一種使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，通過計算COD擊穿防滲系統(tǒng)的時間預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命，具體包括如下步驟：1)對垃圾填埋場滲瀝液進行了采樣，檢測滲瀝液樣品的CODcr指標；2)根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況進行有限元計算，得到防滲墊層底部COD濃度隨時間的變化；3)設(shè)定判斷COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲墊層底部COD濃度到達致污濃度的時間點為COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的時間。本發(fā)明方法無需大量的現(xiàn)場監(jiān)測，也無需進行大量復雜的計算，成本低、簡單易行，不僅可預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命，還可為填埋場的設(shè)計和施工提供參考。
【專利說明】
-種使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于填埋場防滲領(lǐng)域，設(shè)及一種使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役 壽命的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 目前我國城市固體廢棄物的年產(chǎn)量高達2.4億噸，并W每年8%~15%速度的高速 增長，無論是產(chǎn)量還是增速，都居世界之首。大量的固廢直接危害城市的安全和穩(wěn)定。衛(wèi)生 填埋場由于技術(shù)口檻低，處理量大，是廢棄物的最終處置手段，是現(xiàn)階段垃圾的主要處理處 置措施之一，占總處理量的90% W上。目前全國填埋場數(shù)量超過兩萬座，填埋處置污染控制 是亟須解決的環(huán)境問題。
[0003] 為了防止填埋場滲漸液對地下環(huán)境造成污染和危害，一般在填埋場場底鋪設(shè)人工 防滲系統(tǒng)。為保證填埋場防滲系統(tǒng)工程的建設(shè)水平、可靠性和安全性，我國建設(shè)部發(fā)布的 《生活垃圾衛(wèi)生填埋防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》CJJ113-2007對目前常用的各類填埋場防滲系 統(tǒng)的設(shè)計和施工提出了嚴格的要求。
[0004] 但是我國的城市固廢廚余量大、含水率高，滲漸液中的污染物種類繁多、成分復 雜，即使按照規(guī)范鋪設(shè)防滲系統(tǒng)，滲漸液中的污染物仍然會伴隨滲漸液的滲透經(jīng)過長時間 的遷移-彌散穿越防滲系統(tǒng)，造成填埋場周邊環(huán)境及地下水污染。所W，在對垃圾填埋場防 滲系統(tǒng)進行安全評價時，填埋場防滲系統(tǒng)的服役壽命極為重要。然而，如何預測填埋場防滲 系統(tǒng)的服役壽命，W什么標準判斷滲漸液擊穿防滲系統(tǒng)，目前尚無定論。
[0005] 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國填埋場滲漸液中的污染物主要分為重金屬、有機污 染物和持久性有機污染物Ξ大類，不同污染物的性質(zhì)千差萬別，不同污染物對環(huán)境的影響 程度也不盡相同。在眾多污染物同時穿越防滲系統(tǒng)進入地下水環(huán)境時，只要有一種污染物 最早達到致害或致污濃度，地下水環(huán)境即被污染，可認為此時防滲系統(tǒng)已被擊穿。能夠最早 達到致害或致污的污染物由于其致害或致污濃度可W用來判斷防污屏障是否擊穿，可定義 為指示污染物。指示污染物擊穿防滲系統(tǒng)的時間即可用于預測防滲系統(tǒng)的服役壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對目前評價填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命困難的問題，本發(fā)明提供一種 通過計算滲漸液污染物擊穿防滲系統(tǒng)的時間預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法。
[0007] 技術(shù)方案:本發(fā)明W我國填埋場滲漸液中Ξ類污染物的平均濃度作為初始濃度， 根據(jù)我國現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的高密度聚乙締化D陽)±工膜單層防滲襯墊系統(tǒng)和雙層防滲襯墊 系統(tǒng)建立一維有限元計算模型，對Ξ類污染物的擊穿時間分別進行了數(shù)值計算，相比重金 屬污染物和持久性有機污染物，有機污染物(COD)達到致污濃度的時間最短，即有COD會最 先擊穿填埋場防滲系統(tǒng)，因此，COD可作為判別填埋場防滲系統(tǒng)是否被擊穿的指示污染物， 計算出的COD擊穿防滲系統(tǒng)的時間即可作為防滲系統(tǒng)服役壽命的參考值。
[000引本發(fā)明提供一種使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，通過計算 COD擊穿防滲系統(tǒng)的時間預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命，具體包括如下步驟：
[0009] 1)對垃圾填埋場滲漸液進行了采樣，檢測滲漸液樣品的CODcr指標；
[0010] 所述滲漸液樣品的COD指標按照國家標準《生活飲用水標準檢驗方法》GB5750- 2006進行檢測。
[0011] 2)根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況進行有限元計算，得到防滲墊層底部COD濃度隨時間 的變化；
[0012] 所述有限元計算使用日本岡山大學NisMgaki將飽和-非飽和滲流與溶質(zhì)遷移彌 散禪合的計算程序（Dtransu-2D*EL:DENS口Y DEPENDENT TRANSPORT ANALISYS SATURATED-UNSATURATED POROUS MEDIA-2DIMENSI0NAL 抓LERIAN-LAGRANGIAN-MET冊D)， 該計算方法已在較多的地下水污染實際應(yīng)用中得到驗證，具體步驟為：
[0013] 2.1)根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況建立有限元計算網(wǎng)格:所述有限元計算網(wǎng)格借助軟 件Ansys或者Microsoft Excel按照實際防滲系統(tǒng)的尺寸厚度設(shè)定節(jié)點的坐標、網(wǎng)格的形狀 大小，在特殊結(jié)構(gòu)附近細化網(wǎng)格，并針對防滲系統(tǒng)的不同地層材料設(shè)定網(wǎng)格單元的材料編 號；
[0014] 2.2)設(shè)置地層參數(shù)、污染物運移參數(shù)、初始條件及邊界條件：
[0015] 所述地層參數(shù)包括不同地層材料的滲透系數(shù)、孔隙率、非飽和模型參數(shù)、彌散度， 所述污染物運移參數(shù)，包括污染物擴散系數(shù)和表示吸附作用的阻滯因子，具體設(shè)置如表1所 示：
[0016] 表1計算所用地層參數(shù)、污染物運移參數(shù)
[0017]
[0018] 所述初始條件包括COD初始濃度和初始滲流水頭，具體為:將防滲系統(tǒng)頂部的滲漸 液收集和導排層中各節(jié)點的初始濃度設(shè)置為步驟1)中所檢測的CODcr指標，其他地層中COD 濃度設(shè)置為0，滲流初始水頭根據(jù)實際情況而定；
[0019] 所述邊界條件包括定濃度邊界或變濃度邊界W及定水頭邊界或變水頭邊界，視填 埋場防滲系統(tǒng)的具體情況而定；
[0020] 所述時間步長和時間步數(shù)用于設(shè)定需要模擬的時間尺度W及計算結(jié)果的輸出頻 率.
[0021] 2.3)進行有限元計算，得到防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點處濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)。
[0022] 3)設(shè)定判斷COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲墊層底部COD濃度到達致污 濃度的時間點為COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的時間，即得防滲系統(tǒng)服役壽命的參考值；
[0023] 所述判斷COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的致污濃度，即有機污染物(COD)達到環(huán)境污染 的極限濃度，根據(jù)我國的情況，選擇生活飲用水水源地的環(huán)境質(zhì)量標準作為污染物的污染 濃度，即《地下水環(huán)境質(zhì)量標準》GB/T 14848-93或者《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB3838-2002^ 類水規(guī)定的極限濃度，由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB 3838-2002制定了COD的污染標準，其 中地表水Ξ類水標準適用于生活飲用水水源，因此選擇III類水標準20mg/L作為COD擊穿填 埋場防滲系統(tǒng)的的致污濃度，在判斷擊穿時使用。
[0024] 有益效果:本發(fā)明首先明確滲漸液擊穿防滲系統(tǒng)的概念，在眾多污染物同時穿越 防滲系統(tǒng)進入地下水環(huán)境時，只要有一種污染物在防滲系統(tǒng)底部最早達到致害或致污濃 度，地下水環(huán)境即被污染，認為此時防滲系統(tǒng)已被擊穿;其次，提出指示污染物的概念，由于 能夠在防滲系統(tǒng)底部最早達到致害或致污的污染物，其致害或致污濃度可W用來判斷防污 屏障是否擊穿，因此定義為指示污染物，并將有機污染物(COD)作為判斷填埋場防滲系統(tǒng)是 否被擊穿的指示污染物，將計算得出的COD擊穿防滲系統(tǒng)的時間用于判斷滲漸液擊穿防滲 系統(tǒng)的時間，從而預測防滲系統(tǒng)的服役壽命。本發(fā)明方法無需大量的現(xiàn)場監(jiān)測，也無需進行 大量復雜的計算，成本低、簡單易行，不僅可預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命，還可為填埋場 的設(shè)計和施工提供參考。
【附圖說明】
[0025] 圖1為兩種皿PE±1膜復合防滲墊層一維模型示意圖；
[0026] 圖2為重金屬化、Zn和Cd在單層防滲結(jié)構(gòu)中的擊穿曲線；
[0027] 圖3為重金屬化、Zn和Cd在雙層防滲結(jié)構(gòu)中的擊穿曲線；
[0028] 圖4為有機污染物(COD)在單層防滲結(jié)構(gòu)和雙層防滲結(jié)構(gòu)中的擊穿曲線；
[0029] 圖5為持久性有機污染物(DDT)在單層防滲結(jié)構(gòu)和雙層防滲結(jié)構(gòu)中的擊穿曲線；
[0030] 圖6為使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0032] 為了得到用于判斷防滲系統(tǒng)服役壽命的指示污染物，W中國填埋場滲漸液中3類 污染物的平均濃度作為初始濃度，根據(jù)中國現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的皿PE±1膜單層防滲襯墊系統(tǒng) 和雙層防滲襯墊系統(tǒng)(如圖1)建立了兩個一維有限元計算網(wǎng)格，對3類污染物的擊穿時間分 別進行了數(shù)值計算，具體分析如下：
[0033] 圖2為化、Zn、Cd巧巾重金屬污染物在皿陽±工膜單層防滲結(jié)構(gòu)底部的出滲濃度隨 時間變化曲線，即擊穿曲線。Cu、Zn、Cd 3種重金屬規(guī)定的污染濃度分別為1.00，1.00和 0 .Olmg/L，由擊穿曲線得到重金屬Cd在單層防滲結(jié)構(gòu)底部達到污染濃度的時間，即擊穿時 間為137.0年，而重金屬Cu和化在200年內(nèi)均未達到污染濃度，說明巧中重金屬中Cd最早擊穿 單層防滲結(jié)構(gòu)。
[0034] 再對比圖3中3種重金屬污染物在皿PE±工膜雙層防滲結(jié)構(gòu)底部的出滲濃度隨時 間變化曲線。3條擊穿曲線在200年內(nèi)均未達到污染濃度，即雙層防滲結(jié)構(gòu)在200年內(nèi)并未被 巧中重金屬擊穿。
[0035] 圖4為有機污染物(COD)在皿PE±工膜單層防滲結(jié)構(gòu)和雙層防滲結(jié)構(gòu)中的擊穿曲 線，W20mg/L為有機污染物的污染濃度，COD在兩種防滲結(jié)構(gòu)中的擊穿時間分別是84.2年和 122.6年，其擊穿時間也比重金屬中最早擊穿防滲結(jié)構(gòu)的Cd短。
[0036] 圖5為持久性有機污染物DDT在HDPE±工膜單層防滲結(jié)構(gòu)和雙層防滲結(jié)構(gòu)中的擊 穿曲線，DDT在200年內(nèi)既未擊穿單層防滲結(jié)構(gòu)，也未擊穿雙層防滲結(jié)構(gòu)。
[0037] 綜上所述，無論在單層防滲結(jié)構(gòu)中還是在雙層防滲結(jié)構(gòu)中，3類污染物中有COD最 早擊穿防滲系統(tǒng)。那么根據(jù)中國垃圾填埋場的情況，COD可被認為是判斷填埋場防滲系統(tǒng)是 否被擊穿的指示污染物，計算得出COD擊穿防滲系統(tǒng)的時間即可作為防滲系統(tǒng)服役壽命的 參考值。
[0038] 本發(fā)明預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，包括W下步驟(如圖5):
[0039] 1)首先對垃圾填埋場滲漸液進行了采樣，檢測滲漸液樣品的CODcr指標，滲漸液樣 品的C0時旨標按照國家標準《生活飲用水標準檢驗方法》GB 5750-2006進行檢測；
[0040] 2)由于污染物擊穿填埋場防滲系統(tǒng)是一個長時間尺度的過程，因此需要利用數(shù)值 計算的手段對該過程進行模擬:首先根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況建立有限元計算網(wǎng)格;然后 設(shè)置地層參數(shù)、污染物運移參數(shù)、初始條件、邊界條件、時間步長和時間步數(shù);最后進行有限 元計算，得到防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點處濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)。
[0041] 3)設(shè)定判斷COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點處COD濃度 到達致污濃度的時間點為COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的時間，本發(fā)明選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標 準》GB 3838-2002規(guī)定的ΠI類水標準20mg/L作為COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的的致污濃度。
【主權(quán)項】
1. 一種使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，其特征在于，通過計算 COD擊穿防滲系統(tǒng)的時間預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命，具體包括如下步驟： 1) 對垃圾填埋場滲瀝液進行了采樣，檢測滲瀝液樣品的C0DCT指標； 2) 根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況進行有限元計算，得到防滲墊層底部COD濃度隨時間的變 化； 3) 設(shè)定判斷COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲墊層底部COD濃度到達致污濃度 的時間點為COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的時間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，其特 征在于，所述步驟1中滲瀝液樣品的⑶Dcr指標按照國家標準《生活飲用水標準檢驗方法》GB 5750-2006進行檢測。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，其特 征在于，所述步驟2使用日本閃山大學Nishigaki將飽和-非飽和滲流與溶質(zhì)迀移彌散耦合 的計算方法計算防滲墊層底部COD濃度隨時間的變化，具體步驟為： 2.1) 根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況建立有限元計算網(wǎng)格:所述有限元計算網(wǎng)格借助軟件 Ansys或者Microsoft Excel按照實際防滲系統(tǒng)的尺寸厚度設(shè)定節(jié)點的坐標、網(wǎng)格的形狀大 小，在特殊結(jié)構(gòu)附近細化網(wǎng)格，并針對防滲系統(tǒng)的不同地層材料設(shè)定網(wǎng)格單元的材料編號； 2.2) 設(shè)置地層參數(shù)、污染物運移參數(shù)、初始條件、邊界條件、時間步長及時間步數(shù)： 所述地層參數(shù)包括不同地層材料的滲透系數(shù)、孔隙率、非飽和模型參數(shù)、彌散度； 所述污染物運移參數(shù)，包括污染物擴散系數(shù)和表示吸附作用的阻滯因子； 所述初始條件包括COD初始濃度和初始滲流水頭，具體為:將防滲系統(tǒng)頂部的滲瀝液收 集和導排層中各節(jié)點的初始濃度設(shè)置為步驟1)中所檢測的CODcr指標，其他地層中COD濃度 設(shè)置為〇，滲流初始水頭根據(jù)實際情況而定； 所述邊界條件包括定濃度邊界或變濃度邊界以及定水頭邊界或變水頭邊界，視填埋場 防滲系統(tǒng)的具體情況而定； 所述時間步長和時間步數(shù)用于設(shè)定需要模擬的時間尺度以及計算結(jié)果的輸出頻率； 2.3) 進行有限元計算，得到防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點處濃度隨時間變化的數(shù)據(jù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用指示污染物預測填埋場防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，其特 征在于，所述步驟3選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》GB 3838-2002規(guī)定的III類水標準20mg/L作 為COD擊穿填埋場防滲系統(tǒng)的致污濃度。
【文檔編號】E02D33/00GK105971026SQ201610375554
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】朱偉, 舒實, 陳云敏, 詹良通, 王升位, 徐浩青, 范惜輝, 邵燕華, 楊琴
【申請人】河海大學, 浙江大學