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填埋场渗滤液污染物释放传输的耦合动力学模型及应用研究

赵颖  
【摘要】:随着经济的发展和人口的增多,我国城市生活垃圾的产量也在逐年增长。生活垃圾的及时、安全、卫生处理已成为当务之急。垃圾填埋方法因具有工艺简单、投资少、处理量大等优点被国内外广泛采用。而垃圾渗滤液作为一种重要的地下环境污染源,其处理及污染防治问题是垃圾填埋技术发展过程中的一大难题,其中涉及到水质水量预测等重要关键科学问题。但由于垃圾渗滤液产生及演化过程复杂,涉及多学科交叉问题,其水质水量预测模型发展缓慢,一定程度上制约了渗滤液处理技术和污染防治技术,乃至垃圾卫生填埋技术的发展。为此,本文通过一系列室内物理模拟试验揭示渗滤液在地下环境系统中迁移转化的非线性规律,建立垃圾渗滤液有机污染物在垃圾介质、包气带以及饱和含水层中迁移转化的流-固-化耦合动力学模型,定量预测预报渗滤液有机污染物在土-水环境系统中的浓度分布及发展趋势。其主要研究内容如下: 1.垃圾所含固有水是渗滤液产生的重要内源,其释放过程对渗滤液的产量和迁移过程有着重要的影响。为此,本文采用自行开发的试验系统,开展了垃圾填埋体内源水产生规律的室内试验研究,通过正交试验探讨了不同环境状态和不同初始固有含水率对内源水产生速率的影响。通过三种非线性函数拟合结果的对比分析,提出了渗滤液水分运移过程质量守恒方程源汇项的非线性数学表述。 2.垃圾填埋体作为一种变形多孔介质,其饱和水力传导系数的非线性变化直接影响着渗滤液的迁移转化过程。为此,本文开展了垃圾土饱和水力传导系数非线性变化规律试验研究,探讨了填埋时间及孔隙率对垃圾土饱和水力传导系数的影响,揭示了垃圾土饱和水力传导系数随孔隙率变化的非线性动态演化规律,基于试验结果,提出了不同填埋时期下垃圾填埋体饱和水力传导系数与孔隙率之间的非线性本构模型。 3.土-水特征曲线描述了垃圾含水率和基质吸力之间的非线性关系,也是进行饱和-非饱和水分运移过程计算时不可缺少的模型参数本构关系。本文针对不同降解时间和不同孔隙率的垃圾介质,开展了含水率与基质吸力关系曲线测试试验,研究了土—水特征曲线参数反演方法,开发了相应的参数反演软件,并采用VG模型对试验结果进行了拟合,获得了数值模拟所必需的模型参数本构关系。 4.水质水量预测可为渗滤液处理系统设计及污染防治措施拟定提供重要理论依据和数据基础。本文综合考虑垃圾填埋体的沉降变形,渗滤液水分饱和-非饱和渗流过程,固相不可溶性可降解有机物的水解,固相及水相可溶性可降解有机物的微生物降解,好氧和厌氧微生物的生长,以及水相溶解氧的消耗等作用,建立了垃圾渗滤液在地下环境系统中迁移转化的动力学模型。 5.为解决固体垃圾介质沉降变形所导致的水分运移模型和溶质运移模型的移动边界问题,将ALE方法引入到多场耦合模型的数值求解中,给出了ALE描述下的水分运移模型和溶质运移模型,并建立了数学模型的有限元数值求解格式。 6.为探讨渗滤液在垃圾填埋介质中的迁移转化规律,本文采用自行开发的数值模拟程序,仿真模拟了无外界水力作用、地表水入渗和地下水入侵三种情况下填埋场沉降变形过程中渗滤液及其污染物和微生物迁移转化过程,探讨了水力环境对污染物分布规律的影响,模拟结果在数值和规律上符合实际情况,初步验证了本文所建数学模型和数值程序的可靠性。 7.以长山口卫生填埋场工程为依托,针对废弃矿山型填埋场高陡边坡的稳定与防渗两大关键技术难题,采用本文所建立的渗滤液有机污染物运移多场耦合模型,考虑到废弃矿山型填埋场垂直防渗系统可能发生的渗滤液渗漏问题,仿真模拟了四种防渗工况下渗滤液有机污染物在地下环境系统中的运移过程及分布规律,综合模拟分析结果,结合高陡边坡的稳定性问题,给出了废弃矿山型填埋场垂直防渗系统的初步防渗方案。


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