吉棟梁,徐 亞,黃兆琴,杜布云,趙曼穎,3*,楊 楓

干旱區(qū)危廢填埋場(chǎng)與水源的緩沖距離及其調(diào)控

吉棟梁1,徐 亞2,黃兆琴1,杜布云1,趙曼穎2,3*,楊 楓2

(1.江蘇開(kāi)放大學(xué)環(huán)境生態(tài)學(xué)院,江蘇 南京 210036；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012；3.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118)

針對(duì)干旱區(qū)氣象和水文地質(zhì)條件下,危廢填埋場(chǎng)緩沖距離不明的問(wèn)題,建立了滲濾液中污染物滲漏及其遷移轉(zhuǎn)化的多過(guò)程模型,模擬污染物的稀釋衰減過(guò)程,結(jié)合安全用水限值的確定,構(gòu)建了緩沖距離計(jì)算框架,并選擇典型場(chǎng)地開(kāi)展案例研究.結(jié)果表明:不同類型的污染物需要的稀釋與衰減倍數(shù)(RDAF)不同,有機(jī)物2,4-滴(2,4-D)的初始濃度大,毒性強(qiáng),需稀釋衰減667倍,是重金屬As與Cd稀釋衰減系數(shù)的6倍,不同污染物的稀釋衰減倍數(shù)(DAF)與緩沖距離的敏感程度有關(guān),有機(jī)物的DAF對(duì)緩沖距離更敏感.盡管2,4-D的DAF最大,但緩沖距離遠(yuǎn)小于重金屬As與Pb的972m和942m.綜合考慮所有污染物緩沖需求,干旱區(qū)典型危廢填埋場(chǎng)的緩沖距離為972m,與常規(guī)認(rèn)知相反,緩沖距離需求大于濕潤(rùn)地區(qū)而僅略小于海濱地區(qū).進(jìn)一步考慮了參數(shù)不確定性分析下95%置信區(qū)間的安全用水要求,緩沖距離需達(dá)到3465m.為滿足敏感水源與填埋場(chǎng)緩沖距離的實(shí)際需求,對(duì)填埋廢物采取預(yù)處理的方法優(yōu)化緩沖距離.以As為例,通過(guò)預(yù)處理將其初始濃度從1.2mg/L降至1.02mg/L,緩沖距離可降至200m,說(shuō)明干旱區(qū)緩沖距離需求對(duì)初始濃度更為敏感.

稀釋衰減；緩沖距離；重金屬；安全用水

地下水污染是世界性環(huán)境問(wèn)題[1-4],填埋場(chǎng)數(shù)量多分布廣,產(chǎn)生的滲濾液是潛在的最大人為地下水污染源之一[5].滲濾液水質(zhì)復(fù)雜,含有多種有機(jī)物、類重金屬及難降解的無(wú)機(jī)化合物等有毒有害物質(zhì)[6-8],一旦地下水被滲濾液污染,可能會(huì)嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境安全和人體健康.例如:被砷、鉻污染的地下水可能引發(fā)抑郁癥、帕金森等疾病[9-10];鉛和鉻等重金屬和PFAS等持久性有機(jī)物還可能造成致癌致畸等危害[11].因此,防治填埋場(chǎng)造成的地下水污染對(duì)保障用水安全具有重大意義,相關(guān)研究被廣泛開(kāi)展.

填埋場(chǎng)與敏感性水源間緩沖距離的設(shè)立和維持是確保飲用水質(zhì)滿足安全用水標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵.美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(USEPA)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,美國(guó)55000個(gè)填埋場(chǎng)中約有75%的周邊淺層含水層受到不同程度的污染[12],因此,對(duì)填埋場(chǎng)設(shè)置合理的緩沖距離迫在眉睫.許多國(guó)家以法律或標(biāo)準(zhǔn)的形式明確了潛在水污染源的緩沖距離,目前加拿大亞伯達(dá)省(AESRD)要求的緩沖距離為400m[13],我國(guó)《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598-2001)規(guī)定緩沖距離為800m[14].

然而,緩沖距離受源強(qiáng)(填埋場(chǎng)滲濾液產(chǎn)生量、危害成分及工程防滲措施)、包氣帶截污性能以及含水層自凈性能等多方面因素影響[15-16],統(tǒng)一劃定填埋場(chǎng)的防護(hù)距離難以起到安全防護(hù)的目的.為此,近年來(lái)相關(guān)管理部門和學(xué)者提出依據(jù)場(chǎng)地實(shí)際條件評(píng)估緩沖距離需求.如我國(guó)新修訂發(fā)布的《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598-2019)[17]明確提出填埋場(chǎng)與周邊人群和敏感水源等距離應(yīng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境的影響,通過(guò)科學(xué)評(píng)價(jià)確定.一些學(xué)者首次提出了緩沖距離的計(jì)算框架和配套模型,在中國(guó)東南部某危廢填埋場(chǎng)進(jìn)行了案例研究[18];基于該框架,海濱某危廢填埋場(chǎng)的防護(hù)距離需求也被詳細(xì)模擬[19].

已有研究主要針對(duì)濕潤(rùn)、沿海等區(qū)域開(kāi)展敏感性水源緩沖距離的建設(shè),對(duì)干旱或半干旱地區(qū)研究較少.由于干旱區(qū)域的地下水儲(chǔ)量逐年減少,水資源更為寶貴,合理建設(shè)敏感水源的緩沖距離保護(hù)地下水資源顯得尤為重要.另外,干旱區(qū)域降雨量較少,滲濾液產(chǎn)生和滲漏強(qiáng)度小,但由于含水層厚度較薄,自凈能力弱,對(duì)滲濾液中有毒有害組分進(jìn)行稀釋和衰減的效果被削減[20].在兩者交叉影響下,干旱區(qū)填埋場(chǎng)的緩沖距離需求可能較濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)地區(qū)獨(dú)具特點(diǎn).本文旨在探究干旱區(qū)氣象和水文地質(zhì)條件下,填埋場(chǎng)與地下水下游方向的敏感水源之間緩沖距離的需求.另外,考慮到填埋場(chǎng)緩沖距離過(guò)大帶來(lái)的選址難、搬遷成本高等問(wèn)題,提出緩沖距離優(yōu)化調(diào)控策略和方法,以期為確定填埋場(chǎng)與飲用水井之間的緩沖距離設(shè)定提供理論和方法支持.

1 模型與方法

緩沖距離是指敏感水源與填埋場(chǎng)之間保障滲濾液滲漏條件下用水安全的最低距離.因此,合理確定緩沖距離的關(guān)鍵:一是根據(jù)滲濾液中潛在危害組分及其危害效應(yīng),基于風(fēng)險(xiǎn)學(xué)理論確定敏感水源中不同污染物的安全用水限值;二是預(yù)測(cè)滲濾液滲漏條件下的滲漏量與污染物的濃度,以及污染物在填埋場(chǎng)地下水下游方向不同距離處的降解特性.具體方法如下.

1.1 安全用水的水質(zhì)限值

許多國(guó)家和組織均制定了飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)污染物提出了不同的濃度控制要求.例如,USEPA為15種無(wú)機(jī)物、54種有機(jī)物、3種放射性核素及6種微生物制訂國(guó)家一級(jí)飲用水標(biāo)準(zhǔn),保護(hù)飲用水水質(zhì)安全[21];歐盟為2個(gè)微生物學(xué)指標(biāo)、26個(gè)化學(xué)指標(biāo)及20個(gè)指示指標(biāo)制定了水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[22];日本為50個(gè)水質(zhì)基準(zhǔn)項(xiàng)目制定標(biāo)準(zhǔn),包括重金屬、無(wú)機(jī)物、有機(jī)物等[23];我國(guó)對(duì)106種常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定[24].

但是,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,填埋場(chǎng)滲濾液中污染物的種類逐漸增多,數(shù)量日趨增長(zhǎng),可能存在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不能覆蓋所有污染物的可能,因此世界衛(wèi)生組織推薦的基于風(fēng)險(xiǎn)確定用水中污染物的限值方法得到推廣.該方法具有通用性,將接觸人群的習(xí)慣、身體特征以及目標(biāo)污染物的毒性結(jié)合,可以用于確定新污染物或其他水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中未覆蓋有毒有害污染物的安全用水指標(biāo)限值.

綜上,當(dāng)滲濾液中的有毒有害污染物屬于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)[25]中規(guī)定的控制指標(biāo)時(shí),采用該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值;當(dāng)其不屬于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的控制指標(biāo)時(shí),采用世衛(wèi)組織推薦的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法確定其安全用水限值,該方法的詳細(xì)描述如下.

由于部分污染物僅具有致癌或非致癌危害,部分同時(shí)具有兩種危害,因此,飲用受滲濾液污染的地下水可能會(huì)造成兩種危害的一種,其中由非致癌效應(yīng)導(dǎo)致的非致癌風(fēng)險(xiǎn)(HQcgw)計(jì)算方法如式(1)[26]所示:

式中:gw為地下水中的污染物濃度,mg/L;RfD0為經(jīng)口攝入?yún)⒖紕┝?mg/(kg·d);WAF為暴露于地下水的參考劑量分配比例;CGWERnc為飲用受影響地下水時(shí)對(duì)應(yīng)的地下水暴露量(非致癌效應(yīng)),L/(kg·d),其計(jì)算方法如式(2)所示:

式中: GWCRa為成人每日飲水量,L/d;EFa為成人暴露頻率,d/a;EDa為成人暴露期,a;BWa為成人體質(zhì)量,kg;ATnc為非致癌效應(yīng)平均時(shí)間,d.

由致癌危害導(dǎo)致的致癌風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法如式(3)[26]所示:

式中: CR為飲用地下水途徑的致癌風(fēng)險(xiǎn);SF為目標(biāo)污染物的癌癥斜率因子,mg/(kg·d);CGWERca為飲用受影響地下水對(duì)應(yīng)的地下水的暴露量(致癌效應(yīng)), L/(kg·d).

當(dāng)HQcgw<1或CR<10-16時(shí),為健康風(fēng)險(xiǎn)可接受狀態(tài).因此,令HQcgw=1或CR=10-16并代入公式(1)(2)或(2)(3),可得敏感水體中污染物的限值濃度(L).

1.2 危廢填埋場(chǎng)滲濾液濃度及滲漏量

1.2.1 滲濾液滲漏量預(yù)測(cè)模型 防滲層破損條件下滲濾液的滲漏速率受HDPE膜上漏洞密度及滲透系數(shù)、滲濾液水位高度、防滲結(jié)構(gòu)等影響.國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同防滲層結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了多種預(yù)測(cè)滲濾液滲漏的模型.我國(guó)危廢填埋場(chǎng)的防滲結(jié)構(gòu)多為雙人工襯層,由兩層土工膜及壓實(shí)的粘土襯墊(GCL)組成.對(duì)于該防滲結(jié)構(gòu)的滲漏速率可根據(jù)Giroud等[27]開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行預(yù)測(cè)(式4):

式中:為滲漏速率,m3/s;為HDPE膜中的缺陷面積,m2;K為壓實(shí)的黏土襯墊(GCL)的導(dǎo)水系數(shù),m/s;L為GCL的厚度,m;h為HDPE膜上的滲濾液深度,m;為HDPE膜中的漏洞密度,(hm-2);為填埋場(chǎng)庫(kù)底面積,ha;c是表征HDPE膜和GCL之間接觸情況的系數(shù),接觸良好和接觸較差時(shí)其值分別為0.21和1.15.上述各參數(shù)中,h和對(duì)滲漏速率影響最大.

在降雨、場(chǎng)地結(jié)構(gòu)及填埋廢物性質(zhì)等方面的影響下,HDPE膜上的滲濾液水位高度(h)不是固定值,難以進(jìn)行評(píng)估.但是,為保障填埋場(chǎng)防滲結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置與正常運(yùn)行,要求控制填埋場(chǎng)管理期(包括運(yùn)行期和封場(chǎng)維護(hù)期)內(nèi)的水位高度.我國(guó)生態(tài)環(huán)境部頒布的《危廢填埋場(chǎng)污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598- 2019)[17]中要求滲濾液水位深度小于30cm,因此該值被視為不利條件下的水位深度,并用公式計(jì)算滲漏速率.

1.2.2 滲濾液濃度預(yù)測(cè)模型 由于滲濾液的濃度與組分會(huì)隨著填埋場(chǎng)生命周期的變化而改變,主要是在降雨的不斷沖刷下致使廢物中污染物組分流失,這一過(guò)程用衰減預(yù)測(cè)模型表示.假設(shè)任意時(shí)刻的污染物濃度都與其初始濃度有關(guān),由式(5)和(6)計(jì)算:

式中:C為時(shí)滲濾液中污染物的濃度,mg/L;0為該污染物的初始濃度,mg/L;為時(shí)間,a;為地表水入滲率,mm/a;d為廢物層厚度,m;fc為該類型廢物中占總庫(kù)容的比例.

1.3 地下介質(zhì)中稀釋和衰減的過(guò)程模擬

污染物在非飽和-飽和地下水中的運(yùn)移與地下介質(zhì)的衰減效應(yīng)(降解、彌散與遲滯)和地下水流的稀釋效應(yīng)(對(duì)流)有關(guān)[28].當(dāng)污染物在均質(zhì)及各向同性的非飽和-飽和地下水系統(tǒng)中運(yùn)移時(shí),傳輸過(guò)程及稀釋衰減效應(yīng)可以用一維平流-彌散方程(7)和(8)進(jìn)行建模計(jì)算[29-30]:

式中:為沿地下水流動(dòng)方向的距離,m;為距離和時(shí)間處的濃度,mg/L;為地下水流速,m/s;為有效孔隙度;為阻滯因子;為一級(jí)衰減率,s?1;L為水動(dòng)力縱向彌散系數(shù),m2/s;為介質(zhì)彌散系數(shù),m;m為分子擴(kuò)散系數(shù),m2/s.

在不同邊界條件處對(duì)流-彌散方程可得到不同解,通過(guò)使用拉普拉斯變換方法得到具有指數(shù)衰減性下的邊界條件方程,其解析解如下所示:

式中: (9)和(10)適用于污染物在包氣帶-含水層系統(tǒng)中的運(yùn)移,當(dāng)用于含水層流動(dòng)模擬時(shí),將包氣帶模型的輸出值作為含水層模型的輸入值.

1.4 緩沖距離預(yù)測(cè)模型

利用上述方程與模型,計(jì)算危廢填埋場(chǎng)滲濾液中污染物緩沖距離的詳細(xì)流程見(jiàn)圖1.首先,結(jié)合劑量-響應(yīng)方程與可接受的風(fēng)險(xiǎn)水平模型,得到指定污染物的用水限值濃度;其次,通過(guò)式(4)(6)計(jì)算包氣帶模型的滲漏速率()和初始濃度(0);最后,將滲漏速率()和初始濃度(0)作為源強(qiáng),基于對(duì)流-彌散方程及其解析解,得到地下水中污染物的濃度,將該濃度與限值濃度比較確定緩沖距離.

在滲濾液產(chǎn)生和滲漏的影響下,地下水中污染物的濃度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),在達(dá)到峰值后地下水中污染物濃度隨著滲濾液中污染物濃度的降低而降低.另外,因模型簡(jiǎn)化與模型參數(shù)本身的隨機(jī)性導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)不確定性,故采用蒙特卡羅框架評(píng)估由模型參數(shù)的不確定性引起的污染物對(duì)緩沖距離的影響.主要不確定性參數(shù)包括包氣帶厚度、含水層厚度、包氣帶滲透系數(shù)和含水層滲透系數(shù).如表3所示,根據(jù)參數(shù)的概率分布,從中隨機(jī)抽取變量輸入,并對(duì)每個(gè)模型迭代2200次來(lái)求解預(yù)測(cè)模型.

圖1 危廢填埋場(chǎng)緩沖距離的詳細(xì)程序

2 案例研究

2.1 填埋場(chǎng)概況

填埋場(chǎng)為我國(guó)西北部干旱區(qū)某危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)(圖2),占地面積約5.2×104m2,由A區(qū)1.2×104m2與B區(qū)4×104m2兩部分組成.場(chǎng)地地勢(shì)呈南高北低走向,位于小型封閉洼地中,地下水流向自南向北,與地形走向總體一致,并通過(guò)泉水方式排泄或地下徑流方式流動(dòng).填埋場(chǎng)周邊分布零星牧場(chǎng),地下水一旦受污染,可能通過(guò)飲用途徑暴露于人體或牛羊.因此,需要科學(xué)確定緩沖距離,防止地下水水源受到污染.

對(duì)填埋場(chǎng)進(jìn)行水文地質(zhì)勘察可知,場(chǎng)址高出兩側(cè)洪溝約5～10m,東側(cè)洪溝僅暴雨期間形成暫時(shí)性洪流,對(duì)填埋場(chǎng)幾乎無(wú)影響.受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響,地下水屬于弱富水-貧水區(qū),場(chǎng)區(qū)內(nèi)賦存有第四系松散鹽類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水,主要水文剖面圖和地下水流場(chǎng)圖見(jiàn)圖3.

圖2 干旱區(qū)某危廢填埋場(chǎng)場(chǎng)地概況

圖3 填埋場(chǎng)地下水文剖面圖和地下水流場(chǎng)圖

2.2 模型應(yīng)用和參數(shù)設(shè)置

表1 緩沖距離模擬的主要參數(shù)及取值

續(xù)表1

①利用美國(guó)EPA推薦的填埋場(chǎng)水文過(guò)程模型(HELP模型)計(jì)算,根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤炅堪凑者\(yùn)行期和封場(chǎng)期不同的覆蓋條件計(jì)算得到.②根據(jù)美國(guó)EPA推薦的ASTM D7007Standard Practices for Electrical Methods for Locating Leaks in Geomembranes C偶極子檢測(cè)方法.③根據(jù)填埋場(chǎng)自行監(jiān)測(cè)的滲濾液濃度的數(shù)據(jù).

通過(guò)對(duì)填埋場(chǎng)滲濾液樣本中的污染物進(jìn)行分析,共檢測(cè)出7種有毒有害物質(zhì),但對(duì)氨氮、酚類、COD 和硝酸鹽等污染物的致癌或非致癌效應(yīng)尚不明確,未列入U(xiǎn)SEPA的IRIS毒性物質(zhì)目錄,不予考慮.最終確定重金屬As、Cd、Pb及半揮發(fā)性有機(jī)化合物2,4-D為本文的目標(biāo)污染物,且4種污染物均在《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-2017)[25]中有明確的限值要求,因此采取第一種方法以Ⅲ類地下水限值作為滲濾液中污染物的限值濃度.其中As、Cd、Pb及2,4-D的限值濃度分別為0.01,0.005,0.01及0.03mg/L相關(guān)毒性參數(shù)參見(jiàn)表1.

3 結(jié)果與討論

3.1 污染物在不同距離下的稀釋和衰減倍數(shù)(DAF)

滲濾液中的污染物在地下水中不同緩沖距離處的稀釋和衰減倍數(shù)(DAF)見(jiàn)圖4,其中重金屬As、Cd和Pb的稀釋和衰減過(guò)程相似.當(dāng)緩沖距離為100,600,900和1000m時(shí),As和Cd的DAF分別為100.149和100.723、111.082和111.748、118.206和118.970及120.700和121.409,這兩種污染物的DAF差值小于0.76.相比之下,重金屬與有機(jī)物之間的稀釋和衰減倍數(shù)有明顯差異.當(dāng)緩沖距離為20,40,60和80m時(shí),As與2,4-D的DAF分別為98.50和3×1015、98.91和4×1016、99.32和5×1017及99.74和7×1018,這兩種污染物之間的DAF差值明顯,且隨著緩沖距離的增加而不斷顯著.

圖4 不同污染物在不同距離下的稀釋和衰減情況

結(jié)果表明,被滲濾液污染的地下水中污染物的DAF與距離成正比.然而,不同污染物的稀釋降解特性對(duì)緩沖距離的敏感程度并不一致,這一結(jié)果與海濱地區(qū)或沿海地區(qū)相同.重金屬污染物的稀釋和衰減倍數(shù)對(duì)緩沖距離不太敏感,有機(jī)污染物的稀釋和衰減倍數(shù)對(duì)緩沖距離更加敏感,其稀釋降解特性隨緩沖距離的增加而增加. 主要原因是重金屬在地下介質(zhì)中的衰減受地下水稀釋、吸附解吸等作用影響,生物化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的降解可以忽略;而2,4-D等有機(jī)物,則不僅受地下水稀釋影響,還會(huì)經(jīng)歷各種生物化學(xué)反應(yīng)被降解為有機(jī)和無(wú)機(jī)小分子,且相比于重金屬,土壤介質(zhì)對(duì)有機(jī)物的吸附能力更強(qiáng)[31].

3.2 不同污染物需要的緩沖距離

不同距離處As、Cd、Pb和2,4-D的模擬濃度(g)與限值濃度(L)的比值見(jiàn)圖5,當(dāng)比值不大于1時(shí),表示飲用水井中有毒有害組分的濃度已達(dá)風(fēng)險(xiǎn)可接受水平,此時(shí)該距離視為緩沖距離.從圖中可知,重金屬As與Cd的gL比值在200,600,900及1000m時(shí)分別為1.174和1.167、1.080和1.074、1.015和1.009及0.994和0.988,并在972與942m處降為1,表明As和Cd的緩沖距離分別為972與942m.Pb和2,4-D的gL比值在20,40,60及80m時(shí)均小于1,且均隨著距離的增加而不斷減小.為確保4種污染物均在風(fēng)險(xiǎn)可接受水平內(nèi),將緩沖距離定為972m.

與實(shí)際填埋場(chǎng)周圍的敏感水源相比(圖2),東北方向的村莊距離填埋場(chǎng)2.5km, 東南方向的生態(tài)園距離填埋場(chǎng)3.1km,西北方向的村莊距離填埋場(chǎng)2.8km.顯然,填埋場(chǎng)和飲用水井之間的距離均大于972m.模擬西北某干旱省份填埋場(chǎng)得到的緩沖距離,不僅大于加拿大艾伯塔省(AESRD)400m[13]緩沖距離的要求,也大于《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18598-2001)要求的800m[14]緩沖距離. 從實(shí)際情況來(lái)看(見(jiàn)表2),國(guó)內(nèi)典型危廢填埋場(chǎng)緩沖距離在1430～3200m之間,4個(gè)填埋場(chǎng)中3個(gè)在1400～1800m之間,另外一個(gè)超過(guò)3000m,均超過(guò)本文計(jì)算的緩沖距離要求.

表2 國(guó)內(nèi)典型危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)緩沖距離

*數(shù)據(jù)來(lái)源于相關(guān)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告文件.

然而,基于上述計(jì)算,確定緩沖距離為972m.這一距離大于Xu等[18]確定的西南部濕潤(rùn)區(qū)某危廢填埋場(chǎng)的緩沖距離380m,小于吉棟梁等[19]確定的東部沿海區(qū)某危廢填埋場(chǎng)的緩沖距離2070m.這一結(jié)果與預(yù)期相反,原因可能是研究區(qū)域?yàn)楦珊档貐^(qū),降雨量較濕潤(rùn)及沿海地區(qū)相對(duì)較少,是西南部濕潤(rùn)地區(qū)的1/3,東部沿海地區(qū)的1/12.但含水層厚度較薄,分別是上述兩地區(qū)的0.1倍和0.25倍,因而稀釋凈化能力更弱.另外,由于含水層滲透系數(shù)更大,分別是上述兩地區(qū)的4倍和2倍,污染物對(duì)流擴(kuò)散更快[32],影響距離更遠(yuǎn).

圖5 不同距離處As、Cd、Pb和2,4-D的模擬濃度(Cg)與限值濃度(CL)比值

3.3 不同污染物需要的稀釋和衰減倍數(shù)(RDAF)

不同污染物的緩沖距離不僅與被滲濾液污染的地下水對(duì)污染物的DAF有關(guān),還與滲濾液中污染物的初始濃度(0)與限值濃度(L)的比值有關(guān),將該比值定義為不同污染物需要的稀釋和衰減倍數(shù)(RDAF).由式(11)可知,污染物初始濃度越高,RDAF越大,因此根據(jù)污染物自身的降解特性,所需的緩沖距離有所差異.

案例填埋場(chǎng)滲濾液中As、Cd、Pb及2,4-D的初始濃度分別為1.2,0.6,0.05及20mg/L,對(duì)應(yīng)的安全飲用水限值濃度分別為0.01,0.005,0.01和0.03mg/L.因此,對(duì)于污染物As、Cd、Pb及2,4-D在地下水中需要的稀釋和衰減倍數(shù)分別為120,120,5及667.其中As的RDAF為120需要972m的緩沖距離;由于Cd自身的降解特性與As相同,因此需要的緩沖距離與As相似為942m.

2,4-D的RDAF為667是As的6倍,但2,4-D需要的緩沖距離遠(yuǎn)小于As和Cd.原因是揮發(fā)性有機(jī)化合物更易在地下介質(zhì)中被吸附降解為低毒成分,而重金屬在地下介質(zhì)中不易衰變.因此2,4-D的RDAF大于As,緩沖距離反而遠(yuǎn)小于As.

3.4 降低緩沖距離的附加措施

圖6 不同污染物在不同緩沖距離下需要控制的滲濾液初始濃度

不同污染物在不同緩沖距離處需要的滲濾液初始濃度見(jiàn)圖6,由于模型預(yù)測(cè)得到污染物的緩沖距離可能既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)際,因此需要采取其他措施達(dá)到降低緩沖距離的目的.其中一種有效方法是在填埋前對(duì)廢物進(jìn)行預(yù)處理,通過(guò)削弱滲濾液的浸出行為,來(lái)降低滲濾液中污染物的初始濃度,從而滿足降低緩沖距離的要求.因此,針對(duì)As與Cd兩種污染物模擬了當(dāng)敏感水源與填埋場(chǎng)之間的實(shí)際距離小于預(yù)測(cè)得到的緩沖距離時(shí)需要控制的滲濾液的初始濃度.結(jié)果表明,為保障污染物達(dá)到安全飲用水標(biāo)準(zhǔn),需要污染物As在實(shí)際距離為200,400,600,800及950m時(shí),通過(guò)廢物預(yù)處理將初始濃度依次降低0.18,0.14,0.09,0.05及0.01mg/L,分別達(dá)到1.02,1.06, 1.11,1.15及1.19mg/L.污染物Cd在實(shí)際距離為100,200,400,600及800m時(shí),初始濃度需額外降低0.1,0.08,0.06,0.04及0.02mg/L,分別達(dá)到0.5,0.52, 0.54,0.56及0.58mg/L.

3.5 不確定性分析

表3中參數(shù)值的概率分布依據(jù)場(chǎng)地實(shí)測(cè)值確定,根據(jù)參數(shù)的不確定性,計(jì)算得到了5%、10%、50%、90%及95%置信區(qū)間下不同緩沖距離處污染物的降解特性(圖7),并將95%置信區(qū)間定義為不利條件下需要的緩沖距離.從圖7中可知,在不利條件下,As的緩沖距離從972m增至3465m;Cd的緩沖距離從942m增至3417m.為保證污染物在不利條件下的比值均在風(fēng)險(xiǎn)可接受水平內(nèi),將緩沖距離定為3465m.

表3 模型的參數(shù)不確定性參數(shù)及數(shù)值

圖7 污染物在參數(shù)不確定性下的緩沖距離

4 結(jié)論

4.1 滲濾液中不同污染物需要的稀釋與衰減倍數(shù)(RDAF)不同,初始濃度大且毒性強(qiáng)的污染物需要的稀釋衰減倍數(shù)更大.在案例中有機(jī)物2,4-D比重金屬As與Cd的稀釋衰減倍數(shù)均高出6倍.

4.2 不同污染物的稀釋衰減倍數(shù)(DAF)對(duì)緩沖距離的敏感程度不一致,有機(jī)污染物的稀釋和衰減倍數(shù)對(duì)緩沖距離更加敏感.如盡管2,4-D的DAF最大,但緩沖距離遠(yuǎn)小于重金屬As和Pb的緩沖距離972m和942m.

4.3 綜合考慮各種污染物,干旱區(qū)典型危廢填埋場(chǎng)的緩沖距離應(yīng)達(dá)到972m.與常規(guī)認(rèn)知相反,緩沖距離大于濕潤(rùn)地區(qū)而小于海濱地區(qū)危廢填埋場(chǎng).另外,為保證95%置信區(qū)間的安全用水要求,其緩沖距離需達(dá)到3465m.

4.4 當(dāng)預(yù)測(cè)的緩沖距離大于已建填埋場(chǎng)與敏感水源的實(shí)際距離時(shí)(或大于擬建填埋場(chǎng)的可用距離時(shí)),可采取對(duì)填埋廢物進(jìn)行預(yù)處理,減少滲濾液中污染物的初始濃度,達(dá)到減少緩沖距離的目的.以As為例,通過(guò)預(yù)處理將其初始濃度從1.2mg/L降至1.02mg/L,緩沖距離可降至200m,相比濕潤(rùn)區(qū),干旱區(qū)緩沖距離對(duì)初始濃度更為敏感.

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Buffering distance between drought hazardous waste landfill and water source and its regulation strategy.

JI Dong-liang1, XU Ya2, HUANG Zhao-qin1, DU Bu-yun1, ZHAO Man-ying2,3*, YANG Feng2

(1.College of Environment and Ecologic, Jiangsu Open University, Nanjing 210036, China；2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.School of Municipal and Environmental Engineering, Jilin Jianzhu University, Jilin 130118, China)., 2023,43(2)：712～721

Aiming at the problem that the buffer distance of hazardous waste landfills was unknown under meteorological and hydrogeological conditions in arid areas, this paper establishes a multi-process model of pollutant leakage and migration transformation in leachate, simulates the dilution and attenuation process of pollutants, and constructs a framework for calculating buffer distances in combination with the determination of safe water use limits, and a typical site was selected for a case study. The results show that different types of pollutants require different dilution and attenuation factors (RDAF). The initial concentration of 2,4-drops (2,4-D) of organic matter was large and toxic, so it needs to be diluted and attenuated 667 times, which was 6 times the dilution and attenuation coefficient of heavy metals As and Cd. The dilution and attenuation factor (DAF) of different pollutants was related to the sensitivity of the buffer distance, and the DAF of organic matter was more sensitive to the buffer distance. Although the DAF of 2,4-D was the largest, the buffer distance was far less than 972m and 942m of heavy metals As and Pb. Considering the buffer demand of all pollutants, the buffer distance of typical hazardous waste landfills in arid areas was 972m. Contrary to conventional perception, the buffer distance demand was greater than that in humid areas and only slightly less than that in coastal areas. Further considering the requirement of safe water use with a 95% confidence interval under parameter uncertainty analysis, the buffer distance should reach 3465m. To meet the actual demand for buffer distance between the sensitive water source and the landfill site, the pretreatment method was adopted to optimize the buffer distance of landfill waste. Taking As as an example, the initial concentration of As was reduced from 1.2mg/L to 1.02mg/L through pretreatment, and the buffer distance could be reduced to 200m, indicating that the demand for buffer distance in arid areas was more sensitive to the initial concentration.

dilution attenuation；buffer distance；heavy metal；safe water quality

X523

A

1000-6923(2023)02-0712-10

吉棟梁(1984-),男,江蘇鹽城人,高級(jí)工程師,博士,主要從事固體廢物管理與資源化利用研究.發(fā)表論文30余篇.

2022-06-30

江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(BY2021529);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020YFC1806304,2018YFC1800902);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51708529)

* 責(zé)任作者,工程師, zmy516914@163.com