制效果的模拟分析，为垃圾场地污染的控制和治理提供依据。

三、 结果与讨论

　　（1）不同阶段的垃圾场，其渗滤液中污染物组分浓度不同，但垃圾淋滤实验表明，COD、电导率和硬度等变化规律大致呈现指数或幂函数式衰减。
　　（2）通过室内模拟实验，得到了垃圾渗滤液在包气带和含水层中迁移的规律;对其作用机理进行了探讨; 求得了污染质在介质中运移的阻滞因子和水化学迁移率等参数。
　　（3）通过污染质运移模型的模拟计算，得到了2001、2005和2010年北天堂垃圾场地下水污染晕的扩展。结果表明虽然污染质有自然净化和降解作用，但由于污染源得不到控制，地下水的污染范围仍逐年增大，在正常情况下，到2010年，地下水的污染面积大于2km2，向下游迁移的距离为1750m。如果未来增大地下水的开采量或由于其它原因使地下水流场改变较大，那么污染的范围和迁移的距离会更大。模拟计算分别给出了正常年份、官厅水库放水条件下和增大地下水开采量时地下水污染晕的变化动态，为地下水资源的开发利用和科学管理提供了依据。
　　（4）通过实验室实验和计算机模拟计算分析，提出了北天堂地区垃圾场地地下水污染的治理策略，具体分为两个步骤：首先对污染源-垃圾场渗滤液的渗漏进行控制，即首先避免污染源进一步的污染; 然后在已污染的范围内进行地下水污染的恢复和治理工作，并提出了应采用原位治理和本能恢复治理的方法。
　　（5）对于垃圾场地下水污染的控制，具体提出了设置顶部防渗盖层和垂向防渗屏障的措施，并对顶部防渗层的设置效果进行了模型模拟计算。通过模拟计算，得到了避免垃圾场地下水污染的顶部防护层的设置要求，即顶部防护层的渗透系数应足够小，使外部水进入垃圾场的入渗量控制在小于36mm/yr。
　　（6）同顶部盖层一样，垃圾场的底部防渗层是防止地下水污染所必须的工程措施，本次研究考虑了防渗层的厚度、渗透系数和渗滤液的高度，对三种情况进行了模拟计算。结果表明：渗滤液向含水层的渗透量主要取决于防渗层的厚度、渗透系数和垃圾场内部饱和渗滤液的高度。当垃圾场中淋滤液的高度为0.5m时，设置渗透系数为10-7cm/s、具有2m厚的粘性土层可以有效地防止垃圾场对地下水的污染。
　　（7）今后应重视对城市垃圾场地地下水污染的研究工作。加强对垃圾场地的寻找、设计、运转、结束后的管理和环境监测工作。特别应加强对垃圾场底部、侧部和顶部防护层的研究，寻找适合我国实际情况、经济有效的垃圾场防护系统。
　　（8）建议对已经污染地下水的城市垃圾场地开展污染模拟预报工作，在此基础上进行污染的控制和恢复治理方法的研究，如水动力控制，屏障工程设置，废物的化学、微生物化学反应，渗滤液控制等。
　　（9）建议建立地下水资源的决策预警系统，充分开发和利用现有的地下水水位、水量和水质长期观测资料，对包括垃圾场地在内的点源污染源和非点源污染源信息进行分析预测，进而达到地下水污染的预防控制的目的，为科学合理地开发利用水资源提供决策支持。