生活垃圾填埋场地下水典型重金属污染物迁移演化规律分析

生活垃圾填埋场地下水典型重金属污染物迁移演化规律分析

秦民凯

(广西壮族自治区第四地质队，530000)

摘要：采用有限元数值模拟方法，对某生活垃圾填埋场典型重金属污染物迁移演化规律进行研究，结果表明：地下水中重金属污染物主要在垃圾渗滤液与地下水的交互作用下向外迁移，在垃圾渗滤液处理区内污染物浓度较高，但渗滤液进入到地下水中后，其浓度迅速降低，且随着垃圾渗滤液处理区内污染物浓度的降低，地下水中重金属污染物的迁移距离变大；填埋场内污染物迁移距离越大，其对地下水中重金属污染物的污染越严重。

关键词：生活垃圾填埋场；地下水；重金属污染物

   目前，我国生活垃圾的处理主要有卫生填埋、堆肥、焚烧等，其中卫生填埋是垃圾处理的主要方式，随着我国人口的增长和生活水平的提高，我国城市生活垃圾的产生量逐年增加，目前，我国生活垃圾处理方法主要有卫生填埋、堆肥和焚烧等。其中卫生填埋是最常用的一种处理方法，在填埋作业过程中，由于操作不当等原因会产生大量渗滤液，其中重金属污染物极易进入到地下水中。因此，了解地下水中重金属污染物的迁移演化规律具有重要意义。本文通过对某生活垃圾填埋场进行调查，分析该填埋场地下水中重金属污染物的迁移规律及影响因素，为该填埋场的治理提供理论依据和技术支持。

1.监测分析

1.1研究区概况

某生活垃圾填埋场位于广西壮族自治区，场区内垃圾种类丰富，包括木屑、饮料瓶、废轮胎等，总容积为4×104m3,填埋垃圾时间长达15a。填埋场使用的填埋垃圾主要为生活垃圾，经过破碎、压缩后由汽车运输到填埋场内。生活垃圾由汽车运输至填埋场后，先进行人工清理，将其表面的浮土挖去后进行填埋；然后采用机械或人工进行机械碾压。机械碾压完成后对填埋场表面进行覆盖处理，其中采用人工覆盖的方式对表面进行覆盖，覆盖材料为草皮。由于当地降雨较多且集中，因此在该填埋场周边共设置了5个渗滤液收集池，每个渗滤液收集池设计容量为3×104m3。同时该填埋场还建设了一条长约800m的渗滤液处理设施，主要采用厌氧生物处理工艺和MBR工艺对生活垃圾渗滤液进行处理。生活垃圾在填埋后产生的渗滤液中含有大量的重金属物质（主要是As、Cd、Hg、Cr等）。由于该填埋场垃圾填埋的时间较长且均为密实型填埋方式，因此其渗滤液中重金属物质浓度较高。从现场监测结果可以看出：在垃圾填埋场周边地下水中重金属污染物主要以As和Hg为主，其中As主要以As形态存在于填埋垃圾表面的浮土中；Hg主要以Hg形态存在于垃圾填埋场表面的浮土和覆盖层中；Cr以Cr形态存在于填埋垃圾表面的浮土和覆盖层中。不同污染物在填埋场周边地下水中迁移距离存在差异，因此有必要对不同污染物在填埋场周边地下水中迁移的距离进行研究。

1.2数值模型的建立

采用ANSYS软件中的FLOW3D模块建立二维数值模型，其中心坐标为（X,Y,Z），模型参数。模型中的垃圾渗滤液处理区位于填埋库区的上部，渗滤液处理区内填埋有垃圾、塑料制品和其他垃圾。根据工程地质勘探资料和地下水流场模拟结果，确定地下水流场的初始条件为：模拟期内水流流速为5m/d、水位埋深为1.5m、垃圾填埋高度为1.5m；污染物浓度场采用浓度剖面法。根据垃圾渗滤液处理区内地下水流场特征，建立数值模型时将渗滤液处理区分为三部分：其中垃圾填埋场上游部分为垃圾渗滤液处理区，垃圾填埋场下游部分为地下水流系统。由于地下水流系统中含有污染物污染物，因此在建立数值模型时将渗滤液处理区上游部分设定为污染物运移通道，下游部分设定为污染物浓度变化的影响区域。通过模拟计算得出垃圾填埋场上游区域的地下水流场形态；通过模拟计算得出垃圾填埋场下游区域的地下水流场形态；通过模拟计算得出污染物在地下水中的迁移距离。

2.水文地质参数的确定

2.1各层的含水介质质量分数

各层的含水介质质量分数在0.67~0.91之间，平均含水介质质量分数为0.87,含水介质质量分数较高的1层分别是上二层和下二层，平均含水介质质量分数为0.88。因此，本研究中各层的含水介质质量分数较高，是由于该垃圾填埋场周围的地下水补给主要为大气降水补给，且该垃圾填埋场地下水具有明显的区域性分布特征，区域内各层地下水位普遍较高，因此各层的含水介质质量分数较高。垃圾渗滤液处理区内地下水与大气降水间的水力联系较弱，地表水与地下水间的水力联系不强。该垃圾填埋场位于地下水位埋深小于3m的潜水含水层中，在研究区范围内各层的平均含水介质质量分数为0.61。由于该垃圾填埋场为填埋式垃圾填埋场，因此在分析时选择填埋场填埋深度为2m、填埋场填埋时间为4a7a三种情况进行模拟分析。通过模拟分析可以看出，该垃圾填埋场填埋深度较浅，因此在计算过程中应考虑此因素。

2.2地下水位埋深

地下水水位埋深是指地表水与地下水的相对补给与排泄之间的距离，地下水水位埋深代表着地下水的补给与排泄之间的距离。地下水位埋深越大，说明地下水补给越大，排泄越小；地下水位埋深越小，说明地下水补给越小，排泄越大。根据实测资料可知，垃圾填埋场所在地区地下水位埋深变化幅度较大，在渗滤液处理区内为0~4m，垃圾填埋场内水位埋深由南向北逐渐变浅。该垃圾填埋场距离下游100m处地下水位埋深约为4m，而距离下游200m处地下水位埋深约为10m。可见该地区的地下水补给主要来源于大气降水的补给和当地的降雨补给。垃圾填埋场在渗滤液处理过程中，由于大量的渗漏作用使该地区的地下水长期处于过水状态。随着时间的推移，垃圾渗滤液处理区内地下水位逐渐降低，导致垃圾填埋场中地下水补给和排泄之间的距离逐渐减小。

3.数值模拟结果分析

垃圾填埋场的渗滤液处理区位于地下水位线以下约40m处，在渗滤液处理区的上游距离垃圾渗滤液处理点约20m处，距垃圾填埋场的中心点约150m处。根据数值模拟结果显示：垃圾场的地下水流场分布比较复杂，地下水位变化比较大，在靠近垃圾场中心位置的地下水流场呈“漏斗状”，在远离垃圾场中心位置的地下水流场呈“槽状”。填埋场内污染物迁移距离与垃圾渗滤液处理量相关。

3.1地下水中重金属污染物的迁移规律

渗滤液中重金属污染物的迁移过程是一个复杂的物理化学过程，其迁移过程与渗滤液处理量相关。首先，由于渗滤液处理量的变化，地下水中重金属污染物的浓度也随之变化，渗滤液处理量较小时，其对地下水中重金属污染物的迁移影响较小，随着渗滤液处理量的增加，地下水中重金属污染物的浓度逐渐增大。其次，渗滤液中重金属污染物在地下水中迁移时具有一定的弥散能力。当地下水位下降时，污染物向下运移；当地下水位上升时，污染物向上运移。而垃圾渗滤液处理区上游30m处和下游20m处存在一定距离，且二者距离较近。垃圾渗滤液处理区上游30m处和下游20m处为两个主要重金属污染物浓度区域。当垃圾渗滤液处理区上游30m处的重金属浓度小于地下水中重金属污染物浓度时，污染物在此处不会发生明显迁移；当垃圾渗滤液处理区上游20m处的重金属浓度大于地下水中重金属污染物浓度时，重金属在此处会发生明显迁移。当垃圾渗滤液处理区上游30m处和下游20m处的重金属浓度相差较大时，这两个位置会成为整个地下水中重金属污染物迁移距离最远的位置。从数值模拟结果可知：垃圾填埋场内的地下水中典型重金属污染物迁移距离与垃圾渗滤液处理量相关，垃圾场内地下水位变化对地下水中重金属污染影响较大。

3.2垃圾渗滤液处理量对填埋场内重金属污染物迁移演化规律的影响

垃圾渗滤液处理量增加，其对地下水中重金属污染物的迁移距离变大，主要是由于随着垃圾渗滤液处理量的增加，其对地下水中重金属污染物的稀释作用加大，在一定程度上减小了重金属污染物向地下水中迁移的距离。但是，当垃圾渗滤液处理量超过一定阈值时，其对地下水中重金属污染物的迁移距离将会逐渐减小。垃圾渗滤液处理量较小时，垃圾渗滤液进入到填埋场的速度较慢，垃圾渗滤液处理量较大时，垃圾渗滤液进入到填埋场的速度加快，会造成垃圾渗滤液在填埋场内的停留时间变短。因此，垃圾场内地下水中重金属污染物浓度将会呈现逐渐降低的趋势。

3.3不同处理工艺对填埋场内地下水中重金属污染物迁移演化规律的影响

在垃圾渗滤液的处理过程中，可以将渗滤液分成三个部分，一部分用作回用，一部分作为一般生活污水排出，最后一部分用作其他用途。不同的处理工艺会对地下水中重金属污染物的迁移演化规律产生影响。根据填埋场的实际情况，在渗滤液处理过程中，将垃圾渗滤液分为三部分处理，分别为渗滤液处理区、处理区和回填区。对渗滤液处理区、处理区和回填区中重金属污染物的迁移演化规律进行数值模拟。通过数值模拟可以看出：在不同处理工艺下，渗滤液中的重金属污染物迁移距离不一样。在渗滤液处理区，重金属污染物迁移距离比较短；在回填区，重金属污染物迁移距离较长。从不同工艺下填埋场内的污染物浓度分布可知：垃圾渗滤液经过适当处理后，填埋场内的重金属污染物浓度降低了很多。渗滤液经过适当处理后，垃圾渗滤液中重金属污染物的迁移距离变大，对地下水中重金属污染程度降低。

4.生活垃圾填埋场展望

（1）生活垃圾填埋场中重金属污染物主要在垃圾渗滤液与地下水的交互作用下向外迁移。在垃圾渗滤液处理区内，垃圾渗滤液的浓度较高，其进入到地下水中后，其浓度迅速降低。在填埋场周边地下水环境质量较差时，由于地下水环境对重金属污染物具有一定的自净化能力，因此垃圾渗滤液处理区内污染物的迁移距离相对较小。（2）由于生活垃圾填埋场对地下水污染影响具有一定的滞后性和隐蔽性，因此在实际工程建设中应充分考虑到填埋场对地下水环境的影响。对于一般的生活垃圾填埋场来说，在建设初期可以根据实际情况适当提高污染物迁移距离。对于重点污染区域而言，应根据场地实际情况采取工程措施对场地内污染物进行治理。

结束语：

综上所述，本文采用数值模拟方法，研究了某生活垃圾填埋场典型重金属污染物的迁移演化规律，得到如下结论：垃圾渗滤液处理区内污染物浓度较高，但渗滤液进入到地下水中后，其浓度迅速降低，且随着垃圾渗滤液处理区内污染物浓度的降低，地下水中重金属污染物的迁移距离变大；垃圾渗滤液处理区内污染物浓度较高，且随着时间的推移，其对地下水中重金属污染物的污染程度逐渐增加；（1）由于渗滤液和垃圾中重金属污染物在不同介质间的迁移转化具有复杂性和多样性，因此需要进一步开展填埋场内部分区域内土壤、地下水及沉积物样品重金属污染物浓度监测工作，以期建立填埋场内部分区域内土壤、地下水及沉积物重金属污染的监测系统；（2）针对垃圾渗滤液和生活污水处理过程中产生的重金属污染物对地下水环境污染的问题，提出了相应对策。

参考文献：
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