成层介质污染物的运移机理及衬垫系统防污性能研究

论文摘要

垃圾填埋场产生的高浓度和高毒性的渗滤液对填埋场底部和周边水体和土体造成了很大的威胁。国内外许多研究表明即使填埋场建造了标准的防渗系统,仍有相当多的场地对地下水和周围土体造成了污染。本文对国内外填埋场渗滤液的组分及其稳定化问题进行了总结和分析,得到了适合设计的渗滤液稳定化时间,并在此基础上提出了填埋场衬垫系统的击穿时间应大于渗滤液稳定化时间和填埋场运行期之和的设计理念;同时对国内外文献报道的渗滤液主要污染物在土、土工膜（GM）和土工复合膨润土垫（GCL）中的环境土工参数进行了汇总和统计分析,给出了这些参数的设计取值范围。对污染物在成层介质中的一维扩散（包括层状土和复合衬垫）机理进行了研究;提出了简化的分段式吸附等温线,并在此基础上研究了能考虑非线性吸附的污染物扩散模型。基于等效边界研究了污染物在复合衬垫中的一维渗漏-扩散问题。借助于这些理论分析方法研究了污染物在成层介质中的运移特性,研究了复合衬垫防污性能的影响因素,比较分析了我国常用的几种衬垫系统之间的防污性能等效性,并针对不同工况研究了GCL和压实粘土衬垫（CCL）的等效性。最后针对七子山填埋场进行了渗滤液运移的现场试验研究。取得了相应的研究成果:（1）得到了污染物在层状土和复合衬垫中的一维扩散解析解,并提出了层状土的平均扩散度。该解能考虑任意有限厚度介质层的扩散问题,同时能考虑初始浓度分布的影响及污染源浓度变化的影响。（2）结合分段式吸附等温线,得到了污染物在土体中的一维扩散解析解。该解析解具有简单和方便的特点,能较好地考虑土体对污染物的吸附作用。（3）基于等效边界的理念,得到了污染物在复合衬垫中的一维渗漏-扩散解析解,并在此基础上给出的无量纲设计曲线能有效地应用于基于性能的填埋场复合衬垫系统的初步设计。（4） 2m CCL和GM+CCL具有良好的防污性能。对于重金属离子,仅考虑其通过复合衬垫的渗漏作用会得到不确切的计算结果,复合衬垫下方的CCL和GCL的扩散性能和吸附性能对其的影响相当大。低水头作用时GM+GCL对于重金属离子的防污性能较好,随着水头的增大GM+GCL的性能显著下降。对于挥发性有机污染物,GM+GCL防污性能最差。（5）作为单一衬垫和作为复合衬垫两种不同情形下GCL等效于CCL的厚度均不超过0.1m。分析表明对于重金属,为达到与标准的GM+CCL同样的防污效果,需要在GCL下方增加的土壤保护层（AL）的厚度为5m。对于挥发性有机污染物,为达到GM+CCL同样防污性能则需要GM/GCL/AL系统中AL的厚度约为2 m。实际工程CCL取料困难及施工难度大时,可采用GCL+5 m AL代替。（6）考虑到挥发性有机污染物能通过扩散作用较快地通过GM,建议对填埋场的挥发性有机污染物含量进行控制。分析表明提高AL层对挥发性有机污染物的吸附能力能有效减少该层的厚度。GM+GCL+有机改良AL系统值得采用和推广。（7）现场试验表明13年后,Cl-在填埋场底土中的运移深度超过了10 m。将一维扩散理论与实测结果的比较知对流作用对于污染物的运移较为重要;将一维对流-弥散解析解与实测数据的比较则可得到粘土层相关运移参数的取值范围,可为污染物进一步运移提供依据。（8）必须对填埋场的水头进行控制,如采用合适的填埋场封顶系统及渗滤液导排系统使得填埋场的水头能控制在一个较低的范围（如小于1m）。另外,土工膜和压实粘土的施工质量应进行严格的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 渗滤液的性质
• 1.2 渗滤液运移及填埋场防渗系统
• 1.3 研究现状
• 1.4 本文主要的研究工作
• 第二章 污染物在土、土工膜和 GCL中的运移机理
• 2.1 污染物在土中的运移机理
• 2.2 污染物在土工膜中运移机理
• 2.3 污染物在GCL中的运移机理
• 2.4 本章小结
• 第三章 层状土污染物的一维扩散解析解
• 3.1 基本假设及计算模型
• 3.2 方程的解答
• 3.3 与数值解法的比较
• 3.4 参数分析
• 3.5 算例分析及应用
• 3.6 本章小结
• 第四章 考虑非线性吸附时污染物在土中的一维扩散解
• 4.1 前言
• 4.2 数学模型
• 4.3 模型的求解
• 4.4 算例分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 有机污染物在复合衬垫中的一维扩散模型及其求解
• 5.1 前言
• 5.2 数学模型及其求解
• 5.3 模型的验证
• 5.4 参数分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 污染物通过复合衬垫的渗漏扩散分析方法
• 6.1 前言
• 6.2 简化的渗漏扩散分析方法
• 6.3 方程的求解
• 6.4 与数值解法的比较
• 6.5 基于解析解的复合衬垫设计
• 6.6 土层非饱和特性对污染物运移的影响
• 6.7 本章小结
• 第七章 衬垫系统防污性能影响因素及等效性分析
• 7.1 前言
• 7.2 2m粘土衬垫防污性能的影响因素分析
• 7.3 复合衬垫的防污性能分析
• 7.4 不同衬垫系统防污性能的比较分析
• 7.5 基于防污性能的GCL与CCL之间的等效厚度分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 渗滤液在粘性土中运移的工程实例分析
• 8.1 引言
• 8.2 材料和方法
• 8.3 试验结果和讨论
• 8.4 本章小结
• 第九章 结论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 附录1 污染物在土、GCL和土工膜中的运移参数汇总
• 附录2 作者简历及发表论文情况
• 致谢