吉栋梁,徐 亚,黄兆琴,杜布云,赵曼颖,3*,杨 枫
干旱区危废填埋场与水源的缓冲距离及其调控
吉栋梁1,徐 亚2,黄兆琴1,杜布云1,赵曼颖2,3*,杨 枫2
(1.江苏开放大学环境生态学院,江苏 南京 210036；
2.中国环境科学研究院,北京 100012；
3.吉林建筑大学市政与环境工程学院,吉林 长春 130118)
针对干旱区气象和水文地质条件下,危废填埋场缓冲距离不明的问题,建立了渗滤液中污染物渗漏及其迁移转化的多过程模型,模拟污染物的稀释衰减过程,结合安全用水限值的确定,构建了缓冲距离计算框架,并选择典型场地开展案例研究.结果表明:不同类型的污染物需要的稀释与衰减倍数(RDAF)不同,有机物2,4-滴(2,4-D)的初始浓度大,毒性强,需稀释衰减667倍,是重金属As与Cd稀释衰减系数的6倍,不同污染物的稀释衰减倍数(DAF)与缓冲距离的敏感程度有关,有机物的DAF对缓冲距离更敏感.尽管2,4-D的DAF最大,但缓冲距离远小于重金属As与Pb的972m和942m.综合考虑所有污染物缓冲需求,干旱区典型危废填埋场的缓冲距离为972m,与常规认知相反,缓冲距离需求大于湿润地区而仅略小于海滨地区.进一步考虑了参数不确定性分析下95%置信区间的安全用水要求,缓冲距离需达到3465m.为满足敏感水源与填埋场缓冲距离的实际需求,对填埋废物采取预处理的方法优化缓冲距离.以As为例,通过预处理将其初始浓度从1.2mg/L降至1.02mg/L,缓冲距离可降至200m,说明干旱区缓冲距离需求对初始浓度更为敏感.
稀释衰减；
缓冲距离；
重金属；
安全用水
地下水污染是世界性环境问题[1-4],填埋场数量多分布广,产生的渗滤液是潜在的最大人为地下水污染源之一[5].渗滤液水质复杂,含有多种有机物、类重金属及难降解的无机化合物等有毒有害物质[6-8],一旦地下水被渗滤液污染,可能会严重威胁生态环境安全和人体健康.例如:被砷、铬污染的地下水可能引发抑郁症、帕金森等疾病[9-10];铅和铬等重金属和PFAS等持久性有机物还可能造成致癌致畸等危害[11].因此,防治填埋场造成的地下水污染对保障用水安全具有重大意义,相关研究被广泛开展.
填埋场与敏感性水源间缓冲距离的设立和维持是确保饮用水质满足安全用水标准的关键.美国环境保护局(USEPA)的统计数据显示,美国55000个填埋场中约有75%的周边浅层含水层受到不同程度的污染[12],因此,对填埋场设置合理的缓冲距离迫在眉睫.许多国家以法律或标准的形式明确了潜在水污染源的缓冲距离,目前加拿大亚伯达省(AESRD)要求的缓冲距离为400m[13],我国《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)规定缓冲距离为800m[14].
然而,缓冲距离受源强(填埋场渗滤液产生量、危害成分及工程防渗措施)、包气带截污性能以及含水层自净性能等多方面因素影响[15-16],统一划定填埋场的防护距离难以起到安全防护的目的.为此,近年来相关管理部门和学者提出依据场地实际条件评估缓冲距离需求.如我国新修订发布的《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2019)[17]明确提出填埋场与周边人群和敏感水源等距离应根据实际环境的影响,通过科学评价确定.一些学者首次提出了缓冲距离的计算框架和配套模型,在中国东南部某危废填埋场进行了案例研究[18];基于该框架,海滨某危废填埋场的防护距离需求也被详细模拟[19].
已有研究主要针对湿润、沿海等区域开展敏感性水源缓冲距离的建设,对干旱或半干旱地区研究较少.由于干旱区域的地下水储量逐年减少,水资源更为宝贵,合理建设敏感水源的缓冲距离保护地下水资源显得尤为重要.另外,干旱区域降雨量较少,渗滤液产生和渗漏强度小,但由于含水层厚度较薄,自净能力弱,对渗滤液中有毒有害组分进行稀释和衰减的效果被削减[20].在两者交叉影响下,干旱区填埋场的缓冲距离需求可能较湿润或半湿润地区独具特点.本文旨在探究干旱区气象和水文地质条件下,填埋场与地下水下游方向的敏感水源之间缓冲距离的需求.另外,考虑到填埋场缓冲距离过大带来的选址难、搬迁成本高等问题,提出缓冲距离优化调控策略和方法,以期为确定填埋场与饮用水井之间的缓冲距离设定提供理论和方法支持.
缓冲距离是指敏感水源与填埋场之间保障渗滤液渗漏条件下用水安全的最低距离.因此,合理确定缓冲距离的关键:一是根据渗滤液中潜在危害组分及其危害效应,基于风险学理论确定敏感水源中不同污染物的安全用水限值;二是预测渗滤液渗漏条件下的渗漏量与污染物的浓度,以及污染物在填埋场地下水下游方向不同距离处的降解特性.具体方法如下.
1.1 安全用水的水质限值
许多国家和组织均制定了饮用水水质标准,对污染物提出了不同的浓度控制要求.例如,USEPA为15种无机物、54种有机物、3种放射性核素及6种微生物制订国家一级饮用水标准,保护饮用水水质安全[21];欧盟为2个微生物学指标、26个化学指标及20个指示指标制定了水质标准[22];日本为50个水质基准项目制定标准,包括重金属、无机物、有机物等[23];我国对106种常规水质指标进行规定[24].
但是,随着社会经济的发展,填埋场渗滤液中污染物的种类逐渐增多,数量日趋增长,可能存在现有标准不能覆盖所有污染物的可能,因此世界卫生组织推荐的基于风险确定用水中污染物的限值方法得到推广.该方法具有通用性,将接触人群的习惯、身体特征以及目标污染物的毒性结合,可以用于确定新污染物或其他水质标准中未覆盖有毒有害污染物的安全用水指标限值.
综上,当渗滤液中的有毒有害污染物属于《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)[25]中规定的控制指标时,采用该标准规定的限值;当其不属于该标准规定的控制指标时,采用世卫组织推荐的风险评估方法确定其安全用水限值,该方法的详细描述如下.
由于部分污染物仅具有致癌或非致癌危害,部分同时具有两种危害,因此,饮用受渗滤液污染的地下水可能会造成两种危害的一种,其中由非致癌效应导致的非致癌风险(HQcgw)计算方法如式(1)[26]所示:
式中:gw为地下水中的污染物浓度,mg/L;RfD0为经口摄入参考剂量,mg/(kg·d);WAF为暴露于地下水的参考剂量分配比例;CGWERnc为饮用受影响地下水时对应的地下水暴露量(非致癌效应),L/(kg·d),其计算方法如式(2)所示:
式中: GWCRa为成人每日饮水量,L/d;EFa为成人暴露频率,d/a;EDa为成人暴露期,a;BWa为成人体质量,kg;ATnc为非致癌效应平均时间,d.
由致癌危害导致的致癌风险计算方法如式(3)[26]所示:
式中: CR为饮用地下水途径的致癌风险;SF为目标污染物的癌症斜率因子,mg/(kg·d);CGWERca为饮用受影响地下水对应的地下水的暴露量(致癌效应), L/(kg·d).
当HQcgw<1或CR<10-16时,为健康风险可接受状态.因此,令HQcgw=1或CR=10-16并代入公式(1)(2)或(2)(3),可得敏感水体中污染物的限值浓度(L).
1.2 危废填埋场渗滤液浓度及渗漏量
1.2.1 渗滤液渗漏量预测模型 防渗层破损条件下渗滤液的渗漏速率受HDPE膜上漏洞密度及渗透系数、渗滤液水位高度、防渗结构等影响.国内外学者从不同防渗层结构开发了多种预测渗滤液渗漏的模型.我国危废填埋场的防渗结构多为双人工衬层,由两层土工膜及压实的粘土衬垫(GCL)组成.对于该防渗结构的渗漏速率可根据Giroud等[27]开发的经验模型进行预测(式4):
式中:为渗漏速率,m3/s;为HDPE膜中的缺陷面积,m2;K为压实的黏土衬垫(GCL)的导水系数,m/s;L为GCL的厚度,m;h为HDPE膜上的渗滤液深度,m;为HDPE膜中的漏洞密度,(hm-2);为填埋场库底面积,ha;c是表征HDPE膜和GCL之间接触情况的系数,接触良好和接触较差时其值分别为0.21和1.15.上述各参数中,h和对渗漏速率影响最大.
在降雨、场地结构及填埋废物性质等方面的影响下,HDPE膜上的渗滤液水位高度(h)不是固定值,难以进行评估.但是,为保障填埋场防渗结构的合理设置与正常运行,要求控制填埋场管理期(包括运行期和封场维护期)内的水位高度.我国生态环境部颁布的《危废填埋场污染物控制标准》(GB 18598- 2019)[17]中要求渗滤液水位深度小于30cm,因此该值被视为不利条件下的水位深度,并用公式计算渗漏速率.
1.2.2 渗滤液浓度预测模型 由于渗滤液的浓度与组分会随着填埋场生命周期的变化而改变,主要是在降雨的不断冲刷下致使废物中污染物组分流失,这一过程用衰减预测模型表示.假设任意时刻的污染物浓度都与其初始浓度有关,由式(5)和(6)计算:
式中:C为时渗滤液中污染物的浓度,mg/L;0为该污染物的初始浓度,mg/L;为时间,a;为地表水入渗率,mm/a;d为废物层厚度,m;fc为该类型废物中占总库容的比例.
1.3 地下介质中稀释和衰减的过程模拟
污染物在非饱和-饱和地下水中的运移与地下介质的衰减效应(降解、弥散与迟滞)和地下水流的稀释效应(对流)有关[28].当污染物在均质及各向同性的非饱和-饱和地下水系统中运移时,传输过程及稀释衰减效应可以用一维平流-弥散方程(7)和(8)进行建模计算[29-30]:
式中:为沿地下水流动方向的距离,m;为距离和时间处的浓度,mg/L;为地下水流速,m/s;为有效孔隙度;为阻滞因子;为一级衰减率,s−1;L为水动力纵向弥散系数,m2/s;为介质弥散系数,m;m为分子扩散系数,m2/s.
在不同边界条件处对流-弥散方程可得到不同解,通过使用拉普拉斯变换方法得到具有指数衰减性下的边界条件方程,其解析解如下所示:
式中: (9)和(10)适用于污染物在包气带-含水层系统中的运移,当用于含水层流动模拟时,将包气带模型的输出值作为含水层模型的输入值.
1.4 缓冲距离预测模型
利用上述方程与模型,计算危废填埋场渗滤液中污染物缓冲距离的详细流程见图1.首先,结合剂量-响应方程与可接受的风险水平模型,得到指定污染物的用水限值浓度;其次,通过式(4)(6)计算包气带模型的渗漏速率()和初始浓度(0);最后,将渗漏速率()和初始浓度(0)作为源强,基于对流-弥散方程及其解析解,得到地下水中污染物的浓度,将该浓度与限值浓度比较确定缓冲距离.
在渗滤液产生和渗漏的影响下,地下水中污染物的浓度呈现先升高后下降的趋势,在达到峰值后地下水中污染物浓度随着渗滤液中污染物浓度的降低而降低.另外,因模型简化与模型参数本身的随机性导致模拟结果出现不确定性,故采用蒙特卡罗框架评估由模型参数的不确定性引起的污染物对缓冲距离的影响.主要不确定性参数包括包气带厚度、含水层厚度、包气带渗透系数和含水层渗透系数.如表3所示,根据参数的概率分布,从中随机抽取变量输入,并对每个模型迭代2200次来求解预测模型.
图1 危废填埋场缓冲距离的详细程序
2.1 填埋场概况
填埋场为我国西北部干旱区某危险废物填埋场(图2),占地面积约5.2×104m2,由A区1.2×104m2与B区4×104m2两部分组成.场地地势呈南高北低走向,位于小型封闭洼地中,地下水流向自南向北,与地形走向总体一致,并通过泉水方式排泄或地下径流方式流动.填埋场周边分布零星牧场,地下水一旦受污染,可能通过饮用途径暴露于人体或牛羊.因此,需要科学确定缓冲距离,防止地下水水源受到污染.
对填埋场进行水文地质勘察可知,场址高出两侧洪沟约5～10m,东侧洪沟仅暴雨期间形成暂时性洪流,对填埋场几乎无影响.受区域地质构造的影响,地下水属于弱富水-贫水区,场区内赋存有第四系松散盐类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水,主要水文剖面图和地下水流场图见图3.
图2 干旱区某危废填埋场场地概况
图3 填埋场地下水文剖面图和地下水流场图
2.2 模型应用和参数设置
表1 缓冲距离模拟的主要参数及取值
续表1
①利用美国EPA推荐的填埋场水文过程模型(HELP模型)计算,根据当地降雨量按照运行期和封场期不同的覆盖条件计算得到.②根据美国EPA推荐的ASTM D7007Standard Practices for Electrical Methods for Locating Leaks in Geomembranes C偶极子检测方法.③根据填埋场自行监测的渗滤液浓度的数据.
通过对填埋场渗滤液样本中的污染物进行分析,共检测出7种有毒有害物质,但对氨氮、酚类、COD 和硝酸盐等污染物的致癌或非致癌效应尚不明确,未列入USEPA的IRIS毒性物质目录,不予考虑.最终确定重金属As、Cd、Pb及半挥发性有机化合物2,4-D为本文的目标污染物,且4种污染物均在《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)[25]中有明确的限值要求,因此采取第一种方法以Ⅲ类地下水限值作为渗滤液中污染物的限值浓度.其中As、Cd、Pb及2,4-D的限值浓度分别为0.01,0.005,0.01及0.03mg/L相关毒性参数参见表1.
3.1 污染物在不同距离下的稀释和衰减倍数(DAF)
渗滤液中的污染物在地下水中不同缓冲距离处的稀释和衰减倍数(DAF)见图4,其中重金属As、Cd和Pb的稀释和衰减过程相似.当缓冲距离为100,600,900和1000m时,As和Cd的DAF分别为100.149和100.723、111.082和111.748、118.206和118.970及120.700和121.409,这两种污染物的DAF差值小于0.76.相比之下,重金属与有机物之间的稀释和衰减倍数有明显差异.当缓冲距离为20,40,60和80m时,As与2,4-D的DAF分别为98.50和3×1015、98.91和4×1016、99.32和5×1017及99.74和7×1018,这两种污染物之间的DAF差值明显,且随着缓冲距离的增加而不断显著.
图4 不同污染物在不同距离下的稀释和衰减情况
结果表明,被渗滤液污染的地下水中污染物的DAF与距离成正比.然而,不同污染物的稀释降解特性对缓冲距离的敏感程度并不一致,这一结果与海滨地区或沿海地区相同.重金属污染物的稀释和衰减倍数对缓冲距离不太敏感,有机污染物的稀释和衰减倍数对缓冲距离更加敏感,其稀释降解特性随缓冲距离的增加而增加. 主要原因是重金属在地下介质中的衰减受地下水稀释、吸附解吸等作用影响,生物化学反应导致的降解可以忽略;而2,4-D等有机物,则不仅受地下水稀释影响,还会经历各种生物化学反应被降解为有机和无机小分子,且相比于重金属,土壤介质对有机物的吸附能力更强[31].
3.2 不同污染物需要的缓冲距离
不同距离处As、Cd、Pb和2,4-D的模拟浓度(g)与限值浓度(L)的比值见图5,当比值不大于1时,表示饮用水井中有毒有害组分的浓度已达风险可接受水平,此时该距离视为缓冲距离.从图中可知,重金属As与Cd的gL比值在200,600,900及1000m时分别为1.174和1.167、1.080和1.074、1.015和1.009及0.994和0.988,并在972与942m处降为1,表明As和Cd的缓冲距离分别为972与942m.Pb和2,4-D的gL比值在20,40,60及80m时均小于1,且均随着距离的增加而不断减小.为确保4种污染物均在风险可接受水平内,将缓冲距离定为972m.
与实际填埋场周围的敏感水源相比(图2),东北方向的村庄距离填埋场2.5km, 东南方向的生态园距离填埋场3.1km,西北方向的村庄距离填埋场2.8km.显然,填埋场和饮用水井之间的距离均大于972m.模拟西北某干旱省份填埋场得到的缓冲距离,不仅大于加拿大艾伯塔省(AESRD)400m[13]缓冲距离的要求,也大于《危险废物填埋污染控制标准》(GB 18598-2001)要求的800m[14]缓冲距离. 从实际情况来看(见表2),国内典型危废填埋场缓冲距离在1430～3200m之间,4个填埋场中3个在1400～1800m之间,另外一个超过3000m,均超过本文计算的缓冲距离要求.
表2 国内典型危险废物填埋场缓冲距离
*数据来源于相关项目环境影响评价报告文件.
然而,基于上述计算,确定缓冲距离为972m.这一距离大于Xu等[18]确定的西南部湿润区某危废填埋场的缓冲距离380m,小于吉栋梁等[19]确定的东部沿海区某危废填埋场的缓冲距离2070m.这一结果与预期相反,原因可能是研究区域为干旱地区,降雨量较湿润及沿海地区相对较少,是西南部湿润地区的1/3,东部沿海地区的1/12.但含水层厚度较薄,分别是上述两地区的0.1倍和0.25倍,因而稀释净化能力更弱.另外,由于含水层渗透系数更大,分别是上述两地区的4倍和2倍,污染物对流扩散更快[32],影响距离更远.
图5 不同距离处As、Cd、Pb和2,4-D的模拟浓度(Cg)与限值浓度(CL)比值
3.3 不同污染物需要的稀释和衰减倍数(RDAF)
不同污染物的缓冲距离不仅与被渗滤液污染的地下水对污染物的DAF有关,还与渗滤液中污染物的初始浓度(0)与限值浓度(L)的比值有关,将该比值定义为不同污染物需要的稀释和衰减倍数(RDAF).由式(11)可知,污染物初始浓度越高,RDAF越大,因此根据污染物自身的降解特性,所需的缓冲距离有所差异.
案例填埋场渗滤液中As、Cd、Pb及2,4-D的初始浓度分别为1.2,0.6,0.05及20mg/L,对应的安全饮用水限值浓度分别为0.01,0.005,0.01和0.03mg/L.因此,对于污染物As、Cd、Pb及2,4-D在地下水中需要的稀释和衰减倍数分别为120,120,5及667.其中As的RDAF为120需要972m的缓冲距离;由于Cd自身的降解特性与As相同,因此需要的缓冲距离与As相似为942m.
2,4-D的RDAF为667是As的6倍,但2,4-D需要的缓冲距离远小于As和Cd.原因是挥发性有机化合物更易在地下介质中被吸附降解为低毒成分,而重金属在地下介质中不易衰变.因此2,4-D的RDAF大于As,缓冲距离反而远小于As.
3.4 降低缓冲距离的附加措施
图6 不同污染物在不同缓冲距离下需要控制的渗滤液初始浓度
不同污染物在不同缓冲距离处需要的渗滤液初始浓度见图6,由于模型预测得到污染物的缓冲距离可能既不经济也不实际,因此需要采取其他措施达到降低缓冲距离的目的.其中一种有效方法是在填埋前对废物进行预处理,通过削弱渗滤液的浸出行为,来降低渗滤液中污染物的初始浓度,从而满足降低缓冲距离的要求.因此,针对As与Cd两种污染物模拟了当敏感水源与填埋场之间的实际距离小于预测得到的缓冲距离时需要控制的渗滤液的初始浓度.结果表明,为保障污染物达到安全饮用水标准,需要污染物As在实际距离为200,400,600,800及950m时,通过废物预处理将初始浓度依次降低0.18,0.14,0.09,0.05及0.01mg/L,分别达到1.02,1.06, 1.11,1.15及1.19mg/L.污染物Cd在实际距离为100,200,400,600及800m时,初始浓度需额外降低0.1,0.08,0.06,0.04及0.02mg/L,分别达到0.5,0.52, 0.54,0.56及0.58mg/L.
3.5 不确定性分析
表3中参数值的概率分布依据场地实测值确定,根据参数的不确定性,计算得到了5%、10%、50%、90%及95%置信区间下不同缓冲距离处污染物的降解特性(图7),并将95%置信区间定义为不利条件下需要的缓冲距离.从图7中可知,在不利条件下,As的缓冲距离从972m增至3465m;Cd的缓冲距离从942m增至3417m.为保证污染物在不利条件下的比值均在风险可接受水平内,将缓冲距离定为3465m.
表3 模型的参数不确定性参数及数值
图7 污染物在参数不确定性下的缓冲距离
4.1 渗滤液中不同污染物需要的稀释与衰减倍数(RDAF)不同,初始浓度大且毒性强的污染物需要的稀释衰减倍数更大.在案例中有机物2,4-D比重金属As与Cd的稀释衰减倍数均高出6倍.
4.2 不同污染物的稀释衰减倍数(DAF)对缓冲距离的敏感程度不一致,有机污染物的稀释和衰减倍数对缓冲距离更加敏感.如尽管2,4-D的DAF最大,但缓冲距离远小于重金属As和Pb的缓冲距离972m和942m.
4.3 综合考虑各种污染物,干旱区典型危废填埋场的缓冲距离应达到972m.与常规认知相反,缓冲距离大于湿润地区而小于海滨地区危废填埋场.另外,为保证95%置信区间的安全用水要求,其缓冲距离需达到3465m.
4.4 当预测的缓冲距离大于已建填埋场与敏感水源的实际距离时(或大于拟建填埋场的可用距离时),可采取对填埋废物进行预处理,减少渗滤液中污染物的初始浓度,达到减少缓冲距离的目的.以As为例,通过预处理将其初始浓度从1.2mg/L降至1.02mg/L,缓冲距离可降至200m,相比湿润区,干旱区缓冲距离对初始浓度更为敏感.
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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
吉栋梁(1984-),男,江苏盐城人,高级工程师,博士,主要从事固体废物管理与资源化利用研究.发表论文30余篇.
2022-06-30
江苏省产学研合作项目(BY2021529);国家重点研发计划项目(2020YFC1806304,2018YFC1800902);国家自然科学基金资助项目(51708529)
* 责任作者,工程师, zmy516914@163.com
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