填埋是固體廢物處理的重要手段。由于其低成本、低技術(shù)壁壘的優(yōu)勢，是世界各國，尤其是中國、印度、墨西哥等發(fā)展中國家固廢風(fēng)險控制的首選。然而，研究表明，盡管現(xiàn)代垃圾填埋場試圖通過設(shè)計、建設(shè)和施工過程中的質(zhì)量控制和運行管理來控制固體廢物填埋過程中的滲濾液泄漏和地下水污染風(fēng)險，但大多數(shù)填埋場難以避免土工膜的原始缺陷(制造過程中產(chǎn)生的)和安裝缺陷(土工膜鋪設(shè)和填埋場運行過程中的銳器刺穿、應(yīng)力撕裂和焊縫開裂)，以及由此導(dǎo)致的滲濾液泄漏。此外，蒸汽通過襯墊擴散還會導(dǎo)致滲濾液中的污染物尤其是有機成分通過土工膜泄漏到土壤和水環(huán)境中，從而對地下水甚至填埋場周圍的居民造成危害。

國內(nèi)外許多學(xué)者用各種方法證明滲濾液及其組分的產(chǎn)生和泄漏會對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康產(chǎn)生不利影響。比如法塔等。通過采樣和地球化學(xué)勘探證實，大部分垃圾填埋場附近的地下水不僅不同程度地含有常規(guī)污染物(COD、BOD、氨氮)，還含有多種有毒有害成分(如重金屬、POPs)，甚至一些新型污染物，如藥物、個人護理用品、納米粒子等也屢見報端。其次，也有學(xué)者通過探地雷達(GPR)、電磁場(EC)、電阻率層析成像(ERT)等地球物理方法對滲濾液的污染范圍進行了定性。此外，過程模型法也廣泛應(yīng)用于垃圾滲濾液的遷移、累積模擬和風(fēng)險評估。例如，美國環(huán)保局風(fēng)險降低實驗室開發(fā)了預(yù)測滲濾液產(chǎn)生和滲漏的HELP模型(填埋場水文過程評價模型)，廣泛應(yīng)用于填埋場的性能評價、設(shè)計優(yōu)化和滲漏預(yù)測。美國環(huán)境保護署開發(fā)的EPACMTP模型(滲濾液遷移轉(zhuǎn)化復(fù)合模型)用于模擬和預(yù)測滲濾液泄漏后多組分、多介質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程，評估其多途徑暴露風(fēng)險。

雖然相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者利用地球物理勘探、污染、模型模擬等多種手段，從毒理學(xué)、污染風(fēng)險、健康風(fēng)險等方面對填埋場滲漏的潛在危害進行了評估。然而，大多數(shù)研究都集中在“年輕”的填埋場，沒有考慮核心材料老化對泄漏和長期污染風(fēng)險的影響。然而，相關(guān)研究表明:異常高或低溫、紫外線輻射、蠕變和化學(xué)腐蝕會導(dǎo)致HDPE膜發(fā)生化學(xué)老化，導(dǎo)致滲透系數(shù)、泄漏數(shù)量和面積增加，土工膜發(fā)生物理損傷，如焊縫開裂、機械損傷等。，由垃圾填埋場建設(shè)和運行過程中的機械損傷引起。英國GolderAssociates公司開發(fā)的Landsim模型(填埋場地下水污染風(fēng)險模擬模型)概括了土工膜材料的老化過程，并將其耦合到垃圾滲濾液產(chǎn)生過程模型和滲濾液泄漏后的遷移轉(zhuǎn)化過程模型中，為土工膜材料劣化和缺陷演化條件下的長期環(huán)境風(fēng)險評估提供了很好的參考和工具方法。徐亞等人基于一系列假定的老化參數(shù)，采用Landssim模型對危險廢物填埋場的泄漏環(huán)境風(fēng)險和污染風(fēng)險進行了長期評估。然而，上述研究中采用的土工膜老化參數(shù)均基于室內(nèi)老化試驗，對實際填埋場環(huán)境中土工膜材料的老化和缺陷演化規(guī)律及其對填埋場長期滲漏的影響鮮有報道。

為了彌補上述研究中的不足，選取西南某危險廢物填埋場作為研究對象，選取as作為研究對象。通過現(xiàn)場取樣和室內(nèi)分析，獲得了土工膜材料老化和缺陷演化的關(guān)鍵指標參數(shù)?；贚andsim模型和HELP模型，模擬了垃圾填埋場防滲材料老化條件下滲濾液滲漏和地下水污染風(fēng)險的演化過程，及其短期(0 ~ 5年)、中期(5 ~ 10年)和長期(>:10a)三個階段的滲濾液滲漏和地下水污染風(fēng)險特征，為危險廢物填埋場的長期環(huán)境風(fēng)險管理提供決策指導(dǎo)和技術(shù)支持。

一.模式和方法

HDPE膜(高密度聚乙烯膜)是危險廢物填埋場的核心部件，其性能直接決定了填埋場對危險廢物及其有毒有害成分的阻隔能力，即防滲效果。HDPE膜老化對滲濾液滲漏率的影響主要由兩方面引起:一是滲透系數(shù)因老化而降低；根據(jù)達西滲流定律，滲透系數(shù)減小，滲漏率增大；其次，HDPE膜的抗撕裂、抗拉伸等力學(xué)性能因老化而下降；在相同的外應(yīng)力載荷條件下，HDPE膜的缺陷數(shù)量或面積增加，導(dǎo)致滲漏率增加，周圍地下水污染逐漸加重。

在不考慮HDPE膜老化的情況下，垃圾滲濾液從產(chǎn)生到滲漏再到污染地下水，需要經(jīng)歷降雨、入滲、側(cè)向排水、淋濾、滲漏入滲和飽和-非飽和帶遷移轉(zhuǎn)化等10余個地表和地下水文過程。因此，要準確評價垃圾滲濾液對地下水的影響，需要綜合考慮上述所有水文過程，計算極其復(fù)雜。然后再考慮HDPE膜老化引起的性能指標和參數(shù)的變化，計算就更加復(fù)雜了。因此，英國環(huán)保局委托GolderAssociates開發(fā)了Landsim模型，用于預(yù)測HDPE膜老化條件下垃圾滲濾液的產(chǎn)生、泄漏和地下水環(huán)境影響。只需輸入填埋場結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料特性、水文地質(zhì)條件和HDPE膜老化參數(shù)，即可預(yù)測HDPE膜老化條件下垃圾滲濾液的產(chǎn)生、滲漏和地下水污染。

1.1老化過程概述及Landsim模型參數(shù)要求

填埋場HDPE膜常用于填埋場覆蓋系統(tǒng)和滲濾液防滲系統(tǒng)。Landsim模型對兩種體系中HDPE膜老化的泛化方式不同，所需的老化參數(shù)也不同。

對于封閉場地覆蓋系統(tǒng)，Landsim模型假設(shè)封閉場地覆蓋系統(tǒng)中HDPE膜的老化會影響樁的滲透量。老化前，填埋堆的滲透量等于設(shè)計滲透量。隨著HDPE膜材料的老化(t0)，滲透量呈線性增加，直到HDPE膜的半衰期達到t1，此時滲透量達到一個較大值(見圖1)。因此，在封閉場地覆蓋系統(tǒng)中HDPE膜老化的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)是HDPE膜的老化開始時間t0和半衰期t1，以及相應(yīng)的絨頭滲透量(設(shè)計滲透量和較大滲透量)。

對于滲濾液防滲系統(tǒng)，Landsim模型認為HDPE膜老化會導(dǎo)致孔數(shù)和滲透系數(shù)的增加。老化前HDPE膜的滲透系數(shù)等于設(shè)計值K0，通常為1×10-14m∕s，孔數(shù)等于初始孔數(shù)N0(即HDPE膜在生產(chǎn)過程和鋪設(shè)安裝過程中產(chǎn)生的孔數(shù)之和)。當它在t0開始老化時，假設(shè)老化速率為S(性能年度下降的百分比)，滲透系數(shù)和孔數(shù)會根據(jù)老化速率增加。關(guān)鍵是確定t0和N0。

1.2樁身滲透量的確定

Landsim模型需要設(shè)計入滲量和大入滲量作為輸入?yún)?shù)。填埋場的入滲量受降雨量、蒸發(fā)量、地表坡度和坡長、植被類型、封育和覆蓋系統(tǒng)等因素的影響。幫助模型用于計算這項研究。HELP模型是美國地質(zhì)調(diào)查局為美國環(huán)境保護局開發(fā)的垃圾填埋場水文特性評估模型。該模型不僅整合了全球近萬個氣象站的14年氣象數(shù)據(jù)，還基于這些數(shù)據(jù)估算了全球3000多個地點的日、月、年降雨量、溫度和太陽輻射數(shù)據(jù)。同時，還綜合考慮了地表蓄水、徑流、入滲、蒸散等因素對堆體入滲量的影響。只需要根據(jù)填埋場的位置選擇一個有代表性的氣象站，設(shè)置地表參數(shù)(如坡度、坡長、植被類型等。)以及結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)(如雨水排水介質(zhì)的滲透系數(shù)、HDPE膜的滲透系數(shù)和漏洞數(shù)量等。)來估算填埋場的滲透量。

對于設(shè)計入滲量，通過在HELP模型中設(shè)置相應(yīng)的氣象站和地表參數(shù)，并假設(shè)HDPE膜的滲透系數(shù)為K0(1×10-14m∕s，孔數(shù)為N0來計算。

對于較大的滲透量，保持其他參數(shù)不變，假設(shè)完全老化后的HDPE膜的滲透系數(shù)等于下層粘土的滲透系數(shù)(10-8m∕s).在這種情況下，孔的數(shù)量對樁的滲透量沒有影響，因此可以將其設(shè)置為大于N0的任何值。

1.3 HDPE膜老化時間和老化速率的測定

梁森榮等Landsim模型模擬所需的參數(shù)包括入滲參數(shù)、填埋和廢物特性參數(shù)、防滲系統(tǒng)參數(shù)和多孔介質(zhì)水流和溶質(zhì)運移參數(shù)(見表1)。滲透參數(shù)和防滲系統(tǒng)參數(shù)分別根據(jù)HELP模型計算和現(xiàn)場實測。大多數(shù)參數(shù)由現(xiàn)場測量或設(shè)計參數(shù)確定，少數(shù)參數(shù)通常是固定值或?qū)︼L(fēng)險結(jié)果影響很小，因此Landsim模型建議使用默認值。認為HDPE膜的老化過程可以用3階段模型來概括，即老化過程包括階段ⅰ(抗氧化劑耗盡階段)、階段ⅱ(聚合物氧化誘導(dǎo)階段)和階段ⅲ(老化失效階段)(見圖2)。在第一階段，HDPE膜主要發(fā)生抗氧劑消耗，滲透系數(shù)和力學(xué)性能沒有變化。到第二階段，HDPE膜的抗氧劑完全消耗，但在第三階段之前，力學(xué)性能和滲透系數(shù)沒有變化。到第ⅲ階段，力學(xué)性能和滲透率以時效速率s逐漸惡化，即t0在數(shù)值上等于第ⅰ階段和第ⅱ階段的長度之和，t1在數(shù)值上等于第ⅰ階段、第ⅱ階段和第ⅲ階段的長度之和。

通過檢測HDPE膜的OIT(氧化誘導(dǎo)期)來確定第一階段的長度。理論上，當OIT等于0時，通過觀察其主要性能指標的變化來確定第二階段。一旦性能指標開始下降，則認為通過檢測任意兩個時刻的主要性能指標，計算其變化率，取較大值來確定ⅱ期和ⅲ期的老化率。當任一性能指標的剩余率小于初始性能的50%時，視為達到半衰期。

1.4初始漏洞檢測

HDPE膜在生產(chǎn)和施工過程中可能會損壞或有缺陷，對應(yīng)的孔為初始孔。在本研究中，使用美國環(huán)境保護局推薦的偶極方法進行檢測。其基本原理是利用HDPE膜的高阻特性，在膜的上下兩側(cè)放置一個電源電極，并連接到高壓信號源的兩端，根據(jù)采集到的電位信號的異常來準確定位泄漏點。

二。個案研究

2.1填埋場基本信息

填埋場位于中國西南部，屬典型的溫帶大陸性氣候，年均降水量208.4mm，年均蒸發(fā)量2616.9mm，一般認為非常不利于滲濾液的產(chǎn)生，是危險廢物填埋場選址的有利條件。目標填埋場的設(shè)計庫容為360×104m3，填埋場庫區(qū)底部防滲結(jié)構(gòu)采用復(fù)合襯砌設(shè)計。水文地質(zhì)調(diào)查資料表明，該地區(qū)水流的量綱為一維線性，因此只需考慮包氣帶水流模型的上邊界和下邊界。包氣帶上部與填埋場底部相連，接受滲濾液的滲漏補給，因此其水流邊界可視為給定的水流邊界。根據(jù)填埋垃圾的主要成分，as是滲濾液中的主要污染物，As是研究的目標污染物。

2.2模型的基本參數(shù)

[27]

2.2.1滲透參數(shù)的計算

如1.2節(jié)所述，利用HELP模型直接生成研究區(qū)的年氣象數(shù)據(jù)(降雨量、太陽輻射和溫度)，并計算樁身的地表徑流、入滲和蒸發(fā)。結(jié)果(見圖3)表明，年降雨量在266~369mm之間，其中208~330mm轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)，極小部分轉(zhuǎn)化為地表徑流，另一部分轉(zhuǎn)化為堆體的入滲。不同情景下的入滲強度分別為39~161mm(自然入滲)和26.1~68.1mm(設(shè)計入滲)。

老化參數(shù)的計算

Landsim模型模擬所需的滲流控制系統(tǒng)參數(shù)通過第1.1節(jié)中的試驗方法獲得。對填埋場填埋區(qū)的HDPE膜進行檢測，發(fā)現(xiàn)填埋區(qū)不透水HDPE膜的孔數(shù)為4.9 ∕(104m2).

該填埋場HDPE膜性能指標參數(shù)測試結(jié)果見表2。從表2可以看出，HDPE膜的OIT測試值為零，說明HDPE膜已經(jīng)開始老化。因為它的各種性質(zhì)的初始值都是未知的，所以假設(shè)所有指標的初始值都是cj∕t234—2006«；垃圾填埋場用高密度聚乙烯土工膜& # 187；規(guī)定的下限。在所有性能指標中，拉伸斷裂強度(橫向)退化較快，6年間下降了40%(HDPE膜鋪設(shè)時間為2012年，測試時間為2018年)。同時，其2019年的測試數(shù)據(jù)顯示，其拉伸斷裂強度(橫向)殘留率為8%。據(jù)此計算，在該填埋場的使用環(huán)境下，HDPE膜的年老化率為8%，老化開始時間t0為第二年，半衰期t1為8a。

2.3結(jié)果和討論

選擇典型距離的暴露點進行風(fēng)險分析，包括50m(廠界內(nèi))、100 m、200 m、400m(廠界外)、800m(防護范圍外)和1000m(防護范圍外)。短期(0 ~ 5年)、中期(5 ~ 10年)、長期(>:10a)，并基于2.2節(jié)老化試驗參數(shù)和其他模型參數(shù)，采用Landsim模型進行模擬。

2.3.1泄漏隨時間的變化

圖4分別模擬了短期、中期和長期泄漏率隨時間的變化。在初始時間，泄漏接近于零。這是因為填埋場設(shè)有多層粘土襯墊，其滲透系數(shù)很小。滲濾液需要很長時間才能通過粘土襯墊。模擬結(jié)果表明，短期內(nèi)滲漏量急劇增加，滲漏率在P-95%(95%分位數(shù)，下同)時變化較大，從2年增加到9 m3∕·d，中期內(nèi)滲漏率增幅逐漸減小，滲漏率仍在增加。30年后，滲漏率達到較大水平并趨于穩(wěn)定。這是因為隨著入滲時間的延長，堆體中滲濾液的存儲量逐漸增加，防滲膜上的飽和水位上升，導(dǎo)致水頭上升，滲漏率逐漸增加。

圖5顯示了不同時間泄漏率的累積頻率分布。根據(jù)圖5，討論了平均泄漏率。滲漏率的增加在5年內(nèi)不明顯，但在5 ~ 10年內(nèi)比短期(0 ~ 5年)增加了近一倍。100a年滲漏率增加更明顯，5年增加近4倍，5 ~ 10年增加2~3倍。例如，當累積百分比達到圖5中的0.5時，第三年和第五年的泄漏率分別為6.0和7.8m3∕d。第十年是11.3m3∕d，接近翻倍至100a年，滲漏率是32.5m3∕d，明顯高于5年和5 ~ 10年。

2.3.2地下水污染風(fēng)險

P-50%(50%分位數(shù)，下同)為平均風(fēng)險水平下的污染物濃度預(yù)測值，選取該值進行分析，以總體反映填埋場滲漏對地下水的影響。圖6給出了不同暴露點地下水中ρ(As)隨時間的變化曲線。從圖6可以看出:①短期內(nèi)，廠界外(1000、800、400、200、100m)各點的峰值ρ(As)極小，幾乎為0 mg ∕ L，50m時，第五年的P-50%僅為0.0001 mg ∕ L，地下水中的ρ(As)雖在200m上下波動，但遠低于gb∕t14848—2017«；地下水質(zhì)量標準& # 187；ⅲ類水質(zhì)標準限值，環(huán)境風(fēng)險可接受。②中期100m和800m地下水的ρ(As)為10-8和10-13mg∕L，低于GB ∕ T14848—2017的ⅲ類水質(zhì)標準限值。400m處地下水的ρ(As)極低，為0.0001mg·∕·l，已超過GB ∕ T14848—2017 [31]的ⅲ類水質(zhì)標準限值，50m處地下水的ρ(As)達到0.60g∕L，比GB ∕ T14848—2017的ⅲ類水質(zhì)標準限值高出近12倍。

進一步考慮填埋場主體單元在老化條件下的長期風(fēng)險，從圖6中也可以看出，第22年，1000m距離(保護范圍外)地下水中ρ(As)的P-50%均超過GB∕t 14848—2017ⅲ水質(zhì)標準限值，800m距離(保護范圍外)地下水中ρ(As)的P-50%。

圖7顯示了在考慮填埋場長期性能老化的情況下，不同暴露點地下水中ρ(As)峰值曲線的累積頻率分布。假設(shè)相關(guān)標準中污染組分I的標準限值為CLi，暴露點污染組分I濃度的累積頻率分布為F(Ci)，則暴露點地下水中ρ(As)的概率P可由公式(1)計算。

根據(jù)公式(1)和圖7，可以計算出地下水中ρ(As)超標的概率(見表3)。從表3可以看出:①短期內(nèi)，廠界外所有模擬點(100、200、400、800、1000m)地下水中ρ(As)為零，風(fēng)險可以忽略不計。廠界內(nèi)模擬點(50m)地下水中ρ(As)不為零，但超過GB ∕ T14848—200。②中期來看，考慮到填埋場的長期性能老化，模擬點200m內(nèi)地下水中ρ(As)超標的概率大于80%，廠界內(nèi)距離填埋場邊界50m的點甚至大于97%。而模擬點800m以上和400-800m之間地下水中ρ(As)超標的概率為零。③長期來看，包括1000m距離在內(nèi)的各模擬點地下水中ρ(As)超標概率為100%，污染風(fēng)險較高。

2.4不確定性分析

利用過程模型進行風(fēng)險評估容易受到不確定因素的影響，其中最重要的是模型參數(shù)的不確定性。例如，EPACMTP模型中含水層的孔隙度具有很大的空間變異性。此外，填埋場尺度HELP模型中降雨量的空間變異性較小，但具有很強的時間變異性，各變量的概率分布在第2.2節(jié)中確定(見表1)。考慮參數(shù)不確定性的影響，計算了地下水中ρ(As)的累積頻率分布和不同分位數(shù)值(P-5%、P-10%、P-50%、P-90%和P-95%)對應(yīng)的質(zhì)量濃度。不確定性可以用P-95%與P-50%的比值來表征。根據(jù)圖4的數(shù)據(jù)，不同時期(短期、中期和長期)的不確定性分別為1、1~2和1~3?？梢?，不確定性在不同時期對結(jié)果的影響是不同的。短期內(nèi)地下水中ρ(As)很小，基本上對結(jié)果沒有影響，中期影響增大。50m處地下水中ρ(As)與P-50%相差1倍，相差400m及以上，影響較小。地下水中ρ(As)差別不大，但長期效應(yīng)大，隨時間逐漸增大，P-95。

三。結(jié)論

a)短期內(nèi)泄漏急劇增加，達到P-95%時泄漏率變化較大，中期增幅逐漸減小，泄漏仍在增加。30年后，滲漏達到較大程度，滲漏率趨于穩(wěn)定。短期內(nèi)漏損率增長緩慢，但中期比短期增加近一倍，長期增加更明顯，短期增加近四倍，中期增加近二至三倍。

b)短期內(nèi)地下水污染風(fēng)險較小(超標概率為0)；中期來看，距離填埋場200m以內(nèi)的污染風(fēng)險大(超標概率≥80%)，400m以外的污染概率為零；從長期來看，距離填埋場1000米處的污染概率為100%，地下水受到嚴重污染。

c)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)和Landsim模型評估結(jié)果表明，填埋場防滲材料的劣化、老化等長期性能變化對地下水污染風(fēng)險有影響。長期滲漏會造成1000m范圍內(nèi)所有地下水污染。因此，在填埋場的設(shè)計和運行中，需要考慮防滲膜等重要單元的長期性能變化。(來源:。武漢科技大學(xué)；湖北工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心；中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點實驗室；中國環(huán)境科學(xué)研究院土壤與固體廢物環(huán)境研究所；環(huán)境部固體廢物和化學(xué)品管理技術(shù)中心)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容來源網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)載是出于傳遞更多信息之目的，并不意味贊成其觀點或證實其內(nèi)容真實性。轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問題，請立即聯(lián)系網(wǎng)站編輯，我們會予以更改或刪除相關(guān)文章，保證您的權(quán)利。
標簽:  填埋場HDPE膜老化特性及其對周邊地下水的影響