填埋场复合衬垫污染物热扩散运移规律及其优化设计方法

摘要

填埋场内部的高温有效的减少了有机污染物击穿衬垫系统的时间，而土工膜上的漏洞和褶皱则是含有土工膜的复合衬垫失效的关键影响因素。准确计算温度和褶皱等参数对污染物在衬垫系统中运移的影响，是有效评价衬垫系统服役性能的关键。 本文对国内外填埋场渗滤液的组分和垃圾填埋场引发的环境问题进行统计分析，给出了不同环境问题的诱发因素。研发了测试有机污染物在土工膜中运移参数的测试装置，研究了温度场对填埋场衬垫系统防污性能的影响规律；揭示了温度梯度作用下污染物在土、土工膜（GMB）和土工复合膨润土垫（GCL）中的运移规律；获得了污染物在这3种材料中的热扩散系数、复合衬垫界面导水系数和土工膜褶皱等重要参数的取值范围，给出了与漏洞相连的褶皱长度与平坦土工膜上的漏洞频率的等效关系。对考虑热扩散作用下污染物在衬垫系统中的运移规律进行了研究；得到了热扩散作用下污染物在压实黏土衬垫（CCL）中的一维扩散解、水头作用下污染物在CCL中的一维热扩散-对流解和污染物在GMB/CCL复合衬垫中的一维热扩散-对流解。基于得到的解析解，采用蒙特卡洛分析方法揭示了渗滤液水头、索雷特系数、温度和土工膜上水力连通的褶皱长度等参数对衬垫系统防污性能的影响。提出了基于氯离子背景浓度的填埋场最大垃圾体荷载计算方法。基于获得的解析解，提出了填埋场压实黏土衬垫CCL和复合衬垫厚度优化设计方法。得到的主要结论如下： （1）通过室内试验研究了双酚A在土工膜中的运移参数；利用Batch实验研究了双酚A在黄土和黄土-膨润土混合土中的吸附特性。实验结果表明，双酚A在土工膜中的分配系数和扩散系数分别为1.4和6.32×10-15m2/s，这说明土工膜对双酚A是一种非常有效的扩散屏障。Batch实验结果表明，黄土中添加膨润土以及提高环境温度都可以提高土样对双酚A的吸附能力；掺入10%膨润土的土样对双酚A的吸附能力提高了1.95~2.18倍；环境温度由25℃升高到45℃时，土样对双酚A的吸附能力提高了2.33%~26.52%。 （2）得到了热扩散作用下污染物在CCL中的一维扩散解析解，考虑了8种不同的边界条件和初始浓度条件下CCL的平均扩散度。利用该解分析了温度和索雷特系数对污染物在CCL中运移的影响。结果表明在进行垃圾填埋场CCL的设计时，即使在衬垫层顶底部温差只有30℃，热扩散作用的影响仍需考虑在内。 （3）建立了污染物在CCL中的热扩散-对流模型并得到了相应的解析解。基于该解析解分析了渗滤液水头、温度和索雷特系数等参数以及底部边界条件对污染物在CCL中运移的影响。结果表明，对流作用对污染物在CCL中运移的影响远大于热扩散作用。只有当索雷特系数较大（ST=5×10-2K-1），且CCL顶部和底部的温差达到40℃以上时，热扩散作用对污染物在CCL中运移的影响才值得被考虑（>10%）。 （4）得到了考虑热扩散作用下污染物在GMB/CCL复合衬垫中运移的解析解。利用蒙特卡罗法对影响污染物在GMB/CCL和GMB/GCL/AL复合衬垫中运移的相关参数进行了敏感性分析，结果表明当褶皱长度由100m增加到1000m时，污染物在复合衬垫的底部浓度和通量分别增加了9.8和49.6倍。甲苯和双酚A在GMB/CCL复合衬垫的击穿结果表明，渗滤液水头和土工膜上褶皱长度较低时（例如分别低于0.3m和200m），甲苯的击穿浓度明显高于双酚A（最高相差3.25倍）；当渗滤液水头和褶皱长度增加到一定程度时（分别为3m和500m时），两者的击穿浓度没有差别。 （5）基于POLLUTEv7软件，提出了在不同氯离子背景浓度下填埋场的最大垃圾体荷载的计算方法。考虑渗滤液水头和氯离子的初始浓度随填埋场荷载线性变化，氯离子的击穿年限为50年。结果表明在不同的氯离子背景浓度下，由1.5mmGMB+0.75mCCL+3mAL组成的单层复合衬垫系统的填埋场最大垃圾体荷载为109.3×103~130.5×103m3/ha，而由2层GMB+CCL复合衬垫组成的双层复合衬垫系统的填埋场最大垃圾体荷载则为254.4×103~422.65×103m3/ha。得到了单层和双层复合衬垫的最大垃圾体荷载与氯离子浓度的线性定量关系式。 （6）基于已有的污染物在CCL衬垫和GMB/CCL复合衬垫中运移的解析解，利用数据拟合的方法得到了填埋场衬垫系统中CCL厚度设计的简化计算方法，并给出了考虑了渗滤液水头、污染物种类、击穿标准以及阻滞因子的简化计算公式。并利用该方法对杭州天子岭和西安江村沟垃圾填埋场衬垫层进行了优化设计和衬垫厚度的计算。

目录

第一个书签之前