（岩土工程专业论文）北京市垃圾堆放场地所在区域地下水状况研究.pdf

北京工业大学博士后研究工作报告 摘要 目前北京市供水水源的7 8 左右来自于地下水，而地下水水质已经发生了影 响深远的变化。垃圾堆放场地的存在是地下水质恶化的重要原因之一。由于北京 市需要治理的垃圾填埋场分布广、数量多，确定哪些需要治理，哪些不需要，以 及治理的优先顺序是非常必要的。北京市不同填埋场的地层结构和水文地质条件 相差甚远，如何从污染路径( 地层条件和水文地质条件) 的角度分清治理的轻重 缓急和采用什么方法多快好省进行治理是目前需要解决的课题。本报告依托北京 市市政科技项目，主要做了以下研究工作： 在查清垃圾堆放场地所在位置的地质、水文地质条件的基础上，选择了五处 对北京市地下水污染状况有代表性的典型垃圾填埋场进行研究。确定了所选垃圾 填埋场的垃圾、土壤及地下水的化学成分，以及地下水中主要污染物及其污染途 径、污染程度和污染范围。 对垃圾堆放场地渗滤液在不同岩性地层中的运移规律及场地不同地层条件的 防污性能进行了研究。通过在室内开展一系列的实验研究( 静态等温吸附实验、 静态降解实验和水动力弥散实验) ，得到了所选垃圾填埋场含水层水文地质参数。 结果表明：粘土颗粒对氨氮和c o d 的吸附能力要高于重粉质粘土、粉质粘土和 粘质粉土的吸附能力；氨氮和c o d 在不同类型土层中的降解过程基本符合一级 动力学模式；不同类型土的弥散系数大小依次为：砂土、粘质粉土、粉质粘土、 重粉质粘土和粘土。 对垃圾堆放场地垃圾体的填埋深度与温度、含水量以及有机物含量进行了现 场及室内实验测定，得到了垃圾体填埋深度与温度、垃圾含水量和有机物含量的 相互关系。 建立了垃圾堆放场地渗滤液中主要污染物在土层和地下水中运移的模型，模 型考虑了污染物浓度随时间衰减的情况。根据模型解析解针对典型垃圾填埋场实 例，污染物未来的扩散情况进行了预测。 最后根据现场监测、室内实验结果和模型分析成果，针对北京市典型垃圾堆 放场地存在的不同形式，提出了垃圾堆放场地的处理处置建议。 关键词：污染物；运移；模型；垃圾堆放场地 a b s t r a c t a bs t r a c t i np r e s e n t ，7 8 o fw a t e rs u p p l i e df o rb e i ji n gc i t yc o m e sf r o mg r o u n d w a t e r p r o f o u n di n f l u e n c eh a sb e e nf o r m e da st h eg r o u n dw a t e rq u a l i t yh a sb e e nc h a n g e d t h ee x i s t e n c eo fg a r b a g es t a c k i n gs i t ei so n eo ft h er e a s o n st h a tc o u r s e dw a t e rq u a l i t y d e t e r i o r a t i o n g a r b a g es t a c k i n gs i t ei nb e i ji n gi so fag r e a tn u m b e ra n ds p r e a d si na w i d ea r e a ，s ot h a t ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oi n d i c a t et h eo n e sn e e dt ob ei m p r o v e da n d t h o s en e e dn o t 。a l s o ，i ti sa l s oi nn e e dt op u tt h e mi nac e r t a i ni m p r o v e m e n ts e q u e n c e t h es t r a t as t r u c t u r e sa n dh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o nd i f f e r ss i g n i f i c a n t l ya m o n gt h e g a r b a g es t a c k i n gs i t ei nb e i j i n g i ti sr a t h e ru r g e n tn o w t od e i c i d et h ei m p r o v e m e n t s e q u e n c ef o r mt h ev i e wo fp o l l u t i o np a t h ，n a m e l yf o r mt h es t r a t aa n dh y d r o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，m e a n w h i l e ，t om e e tt h en e e df o re c o n o m i c sa n de f f i c i e n c y s u p p o r t e db y t h eb e i j i n gm u n i c i p a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t s ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hi s c o m p l e t e d ： t h ef i v et y p i c a lg a r b a g el a n d f i l lh a v eb e e nc h o s e nt or e s e a r c ha b a s e do nt h e d i s t i n c tg e o l o g ya n dh y d r o g r a p h i cg e o l o g yc o n d i t i o no fg a r b a g es t a c k i n gs i t e 砀e g a r b a g ec o m p o n e n t ，t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to fs o i la n du n d e r g r o u n dw a t e r , m a i n c o n t a m i n a n to fu n d e r g r o u n d ，c o n t a m i n a t e dp a t h ，d e g r e ea n dr a n g eo fc o n t a m i n a n to n s e l e c t i v eg a r b a g el a n d f i l lh a v eb e e nd e t e r m i n e d t h et r a n s p o r tr e g u l a r i t yo fl e a k a g ew a t e ri nd i f f e r e n tl i t h o l o g i cs t r a t aa n d a n t i f o u l i n ga b i l i t y o fd i f f e r e n ts t r a t u ml a y e rh a v eb e e n r e s e a r c h e d t h r o u g h p r o c e e d i n gas e r i e s o fe x p e r i m e n tr e s e a r c hi n d o o r sc o n t a i n i n gs t a t i ci s o t h e r m a l a d s o r p t i o n ，s t a t i cd e g r a d a t i o n a n dh y d r o d y n a m i cd i f f u s i o n e x p e r i m e n t s t h e h y d r o g r a p h i cg e o l o g yp a r a m e t e r so fa q u i f e ro nc h o s e ng a r b a g el a n d f i l l t h er e s u l t s h a v es h o w e dt h a ta d s o r p t i o na b i l i t yt oa m m o n i an i t r o g e na n dc o do fc l a yp a r t i c l ei s h i g h e rt h a no v e rs i l t yc l a y , c l a ys i l ta n ds i l t yc l a y , d e g r a d a t i o nc o u r s eo fa m m o n i a n i t r o g e na n dc o d i nd i f f e r e n ts o i ll a y e r sa r ea g r e e 、i t hp r i m a r yd y n a m i c sm o d e l ，t h e m a g n i t u d eo fd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t si nd i f f e r e n ts o i ll a y e ri ss e q u e n t i a lw i t hs a n d ，c l a y s i l t ，s i l t yc l a y , o v e rs i l t yc l a ya n dc l a y t h ef i l l e dd e p t h ，t e m p e r a t u r e ，m o i s t u r ec o n t e n ta n d o r g a n i cc o n t e n to fg a r b a g ei n s t a c k i n g s i t eh a v e b e e nm e a s u r e dt h r o u g hf i e l da n di n d o o r se x p e r i m e n t t h e r e c i p r o c a lr e l a t i o n s h i po ff i l l e dd e p t h ，t e m p e r a t u r e ，m o i s t u r ea n do r g a n i cc o n t e n th a s a l s ob e e ng a i n e d i i 北京工业大学博士后研究工作报告 t h et r a n s p o r tm o d e l so nm a i nc o n t a m i n a n to fl e a k a g ew a t e ra r ee s t a b l i s h e di n s o i l l a y e ra n du n d e r g r o u n dw a t e r t h em o d e l sh a v ec o n s i d e r e dt h ec o n t a m i n a n t c o n c e n t r a t i o na t t e n u a t i o nw i t ht i m e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i cs o l u t i o nt h ed i f f u s i o n t r e n dh a sb e e nf o r e c a s t e do nt y p i c a lg a r b a g el a n d f i l l i nt h ee n dp o i n t i n gt h ed i f f e r e n te x i s t e n t i a lf o r m a to ft y p i c a lg a r b a g es t a c k i n gs i t e i nb e i ji n gt r e a t i n gs u g g e s t i o n sf o rg a r b a g es t a c k i n gs i t ea r ea l s op r o p o s e da c c o r d i n g t of i e l dm o n i t o r i n g ，t e s tr e s u l t si n d o o r sa n dm o d e la n a l y t i c a lr e s u l t s k e yw o r d s ：c o n t a m i n a n t ；t r a n s p o r t ；m o d e l ；g a r b a g es t a c k i n gs i t e i i i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 北京市是一个严重缺水的城市。随着城市的发展和人民生活水平的提高，水 作为重要的资源已获得各级政府和广大公众的认识。但由于对水的重要性认识时 间较短，在过去的许多年，存在许多不合理的污染物处置措施，成为北京市地下 水水质恶化的污染源。北京市垃圾填埋就是这些污染源中的一类。 1 9 9 1 年之前，北京市的垃圾处理基本是采用简易堆放的方式进行处理。直 到1 9 9 1 年利用世行贷款建成的大屯转运站和阿苏卫填埋场投入使用，垃圾处理 才算进入无害化阶段。2 0 0 6 年底，北京的垃圾处理设施将近2 0 座，包括：小武 基、马家楼、大屯、五路居转运站、南宫堆肥厂、安定、北神树、阿苏卫、六里 屯、通州西田阳、朝阳高安屯填埋场，丰台北天堂填埋场，平谷前芮营、密云垃 圾卫生填埋场，延庆、顺义垃圾综合处理厂，昌平垃圾焚烧厂，门头沟焦家坡垃 圾卫生填埋场。 从1 9 8 7 年开始，北京建设密闭式清洁站用于北京市生活垃圾的收集转运， 到2 0 0 6 年底，共有这样的垃圾站近8 2 3 座左右。随着生活方式和饮食结构的改 变，生活垃圾中包装物含量不断增高。北京市市政管理委员会提供的资料表明， 北京市生活垃圾中有机垃圾( 厨余、果皮) 占4 4 ，废纸张、废塑料和废金属 的可回收利用垃圾约占3 7 ，而垃圾中塑料袋、塑料薄膜和食品类成分大部分 没能直接回收利用。 根据北京市政府制定的北京市生活垃圾治理白皮书，北京目前平均每天 产生生活垃圾1 1 5 万吨，医疗废物4 0 多吨，餐厨垃圾1 0 0 0 多吨。白皮书确定 的垃圾治理目标和任务是：一，2 0 0 8 年以前，北京要新建1 5 座垃圾处理设施， 日处理垃圾1 2 5 万吨，城区生活垃圾无害化处理率将达到9 8 ；郊区生活垃圾 的收集、运输、处理都将纳入规范化管理。二，每年新增垃圾分类小区2 0 0 至 3 0 0 个，使城镇地区垃圾源头分类率由目前的1 5 提高到5 0 ；垃圾资源化利用 率由目前的1 0 提高到3 0 。2 0 0 8 年，北京回收利用的生活垃圾将达到1 0 0 多 万吨。三，2 0 0 5 年以前，新建2 座医疗废物集中处理设施，形成日处理6 5 吨的 能力，以保障北京医疗废物规范、安全处理。四，2 0 0 5 年以前，六环路以内7 3 北京工业大学博士后研究工作报告 处2 0 0 吨以上的垃圾堆将全部得到治理。建立长效管理机制，加强巡查和保洁， 使城乡范围不再形成新的脏乱点。 可是，北京市2 0 0 6 年生活垃圾产生量为5 8 5 0 7 万吨，无害化处理率为 8 5 0 7 ，未经处理的生活垃圾仍被简易填埋处置。根据专业机构的调查统计， 目前北京市有垃圾存量在1 0 0 0 吨的垃圾堆放场地1 0 11 处，其中正在运营的约占 总数的9 1 ，己封场关闭的约占总数的9 。这些垃圾填埋场以生活垃圾和建筑 垃圾为主，总囤积量在8 0 0 0 万吨左右，占地面积达到2 万亩。垃圾堆放场地没 有防渗措施和覆盖导气系统，已对北京市大气环境、水环境、土壤环境造成污染。 ( 1 ) 水污染：由于填埋垃圾的发酵和自然降水的淋滤或地下水的浸泡，产生 出高浓度有机渗滤液。其中含有难以生物降解的芳香族化合物、氯代芳香族化合 物、磷酸脂、邻苯二甲酸脂、酚类类和苯胺类化合物等。渗滤液会对地下水产生 长期的影响，造成地下水污染，使地下水出现水质混浊，有臭味。c o d 、三氮 含量等指标严重超标。 目前北京市供水水源的7 8 左右来自于地下水，而地下水水质已经发生了 影响深远的变化。平面上水质污染的地点在增加，水质恶化的范围在扩大；剖面 上不仅浅层地下水受到污染，还存在污染向中深层地下水扩展的趋势，其中城近 郊区的水质恶化更为严重，极大的影响了供水质量。北京市水资源由水量上的短 缺，逐渐转为水量和水质性缺水。 ( 2 ) 大气污染：填埋垃圾发酵会产生大量填埋气，填埋气中含有大量的恶臭 物质和可燃气体，不经过任何处理的填埋气造成了大气污染和安全隐患。填埋气 中的c h 4 的含量可达到4 0 - - , 6 0 ，c h 4 对臭氧的破坏是c 0 2 的4 0 倍，产生的 温室效应比c 0 2 高2 0 倍以上，同时甲烷易燃易爆，当其与空气混合比达到5 1 5 时，极易引发爆炸和火灾事故。此外填埋气中的h 2 s 、n h 3 和有机臭气，会 严重影响填埋场周围居民的正常生活，有关资料还表明填埋气中含用致癌、致病 物质，会对人体健康产生长期影响。 ( 3 ) 土壤污染：生活垃圾中含有大量污染物质和有害微生物，它们直接进入 土壤后，会对土壤环境和农作物生长构成严重威胁。大量不可降解的塑料袋和塑 料餐盒被埋入地下，百年之后也难以降解，使垃圾填埋场占用后的土地几乎全部 1 绪论 成为废地。 ( 4 ) 环境污染：许多城市的的边缘、郊区往往是垃圾遍地、污水横流、蚊蝇 孳生，臭气熏天。垃圾无序的胡乱堆放，导致了周围地区生态环境的严重恶化。 给周边附近的人民生活造成很大困扰，也对身心健康造成损害。在某些地区，还 造成周围树木植被枯死。垃圾污染带来的环境效应已越来越引起人们的重视，城 市填埋垃圾的处置问题已成为摆在我们面前刻不容缓非解决不可的重大问题。 以丰台区某垃圾堆放场地为例，该区位于永定河东部的市级水源地补给区， 在该地区8 0 k m 2 内分布有多处垃圾填埋场，每处的垃圾存量均在1 0 万立方米以 上，总填埋量超过4 0 0 万吨，2 0 0 5 年对该垃圾堆放场地附近的1 6 口井采样检测， 同该地区的地下水分析资料比较后认为：该地区垃圾场地下水污染程度明显高于 1 9 9 7 年。初步计算由于地下水受垃圾渗滤液污染，1 9 9 7 年垃圾场周围0 4 5 k i n 2 范围内的地下水不能饮用，2 0 0 0 年垃圾场周围不能饮用的地下水范围扩大到 1 1 9 k m 2 。随着该地区垃圾填埋量及地下水中污染浓度的增加，到2 0 0 4 年不能饮 用的地下水面积己扩大为4 6 7 k r n 2 ，地下水为i v 类水或v 类水。地下水中主要 污染指标为c 1 、总硬度、溶解性总固体和n 0 3 - n 。而上游的地下水未受到垃圾场 地的污染，地下水为i i 类水，适宜生活饮用。说明了生活垃圾已对周围地下水 造成污染。垃圾填埋场附近无论是污染程度还是污染的范围，随时间变化有所增 加。 此外，北京市实施南水北调工程进京后，北京市地下水资源将得以涵养，地 下水的水位将逐步回升。由于地下水位的回升，使得含养地区包气带在地层内的 空间相应变小，同时使得饱水带在地层内的空间变大。在南水北调受水区内的垃 圾填埋场有近百处，地下水水位回升后，这些垃圾堆放场地会受到地下水不同程 度的浸泡，从而产生大量的浸出液体，浸出液体中的污染物质进入地层内的含水 层后，会对附近的地下水造成不同程度的污染，同时在大气降水的入渗作用下， 没有任何防护措施的垃圾堆放场地淋沥渗出液体将加大对地下水污染的可能性。 北京市的一千多座垃圾堆放场地广泛分布在北京地区，垃圾填埋场造成的污 染区域巨大，治理工作迫在眉睫。由于北京市需要治理的垃圾填埋场分布广、数 量多，确定哪些需要治理，哪些不需要，以及治理的优先顺序是非常必要的。垃 圾填埋场( 污染源) 对于地下水( 污染受体) 污染的条件是污染物要穿越包气带， 3 北京工业大学博士后研究工作报告 因此污染程度和范围与其所在地点的地质和水文地质条件有直接关系。地层条件 较好的垃圾填埋场其地下水污染轻、污染物扩散速度慢，反之，垃圾填埋场对地 下水污染重、污染物扩散速度快。北京市不同填埋场的地层结构和水文地质条件 相差甚远，如何从污染路径( 地层条件和水文地质条件) 的角度分清治理的轻重 缓急和采用什么方法多快好省进行治理是目前需要解决的课题。 本报告的研究是在查清垃圾堆放场地所在位置的地质、水文地质条件的基础 上，通过对垃圾堆放场地填埋体本身的一些降解衰减变化规律、场地不同地层条 件的防污性能及主要污染物运移状况的研究，探索地层条件与地下水污染扩散之 间的规律，为提出垃圾堆放场地最优治理方案打下坚实的基础。因此，本项研究 对治理垃圾堆放场地的污染具有重要作用和工程意义，其研究成果将能很好地指 导垃圾堆放场地治理的轻重缓急和确保垃圾堆放场地的治理效果，为北京市垃圾 填埋场的管理和治理提供依据和建议。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 降解作用研究现状 填埋场的污染物是垃圾降解而生成的，废弃物降解对污染物的运移机理具有 十分重要的影响。因此为了客观地评价填埋场污染物对环境的影响，必须准确地 描述垃圾的生物降解过程。垃圾填埋场实际上是一座庞大的生物反应器，影响填 埋场内有机污染物生物降解的因素很多，如垃圾组成、垃圾水分含量、填埋方式、 填埋场地水文气象条件等，其中填埋场地水文气象条件包括填埋场地气温、降雨 量、微生物的种类以及p h 值。这些因素都将影响填埋垃圾层微生物的数量和活 性，从而影响填埋场内有机污染物的降解。 我国北京与其他国家一些大城市在9 0 年代初期的垃圾组成如表1 1 所示。 表面上看来，我国城市垃圾中厨余垃圾和渣土比例很高，国外金属、玻璃和纸类 较多，这与各国生活水平和生活习惯有关。但考虑在国外卫生填埋场中均采用土 壤或其它材料作为日覆盖和中间覆盖，覆盖物大约占填埋容积的2 0 左右，按 照重量百分数计算则接近5 0 。由于我国的绝大多数历史遗留的垃圾堆放场没 有覆盖操作，所以，如果将垃圾场中填埋物的平均组分对比，国外填埋场和我国 的老垃圾堆放场的有机一无机组分的比例事实上大体相同，但混合的程度不同。 4 1绪论 垃圾成分的主要差别在于食品结构不同形成的差异，即欧美国家食品中的蛋白质 类和脂肪类偏高一些。但这种差异不足以形成稳定周期之间的明显差别，更重要 的原因，还应该来自于填埋条件和环境方面的因素。 表1 1不同国家的城市生活垃圾成分 表1 2 是北京典型的垃圾成分，由表中数据可以看出，垃圾成分主要以生 活垃圾为主，所以有机物的降解程度较高。国内外对正规垃圾填埋场有机物降 解规律已经进行了一些研究工作，但对垃圾堆放场地研究甚少，目前没有研究 结果和规律可以参考和借鉴。由于垃圾堆放场地是简单随意堆放的，其成分是 不均匀的、复杂的，存在的结构形式也多种多样，有的是一堆一堆分散填埋的， 有的是集中填埋的；有的是直接浸泡在水里的，有的是部分浸泡在水里的；有 的堆放在地面下，有的堆放在地面上，所以对其降解规律的研究工作较困难。 由于对有机物降解规律国内外已做过大量的研究工作，所以本文不再做过多的 研究，而是把研究重点放在研究什么年限的垃圾体需要治理上，从垃圾体内的 温度、含水量和有机物成分含量随深度变化的角度来研究和确定填埋年龄，从 而研究埋龄、温度、含水量和有机物含量变化与降解程度的关系，从而找到北 京市垃圾堆放场地与正规垃圾填埋场的区别所在。 表1 - 2 北京市垃圾的典型组成 1 2 2 运移规律研究现状 北京工业大学博士后研究工作报告 生活垃圾填埋场渗滤液中水分及污染物的产生、迁移及转化是一个漫长而复 杂的过程，其研究涉及到环境微生物学、环境化学、渗流力学、溶质运移学等相 关学科，属于交叉学科研究。随着渗流力学和溶质运移理论的发展，土壤及地下 水中污染物运移规律研究相对成熟，在此基础上，众学者开展了垃圾渗滤液在土 壤及地下水中运移规律的研究。但是针对填埋场垃圾介质中污染物渗透机制的研 究还处于起步阶段，相应的研究成果较少。填埋的垃圾属于一种特殊的多孔介质， 不仅是水分及污染物传输的媒介，同时也是水分及污染物产生的源头，污染物迁 移过程中还伴有复杂的物理、化学和生物过程，因此，对于填埋介质中水分及污 染物质产生的规律及其在复杂填埋介质中的渗透机制需要同时借助环境科学和 渗流力学理论来加以研究。 1 2 2 1 污染物在土层中的运移规律研究现状 国外主要从有机污染物在土层中运移机理方面进行研究，主要包括有机污染 物在土层中存在状态、运移方式、滞后效应、湿润性和入渗规律进行了详细的论 述。在国内，也有一些学者在污染物对土层中运移的实验和理论研究方面，取得 了一些有意义的研究成果。但是国内外对于垃圾堆放场地渗滤液污染物在场地土 层中的运移规律研究工作截止到目前为止几乎还没有开展过。 中国地质科学院水文地质环境地质研究所的刘长礼研究员对北京垃圾堆放 场地对地下水的污染调查中发现，位于大兴区的某垃圾场，由于表层粘性土厚度 大于1 0 m ，第一含水层都在1 4 m 以下，在垃圾场下游不同距离取相同含水层水 样测试分析，以地下水i i i 类水质量标准作为评价的参照值，表1 3 计算评价结果 表明该垃圾场对当地地下水没有造成污染。北京朝阳区的某垃圾堆放场地位于清 河南岸边，浅层水位埋深z s m 左右，在垃圾场地周围布孔采取浅层地下水样进 行测试分析，表1 4 结果表明垃圾场地对周围的地下水都产生了严重的污染，污 染组分主要是n 0 2 ，其次是n h 4 + 、n 0 3 和c o d ，垃圾场地周围浅层的地下水水 质都较差。通过调研可知，对于垃圾堆放场地来说，垃圾场区土层的厚度、分布 及其渗透性能等，是判定垃圾场是否污染地下水的重要标志之一。研究垃圾堆放 场地渗滤液中污染物在土层中的运移规律具有重要的应用价值和实际意义。 表l 一3 大兴区某垃圾场地对附近地下水水质的影响 6 1绪论 单因子指数坑内水 n h ， 2 7 5 n 0 3 2 5 9 n 0 2 。 7 3 3 5 0 t d s1 2 9 c o d3 0 0 c i o 9 4 综合指数 1 2 8 1 3 距离mo k 4 y 3 ( 参照值) 1 0 i 0 1 0 1 0 1 o 1 0 1 0 3 2 0 ( 上游) 1 2 2 2 污染物在地下水中的运移规律研究现状 据报道，我国6 8 8 座城市中已有2 3 被垃圾带所包围，工业固体废物、污水 的排放等，已成为严重的污染源。北京、上海、石家庄、贵阳、重庆、徐州等城 市的地下水，均已受到了废物不当处置的污染。澳大利亚首都堪培拉废物处置场 由于选址不当，对地下水造成了污染：在美国、英国、加拿大、法国、德国、俄 罗斯等国家，垃圾处置场污染地下水的例子也很多。有害废物污染环境和地下水 不仅是由随意堆置引起，即便是世界各国最普遍的方法一地质处置法，由于防渗 理论的缺陷也造成大量处置场污染地下水。 地下水有机污染是个全球性的问题，是当前人类所面临的最严重的环境污染 问题之一。量化描述有机污染物在地下水中的时空分布特征和运移转化规律可以 为有机污染的治理控制提供科学支持和理论依据，因此对地下水中有机污染物的 运移转化数值模拟研究具有重要的理论意义和现实意义。目前针对污染物在地下 水的运移研究理论相对成熟，研究的也比较深入，但是对垃圾堆放场地所在区域 7 一 加 啷 舢 渊 啷 蚴 蚴 m 加 圳 懈 瞄 蝴 嬲 姗 哪 m 倘 姗 嘣 嘁 嘶 m j 培 如 舛 2 a 4 z ” n z 仉 t 北京工业大学博士后研究工作报告 地下水研究的不多。 据统计，北京市垃圾堆放场地共有一千多处，对垃圾堆放场地的调查研究工 作才刚刚起步，目前仅仅对极少数的垃圾堆放场地进行了现场勘察采样调查、实 验室检测和风险等级评价等工作，对填埋场所在区域下部含水层的水质调查、渗 滤液的污染途径和污染范围以及对污染水体的治理工作还没有开展。 目前，北京市垃圾堆放场的污染状况比较严重，某些垃圾堆放场的垃圾渗出 液直接污染着地下水。根据北京市环境卫生设计科学研究所与北京市勘察设计研 究院有限公司对1 8 座垃圾堆放场地所在地区地质条件和水文地质条件的调查结 果，发现有6 座垃圾填埋场垃圾体底部直接坐落在细砂、粗砂、圆砾、卵石或碎 石等渗透性很高的地层上；有4 座垃圾填埋场垃圾体侧向土层渗透性很高；另外， 垃圾体直接受到浸泡以及可能受到浸泡的垃圾场有7 座，其中直接处于浸泡的垃 圾场有3 座，浸泡垃圾的地下水为浅层滞水。对地质环境风险程度判定结果为： 垃圾渗滤液污染地下水具有高风险值的填埋场有6 个，具有中等风险值的填埋场 有8 个，具有低风险值的填埋场有4 个。一旦含有污染物的渗滤液对地下水造成 二次污染，对填埋场周围自然环境和生态的影响将是大范围的和长期的。 北京市环境卫生设计科学研究所与北京市勘察设计研究院有限公司对丰台 区某垃圾堆放场地所取垃圾淋滤液样进行了实验测定，结果表明由于该垃圾填埋 场类型主要为生活垃圾，所以其中的有机物浓度较高，c o d c r 浓度平均达到3 0 0 0 m g l 。b o d 5 的浓度也较高，平均为3 0 0m g l 左右。同时，所取淋滤液样原子 吸收金属种类多、含量高，有九种重金属离子，主要包括c r ( 铬) 、h g ( 汞) 、 n i ( 镍) 、c u ( 铜) 、z n ( 锌) 、m n ( 锰) 、f e ( 铁) 、c d ( 镉) 、p b ( 铅) 等，其 中，n i 、z n 、f e 、p b 四种金属离子的含量较高，甚至高于工业垃圾淋滤液中 该金属的含量。此外，通过对淋滤液中总大肠菌群、细菌总数、溶解性总固体和 水质悬浮物等指标的监测结果表明总大肠菌群数较低，为n x1 0 2 个l ；细菌总数 偏高，达到n x l 0 5 个l ；水质悬浮物( s s ) 较之生活污水偏高三十多倍，达到 1 0 3 m g l ( 生活污水s s 小于7 0m g l ) ；溶解性总固体数( t d s ) 达到1 0 4 m g l ， 比生活饮用水卫生标准高出十倍( 生活饮用水标准t d s 为1 0 0 0m g l ) 。各项测 试指标中，绝大部分指标均远大于生活垃圾填埋污染物控制标准 g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 ) ) 规定的淋滤液排放标准，一旦渗入地下，将会对地下水造成严 8 l绪论 重污染，后果不堪设想。 中国地质科学院水文地质环境地质研究所的刘长礼研究员对北京市平原的 西部地区典型垃圾堆放场地的地下水进行了大量的采样测试与分析计算，并用环 境影响评价的方法，如水质综合污染指数法和内梅罗污染指数法进行了计算评 价。评价结果表明，这些垃圾场对北京市平原的西部地区的地下水、地表水、土 壤都产生了较严重的污染。特别是对该区地下水资源的污染尤其严重，综合污染 指数可达到5 9 ：单项污染组分如n 0 2 。、n h 4 + 、c o d 等普遍比参照值高出几十倍， 致癌物质n 0 2 - 则高出3 4 0 多倍。从水质的角度看，有的地下水中的污染物( n 0 2 、 n h 4 + 、c o d ) 已经超出地下水i i i 类水质标准数十倍甚至1 0 0 多倍，到了不能饮 用甚或禁止饮用的程度。北京西区的垃圾场对地下水的污染较严重，污染范围主 要集中在永定河两岸一定范围内的地下水含水层中。 通过调研可知，开展对垃圾堆放场地淋滤液污染组分在地下水中的运移规律 研究以及北京市垃圾堆放场地所在区域地下水状况的研究工作具有十分重要的 理论研究意义和实际应用价值，已经成为目前迫切需要解决和研究的重要问题。 1 3 本文研究内容 ( 1 ) 在对北京市垃圾堆放场地调研的基础上，选择五处对北京市地下水污 染状况有代表性的典型垃圾堆放场地进行研究，并对其结构类型、垃圾成分以及 所在位置的地质、水文地质条件进行分析。 ( 2 ) 所选垃圾堆放场地的垃圾体、土层及地下水的化学成分的研究，主要 是对垃圾体、土层及地下水中各种污染因子指标的测定。并确定地下水中主要污 染物污染途径、污染程度和污染范围。 ( 3 ) 开展对垃圾堆放场地垃圾体填埋深度与温度、含水量以及有机物含量 关系的现场及室内实验测定研究，通过该项研究工作可以得到垃圾体填埋深度与 温度场、垃圾含水量和有机物含量的相互关系。 ( 4 ) 通过室内实验及现场试验确定所选垃圾堆放场地土层和含水层参数。 该部分的实验包括：渗透系数的测定、吸附系数、降解系数的测定和弥散系数的 测定。渗透系数的测定是在室内用渗透仪测定；吸附系数是通过静态等温吸附试 验测定的，根据试验结果可绘制吸附等温线并得到土的吸附系数；根据静态降解 9 北京工业大学博士后研究工作报告 实验可以得到特征污染物的降解动力学模型，从而得出其降解系数，弥散系数是 通过动态土柱试验测定的，根据试验结果曲线，利用弥散系数计算公式可以得到 污染物在土体中或地下水中迁移的弥散系数。 ( 5 ) 填埋场地下水中主要污染物运移模型的研究及污染物未来的扩散情况 的预测。 1 ) 通过现场取土样研究垃圾污染物在土层中的竖向和横向运移规律。 这部分内容是对土层中污染质自然迁移与衰减规律性的野外研究，通过对某 些垃圾场地的土层的不同深度、不同水平距离的污染成分测试，可以得到污染质 在土层中的垂向、横向迁移与衰减特征。 2 ) 建立考虑污染源随浓度衰减和不考虑污染源浓度衰减情况下污染物的运 移模型。 由于污染源在雨、雪、冰雹、地表径流等冲刷下，其浓度会随时间而逐渐减 小，但一般的污染物运移模型中没有考虑污染源浓度衰减的影响，所以为了结合 填埋场现场的实际情况，模型的建立拟考虑污染源浓度衰减对污染物运移转化规 律的影响。 3 ) 根据所建立的污染物运移模型，给出解析解。根据模型解对垃圾体中所 含主要污染物浓度随时间和空间的分布情况做出预测。针对建立的考虑污染源随 浓度衰减和不考虑污染源浓度衰减情况下污染物的运移模型，通过数值分析和计 算或在一定合理简化和假设的情况下通过拉氏变换，给出所建模型的数值解。最 后根据得到的模型解对垃圾体中所含主要污染物浓度随时间和空间的分布情况 做出预测，从而给出污染物在规定时间内迁移的临界深度。 ( 6 ) 根据现场监测、室内试验结果和模型分析成果，最终提出垃圾堆放场 地的处理处置建议。 l o 2 北京市垃圾堆放场地及其所处区域水文地质条件 2北京市垃圾堆放场地及其所处 区域水文地质条件 2 1 北京市垃圾堆放场地 2 1 1 北京市垃圾堆放场地形成原因 北京市垃圾堆放场地形成由来已久，是垃圾管理逐步完善过程中随之出现的 现象。 1 9 4 9 年以前，北京城对垃圾很少处理，城内的垃圾堆积如山，有的地方堆 积到屋顶，有的地方堆上了城墙，有些垃圾堵塞了街口和胡同，故宫里面也是垃 圾堆成山。为清除垃圾，1 9 4 9 年3 月，市政府成立了北平市清洁运动委员会， 各区成立分会，首次发动人民群众清除垃圾。清运工作自3 月2 4 日起，历时9 l 天，运垃圾2 0 1 6 3 8 吨。垃圾均运至指定地点进行消纳。此后，又经1 9 4 9 年1 1 月和1 9 5 1 年3 月两次清洁大扫除，清除了陈积的6 0 多万吨城市垃圾，引来不少 知识分子的一片赞叹。 1 9 5 2 年开始陆续实行用汽车直接收运的办法，改用夜间运输。运输的垃圾 多被用来填垫积水坑洼和窑坑。1 9 5 5 年，郊区农村开始利用城市生活垃圾堆肥。 过去的垃圾粉煤灰多，因此就用来垫低洼地，一度造成北京的土壤恶化，保肥保 水能力变差，农民拒绝接受城市垃圾。为保护农田，1 9 5 6 年开始试行生活垃圾 分类收集，居民和单位将生活垃圾按有机垃圾和无机垃圾分类存放，清洁工人按 单双日分别收运。北京因此成为世界上推行垃圾分类最早的城市。但这样生产的 垃圾，主要用于回填建筑废坑、烧砖取土坑和砂石坑等：在2 0 世纪9 0 年代之前， 主流的方法还是随便堆放，侵占土地，严重污染地下水。 直到1 9 9 4 年建成我市第一座垃圾处理场( 阿苏卫垃圾卫生填埋场) 以来， 生活垃圾的处置才有所改变。到目前为止，相继建成了北神树、安定等1 7 座垃 圾卫生填埋场和垃圾综合处理厂，对北京市的生活垃圾填埋发挥了重要作用。虽 然近年来在市委、市政府高度重视下，我市垃圾处理设施建设速度发展很快，但 北京工业大学博士后研究工作报告 是全市垃圾产生量和处理能力仍存在缺口。目前全市生活垃圾日产生量1 4 7 万 吨，到2 0 1 0 年预计达到1 6 万吨，而现在设计日处理能力仅为9 5 3 0 吨，实际处 理能力为1 2 万吨，垃圾处理能力仍存在较大缺口。到2 0 0 5 年，全市共有垃圾 处理设施2 3 座，生活垃圾无害化处理率为8 l ，其中，城八区9 5 ，郊区4 7 。对于没有进行无害化处理的生活垃圾就只能进行简易填埋，这样就使原有垃 圾堆放场地仍在使用或形成新的垃圾堆放场地。 2 1 2 北京市垃圾堆放场地数量与分布 2 1 2 1 垃圾堆放场地 北京市垃圾堆放场地垃圾积存量大于5 0 0 0 吨垃圾填埋场占总数的4 2 ， 3 0 0 0 5 0 0 0 吨垃圾填埋场占总数的1 2 ，3 0 0 0 吨以下垃圾填埋场占总数的4 6 。 北京市四环路以内没有垃圾堆放场地，四环至五环之间有3 3 处，估算量为2 2 0 0 多万吨，生活垃圾约占7 5 ，建筑垃圾约占2 5 ，分布在朝阳、海淀、丰台、 石景山、大兴等五个区；大部分垃圾堆放场地分布在五环至六环路之间和六环路 以外，共计9 8 7 处，约占总数的9 7 ，估算量为5 8 0 0 多万吨，生活垃圾约占9 0 左右，建筑垃圾约占1 0 。 北京市城区没有垃圾堆放场地，大约9 9 的垃圾堆放场地集中在农村地区。 2 1 2 2 垃圾堆放场地区域分布 经过实地踏勘与查阅资料，垃圾堆放场地分布有如下特征： ( 1 ) 在平原区域内多，在山区地带少； ( 2 ) 在空间上出现以农村包围城市的形态，明显呈现出环带状； ( 3 ) 集中在城乡结合部位，没有专业指导与管理，填埋垃圾与覆盖土的掩 埋不规范，使得垃圾露天暴露、渣土遍地、杂草丛生，严重影响环境整洁。 ( 4 ) 垃圾堆放场地相对集中的地点在经济开发较早的区县，经济开发较晚 的区县呈现零星分散的状况： 针对表2 1 所列的垃圾堆放场地行政区域分布数量，可以用图2 1 形象化显 示垃圾堆放场地在宏观区域分布情况，各区县垃圾填埋场体量可见图2 2 。 2 北京市# 城放场地厦其所处区域水文地质条件 图2 - 1 垃圾填埋场体量匪域分布图 圈2 - 2 垃圾填埋场体量区域分布 2 1 2 3 垃圾堆放场地管辖分级 从调查了解的情况看，北京市垃圾堆放场地按照管理有以下情况： ( 1 ) 区县辖管 由各区县环卫系统在乡镇、村使用的较大规模的垃圾堆放场地基础上，继续 进行填埋垃敷；垃圾来自城市的居民家中，垃圾成分构成复杂有蔬菜叶、塑料 北京工业大学博士后研究工作报告 包装，有建筑渣土，又有工业垃圾，垃圾中有机质占总量的三分之一，无机物占 三分之二，所产生的渗滤液中c o d 、b o d 5 含量高，同时无机物污染组分很复 杂，还有大量的重金属物质存在，对环境污染危害较大，是造成环境污染的主体。 此种垃圾堆放场地数量较少。 ( 2 ) 乡镇辖管 以乡、镇的范围进行管理消纳垃圾，垃圾的成分主要以炉灰和蔬菜等厨余废 弃物和建筑渣土为主，有机物含量相对较高，产生的渗滤液比区县的垃圾填埋场 要少，但是渗滤液不易代谢分解，对环境污染有一定的危害。此种垃圾堆放场地 的数量略多。 ( 3 ) 村辖管 以村的形式进行松散的管理，垃圾成分以无机物为主，有灰土、砖瓦砂石和 陶瓷及塑料包装，造成的污染以无机物为主，产生的渗滤液比区县辖管、乡镇辖 管的垃圾堆放场地要少，对环境的危害不大；垃圾堆放场量最多。 2 2 垃圾堆放场地所处区域水文地质条件 垃圾堆放场地分布于北京市1 4 个区县( 除东城区、西城区、崇文区和宣武 区) ，分布范围广泛，几乎包括整个北京市山区和平原地区。任何污染现场的水 文地质条件都对地下水和污染物在地下的运移起着极其重要的作用。为了确定典 型垃圾堆放场地，有必要了解北京市垃圾堆放场地所处的区域水文地质条件。 2 2 1 北京市自然地理概况 2 2 1 1 地理位置 北京位于华北平原的西北部，除东南局部地区与四周与天津接壤外，其余 皆与河北毗邻。北京市土地面积为1 6 4 1 0 k m 2 。其中，山区面积为1 0 0 7 2 k m 2 ，约 占总面积的6 1 3 8 ；平原区面积6 3 3 8 k r n 2 ，约占总面积的3 8 6 2 。 北京市按行政区划分为1 8 个区( 县) ，包括由东城、西城、崇文、宣武4 个区组成的城区和由朝阳、海淀、丰台、石景山4 个区组成的近郊区以及由门头 沟、房山、通州、顺义、大兴、平谷、怀柔、昌平、密云、延庆1 0 个区( 县) 1 4 2北京市垃圾堆放场地及其所处区域水文地质条件 组成的远郊区。 2 2 1 2 地形、地貌条件 地形总体为三面环山，西北高，东南低。西北崇山峻岭绵延起伏，东南平坦 开阔一望无垠。地貌分为西部山地、北部山地和东南平原三大块。北京市平原区 由东到西分布的主要河流有错河与洵河、潮白河、温榆河与北运河、永定河及拒 马河。平原区河道面积为5 5 3 3 4 k m 2 ，占平原区面积8 1 3 ，占全市面积3 3 7 。 平原区河道河漫滩地发育，河漫滩沿河道带状向南伸展，宽度一般l o o m l 5 0 0 m 不等，高出河床水位0 5 1 m ，粒度由上游到下游变细，一般多为砂地。 2 2 1 3 气候 北京的气候属于温带大陆性气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季天高 气爽，冬季寒冷干燥。由于地形、地势及气压等条件的不