王月香++顾欢达++陈茂

摘要：固化污泥是一種新型填埋场底部防渗阻滞材料，为论证其防渗阻滞作用的有效性，需进行典型污染物的穿透试验，但由于固化污泥渗透性很低，采用常规土柱试验很难得到污染物透过其迁移时的相关参数。为解决该问题，用柔性壁渗透试验代替传统土柱试验。渗滤液中污染成分较多，取含量较高且较易穿透的污染物即氟离子作为典型污染物，首先进行穿透试验获得迁移参数，然后结合二维有限元法研究分析其在防渗阻滞层及周边岩土环境中60 a内的运动迁移范围、浓度分布情况，并对比分析未设防渗阻滞层的情况。研究表明，在填埋场底部设置固化污泥防渗层对于以氟为代表的阴性污染物有较好的延迟阻滞作用。由于阳性污染物的穿透能力较阴性污染物弱，因而固化污泥防渗层对重金属等阳性污染物也应具有较强的阻滞作用，从而能进一步延迟填埋场渗滤液对周边环境的污染。

关键词：固化污泥；填埋场防渗；氟离子；迁移阻滞；数值分析

中图分类号：X705文献标志码：A文章编号：16744764（2017）01013208

收稿日期：20160304

基金项目：国家自然科学基金（51378327、51378118、51508369），江苏省自然科学基金（BK20150289），江苏省建设系统项目（2016ZD26），苏州科技大学科研启动项目（331531102）

作者简介：王月香（1977），女，博士后，主要从事环境岩土工程研究， （Email）wyxcjy@sina.cn。

Received：20160304

Foundation item：National Natural Science Foundation of China（No.51378327，51378118，51508369），Jiangsu Provincial Natural Science Foundation （No. BK20150289）， Jiangsu Architecture System Foundation（No.2016ZD26），SUST Research Approval Foundation（No.331531102）

Author brief：Wang Yuexiang（1977）， postdoctor， main research interest： geoenvironment，（Email）wyxcjy@sina.cn.Numerical analysis of the postponing effect of solidified

sludge as a new type of landfill liner material

Wang Yuexiang 1，2， Gu Huanda 1，Chen Maolin3

（1.Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215011，Jiangsu， P. R. China；

2.Nanjing Technolgy University，Nanjing 211186， P. R. China；

3.Suzhou Danlin Environmental Engineering Limited Corporation， Suzhou 215129，Jiangsu， P. R. China）

Abstract：The solidified sludge as a new type of liner material should be at the bottom of municipal solid waste landfill site to prevent the contamination of the pollutant leakage. The hydrodynamic dispersion test was conducted to investigate the postponing effect of solidified sludge. It was very difficult to obtain hydrodynamic dispersion parameters of sludge solidified layer with low permeability by the existing column tests and methods. The flexible wall parameter was proposed and improved to solve the problem. Because of the high concentration and strong penetrating power， fluorine ion was chosen as the typical representative. The hydrodynamic dispersion parameters could be calculated by the breakthrough curve of fluorine ion. And then， the two dimentional definite method was used to analyze the transference scope and concentration distribution of fluorine ion in solidified sludge layer and surrounding in 60 years. The situation without solidified sludge layer had a contrast with the above. The results showed that the solidified sludge layer had an important postponing effect on the transference of fluorine ion. Because positive pollutants had weaker penetrating ability than negative ones. The solidified sludge also had a strong blocking effect on the positive pollutant such as heavy metals or other positive pollutants， which could further delay the pollution of landfill leachate.

Keywords：solidified sludge； landfill seepage control； fluorine ion； transfer block； numerical analysis

在城市固体废弃物填埋过程中，会产生渗滤液，这些渗滤液中往往含有很多污染物。当填埋场防渗系统出现破损时，这些污染物将会渗入周边岩土环境中造成污染。对于污染物随渗滤液的迁移扩散，其一般历时很长，很难由室内淋滤试验在短期内完成，因此，多通过数值方法进行分析，冯民权等[1]对水环境污染采用有限差分、有限元等方式进行了模拟与预测，Freeze等[25]对地下水的水动力特性、污染及模拟进行了研究，赵颖等[68]对土壤有机污染物的迁移建立数学模型进行了数值分析和预测，方晰等[9]研究了重金属的累积和迁移规律，宁丽等[10]对柴油在土壤中的迁移污染进行了数值模拟。这些研究成果均采用数值分析方法来模拟分析各种污染物迁移和分布，说明数值模型非常适合用于研究污染物随水迁移问题。

固废填埋场底部一般设置有防渗层，防渗层必须对废弃物渗滤液具有良好的阻滞作用。近年来国内外学者对填埋场底部防渗性能进行了较多研究，罗春泳[11]对粘土衬垫的环境土工特性进行了分析，刘福东[12]研究了填埋场固化污泥屏障材料的阻滞特性，陈云敏等[13]研究了填埋场水位雍高对衬垫的影响。为了保证良好的防污性，填埋场底部防渗材料必须要满足一定阻滞性能。参照Mustafa等[14]、Valls等[15]、Cinquepalmi等[16]、Malviyar等[17]、Lasheen等[18]利用沸石、垃圾焚烧飞灰、水泥胶凝材料固化处理污泥等废弃物的研究思路。笔者将污泥固化[19] ，并应用到填埋场底部作为防渗层，其防渗性能够满足<10-7cm/s[20]的要求，防渗性能较好，且由于是固废制成，因而较为经济。

为更深入地分析固化污泥作为新型填埋场防渗材料的阻滞作用，采用有限元法进行研究。由于在一般情况下氟、氯等阴离子比重金属等阳离子的穿透速度快，防渗层一般对其阻滞作用偏弱[5]，因而采用渗滤液测试中含量较高的氟离子[21]作为典型污染物，先通过穿透试验获得其迁移参数，然后结合二维有限元法进行计算，从而分析固化污泥这种新型防渗材料对氟的阻滞作用的有效性。

1迁移数学模型和参数

污染物迁移过程及机制非常复杂，其中可能包含解吸附、对流、弥散、衰变、降解等，由于氟在渗滤液中迁移以对流、弥散和吸附3种作用为主，因而分析时仅考虑这3种作用耦合。

1.1迁移数学模型

污染物迁移数学模型包括3部分，即控制方程、初始条件和边界条件[25]。所采用的有限元数值分析模型以及模型参数确定公式的推导见文献[22]，以下仅列出模型参数确定公式，模型参数确定需通过室内弥散试验以及绘制相应弥散曲线获得。

1）水动力弥散系数[22]DL=18z-vt0.159t0.159-z-vt0.841t0.8412（1）式中：DL为水动力弥散系数，m2/s；z为空间位置，m；v为达西平均流速，m/s；t0.159、t0.841分别为溶质相对浓度达到0.159、0.841时所需要的时间，s。

2）有效孔隙度n[22]e有效孔隙度为一维渗流时，达西流速v与多孔介质中平均线性流速之比，对应多孔介质，有ne=vt0.5L（2）式中：v为达西流速，cm/s；t0.5为相对浓度为0.5时所需时间，s；L为渗流路径长度，cm。

3）线性流速[22]u=vne=Lt0.5（3）式中：u为线性流速，m/s，ne为有效孔隙率，无量纲，t0.5为相对浓度达到0.5所需的时间，s。

4）纵横向弥散度[22]αL=DLu（4）式中：αL为纵向弥散度。

据Gelhar等[23]所得高可靠度的数据表明横向弥散度一般比纵向弥散度要小1～2个数量级，因而文中横向弥散度取纵向弥散度的1/10。

5）吸附系数[22]，由Batch试验法[14]获得。Kd=（C0-C）VsolC0·Ms（5）式中： Kd为吸附系数；C0为初始浓度，mg/L；C为吸附平衡后的浓度，mg/L；Vsol为溶液体积，L；Ms为风干土样重量，mg。

6）延迟因子[22]Rd=1+ρdneKd（6）式中：Rd为延迟因子；ρd为干密度，g/cm3。

为得到氟在阻滞层中迁移的相对浓度Ct /C0与时间t曲线，即Ct曲线，其中相对浓度C为某时间测得浓度Ct与初始浓度C0之比。所用试验装置如图1所示，为柔性壁渗透仪，将3个相同高度固化污泥试样装在1、2、3号压力室中进行渗透试验，氟污染液初始浓度采用实测值10 mg/L，渗透速度v为2.18×10-6 cm/s，对应于同一高度试样，所采用渗透压相同。试样所采用渗透压和围压见表1。渗滤液收集时間段为间隔24 h。

图1弥散实验装置[22]

Fig.1hydrodynamic dispersion equipment表1试验所用压力和流速

Table 1The test pressure and velocity压力/cm渗透压/kPa围压/kPaL1=5D=510200L2=8D=516200L3=11D=520200

由弥散试验得到渗滤液中氟相对浓度Ct /C0与时间t曲线，如图2所示，由此得表2。图2氟离子Ct曲线

Fig.2The curve of Fluorine and time表2达相对浓度运移时间

Table 2Time for the relative concentration of Fluorined项目L1=5 cmL2=8 cmL3=11 cmt0.159 3.88.212.7t0.5 5.810.815.3t0.841 9.213.417.9

由（3）式u=vne=Lt0.5结合表2可得氟离子通过固化污泥的线性流速为：u1=9.98×10-6cm/s、u2=8.57×10-6cm/s、u3=8.32×10-6cm/s，平均运移线性速度为u=8.96×10-6cm/s。

由式（1）DL=18z-vt0.159t0.159-z-vt0.841t0.8412，并且有z=L，得到水动力弥散参数为DL1=1.82×10-6 cm2/s，DL2=3.28×10-6 cm2/s，DL3=5.43×10-6cm2/s。则得平均水动力弥散参数为3.59×10-6 cm2/s。

结合上述得到的水动力弥散参数，由（4）式得纵向弥散度为αL=DLu=3.59×10-68.96×10-6=0.40 cm。

根据Gelhar等[23]与Neuman[24]的研究成果，所得弥散度与前人研究成果范围接近，能够满足可靠度和精度要求。

结合表2和式（2），有效孔隙度分别为ne1=0218、ne2=0.254、 ne3=0.262，则平均孔隙度为0.245。

而据自然界中各种岩土质的参数性质[5]，取粘土层的有效孔隙度为0.6。

由表2和式（5）可得吸附系数Kd为5.77×10-5 m3/kg。

根据ne=0.245和所测干密度ρd=1.442 g/cm3，结合式（6）得延迟因子Rd为4.39。

固化污泥下卧粘土的水动力弥散参数取用文献[5，2324]的研究数据。所得模型各参数见表3。表3有限元模型参数

Table 3FEM model parameters参数渗透系数

k/（cm·s-1）纵向弥散度横向弥散度延迟因子吸附系数

Kd/（m3·kg-1）初始浓度

C0/（mg·L-1）有效孔隙

度ne固化污泥1.09×10-70.400.044.395.77×10-5100.245下卧粘土1.00×10-7100.0010.001.009.00×10-300.600

1.2模型初始浓度和边界条件

图3有限元模型[22]

Fig.3Analysis model1）边界条件Labc（hab=16.0 m，bc坡面的坡度为1∶1.5）：初始浓度CF-=10 mg/L，污染渗滤液总水头高H=19 m，t≥0。

2）边界条件Lcd、Ldef（def坡面的坡度为1∶15）、Lfg、Lgh、Lhj、Lja上流量Q：Q=0，t≥0。

3）边界条件Lefg：地表净水源水头高H=12 m，t≥0。

通过对比分析填埋场底部设固化污泥阻滞层和不设阻滞层时氟在整个场地、污染坑和地表净水源处的污染分布，从而评价阻滞作用的有效性。考虑到污泥阻滞层在短期内不会被击穿，将考察时间取至60 a以内。在分析过程中，根据中国环保总局的相关规定[25]，如果地表净水源中氟离子浓度大于10 mg/L即认为污染。

2结果与分析

1）水头变化图4显示渗滤液在压强作用下缓慢地透过地层向地表净水源处运移。图4表明，在地层中设有污泥阻滞材料时，水头下降较快，尤其在污染坑底部位置。

图4场地水头

Fig.4Distribution of Water head由图5可知，在污染坑底部设有固化污泥阻滞层时，在地层同一深度的水头比没有阻滞层的要低，表明污染渗滤液受到固化污泥的阻滞作用，其在地层中的渗透速度减缓。

图5污染坑底部水头

Fig.5Distribution of Water head at

the bottom of pollution pit location2）氟离子的迁移图6～8表示，氟离子在10 a后在地层中的迁移情况及浓度分布。

图6场地历经10 a氟离子的污染

Fig.6Concentration distribution of Fluorine in 10 years比较图6可知，当在地层中设有污泥阻滞层时，在同一深度和水平位置，氟浓度均比未设的要低。而就广度方面即迁移扩散范围相比较，没有阻滞层的地层中氟扩散的更快，范围更广。

图7表示10 a后污染坑底部氟浓度的分布情况。由图7可知，当设有污泥阻滞层时，在污染渗滤液面下10 m深度处，同一水平位置的氟浓度比未设的低很多。如在距污染源40 m处氟浓度达到最大值，约为6.9 mg/L（g/m3），而相比之下，没有阻滞层的则约为8.3 mg/L。固化污泥作为防渗层的阻滞作用十分显著。

图710 a后污染坑底部氟离子的浓度分布

Fig.7Concentration distribution at the

bottom of pollution pit location in 10 years圖8表示距离污染坑为147 m处即地表净水源处氟浓度分布规律。由图8可知，氟浓度沿深度逐渐增大。在污染坑底部设置固化污泥防渗层时，在同一深度处，氟浓度比未设阻滞层的低一个10的数量级。由此可见，固化污泥防渗层的阻滞作用非常有效。

图810 a后净水源处氟离子浓度分布

Fig.8Concentration distribution at the

source of water location in 10 years由图9可看出，随着时间的不断增长和渗流的逐步深入，氟离子的污染晕不断扩大，渐渐向地表净水源地推进。经50 a后，氟离子在设有污泥阻滞材料的地层中最大扩散范围为115.0～132.0 m，水源地未受到污染。而在未设污泥阻滞层中最大扩散范围约140.0～150.0 m，已经使水源受到污染。

图9场地历经50 a氟离子的污染

Fig.9Concentration distribution of Fluorine in 50 years由圖10显示，50 a后，在同一深度地层即（Elevation）Y=10 m，污染坑底部的氟离子浓度仍然较其他部位高，设有污泥阻滞层的污染坑底部范围内，氟离子浓度在8.0～9.0 mg/L范围，而未设有污泥阻滞层的地层在同一位置氟离子浓度较高，为9.0～9.5 mg/L。

图1050 a后污染坑底部氟离子浓度分布

Fig.10Concentration distribution of Fluorine

at the bottom of pollution pit location in 50 years图11表示经50 a后，氟离子在纵深的浓度变化。由图11可知，在同一水平位置，同一深度，设有污泥阻滞层的地层中氟离子浓度仍然比未设地层中的低。在地表净水源处，经50 a后，设有污泥阻滞层的氟离子浓度为0.54 mg/L，达到III水标准，而未设的地层在该处氟离子浓度为1.14 mg/L，已经被污染。

图1150 a后净水源处氟离子的浓度分布

Fig.11Concentration distribution at the

source of water location in 50 years图12～14表示经过60 a后地层中氟离子浓度的变化，其变化规律同前。时间越长，扩散范围越大，地表净水源逐渐被污染。在60 a时，设有污泥阻滞层地层中下游地表水源中氟离子浓度达到085 mg/L，仍然达到III水标准，而未设有污泥阻滞层的该处，氟离子浓度为1.64 mg/L，水源被污染。

图12场地历经60 a氟离子的污染

Fig.12Concentration distribution in 60 years图1360 a后污染坑底部氟离子的浓度分布

Fig.13Concentration distribution at the

bottom of pollution pit location in 60 years图1460 a后净水源氟离子的浓度分布

Fig.14Concentration distribution at the

source of water location in 60 years

由图15氟浓度与时间的关系曲线可知，在填埋场底部设置污泥阻滞层可以长期有效的阻滞氟对于地表净水源的污染。

图15设阻滞层时净水源氟浓度与时间关系

Fig.15Relationship of Fluorine concentration and time3结论

利用柔性壁渗透试验得出氟随渗滤液迁移参数，并采用二维有限元法建立数学模型，研究了氟在固化污泥防渗阻滞层及周边环境中60 a内的迁移情况，得出如下结论：

1）在填埋场底部设置固化污泥防渗阻滞层，与未设阻滞层相比，减缓了渗滤液对周边环境的污染。

2）经50 a后，氟离子在设有污泥阻滞材料的地层中最大扩散范围为115.0～132.0 m，水源地未受到污染。而在未设污泥阻滞层中最大扩散范围约140.0～150.0 m，水源已经受到污染。

3） 时间越长、扩散范围越大。经50～60 a后，设有污泥阻滞层的氟离子浓度为0.54、0.85 mg/L，达到III水标准，而未设的地层在地表净水源处氟离子浓度为1.14、1.64 mg/L，已经被污染。

由上述分析可知，对于迁移速度较快的阴性污染物如氟，固化污泥作为填埋场新型防渗层，其阻滞作用十分显著，并且长期持续。由于在一般情况下阳性污染物的穿透能力弱于阴性污染物，固化污泥防渗阻滞层对于重金属等阳性污染物应具有较强的阻滞作用，文献[22]也证实这一点，因而在填埋场底部设置固化污泥防渗阻滞层能进一步延缓填埋场渗滤液对周边岩土环境的污染。

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