渗漏、扩散和降解作用下复合衬垫有机污染物运移解析模型

摘要

随着我国的经济的发展，城镇化进程的不断加快，越来越多的城市面临垃圾围城。填埋处理是目前我国城市固体废弃物处置的主要手段。填埋垃圾生物降解产生的渗滤液对地下水土环境造成了很大的威胁。而作为发挥填埋场“堵“功能的衬垫系统则是当今国内外学者研究的重要课题，其中有机污染物在复合衬垫中的运移规律、服役寿命评价方法以及不同类型复合衬垫防污性能的比较则是目前研究的重点和难点。
　　本文首先在前人研究基础上总结了填埋场衬垫系统的组成和结构类型，论述了污染物在土、土工膜(GM)和土工复合膨润土垫(GCL)中的运移机理并统计了有机污染物在这三种材料中的渗透、扩散和吸附等相关参数的取值范围。然后，在考虑土工膜渗漏、有机污染物通过土工膜的扩散以及粘土层中有机污染物的降解等作用下，针对GM/GCL或GM/压实粘土衬垫(CCL)组成的两层复合衬垫获得了污染物通过其运移的滞后时间;针对GM、GCL和土质衬垫层(SL)组成三层的复合衬垫，建立了渗漏，扩散和降解作用下有机污染物在这类复合衬垫中运移模型及其解析解。并根据得到的解析解，分析了渗滤液水头，土工膜连接的褶皱长度，界面导水系数以及生物降解半衰期对复合衬垫防污性能的影响，比较了不同衬垫类型的防污性能，并基于解析解给出了基于击穿时间的复合衬垫无量纲设计曲线，以期对填埋场复合衬垫的设计提供指导。
　　本研究主要内容包括：⑴在0.3m，1m，10m水头作用下，GM/GCL很快（大约为14天）达到滞后时间，水头和污染物的降解半衰期对其影响不大;对于GM/CCL，渗滤液水头对滞后时间的影响不如降解半衰期大，在其他条件相同的情形下水头从0.3m增加到10m，滞后时间减少了0.1～6年，而污染物的半衰期从10年减少到1年，滞后时间减少了10～11年。⑵在GM/GCL/SL衬垫系统中，渗滤液水头对污染物的剖面浓度曲线以及污染物的击穿曲线有很大的影响。例如，在半无限边界条件下，当连接的褶皱长度为1000m时，在0.6m深度处，渗滤液水头从0.3米增大到10米时，其浓度增大到1.85倍，在零浓度的边界条件下，当L=1000m时，当渗滤液水头从0m增大到10m，30年后底部累计通量增加17.8倍。GM层连接的褶皱长度对底部通量的影响较大，在零浓度边界条件下，当hw=10m时，褶皱长度从100m增加到1000m时，20年后，通过底部的累计通量增加15.3倍。同时，褶皱长度对于底部时刻通量达到稳定的时间也有影响，在零通量边界条件下，渗滤液水头hw为10m时，褶皱长度L=100m达到稳态的时间是L=1000m的35倍。GM和GCL的界面导水系数在连接的褶皱长度较小时(＜100m)对于复合衬垫系统层的溶质击穿曲线的影响很小，在半无限边界条件下，当L=100时，当导水系数θ从5.0×10-12 m2/s增大到1.0×10-10 m2/s时，1年后的底部浓度增大了1.35倍，而当L=1000m时，导水系数从5.0×10-12 m2/s增大到1.0×10-10 m2/s时，1年的底部浓度增大了18.4倍。⑶由GM/CCL组成的复合衬垫对地下水的保护水平较GM/GCL/SL复合衬垫系统在早期时更为有效（当L=100 m，时间小于30年;当L=1000 m，时间小于6年），例如，当L=100m，10年后GM/GCL/SL底部浓度是GM/CCL底部浓度的约112倍。然而，在达到稳定状态下，GM/CCL复合衬垫系统的底部时刻通量较GM/GCL/SL复合衬垫系统的底部时刻通量更大，大约是它的7-8倍。⑷基于本文提出的复合衬垫无量纲设计曲线，对基于击穿时间的GM/GCL/SL衬垫系统进行设计时，经计算得出在0.3m和3m的水头作用下，土质衬垫层(AL)的厚度分别需要达到4.5m和5m时，该三层衬垫的二氯甲烷击穿时间能满足大于30年的要求;同样，在0.3m和3m水头作用下，GCL分别与2.5m，3m厚度的AL组成的下层复合衬垫能够较好的防止有机污染物甲苯的运移，达到地下水饮用水规定年限内的击穿时间要求。⑸本文获得的复合衬垫滞后时间的解析模型和有机污染物在GM/GCL/SL组成的三层复合衬垫中的渗漏、扩散和降解解析模型能为填埋场设计工程师提供一个较为简便的设计方法，并能用于复杂数值模型的验证以及实验数据的拟合等。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 渗滤液的成分

1．3 填埋场的衬垫系统

1．4 研究现状

1．5 本文的研究工作

2．有机污染物在衬垫系统中的运移机理

2．1 有机污染物在土中的运移规律

2．2 有机污染物在GCL中的运移机理

2．3 有机污染物在复合衬垫中的运移机理

2．4 本章小结

3．评价垃圾填埋场复合衬垫防污性能的滞后时间解析解

3．1 引言

3．2 数学模型

3．3 复合衬垫运移的滞后时间求解

3．4 复合衬垫的防污性能分析

3．5 本章小结

4．有机污染物通过土工膜、GCL和土壤衬层三层衬垫系统的对流-弥散解

4．1 前言

4．2 数学模型

4．3 模型的验证

4．4 模型的参数敏感性分析

4．5 本章小结

5．基于击穿时间的垃圾填埋场复合衬垫的设计方法

5．1 引言

5．2 基于解析解的无量纲设计曲线

5．3 算例分析

5．4 本章小结

6．结论与展望

6．1 主要结论

6．2 进一步研究的展望

参考文献

作者简介