长春市某垃圾填埋场污染源带反应阻截方案设计研究

文_刘玫君 阮冬梅 潘明浩 张淑静 吉林大学新能源与环境学院

近年来，随着国民生活水平的不断提升，尤其是城市化的迅速发展，各种成分复杂的城市垃圾问题逐渐加剧。秉持着减量化、无害化和资源化的原则，市政部门通常采用卫生填埋的方式进行处理，但是垃圾填埋场在解决城市垃圾的同时，也会给周围环境和地下水带来不利的影响，这其中垃圾渗滤液产生的污染尤为显著。它是一种组分特别复杂的废水，包括压实、生物降解等技术处理垃圾后生成的废水以及渗入垃圾场内的雨水和地表水。渗滤水一般呈现酸性，有时具有极强的腐蚀性，加之其浓度较高、渗透速度较慢，渗漏持续时间长等特点，一旦其进入地表以下，就会严重污染地下水和周围的土壤。

国内外学者对于垃圾填埋场的地下水污染的修复已经有了较多的研究。要想对污染场地很好地进行修复，关键是找到合适的修复技术，而对于此类污染，从源头处理是较为有效的办法，即对污染源进行阻截，从而防止其在土壤介质和地下水环境中进一步的扩散。文中选定研究区是长春市某垃圾填埋场污染场地，运用GMS地下水流场模拟软件对水位及COD在地下环境中的扩散分布过程进行模拟，并针对污染源进行阻截技术的筛选，选用可渗透反应墙技术（PRB）对此垃圾渗滤液污染场地进行污染源阻截方案设计，对工程加以经济性方面的评价，并为垃圾填埋场污染治理工程提供理论依据。

1 污染场地概况

1.1 污染场地地质条件

长春市某垃圾填埋场污染场地位于长春某一河流阶地上，阶地二元结构明显，地层条件以第4系松散沉积物为主。污染场地东侧有一南北向河流，污染场地位于河流的西侧，目标场地长700m，宽400m，区域地貌总体呈现出西高东低。污染场地地下0.5m以上为耕植土壤，0.5～10m为砂层，10m以下为基岩。

1.2 污染场地水文地质条件

目标场地地下环境自然含水层的介质孔隙度为0.25；地下环境中的介质的密度为1.5g/cm3，地下自然含水层的水平渗透系数为1.2m/d；含水层的饱和厚度为8m；包气带厚度2.5m；地下水流速为0.3m/d。

根据该场地的背景条件可知，该垃圾填埋场所在区域的地形平缓，水文地质条件有利于接收大气降水入渗补给以及浅表地下水蒸发。除此之外，由于垃圾填埋场地处郊区，人工活动很少会对地下水流场产生影响。

1.3 污染场地地下水污染状况

通过实地调查，了解到该垃圾填埋场防渗层破损，导致渗滤液泄露，进而污染周边的地表及地下环境。该污染场地内的污染物以有机污染物（COD）为主。污染源为一个长1000m，宽500m，深度约为15m的垃圾填埋场。由于该垃圾填埋场污染场地地形平缓，降水入渗以及蒸发条件较好且人工活动少，地下环境很少被人为扰动，COD渗入地下环境中的面积较大，地下水中COD污染源长度为200m，宽度为80m，污染源处COD的最大浓度为1000mg/L，污染源前缘地下水中的COD的浓度为10mg/L。此外，污染物泄漏时，对周边的地下水位产生了一定的抬升作用。

2 PRB反应墙设计

PRB反应墙适用范围较广，它既可设于污染源处用于减少污染物的迁移， 也可设于污染源下游，用来保护下游水体。此技术对目标场地的影响最小，在阻截工程的运行过程中对地下环境和污染场地的日常工作都只有极小的影响。同时，从场地可应用性分析：该垃圾填埋场所选地区地势较为平缓，地质条件易于地表水入渗。并且这个目标场地所在地区是水文地质条件都满足PRB技术的应用条件。因此，本次设计采用地下可渗透反应墙修复技术。

2.1 PRB的位置

通常，PRB布设在污染源下游，垂直地下环境中水流的方向。由于开挖以及填埋墙体需要工作人员的接触和相应的时间，所以在设计时，要保证PRB放置位置与污染源有安全距离，从而保障工作人员的安全，并确保PRB最大程度地捕获到污染源。

2.2 PRB的填充材料以及填充方式

PRB合适的填充介质受多种条件的影响：①污染物的类别和浓度；②污染物同填充材料之间发生作用的机制；③受到污染的目标场地的背景条件，包括水文地质和生物化学条件；④填充介质的安全性和环保性；⑤材料的物理性能，包括在水中的稳定性以及在水里的传导能力等；⑥材料的成本。

通过分析国内外的相关研究，最终选择以铁粉和活性炭混合，作为PRB反应墙的填充材料，用120目的铁粉，并使活性炭、沸石和铁粉的比例为1：1：2。

2.3 反应墙类型

PRB的类型一般有连续墙型和漏斗通道型。连续墙型PRB只需在垂直地下水流向上设置反应墙，而漏斗通道型PRB墙除了在垂直地下水流向上设置反应墙之外，还要在墙的两侧设计防止地下水渗流的阻隔墙，阻隔墙一般为不透水屏障，如泥浆墙、帷幕灌浆或板桩。当污染区域面积较小、含水层埋深较浅时，应该首先选择连续墙型PRB，因为它的结构简单，而且对地下水流场的不利扰动很少；若目标场地面积较大，含水层较厚时，应该考虑漏斗通道型PRB墙。由于本次研究区污染源的面积适中，地下海水层埋深较浅，故采用结构较为简单的连续型PRB反应墙，并采用活性炭、 铁粉和沸石作为填充材料。

2.4 反应墙的长度、 高度、埋深及渗透系数

为了阻截更多污染源，防止地下水绕过PRB流动，设计的PRB长度通常会比污染源宽度长，一般为污染羽长度的1.2～1.5倍。在此次设计中，污染源是一个长为200m，宽为80m的区域。本设计中取的PRB长度为污染源宽度的1.3倍，即PRB长度为104m。结合实际情况可知，PRB反应墙的高度为12m，再加上后续要添加的U型墙单元，则PRB墙体的实际高度为12.5m。顶部在最高水位线以上1m。在该设计中，含水层的水平渗透系数为1.2m/d。因此PRB的渗透系数取水平渗透系数的2倍，即1.2×2=2.4m/d。

2.5 反应墙厚度

在考虑了填充材料的孔隙度后，最后计算通过PRB的实际地下水流速是0.15m/d，并得出目标污染物COD在反应墙中停滞4.00d。反应墙的厚度为地下水在反应墙的流速与污染物停留时间的乘积。计算得其厚度为0.6m。由于在实际的修复过程中，修复效果常常会受到各种条件的限制，为了保证修复效果，通常在计算反应墙厚度的时候要乘以一个安全系数。在本设计中，取安全系数为2，因此实际得到的反应墙厚度为1.2m。

3 结语

结合污染场地包括水文地质条件在内的所有背景资料，用GMS软件进行模拟分析，得出地下水等水位线图，经分析，该污染场地地势和岩性条件均适合PRB技术的使用。利用GMS软件的MODFLOW和MT3DMS组件模拟污染物浓度分布以及污染羽在地下环境中的移动情况，结果显示，历时200d之后COD将会移动到垃圾填埋场以外的区域。

对垃圾填埋场的环境水文状况以及污染情况有了进一步了解之后，选择PRB技术对该垃圾填埋场进行修复。在本设计中，反应墙总长，其中与COD反应的材料是活性炭、零价铁以及沸石和砂子的混合物，比例为1：2：1：4，PRB总厚1.2m，填料高度为12.5m。