垃圾渗滤液中污染物在包气带运移模拟实验及预测

1、垃圾渗滤液中污染物在包气带运移模拟实验及预测高太忠，黄群贤，李秀荣，白天雄，庞会从河北科技大学环境科学与工程学院/河北省污染防治生物技术重点实验室，河北 石家庄 050018摘要：为揭示垃圾渗滤液中污染物在包气带中的迁移转化规律，通过静态吸附、静态降解、动态土柱和数学模型预测等方法进行模拟实验。结果表明，包气带对污染物的吸附过程是线性的，即S=KdC，吸附系数Kd0.0976；降解曲线符合一级动力学方程，即C=C0e-t，降解系数=0.0324 d-1；弥散过程符合对流弥散迁移转化模型，弥散系数D0.00435 m2d-1，由此确定了污染物迁移数学模型。通过动态土柱实验验证了模型的可靠性，并利

2、用模型对垃圾渗滤液中有机污染物(COD)的时空分布进行预测。关键词：垃圾渗滤液；模拟实验；包气带；迁移转化；预测中图分类号：X131.3 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）05-0960-06垃圾填埋渗滤液是指垃圾在堆积和填埋过程中由于发酵和雨水的淋浴、冲刷以及地表水和地下水的浸泡而滤出的污水。渗滤液中各类污染物经过包气带时，与土壤介质发生各种物理化学及生物作用，即发生复杂的迁移转化。渗滤液对包气带的影响不仅仅存在于表层，而且贯穿于数十米深并地下水造成严重污染。因此研究地下水污染问题，不仅应当分别研究污染物在表土层、下包气带土层以及含水层各单元中的迁移、转化规律，而且还应

3、将上述单元作为地下水污染系统整体来考虑，研究污染物在整体系统的迁移转化，达到防止地下水污染的目的1,2。目前国内外研究环境污染物的转化和归宿问题，多采用实验室模拟，建立数学模型后，再通过大量现场实测数据进行验证或修正的方法3-4。随着我国经济发展和人民生活水平的提高，垃圾填埋场渗滤液已成为表层土壤、浅层地下水污染的重要因素之一。为揭示垃圾渗滤液中有机污染物在包气带中的迁移转化规律，本文以石家庄峡石沟垃圾填埋场为例，通过室内模拟实验研究垃圾渗滤液在包气带中迁移和作用机理；确定污染物在地下环境中迁移模型，拟合实验结果求出模型参数，并通过模型来预测污染物在包气带中的时空分布。为最终提出污染物迁移的控

4、制措施和方案提供理论依据。1 室内模拟实验实验采集的水样取自石家庄峡石沟垃圾填埋场，具有较强的刺激性气味，浑浊，呈黄褐色。试验用土样采集于石家庄市郊区，距地面12.5 m的包气带。样品采回后，在20 25 室温下，将其均匀铺于地面上自然风干，将其全部过20目筛。1.1 垃圾渗滤液中NH4-N的变化规律实验氨氮以游离氨或氨盐形式存在于水中，两者的组成比取决于水的pH值5。当pH值偏高时，游离氨的比例较高。反之，则氨盐的比例为高。在无氧环境中，水中存在的亚硝酸盐可受微生物作用，还原为氨。在有氧环境中，水中氨亦可转变为亚硝酸盐、甚或继续转变为硝酸盐。1.1.1 实验原理和条件氨气敏电极为复合电极，以

5、pH玻璃电极为指示电极，银氯化银电极为参比电极。(1)仪器和电极的准备：按使用说明书进行调试仪器。(2)标准曲线的绘制：吸取10.00 mL浓度为0.1、1.0、10、100、1000 mgL-1的铵标准溶液于25 mL小烧杯中，浸入电极后加入1.0 mL氢氧化钠溶液，在搅拌下，读取稳定的电位值(1 min内变化不超过1 mV时，即可读数)。在半对数坐标线上绘制E-lgc的标准曲线。(3)水样的测定：吸取10.00 mL水样，以下步骤与标准曲线绘制相同。由测得的电位值，在标准曲线上直接查得水样中的氨氮含量(mgL-1)。1.1.2 结果与分析实验曲线，如图1（下页）所示。1#瓶中氨氮含量变化曲

6、线：2#瓶中氨氮含量变化曲线：由图1可直观的看出NH4-N的变化。最初采集的垃圾渗滤液中NH4-N含量较高，基本上全部超标。而将其放在培养瓶中，使之在厌氧的条件下观察其含量的变化，结果发现在初始阶段NH4-N含量有明显的变化，由785.60 mgL-1降为323.3 mgL-1，此后一段时间，其含量没有明显波动。这是因为在起始状态，由于有氧的参与，NH4-N发生了硝化和反硝化，同时由于土壤的吸附，使得NH4-N含量有很大程度的变化；之后，由于处于厌氧的条件下，对于NH4-N来说，硝化和反硝化都无法进行，仅存在土壤的吸附，所以其含量变化不明显。图1 不同时间NH4-N含量Fig. 1 NH4-N

7、 contents at different time1.2 垃圾渗滤液中COD迁移转化规律实验图2 静态吸附曲线Fig. 2 Static adsorption diagram在本研究中模拟实际的土地处理系统下包气带土层，通过实验室条件下的静态弥散、静态吸附、静态降解确定COD在包气带的迁移转化模型6，对其迁移转化规律进行研究。1.2.1 静态吸附实验1 实验条件(1)水土比为13(质量比)，因为土样吸附量比较小，故选择比较大的土水比，土样质量10 g，水样是30 mL。(2)水样浓度21.8654 mgL-1。(3)摇床振荡频率30次min-1，振幅2 cm，振荡时间8 h。(4)土水分离

8、条件：置于锥形瓶混合振荡8 h后，取其上清液进行离心分离5 min。再对上清液进行抽滤(微孔滤膜孔径65 m)，滤液由于有一定浊度，故需将滤液取出10 mL进行蒸馏，取馏出液5 mL测定COD值。1.2.2 结果与分析实验曲线，如图2所示：由图1可以看出，分配系数Kd描述的吸附，其吸附等温线是线性的，即S=KdC （1），其中S是土中COD吸附浓度（mgd-1），C为水中COD值（mgd-1）。由计算机拟合曲线方程为：S=0.0976C，因此吸附分配系数Kd0.09761.3 静态降解实验 1.3.1 实验条件静态降解实验是在黑暗厌氧条件下，测定土样对COD的降解能力7。取两个5 L的培养瓶，

9、模拟包气带土层情况，进行静态降解实验。为消除土壤吸附和自身溶出COD的影响，两个培养瓶，1#瓶蒸馏水作空白，2#瓶为渗滤液。土样比为12，取土样1500 g，渗滤液3000 mL，其COD值为1127.69 mgL-1。培养开始后，每隔一定时间取30 mL左右的上清液，用微孔滤膜抽滤后，测定COD值，同时测定1#培养瓶中的COD值。1.3.2 结果与分析在数据处理时，将1#瓶中的COD值减掉。在实验的第23天1#瓶的COD已降为零，实验所得数据用图3表示如下：降解曲线符合一级动力学方程，即C=C0e-t （2）式中一级动力学降解系数（1d-1）C0COD初始浓度（mgL-1）t时间（d）则由计

10、算机拟合曲线方程为：C/C0=0.9148e-0.0324x （3）图3 COD静态降解实验曲线Fig. 3 COD static degradation test diagram所以，实验条件下的静态降解系数为：=0.0324d -1。1.4 弥散实验1.4.1 实验条件（1）装柱：实验土样的容重为1.5 gcm-3，柱高为31.2 cm，内径8.12 cm，重量为1594 g。底部装上一层粗沙，底层垫上四层纱布。（2）洗柱：用蒸馏水进行淋滤，直至淋滤液无杂质离子。用EDTA进行检验。如果加入EDTA溶液变红，表明淋滤液还未洗净，需要继续淋滤。如果加入EDTA溶液不变红，表明淋滤液已经洗净。

11、（3）将浓度C0为0.05 molL-1的示踪剂NaCl从上部连续注入土柱，测定不同时刻，取样口(x=15.6 cm)处的示踪剂NaCl浓度，作出C-t曲线即穿透曲线。图5 动态土柱实验测得的COD浓度曲线Fig. 5 COD concentration diagram of dynamic soil column test1.4.2 实验结果与讨论弥散实验曲线，如图4所示：图4 弥散实验C-t 穿透曲线Fig. 4 C-t penetration diagram of dispersion test对于一维问题，在不考虑吸附和降解作用下，污染物在土壤中的运移符合对流弥散迁移转化模型8-9，其

12、方程可以写作： （4）式中：c水中COD值(mgL-1) x垂向运移距离(m) D弥散系数(m2d-1) v垂直方向渗透速度(md-1)t时间（d）弥散系数D也可以根据穿透曲线，用下述公式计算： （5）式中，v为水的实际运移速度（md-1）；分别为c/c0等于0.16，0.5，0.84的时间。用此式求出的弥散系数为D0.00435 m2d-1。1.5 动态土柱实验1.5.1 实验条件在动水条件下进行垃圾渗滤液在包气带中的迁移转化模拟实验，即动态土柱实验10。测定弥散系数后的土柱，再经蒸馏水洗净后，用污水淋滤，实验水样用恒水头装置自土柱上端通入，由下端出口流出，隔一段时间接一次淋滤液，测定其CO

13、D。1.5.2 实验结果与讨论由于土柱经过彻底清洗，柱内微生物量很少，加之实验时间较短，曲线（图5）主要表现的是弥散和吸附的共同作用。2 数学模型的确定2.1 数学模型的确立和其解析解采用何种模型进行数学模拟，主要取决于研究问题的目的，所要求的精度和已有或可能取得的基础资料。渗滤液中COD的变化是污水在包气带土层中经过各种物理、化学和生物反应对其迁移的综合影响形成的。考虑污染物质主要是沿垂向运移，所以其运移模型常按垂向一维问题处理，一般认为水在土层中运移符合推流模式，依据以上实验的机理分析，则污染物质在土层中垂直向下迁移的基本方程为11-15： （6）式中：s土中COD吸附浓度(mgmg-1)

14、 土层干容重(gcm-3)图6 数学模型计算所得COD质量分数Fig. 6 COD concentration diagram calculated n有效空隙度式(6)右边第一项是弥散项，第二项是对流项，第三项是吸附作用项，第四项是降解作用项，当COD浓度较低时，吸附服从线性模式：，；降解服从一级动力学模式：。因此，在降解作用项中，式(6)可简化为：或： （7）式中，称为迟滞因子，它描述吸附作用对污染物迁移的滞留效应。若假定R，D，v，均为常数，可应用拉普拉斯变换解迁移方程(式7)，得解析解(Van Genuchten，1982)为： （8）式中的A1(x，t)定义为：（9）初始条件： 边界

15、条件： 式中， （10） （11）erfc(y)称为余误差函数，因此，只要参数v、R、D、，确定之后，即可得到所给初始条件和边界条件下，包气带中污染物浓度的时空分布。2.2 数学模型计算出的COD浓度曲线根据式（11）和所得参数计算求值，计算出在采样点（x15.6 cm）处，不同时间t（d）的COD的浓度比值A1(C/C0)，结果如图6所示。经计算机曲线拟合所得曲线与实测曲线图5吻合较好，说明选定的数学模型反映了土柱实验渗滤液中COD迁移转化情况，也说明了垃圾渗滤液在包气带中的迁移转化过可以用此模型进行定量的计算预测。3 时空分布的预测根据模型实验求得有关参数，在一定的条件下，用该数学模型计算

16、出污染物在包气带土层中的垂向迁移变化趋势，预测污染物浓度下的时空分布。涉及的参数列于下页表1。预测结果如下页图7所示。当包气带土壤中COD浓度趋于饱和时，土层即被穿透。因此从图中可以看出：在没有底部、侧部和顶部的防护系统的情况下大致需要6 d，垃圾渗滤液能穿透1 m的包气带土层；10 d能穿透2 m的包气带土层。4 结语垃圾填埋场作为一个重要的污染源对包气带和浅层地下水的污染及其污染程度受多种因素的影响。垃圾渗滤液中污染物的组成十分复杂，而且不断发生着变化。所以，描述其在包气带中的运移，要充分考虑各影响因素。通过室内模拟实验确定迁移转化模型和模型参数，并通过动态土柱实验模拟结果和数学模型计算结

17、果进行拟合，结果显示，数学模型能够定性和定量的反映垃圾渗滤液中COD在包气带中迁移转化过程，为预测污染物的时空分布，防止垃圾渗滤液污染包气带和地下水，提供科学依据。表1 主要参数数值Table 1 Numerical values of main parameters名称参数及公式数值土壤干容重/(gcm-3)1.5土壤密度/(gcm-3)1.82空隙度n=1-/0.1758吸附常数Kd0.0976迟滞因子R=1+Kd/n1.833弥散系数/(m2d-1)D0.00435降解常数/d0.0324平均流速/(md-1)v0.534流速/(md-1)u0.535预测距离/mx1.2时间/dt110

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24、6): 6-10, 22ZHU Wanpeng, WEN Donghui, YANG Zhi-hua. Transformation and Migration of Phenol in the Saturated Fine Sand SoilJ. Envirnmental Science, 1992, 13(6): 6-10, 22图7 数学模型预测结果Fig. 7 perfecting faults of using Mathematical model10 阎先良. 污染物质在包气带中运移规律的实验研究J. 环境科学, 1993, 14(5): 32-38. YAN Xianliang.

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29、nd transformationof pollutants of leathate in aerated zoneGAO Taizhong, HUANG Qunxian, LI Xiurong, BAI Tianxiong, PANG HuicongSchool of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology/Key Laboratory of Contaminant Controlling in Biology of Hebei Provinces, Shijiazhuang 050018, ChinaAbstract: I