基于數(shù)值模擬的某臨河工業(yè)固體廢物渣場地下水污染控制研究

肖再亮,王 飛,灑永芳,宋 凱,劉 建

(1.四川省環(huán)境工程評估中心，四川 成都 610031；2.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031)

1 研究背景

隨著工業(yè)快速發(fā)展，我國工業(yè)固廢產(chǎn)生量持續(xù)增長，至2016年我國214個大、中型城市一般工業(yè)固廢產(chǎn)量達17.9×108t，綜合利用率48%，處置率21%，貯存率31%[1]。工業(yè)固廢貯存過程中，因監(jiān)督、管理不善，尚存在大量違規(guī)簡易堆放現(xiàn)象，如甘肅蘭州某電解鋁廢渣違規(guī)堆放[2]，安徽貴池某工業(yè)園區(qū)堿渣沿長江簡易堆存[3]，四川德陽17座磷石膏渣場簡易堆放[4]等。簡易工業(yè)固廢堆場運行過程中，污染物通過降雨淋濾進入地下污染含水層[5-6]。

根據(jù)《固體廢物污染環(huán)境防治法》《土壤環(huán)境保護和污染治理行動計劃》等法律法規(guī)和近年來環(huán)保督察的要求，簡易堆場須進行治理，并以徹底清除污染源和重新規(guī)范渣場建設為優(yōu)先方案。但針對無條件徹底清除污染源或重新規(guī)范建設的簡易堆場，一些地方也采用就地封場并配套水動力阻隔、防滲帷幕、抽出-處理等措施予以緩解和控制污染[7-14]。

本文以某臨河工業(yè)固體廢物渣場為研究對象，通過模擬就地封場和就地封場基礎上聯(lián)用水動力阻隔、防滲帷幕、抽出-處理等多種方案的治理效果，為渣場污染控制提供依據(jù)。

2 渣場概況

某渣場位于A河左岸，面積約3.0×104m2，堆渣總量約25×104m3，已運行10余年。渣場南側(cè)、西側(cè)外圍設置有擋墻，無規(guī)范防滲、滲濾液收集處理和雨污分流措施。與《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類標準相比，渣場區(qū)地下水中SO42-超標范圍約0.1 km2。

3 地下水污染控制方案

徹底清除污染源或按相關標準、規(guī)范要求重新規(guī)范渣場是有條件時應優(yōu)先考慮的方案。在確無上述條件時，有些地方也采用就地封場并配套相應物理阻隔和地下水抽出處理措施，以最大程度控制和緩解渣場對周邊地下水環(huán)境的影響。

本文僅就就地封場、就地封場聯(lián)合水動力阻隔、就地封場聯(lián)合防滲帷幕及抽出-處理3種方案進行比較，采用Modflow模擬各方案的控制效果。3種方案的具體措施如下：

(1)就地封場：主要內(nèi)容包括建設雨污分流和滲濾液收集處理系統(tǒng)、采用HDPE等材料進行封場覆蓋。

(2)就地封場聯(lián)合水動力阻隔：在就地封場的基礎上在南側(cè)攔渣壩下游設置抽水井抽取受污染地下水至地表處理。假設抽水井數(shù)量相同，設計單井抽水量為30、50、70、90、110、130、150、170及190 m3/d依次變化。

(3)就地封場聯(lián)合防滲帷幕與抽出-處理：封場基礎上，將防滲帷幕布設位置于污染羽上游、污染羽側(cè)向及污染羽下游。抽水井布設于下游帷幕內(nèi)側(cè)，以避免帷幕內(nèi)地下水位雍高。共設計8種方案，見表1。

圖1 渣場區(qū)地下水中SO42-污染范圍(單位：mg/L)

表1 防滲帷幕與抽出-處理聯(lián)用方案設計

4 地下水污染控制效果模擬

4.1 模型基本設置

4.1.1 數(shù)學模型 將模擬區(qū)地下水流概化為均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[16]，建立地下水流動的污染物遷移數(shù)學模型[17]，并分別選用MODFLOW和MT3D進行數(shù)值模擬。

4.1.2 模型離散及邊界條件設置 模型范圍設置：東-西方向作為模型x軸方向，長3 000 m，每40 m劃分一個網(wǎng)格；南-北方向作為模型y軸方向，長2 400 m，每40 m劃分一個網(wǎng)格；垂直于xy平面向上為模型z軸方向，模擬范圍552～660 m，垂向上概化為2層。模型邊界條件設置：排泄面A河設置為河流邊界；東側(cè)碎屑巖山區(qū)地表分水嶺設置為零流量邊界；模型北側(cè)設置為補給邊界。

4.1.3 參數(shù)設置及模型校正 根據(jù)場區(qū)水文地質(zhì)勘查報告、區(qū)域水文地質(zhì)資料、有關規(guī)范和模型校正確定模型區(qū)降雨補給量、含水層滲透系數(shù)、給水度、彌散度等參數(shù)，見表2。以場區(qū)鉆孔實測水位作為校驗獲得模型區(qū)初始流場，見圖2。

表2 模型參數(shù)取值

圖2 模型區(qū)邊界條件及初始流場

4.1.4 污染現(xiàn)狀擬合及污染源項分析

(1)污染現(xiàn)狀擬合。渣場非覆蓋狀態(tài)下入滲系數(shù)取0.3[18]，計算得降雨補給量約450 mm。以非穩(wěn)定流方式運行模型，采用實測數(shù)據(jù)進行校正，獲得模型區(qū)SO42-濃度分布，如圖1所示。

(2)污染源項分析。根據(jù)數(shù)值模型校正結(jié)果，渣場SO42-平均下滲濃度約110.5 g/L，下滲量約450 mm/a。據(jù)有關測算，廢渣中可溶SO42-還余約0.5×104t。封場后，入滲量設置為非覆蓋狀態(tài)的10%，SO42-下滲濃度仍假設為110.5 g/L，根據(jù)估算，封場30 a后，堆渣剩余SO42-完全進入地下水，即封場30 a后渣場SO42-下滲濃度衰減為0。

4.2 模擬結(jié)果

4.2.1 就地封場 封場后地下水中SO42-濃度貢獻值變化見圖3。由圖3可知，渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩及南側(cè)下游A河周邊在封場后0～30 a，SO42-貢獻值分別由46 277、40 974和19 529 mg/L降低至5 229.4、5 144.5、777.5 mg/L；30 a后，SO42-繼續(xù)降低，至42 a，渣場及其下游地下水恢復至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標準。封場雖降低了污染源強，改善了地下水環(huán)境質(zhì)量，但封場后污染物主要以對流擴散形式進入含水層和A河，事實上污染物并未得到清除。

圖3 封場后渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩及河邊SO42-貢獻值隨時間變化情況

4.2.2 就地封場聯(lián)合水動力阻隔

(1)方案篩選。封場基礎上，于渣場南側(cè)攔渣壩下游設置1口抽水井，以抽水量30、50 、70 、90 、110 、130 、150、170及190 m3/d為條件運行模型。利用Modflow粒子跟蹤功能，在渣場北東側(cè)上游、垂直地下水主流方向設置1排示蹤粒子，單井捕獲帶見圖4(a)。調(diào)整抽水井數(shù)量、位置至抽水井數(shù)量最少且捕獲帶形成的包絡線能覆蓋渣場，見圖4(b)。布井方案及捕獲范圍統(tǒng)計見表3。

圖4 捕獲帶及抽水井數(shù)量確定過程示意

表3 布井方案及捕獲帶統(tǒng)計

由表3知，在就地封場聯(lián)合水動力阻隔方案中，設置抽水量170 m3/d的抽水井1口，為最優(yōu)。

(2)優(yōu)選方案的污染控制效果。優(yōu)選方案下地下水中SO42-濃度貢獻值變化見圖5。由圖5可知，0～30 a渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩SO42-貢獻值分別由46 277、40 974 mg/L降低至4 612、3 759 mg/L；封場后38 a，渣場區(qū)、南側(cè)攔渣壩SO42-貢獻值恢復至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標準限值。A河周邊在采取水動力阻隔措施后5a，SO42-貢獻值恢復至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標準限值。水動力阻隔技術強化了地下水的水力交替，對渣場及下游地下水質(zhì)量的恢復具有明顯效果。

4.2.3 就地封場聯(lián)合防滲帷幕與抽出處理

(1)方案篩選。在封場基礎上，按Wall-1#～Wall-8#方案運行模型，確保場區(qū)內(nèi)地下水位不壅高的抽水量見表4。

圖5 最優(yōu)抽水井設置方案下渣場區(qū)地下水中SO42-貢獻值隨時間變化情況

表4 各帷幕設置方式下防滲渣體內(nèi)水位不壅高的抽水量模擬結(jié)果

注：示意圖中方塊表示渣體，段線表示帷幕。

由表4可知，Wall-1#方案抽水量與Wall-2#～Wall-7#方案相差不大，但帷幕長度最少；Wall-8#方案帷幕長度雖最長，但其抽水量僅為Wall-1#～Wall-7#方案抽水量的1/20～1/16。因此，選擇Wall-1#和Wall-8#方案作比較。

(2)優(yōu)選方案的污染控制效果。Wall-1#、Wall-8#方案地下水中SO42-貢獻值變化情況見圖6。

圖6 渣場區(qū)地下水水質(zhì)恢復情況對比

由圖6可知，Wall-1#方案實施后0～30a，渣場、南側(cè)攔渣壩周邊SO42-貢獻值分別由46 277、40 974降低至4 201、4 947 mg/L；至封場后47 a，渣場區(qū)、攔渣壩SO42-恢復至地下水環(huán)境質(zhì)量III類標準限值。Wall-8#方案實施后，帷幕完全截斷渣場區(qū)地下水側(cè)向補給，但由于渣場內(nèi)污染物的持續(xù)釋放，致使渣場區(qū)地下水中污染物濃度持續(xù)升高，至封場30 a時SO42-貢獻值由46 277上升至58 864 mg/L；南側(cè)攔渣壩因靠近抽水井，方案實施開始受抽水井影響SO42-貢獻值降低，后仍表現(xiàn)為逐步上升的趨勢，至封場后30 a，南側(cè)攔渣壩SO42-貢獻值仍達35 452 mg/L。帷幕外側(cè)，因防滲帷幕截斷污染源，帷幕外側(cè)地下水逐步恢復。

4.3 綜合對比分析

綜合前述模擬結(jié)果：(1)封場處理雖能減少污染源強，但仍將持續(xù)向含水層和A河釋放SO42-，因此地下水的恢復時限較長，且這種方式不能從根本上消除污染物；(2)在封場基礎上，設計水動力阻隔方案，以在渣場南側(cè)設置1口抽水量170 m3/d的抽水井為佳，但存在運行費用較高等缺點；(3)封場基礎上，配套設置帷幕和抽出處理在污染控制、工程量和運行管理方面具有一定優(yōu)勢，該方案中以在渣場南側(cè)設置帷幕并配套100 m3/d的抽水井1口為佳。需要說明是，上述3種方案并不能在短時間內(nèi)恢復地下水環(huán)境質(zhì)量且或多或少存在運行管理困難、污染物持續(xù)下滲等問題，有條件時建議徹底清除污染源或按相關標準、規(guī)范要求重新規(guī)范渣場建設。

5 結(jié) 論

(1)單純的封場方案可以在一定時間內(nèi)恢復地下水環(huán)境質(zhì)量，但主要依靠地下水的對流、擴散作用，并不能從根本上消除污染物。

(2)封場聯(lián)合水動力阻隔亦可控制污染物的擴散，但運行費用相對較高；封場聯(lián)合帷幕注漿和抽出-處理對于污染控制有一定優(yōu)勢，但運行管理方面仍有一定困難。

(3)為切實保護地下水環(huán)境，建議有條件時徹底清除污染源或按相關標準、規(guī)范要求重新規(guī)范渣場建設。