一种使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法
【专利摘要】本发明公开一种使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法，通过计算COD击穿防渗系统的时间预测填埋场防渗系统服役寿命，具体包括如下步骤：1)对垃圾填埋场渗沥液进行了采样，检测渗沥液样品的CODcr指标；2)根据防渗系统的具体情况进行有限元计算，得到防渗垫层底部COD浓度随时间的变化；3)设定判断COD击穿填埋场防渗系统的致污浓度，防渗垫层底部COD浓度到达致污浓度的时间点为COD击穿填埋场防渗系统的时间。本发明方法无需大量的现场监测，也无需进行大量复杂的计算，成本低、简单易行，不仅可预测填埋场防渗系统服役寿命，还可为填埋场的设计和施工提供参考。
【专利说明】
-种使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法
技术领域：
[0001] 本发明属于填埋场防渗领域，设及一种使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役 寿命的方法。
【背景技术】：
[0002] 目前我国城市固体废弃物的年产量高达2.4亿吨，并W每年8%~15%速度的高速 增长，无论是产量还是增速，都居世界之首。大量的固废直接危害城市的安全和稳定。卫生 填埋场由于技术口槛低，处理量大，是废弃物的最终处置手段，是现阶段垃圾的主要处理处 置措施之一，占总处理量的90% W上。目前全国填埋场数量超过两万座，填埋处置污染控制 是亟须解决的环境问题。
[0003] 为了防止填埋场渗渐液对地下环境造成污染和危害，一般在填埋场场底铺设人工 防渗系统。为保证填埋场防渗系统工程的建设水平、可靠性和安全性，我国建设部发布的 《生活垃圾卫生填埋防渗系统工程技术规范》CJJ113-2007对目前常用的各类填埋场防渗系 统的设计和施工提出了严格的要求。
[0004] 但是我国的城市固废厨余量大、含水率高，渗渐液中的污染物种类繁多、成分复 杂，即使按照规范铺设防渗系统，渗渐液中的污染物仍然会伴随渗渐液的渗透经过长时间 的迁移-弥散穿越防渗系统，造成填埋场周边环境及地下水污染。所W，在对垃圾填埋场防 渗系统进行安全评价时，填埋场防渗系统的服役寿命极为重要。然而，如何预测填埋场防渗 系统的服役寿命，W什么标准判断渗渐液击穿防渗系统，目前尚无定论。
[0005] 根据现场调查研究发现，我国填埋场渗渐液中的污染物主要分为重金属、有机污 染物和持久性有机污染物Ξ大类，不同污染物的性质千差万别，不同污染物对环境的影响 程度也不尽相同。在众多污染物同时穿越防渗系统进入地下水环境时，只要有一种污染物 最早达到致害或致污浓度，地下水环境即被污染，可认为此时防渗系统已被击穿。能够最早 达到致害或致污的污染物由于其致害或致污浓度可W用来判断防污屏障是否击穿，可定义 为指示污染物。指示污染物击穿防渗系统的时间即可用于预测防渗系统的服役寿命。
【发明内容】
[0006] 发明目的：针对目前评价填埋场防渗系统服役寿命困难的问题，本发明提供一种 通过计算渗渐液污染物击穿防渗系统的时间预测填埋场防渗系统服役寿命的方法。
[0007] 技术方案:本发明W我国填埋场渗渐液中Ξ类污染物的平均浓度作为初始浓度， 根据我国现有规范规定的高密度聚乙締化D阳)±工膜单层防渗衬垫系统和双层防渗衬垫 系统建立一维有限元计算模型，对Ξ类污染物的击穿时间分别进行了数值计算，相比重金 属污染物和持久性有机污染物，有机污染物(COD)达到致污浓度的时间最短，即有COD会最 先击穿填埋场防渗系统，因此，COD可作为判别填埋场防渗系统是否被击穿的指示污染物， 计算出的COD击穿防渗系统的时间即可作为防渗系统服役寿命的参考值。
[000引本发明提供一种使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法，通过计算 COD击穿防渗系统的时间预测填埋场防渗系统服役寿命，具体包括如下步骤：
[0009] 1)对垃圾填埋场渗渐液进行了采样，检测渗渐液样品的CODcr指标；
[0010] 所述渗渐液样品的COD指标按照国家标准《生活饮用水标准检验方法》GB5750- 2006进行检测。
[0011] 2)根据防渗系统的具体情况进行有限元计算，得到防渗垫层底部COD浓度随时间 的变化；
[0012] 所述有限元计算使用日本冈山大学NisMgaki将饱和-非饱和渗流与溶质迁移弥 散禪合的计算程序（Dtransu-2D*EL:DENS口Y DEPENDENT TRANSPORT ANALISYS SATURATED-UNSATURATED POROUS MEDIA-2DIMENSI0NAL 抓LERIAN-LAGRANGIAN-MET册D)， 该计算方法已在较多的地下水污染实际应用中得到验证，具体步骤为：
[0013] 2.1)根据防渗系统的具体情况建立有限元计算网格:所述有限元计算网格借助软 件Ansys或者Microsoft Excel按照实际防渗系统的尺寸厚度设定节点的坐标、网格的形状 大小，在特殊结构附近细化网格，并针对防渗系统的不同地层材料设定网格单元的材料编 号；
[0014] 2.2)设置地层参数、污染物运移参数、初始条件及边界条件：
[0015] 所述地层参数包括不同地层材料的渗透系数、孔隙率、非饱和模型参数、弥散度， 所述污染物运移参数，包括污染物扩散系数和表示吸附作用的阻滞因子，具体设置如表1所 示：
[0016] 表1计算所用地层参数、污染物运移参数
[0017]
[0018] 所述初始条件包括COD初始浓度和初始渗流水头，具体为:将防渗系统顶部的渗渐 液收集和导排层中各节点的初始浓度设置为步骤1)中所检测的CODcr指标，其他地层中COD 浓度设置为0，渗流初始水头根据实际情况而定；
[0019] 所述边界条件包括定浓度边界或变浓度边界W及定水头边界或变水头边界，视填 埋场防渗系统的具体情况而定；
[0020] 所述时间步长和时间步数用于设定需要模拟的时间尺度W及计算结果的输出频 率.
[0021] 2.3)进行有限元计算，得到防渗系统底部某节点处浓度随时间变化的数据。
[0022] 3)设定判断COD击穿填埋场防渗系统的致污浓度，防渗垫层底部COD浓度到达致污 浓度的时间点为COD击穿填埋场防渗系统的时间，即得防渗系统服役寿命的参考值；
[0023] 所述判断COD击穿填埋场防渗系统的致污浓度，即有机污染物(COD)达到环境污染 的极限浓度，根据我国的情况，选择生活饮用水水源地的环境质量标准作为污染物的污染 浓度，即《地下水环境质量标准》GB/T 14848-93或者《地表水环境质量标准》GB3838-2002^ 类水规定的极限浓度，由于《地表水环境质量标准》GB 3838-2002制定了COD的污染标准，其 中地表水Ξ类水标准适用于生活饮用水水源，因此选择III类水标准20mg/L作为COD击穿填 埋场防渗系统的的致污浓度，在判断击穿时使用。
[0024] 有益效果:本发明首先明确渗渐液击穿防渗系统的概念，在众多污染物同时穿越 防渗系统进入地下水环境时，只要有一种污染物在防渗系统底部最早达到致害或致污浓 度，地下水环境即被污染，认为此时防渗系统已被击穿;其次，提出指示污染物的概念，由于 能够在防渗系统底部最早达到致害或致污的污染物，其致害或致污浓度可W用来判断防污 屏障是否击穿，因此定义为指示污染物，并将有机污染物(COD)作为判断填埋场防渗系统是 否被击穿的指示污染物，将计算得出的COD击穿防渗系统的时间用于判断渗渐液击穿防渗 系统的时间，从而预测防渗系统的服役寿命。本发明方法无需大量的现场监测，也无需进行 大量复杂的计算，成本低、简单易行，不仅可预测填埋场防渗系统服役寿命，还可为填埋场 的设计和施工提供参考。
【附图说明】
[0025] 图1为两种皿PE±1膜复合防渗垫层一维模型示意图；
[0026] 图2为重金属化、Zn和Cd在单层防渗结构中的击穿曲线；
[0027] 图3为重金属化、Zn和Cd在双层防渗结构中的击穿曲线；
[0028] 图4为有机污染物(COD)在单层防渗结构和双层防渗结构中的击穿曲线；
[0029] 图5为持久性有机污染物(DDT)在单层防渗结构和双层防渗结构中的击穿曲线；
[0030] 图6为使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法流程图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0032] 为了得到用于判断防渗系统服役寿命的指示污染物，W中国填埋场渗渐液中3类 污染物的平均浓度作为初始浓度，根据中国现有规范规定的皿PE±1膜单层防渗衬垫系统 和双层防渗衬垫系统(如图1)建立了两个一维有限元计算网格，对3类污染物的击穿时间分 别进行了数值计算，具体分析如下：
[0033] 图2为化、Zn、Cd巧巾重金属污染物在皿阳±工膜单层防渗结构底部的出渗浓度随 时间变化曲线，即击穿曲线。Cu、Zn、Cd 3种重金属规定的污染浓度分别为1.00，1.00和 0 .Olmg/L，由击穿曲线得到重金属Cd在单层防渗结构底部达到污染浓度的时间，即击穿时 间为137.0年，而重金属Cu和化在200年内均未达到污染浓度，说明巧中重金属中Cd最早击穿 单层防渗结构。
[0034] 再对比图3中3种重金属污染物在皿PE±工膜双层防渗结构底部的出渗浓度随时 间变化曲线。3条击穿曲线在200年内均未达到污染浓度，即双层防渗结构在200年内并未被 巧中重金属击穿。
[0035] 图4为有机污染物(COD)在皿PE±工膜单层防渗结构和双层防渗结构中的击穿曲 线，W20mg/L为有机污染物的污染浓度，COD在两种防渗结构中的击穿时间分别是84.2年和 122.6年，其击穿时间也比重金属中最早击穿防渗结构的Cd短。
[0036] 图5为持久性有机污染物DDT在HDPE±工膜单层防渗结构和双层防渗结构中的击 穿曲线，DDT在200年内既未击穿单层防渗结构，也未击穿双层防渗结构。
[0037] 综上所述，无论在单层防渗结构中还是在双层防渗结构中，3类污染物中有COD最 早击穿防渗系统。那么根据中国垃圾填埋场的情况，COD可被认为是判断填埋场防渗系统是 否被击穿的指示污染物，计算得出COD击穿防渗系统的时间即可作为防渗系统服役寿命的 参考值。
[0038] 本发明预测填埋场防渗系统服役寿命的方法，包括W下步骤(如图5):
[0039] 1)首先对垃圾填埋场渗渐液进行了采样，检测渗渐液样品的CODcr指标，渗渐液样 品的C0时旨标按照国家标准《生活饮用水标准检验方法》GB 5750-2006进行检测；
[0040] 2)由于污染物击穿填埋场防渗系统是一个长时间尺度的过程，因此需要利用数值 计算的手段对该过程进行模拟:首先根据防渗系统的具体情况建立有限元计算网格;然后 设置地层参数、污染物运移参数、初始条件、边界条件、时间步长和时间步数;最后进行有限 元计算，得到防渗系统底部某节点处浓度随时间变化的数据。
[0041] 3)设定判断COD击穿填埋场防渗系统的致污浓度，防渗系统底部某节点处COD浓度 到达致污浓度的时间点为COD击穿填埋场防渗系统的时间，本发明选择《地表水环境质量标 准》GB 3838-2002规定的ΠI类水标准20mg/L作为COD击穿填埋场防渗系统的的致污浓度。
【主权项】
1. 一种使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法，其特征在于，通过计算 COD击穿防渗系统的时间预测填埋场防渗系统服役寿命，具体包括如下步骤： 1) 对垃圾填埋场渗沥液进行了采样，检测渗沥液样品的C0DCT指标； 2) 根据防渗系统的具体情况进行有限元计算，得到防渗垫层底部COD浓度随时间的变 化； 3) 设定判断COD击穿填埋场防渗系统的致污浓度，防渗垫层底部COD浓度到达致污浓度 的时间点为COD击穿填埋场防渗系统的时间。2. 根据权利要求1所述的使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法，其特 征在于，所述步骤1中渗沥液样品的⑶Dcr指标按照国家标准《生活饮用水标准检验方法》GB 5750-2006进行检测。3. 根据权利要求1所述的使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法，其特 征在于，所述步骤2使用日本闪山大学Nishigaki将饱和-非饱和渗流与溶质迀移弥散耦合 的计算方法计算防渗垫层底部COD浓度随时间的变化，具体步骤为： 2.1) 根据防渗系统的具体情况建立有限元计算网格:所述有限元计算网格借助软件 Ansys或者Microsoft Excel按照实际防渗系统的尺寸厚度设定节点的坐标、网格的形状大 小，在特殊结构附近细化网格，并针对防渗系统的不同地层材料设定网格单元的材料编号； 2.2) 设置地层参数、污染物运移参数、初始条件、边界条件、时间步长及时间步数： 所述地层参数包括不同地层材料的渗透系数、孔隙率、非饱和模型参数、弥散度； 所述污染物运移参数，包括污染物扩散系数和表示吸附作用的阻滞因子； 所述初始条件包括COD初始浓度和初始渗流水头，具体为:将防渗系统顶部的渗沥液收 集和导排层中各节点的初始浓度设置为步骤1)中所检测的CODcr指标，其他地层中COD浓度 设置为〇，渗流初始水头根据实际情况而定； 所述边界条件包括定浓度边界或变浓度边界以及定水头边界或变水头边界，视填埋场 防渗系统的具体情况而定； 所述时间步长和时间步数用于设定需要模拟的时间尺度以及计算结果的输出频率； 2.3) 进行有限元计算，得到防渗系统底部某节点处浓度随时间变化的数据。4. 根据权利要求1所述的使用指示污染物预测填埋场防渗系统服役寿命的方法，其特 征在于，所述步骤3选择《地表水环境质量标准》GB 3838-2002规定的III类水标准20mg/L作 为COD击穿填埋场防渗系统的致污浓度。
【文档编号】E02D33/00GK105971026SQ201610375554
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】朱伟, 舒实, 陈云敏, 詹良通, 王升位, 徐浩青, 范惜辉, 邵燕华, 杨琴
【申请人】河海大学, 浙江大学