垃圾填埋场重金属污染物运移规律研究

1）重金属污染物运移形式及特征

垃圾场渗滤液中的重金属离子随地下水渗流而发生运移，在防渗隔离墙中的运移转化是一个复杂的物理、化学和生物过程，对流作用、水动力弥散作用及吸附作用是运移运动的主要形式。其一，当地下水流动所携带的渗滤液污染物以水的渗流速度在多孔介质（采用黏土基防渗浆材做成的隔离墙可以看成多孔饱和介质）空隙中产生迁移；其二，当渗滤液中的重金属离子浓度不均匀时，污染物自身会发生自高浓度区域向低浓度区域的运动，形成分子扩散效应，并在运动中产生机械弥散作用；其三，吸附作用会对渗滤液污染物在固相和液相之间的交换产生重要影响，广义的吸附作用包括吸附、离子交换、沉淀及阻滞过滤等。水泥土隔离墙的比表面积较大，其阳离子交换容量较大，具有较强的吸附能力，能够使被吸附的重金属离子滞留在防渗系统中，从而降低渗滤液对地下环境的污染。

2）重金属污染物运移数学模型建立

假定渗滤液在帷幕防渗墙多孔介质表面均匀流动，则地下水渗流运动的二维数学模型为：

式中　H=h-z（z为

测试点深度）；

Kx，Ky——横向和纵向渗透系数；

μ——给水度；

h——水头高度；

h0，h1——初始水头和边界水头值；

t——时间；

W——地下水系统竖直方向补给量；

q——地下水通量边界条件。

垃圾场渗滤液中的重金属污染物在帷幕防渗墙中的运移数学模型建立过程如下：

式中　

Bu——阻滞因子；

I0——源汇相；

s——污染物通量边界条件；(www.xing528.com)

N——渗滤液中重金属离子的浓度；

N0——渗滤液中重金属离子的初始浓度；

Dxx，Dxy，Dyx，Dyy——弥散系数张量。

对于二维弥散体系，假定纵向和横向弥散系数为常数，则二维水动力弥散系数可表示为：

式中　βL，βT——纵向和横向弥散系数；

vx，vy——地下水平均流速，

n——有效孔隙率；

D0——有效分子扩散系数。

3）运移数学模型的耦合求解过程

地下水渗流模型与重金属污染物运移数学模型是相耦合的系统，解耦基本方法：先由地下水渗流方程式（8.6）求出水头h，然后代入流速方程式（8.11）可求出流速V，并将其代入重金属污染物运移控制方程式（8.7）和方程式（8.8），求得重金属污染物在地下水含水层中的浓度值N。采用隐式有限差分格式进行数值离散求解，从t=0开始，运用多次迭代可求出重金属污染物随时空变化的浓度值。

4）计算分析

以江苏省某垃圾卫生填埋场为例，该垃圾场四周垂直防渗墙采用PBFC防渗浆材制作，对垃圾场渗滤液等重金属污染物通过防渗墙的运移规律进行模拟分析，主要计算参数取值如下：浆材结石体渗透系数K=0.5×10-7cm/s，阻滞因子Bu=1.1，弥散系数D=3.0×10-6 cm2/s，隔离墙厚度B=60 cm，墙体深度H=25 m（置于不透水黏土层3 m深），隔离墙总长约500 m，场地下水埋深H0=3 m，重金属铅、镉的初始浓度均为N0=1 000 mg/L，其模拟计算结果如图8.29、图8.30所示。

由图8.29可知，在垃圾填埋场设计使用的40年以内，四周垂直防渗墙对铅的阻滞率达99.5%以上，对镉的阻滞率达98%以上，这与防渗浆材固结体浆材吸附阻滞性测试的结果比较接近。但当垃圾填埋场使用时间超过40年以后，防渗墙对铅、镉等重金属离子的阻滞率将下降很多，若要提高垃圾填埋场设计使用年限（大于40年），就必须增加防渗墙厚度。因此，采用黏土基防渗浆材做成的一定厚度的防渗墙可以达到阻止重金属污染物运移的目的，具有较强的阻滞污染物能力。

图8.29　隔离墙外侧重金属污染物浓度变化曲线

图8.30　重金属污染物在隔离墙中的浓度分布曲线

由图8.30可知，该垃圾场防渗墙体中同一位置渗滤液污染物的浓度值随时间的延续有呈逐渐增大的趋势（t=40年时的浓度值明显大于t=25年时的浓度值），且随着墙体的增厚（距离污染物越远），其污染物的浓度越低。总的来说，由PBFC防渗浆材制作的防渗墙对污染物的阻滞作用具有时效性，即初期阻滞作用较强，后期有逐渐减弱的趋势。因此，保证一定的隔离墙厚度（一般B≥60 cm）可确保污染物的阻滞效果。