一種使用指示污染物預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)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(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，通過計(jì)算COD擊穿防滲系統(tǒng)的時(shí)間預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命，具體包括如下步驟：1)對(duì)垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液進(jìn)行了采樣，檢測(cè)滲瀝液樣品的CODcr指標(biāo)；2)根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行有限元計(jì)算，得到防滲墊層底部COD濃度隨時(shí)間的變化；3)設(shè)定判斷COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲墊層底部COD濃度到達(dá)致污濃度的時(shí)間點(diǎn)為COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的時(shí)間。本發(fā)明方法無需大量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，也無需進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算，成本低、簡(jiǎn)單易行，不僅可預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命，還可為填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。
【專利說明】
-種使用指示污染物預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)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(chǎng)防滲領(lǐng)域，設(shè)及一種使用指示污染物預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役 壽命的方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 目前我國(guó)城市固體廢棄物的年產(chǎn)量高達(dá)2.4億噸，并W每年8%~15%速度的高速 增長(zhǎng)，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(chǎng)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(guó)填埋場(chǎng)數(shù)量超過兩萬(wàn)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(chǎng)滲漸液對(duì)地下環(huán)境造成污染和危害，一般在填埋場(chǎng)場(chǎng)底鋪設(shè)人工 防滲系統(tǒng)。為保證填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)工程的建設(shè)水平、可靠性和安全性，我國(guó)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(duì)目前常用的各類填埋場(chǎng)防滲系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工提出了嚴(yán)格的要求。
[0004] 但是我國(guó)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(fù) 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(huì)伴隨滲漸液的滲透經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間 的遷移-彌散穿越防滲系統(tǒng)，造成填埋場(chǎng)周邊環(huán)境及地下水污染。所W，在對(duì)垃圾填埋場(chǎng)防 滲系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)，填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的服役壽命極為重要。然而，如何預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲 系統(tǒng)的服役壽命，W什么標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)填埋場(chǎng)滲漸液中的污染物主要分為重金屬、有機(jī)污 染物和持久性有機(jī)污染物Ξ大類，不同污染物的性質(zhì)千差萬(wàn)別，不同污染物對(duì)環(huán)境的影響 程度也不盡相同。在眾多污染物同時(shí)穿越防滲系統(tǒng)進(jìn)入地下水環(huán)境時(shí)，只要有一種污染物 最早達(dá)到致害或致污濃度，地下水環(huán)境即被污染，可認(rèn)為此時(shí)防滲系統(tǒng)已被擊穿。能夠最早 達(dá)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(shí)間即可用于預(yù)測(cè)防滲系統(tǒng)的服役壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：針對(duì)目前評(píng)價(jià)填埋場(chǎng)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(jì)算滲漸液污染物擊穿防滲系統(tǒng)的時(shí)間預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)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(guó)填埋場(chǎng)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(guó)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的高密度聚乙締化D陽(yáng))±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(jì)算模型，對(duì)Ξ類污染物的擊穿時(shí)間分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，相比重金 屬污染物和持久性有機(jī)污染物，有機(jī)污染物(COD)達(dá)到致污濃度的時(shí)間最短，即有COD會(huì)最 先擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)，因此，COD可作為判別填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)是否被擊穿的指示污染物， 計(jì)算出的COD擊穿防滲系統(tǒng)的時(shí)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(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，通過計(jì)算 COD擊穿防滲系統(tǒng)的時(shí)間預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命，具體包括如下步驟：
[0009] 1)對(duì)垃圾填埋場(chǎng)滲漸液進(jìn)行了采樣，檢測(cè)滲漸液樣品的CODcr指標(biāo)；
[0010] 所述滲漸液樣品的COD指標(biāo)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》GB5750- 2006進(jìn)行檢測(cè)。
[0011] 2)根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行有限元計(jì)算，得到防滲墊層底部COD濃度隨時(shí)間 的變化；
[0012] 所述有限元計(jì)算使用日本岡山大學(xué)NisMgaki將飽和-非飽和滲流與溶質(zhì)遷移彌 散禪合的計(jì)算程序（Dtransu-2D*EL:DENS口Y DEPENDENT TRANSPORT ANALISYS SATURATED-UNSATURATED POROUS MEDIA-2DIMENSI0NAL 抓LERIAN-LAGRANGIAN-MET冊(cè)D)， 該計(jì)算方法已在較多的地下水污染實(shí)際應(yīng)用中得到驗(yàn)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(jì)算網(wǎng)格:所述有限元計(jì)算網(wǎng)格借助軟 件Ansys或者M(jìn)icrosoft Excel按照實(shí)際防滲系統(tǒng)的尺寸厚度設(shè)定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、網(wǎng)格的形狀 大小，在特殊結(jié)構(gòu)附近細(xì)化網(wǎng)格，并針對(duì)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(hào)；
[0014] 2.2)設(shè)置地層參數(shù)、污染物運(yùn)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(yùn)移參數(shù)，包括污染物擴(kuò)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(jì)算所用地層參數(shù)、污染物運(yùn)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(dǎo)排層中各節(jié)點(diǎn)的初始濃度設(shè)置為步驟1)中所檢測(cè)的CODcr指標(biāo)，其他地層中COD 濃度設(shè)置為0，滲流初始水頭根據(jù)實(shí)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(chǎng)防滲系統(tǒng)的具體情況而定；
[0020] 所述時(shí)間步長(zhǎng)和時(shí)間步數(shù)用于設(shè)定需要模擬的時(shí)間尺度W及計(jì)算結(jié)果的輸出頻 率.
[0021] 2.3)進(jìn)行有限元計(jì)算，得到防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點(diǎn)處濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。
[0022] 3)設(shè)定判斷COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲墊層底部COD濃度到達(dá)致污 濃度的時(shí)間點(diǎn)為COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的時(shí)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(chǎng)防滲系統(tǒng)的致污濃度，即有機(jī)污染物(COD)達(dá)到環(huán)境污染 的極限濃度，根據(jù)我國(guó)的情況，選擇生活飲用水水源地的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為污染物的污染 濃度，即《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 14848-93或者《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB3838-2002^ 類水規(guī)定的極限濃度，由于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》GB 3838-2002制定了COD的污染標(biāo)準(zhǔn)，其 中地表水Ξ類水標(biāo)準(zhǔn)適用于生活飲用水水源，因此選擇III類水標(biāo)準(zhǔn)20mg/L作為COD擊穿填 埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的的致污濃度，在判斷擊穿時(shí)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(shí)穿越 防滲系統(tǒng)進(jìn)入地下水環(huán)境時(shí)，只要有一種污染物在防滲系統(tǒng)底部最早達(dá)到致害或致污濃 度，地下水環(huán)境即被污染，認(rèn)為此時(shí)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(dá)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(jī)污染物(COD)作為判斷填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)是 否被擊穿的指示污染物，將計(jì)算得出的COD擊穿防滲系統(tǒng)的時(shí)間用于判斷滲漸液擊穿防滲 系統(tǒng)的時(shí)間，從而預(yù)測(cè)防滲系統(tǒng)的服役壽命。本發(fā)明方法無需大量的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，也無需進(jìn)行 大量復(fù)雜的計(jì)算，成本低、簡(jiǎn)單易行，不僅可預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命，還可為填埋場(chǎng) 的設(shè)計(jì)和施工提供參考。
【附圖說明】
[0025] 圖1為兩種皿PE±1膜復(fù)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(jī)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(jī)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(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運(yùn)些實(shí)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(duì)本發(fā)明的各種等價(jià) 形式的修改均落于本申請(qǐng)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(guó)填埋場(chǎng)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(guó)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(gè)一維有限元計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)3類污染物的擊穿時(shí)間分 別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)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(yáng)±工膜單層防滲結(jié)構(gòu)底部的出滲濃度隨 時(shí)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(dá)到污染濃度的時(shí)間，即擊穿時(shí) 間為137.0年，而重金屬Cu和化在200年內(nèi)均未達(dá)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(duì)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(shí) 間變化曲線。3條擊穿曲線在200年內(nèi)均未達(dá)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(jī)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(jī)污染物的污染濃度，COD在兩種防滲結(jié)構(gòu)中的擊穿時(shí)間分別是84.2年和 122.6年，其擊穿時(shí)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(jī)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(guó)垃圾填埋場(chǎng)的情況，COD可被認(rèn)為是判斷填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)是 否被擊穿的指示污染物，計(jì)算得出COD擊穿防滲系統(tǒng)的時(shí)間即可作為防滲系統(tǒng)服役壽命的 參考值。
[0038] 本發(fā)明預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)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(duì)垃圾填埋場(chǎng)滲漸液進(jìn)行了采樣，檢測(cè)滲漸液樣品的CODcr指標(biāo)，滲漸液樣 品的C0時(shí)旨標(biāo)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》GB 5750-2006進(jìn)行檢測(cè)；
[0040] 2)由于污染物擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間尺度的過程，因此需要利用數(shù)值 計(jì)算的手段對(duì)該過程進(jìn)行模擬:首先根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況建立有限元計(jì)算網(wǎng)格;然后 設(shè)置地層參數(shù)、污染物運(yùn)移參數(shù)、初始條件、邊界條件、時(shí)間步長(zhǎng)和時(shí)間步數(shù);最后進(jìn)行有限 元計(jì)算，得到防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點(diǎn)處濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。
[0041] 3)設(shè)定判斷COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點(diǎn)處COD濃度 到達(dá)致污濃度的時(shí)間點(diǎn)為COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的時(shí)間，本發(fā)明選擇《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo) 準(zhǔn)》GB 3838-2002規(guī)定的ΠI類水標(biāo)準(zhǔn)20mg/L作為COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的的致污濃度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種使用指示污染物預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命的方法，其特征在于，通過計(jì)算 COD擊穿防滲系統(tǒng)的時(shí)間預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)服役壽命，具體包括如下步驟： 1) 對(duì)垃圾填埋場(chǎng)滲瀝液進(jìn)行了采樣，檢測(cè)滲瀝液樣品的C0DCT指標(biāo)； 2) 根據(jù)防滲系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行有限元計(jì)算，得到防滲墊層底部COD濃度隨時(shí)間的變 化； 3) 設(shè)定判斷COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的致污濃度，防滲墊層底部COD濃度到達(dá)致污濃度 的時(shí)間點(diǎn)為COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的時(shí)間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用指示污染物預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)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(biāo)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》GB 5750-2006進(jìn)行檢測(cè)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用指示污染物預(yù)測(cè)填埋場(chǎng)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(xué)Nishigaki將飽和-非飽和滲流與溶質(zhì)迀移彌散耦合 的計(jì)算方法計(jì)算防滲墊層底部COD濃度隨時(shí)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(jì)算網(wǎng)格:所述有限元計(jì)算網(wǎng)格借助軟件 Ansys或者M(jìn)icrosoft Excel按照實(shí)際防滲系統(tǒng)的尺寸厚度設(shè)定節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、網(wǎng)格的形狀大 小，在特殊結(jié)構(gòu)附近細(xì)化網(wǎng)格，并針對(duì)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(hào)； 2.2) 設(shè)置地層參數(shù)、污染物運(yùn)移參數(shù)、初始條件、邊界條件、時(shí)間步長(zhǎng)及時(shí)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(yùn)移參數(shù)，包括污染物擴(kuò)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(dǎo)排層中各節(jié)點(diǎn)的初始濃度設(shè)置為步驟1)中所檢測(cè)的CODcr指標(biāo)，其他地層中COD濃度 設(shè)置為〇，滲流初始水頭根據(jù)實(shí)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(chǎng) 防滲系統(tǒng)的具體情況而定； 所述時(shí)間步長(zhǎng)和時(shí)間步數(shù)用于設(shè)定需要模擬的時(shí)間尺度以及計(jì)算結(jié)果的輸出頻率； 2.3) 進(jìn)行有限元計(jì)算，得到防滲系統(tǒng)底部某節(jié)點(diǎn)處濃度隨時(shí)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(yù)測(cè)填埋場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)》GB 3838-2002規(guī)定的III類水標(biāo)準(zhǔn)20mg/L作 為COD擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)的致污濃度。
【文檔編號(hào)】E02D33/00GK105971026SQ201610375554
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】朱偉, 舒實(shí), 陳云敏, 詹良通, 王升位, 徐浩青, 范惜輝, 邵燕華, 楊琴
【申請(qǐng)人】河海大學(xué), 浙江大學(xué)