考慮生物降解作用時GCL+AL襯墊中有機污染物的擴散規(guī)律

吳 珣，施建勇，何 俊

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇南京 210098;3.湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430068)

衛(wèi)生填埋法廣泛應用于城市固體廢棄物的處理，填埋場中的污染物已經成為地下水污染的一個主要的威脅，作為防止污染物遷移的襯墊系統(tǒng)是填埋場的重要組成部分之一［1-3］。由于土工復合膨潤土襯墊(GCL)價格經濟、施工簡便、工期短，因此已被廣泛應用于填埋場的襯墊系統(tǒng)中［4-5］。CJJ113—2007《生活垃圾填埋場防滲系統(tǒng)工程技術規(guī)范》［6］規(guī)定填埋場可采用下方具有一層土體保護層(AL)的GCL代替壓實黏土襯墊(CCL)，但是規(guī)范中未對AL的厚度進行規(guī)定。因此分析污染物在GCL+AL復合襯墊中的運移規(guī)律并探討GCL+AL復合襯墊與傳統(tǒng)CCL的等效性具有重要意義。

填埋場中的污染物種類繁多，其中有機污染物雖然濃度較低，但危害性大。滲濾液中的有機污染物和無機污染物在復合襯墊中的遷移方式不同，無機污染物主要通過復合襯墊中的缺陷運移，有機污染物主要通過擴散運移［7］。目前研究有機物在復合襯墊中的擴散運移主要有數值方法和解析解2種方法。Foose等［8］建立了有機污染物在復合襯墊中的一維擴散模型，并得到了半無限空間邊界下的解。何俊等［9］建立了有機污染物在完好復合襯墊中遷移的一維模型，并得到了解析解。謝海建等［10］建立了污染物在GCL+AL防滲層的一維對流-彌散模型，在模型解的基礎上研究了GCL+AL防滲層的防污性能及其與傳統(tǒng)壓實黏土襯墊之間的等效性。Cleall等［11］建立了一系列污染物在雙層襯墊系統(tǒng)中的擴散方程，并給出不同邊界條件下模型的解析解。但是，上述研究在建立運移模型時都未考慮污染物在襯墊中的生物降解作用。

生物降解是有機污染物在土體中運移的一個重要機理［12-13］。Xie等［14］在假設污染物通過土工膜為穩(wěn)態(tài)過程的基礎上建立了考慮生物降解的有機污染物通過復合襯墊的一維擴散模型，并得到了模型的解析解，基于解析解分析得出生物降解作用對有機污染物復合襯墊中的遷移有較大影響的結論。因此為了準確分析填埋場中襯墊中的污染物運移，應充分考慮生物降解作用。目前關于考慮生物降解作用下污染物在復合襯墊中的運移解析解答還很少，考慮生物降解作用下針對污染物在不同類型的復合襯墊運移解析解還需進一步完善。

筆者在已有研究的基礎上，建立了考慮生物降解作用的有機污染物在GCL+AL襯墊中的一維擴散模型，采用分離變量法對所建立模型進行求解?；谀Ｐ偷慕馕鼋?，分析了生物降解作用對有機污染物在GCL+AL襯墊中運移的影響，結合解析解探討了考慮降解時GCL+AL與CCL之間的等效性。

1 模型建立

模型的主要假設為:(a)有機污染物主要通過擴散運移，不考慮對流作用;(b)污染物擴散是一維的;(c)污染物在土中的擴散系數為常數;(d)壓實黏土和GCL是均質、飽和的;(e)介質對污染物的吸附作用均為平衡線性吸附。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of calculation model

因為GCL的厚度很薄(約為10mm)，因此不考慮污染物在GCL中的生物降解作用，污染物在GCL中的運移控制方程為

式中:Cg(z，t)——污染物在 GCL 中的質量濃度;Dg——污染物在 GCL中的擴散系數;t——時間;Rdg——GCL對污染物吸附的阻滯因子。

污染物在AL中的運移控制方程為

其中

式中:Ca(z，t)——污染物在AL中的質量濃度;Da——污染物在AL中的有效擴散系數;Rda——AL對污染物吸附的阻滯因子;λ——考慮降解作用時污染物在AL中的衰變系數;t1/2——污染物在土層中的降解半衰期。

假設污染物在襯墊系統(tǒng)中的初始質量濃度均為零，即

滲濾液中污染物質量濃度假設為恒定值C0，則GCL的上邊界條件為

式中:C0——污染物初始質量濃度。

在GCL和AL的交界面，污染物質量濃度滿足濃度連續(xù)和通量連續(xù)條件［15］:

式中:ng——GCL 的孔隙率;na——AL 的孔隙率;Lg——GCL 的厚度。

襯墊系統(tǒng)下邊界，即在復合襯里的底部，若其下伏含水層或滲濾液導流層的流速足夠大，以致能及時帶走進入該層的污染物時，可認為復合襯里底部的濃度為零，即

式中:La——AL 的厚度。

2 模型求解

模型的邊界條件為非齊次，為求解模型，設ui(z)的選取應保證vi(z，t)滿足齊次邊界條件，ui(z)滿足:

vi(z，t)滿足:

分別求ui(z)、vi(z，t)后疊加得到Ci(z，t)的解為

其中

確定ξm的特征方程為

基于μ、βm、Fm，得到GCL+AL襯墊底部的污染物通量J:

3 模型驗證

為了驗證模型的合理性，筆者將本文解析方法算得的GCL+AL襯墊中的污染物濃度分布與污染物運移分析軟件Pollute v7的計算結果進行對比分析。苯是一種毒性很大的致癌物質，也是一種易溶的具有較強遷移能力的物質，很容易進入地下水系統(tǒng)，污染地下水環(huán)境。因此，筆者選取苯作為有機污染物的代表。GCL+AL襯墊由13.8mm GCL和下臥0.6m壓實黏土AL組成，GCL和AL的參數參照文獻［11，14，16］，見表1，苯的初始質量濃度C0=1 mg/L［17］。

表1 GCL和AL的計算參數Table 1 Calculation parameters of GCL and AL

圖2 本文解和Pollute v7得到GCL+AL襯墊污染物濃度分布比較Fig.2 Comparison of concentration profiles of pollutants in GCL+AL liners from analytical solutions described in this paper with those from Pollute v7 software

圖2給出了2種方法得到的不同降解參數下考慮降解時復合襯墊中污染物濃度分布曲線。由圖2可以看出，不同降解參數下基于本文解得到的污染物濃度分布情況與Pollute v7得到的分布曲線基本一致，驗證了本文解析解的合理性和可靠性。

4 算例分析

4.1 考慮與不考慮生物降解作用對比

基于本文解析解，筆者分析了AL降解半衰期對GCL+AL襯墊底部污染物通量的影響。選取苯作為有機污染物的代表，GCL+AL襯墊由13.8 mm GCL和下臥0.6 m壓實黏土AL組成，GCL和AL的參數見表1，苯的初始質量濃度C0=1 mg/L。參照文獻［14］，苯的降解半衰期一般為10～50 a，本文選取降解半衰期分別為10 a和20 a。計算結果如圖3所示。

從圖3可看出，考慮生物降解作用與不考慮生物降解得到的GCL+AL襯墊底部污染物通量差別較大。不考慮生物降解作用時GCL+AL襯墊底部穩(wěn)定時的苯通量為0.0212 g/(m2·a)，考慮降解作用且降解半衰期為10 a時苯通量為0.0124 g/(m2·a)。同一時刻不考慮生物降解作用得到的GCL+AL襯墊底部污染物通量大于考慮生物降解作用得到的結果。由此可見生物降解作用對有機污染物遷移的影響不可忽略。

降解半衰期為10 a和20 a時 GCL+AL襯墊底部穩(wěn)定時的苯通量分別為0.0124 g/(m2·a)和0.0161 g/(m2·a)。隨著降解半衰期增大，GCL+AL襯墊底部污染物通量增大。由此可見，減小有機污染物在AL中的降解半衰期，增強污染物在AL中的降解作用可以提高GCL+AL襯墊的防滲效果。

4.2 GCL+AL襯墊與CCL的比較

對于單層CCL，考慮有機污染物的降解作用時污染物在CCL襯墊中的運移方程定解問題為

求解得到CCL底部的污染物通量J:

圖3 AL降解參數對GCL+AL襯墊底部污染物通量的影響Fig.3 Effect of degradation parameter of AL on bottom flux of GCL+AL liners

式中:D*——污染物在CCL中的有效擴散系數;Lc——CCL的厚度;n——CCL的孔隙率;Rd——CCL對污染物的阻滯因子;λ1——考慮降解作用時污染物在CCL中的衰減系數。

用襯墊底部污染物通量來反映復合襯墊防污性能，結合式(13)和式(15)對比分析GCL+AL襯墊與CCL底部污染物通量。選取苯作為有機污染物的代表，GCL+AL襯墊由13.8 mm GCL和下臥0.6～1 m壓實黏土AL組成，GCL和AL的參數見表1。CCL為0.75 m壓實黏土，D*=5×10-10m2/s，Lc=0.75 m，n=0.5，Rd=3.5。苯的初始質量濃度C0=1 mg/L。苯在CCL和AL中的降解半衰期相同，分別取為10 a和20 a。計算結果如圖4所示。

圖4 GCL+AL襯墊和CCL底部污染物通量對比Fig.4 Comparison of bottom flux between GCL+AL liners and CCL liner

圖4描述了AL厚度對GCL+AL襯墊防污性能的影響。同一降解半衰期下，隨著AL厚度的增大，同一時間的GCL+AL襯墊底部污染物通量逐漸減小。降解半衰期為10 a，GCL+0.6 mAL的底部污染物穩(wěn)定通量是GCL+0.8 mAL的1.85倍。降解半衰期為20 a，GCL+0.6 mAL的底部污染物穩(wěn)定通量是GCL+0.8 mAL的1.59倍。由此可見增加AL厚度對復合襯墊底部污染物通量減小效果明顯。

本節(jié)針對苯分析了考慮降解作用下GCL和CCL之間的等效厚度問題，即在GCL下方鋪設多厚的AL能達到與標準的75 cm CCL具有同樣底部污染物通量。從圖4可以看出降解半衰期分別為10 a和20 a時，GCL+1 mAL與75 cm CCL的底部污染物通量都大致相同。因此，在GCL下方鋪設1 mAL可以使GCL+AL襯墊達到與75 cm CCL相同的有機污染物防滲效果。

5 結 論

a.降解參數對有機污染物在GCL+AL襯墊中的遷移有較大影響。與不考慮AL中生物降解作用相比，考慮生物降解作用得到的GCL+AL墊底部污染物通量較小。

b.增強有機污染物在AL中的降解作用可以提高GCL+AL襯墊的防滲效果。

c.增加AL厚度對減小GCL+AL襯墊底部污染物通量效果明顯。在本文的計算條件下，為達到與標準CCL同樣的苯的防滲效果，需在GCL下方鋪設1 m以上AL。

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