基于环境风险的危险废物填埋场安全寿命周期评价

徐 亚,能昌信,刘玉强,杨金忠,刘景财,董 路*



徐 亚1,2,3,能昌信1,2,刘玉强1,2,杨金忠1,2,3,刘景财1,2,董 路1,2*

(1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室,北京 100012；2.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京 100012；3.北京师范大学水科学研究院,北京 100875)

通过系统分析危险填埋场的设计功能,结合安全寿命周期的定义,对危险废物填埋场的安全寿命周期进行了定义.在此基础上,通过文献查阅和理论推导确定了描述危险废物填埋场主要单元性能衰减的老化模型,并结合课题组开发的渗漏环境风险分析模型,建立了危险废物填埋场的安全寿命评估模型,并选择中部某危险废物填埋场进行了案例研究.结果表明:随着防渗材料老化以及导排层淤堵,渗滤液渗漏量将逐渐增加,其安全贮存功能将逐渐丧失,并逐渐达到其安全寿命周期.仅就本案例而言,该填埋场的安全寿命周期为385a;对安全寿命周期相关参数的敏感性分析表明,浸出浓度与填埋场安全寿命周期呈负相关,包气带厚度和含水层厚度与安全寿命周期呈正相关,相关系数分别为-0.79、0.99和0.72,这说明包气带厚度对安全寿命周期影响更大,其次为浸出浓度,最后为含水层厚度;应加强填埋场相关单元老化模型研究,开展其他因素对填埋场安全寿命周期的影响,进一步完善危险废物填埋场安全寿命周期评价理论和方法.

健康风险；安全寿命周期；渗滤液渗漏；老化

近年来,危险废物填埋场作为危险废物安全处置的重要手段和设施在全国范围内大量建设[1-2].通过封场覆盖系统、预处理、防渗系统以及地质屏障等多层防护,危险废物填埋场能在一定时期内有效防止危险废物中有害组分向环境的扩散,达到危险废物安全处置的目的[3-7].研究表明,作为危险废物填埋场的主要功能单元,保证危险废物得到安全处理的封场覆盖系统、导排系统和防渗系统,其性能是会逐渐老化的.针对填埋场导排系统淤堵[8-9]的研究表明,导排管在运行一段时间后将发生淤赌,导排介质的渗透系数也将发生10倍甚至以上的衰减.对土工防渗材料的研究[10-13]也表明,温度变化、紫外线照射,化学腐蚀等都会造成HDPE膜防渗性能会逐渐衰减,漏洞数量会逐渐增多.另外对等固化材料的研究也表明,水泥、石灰等材料对有害组分的固化和稳定化作用也会随时间衰减[14].上述文献研究表明,危险废物填埋场中的防渗系统、封场覆盖系统、导排系统、固化材料性能等都会随着时间衰减,防止危险废物中的有毒有害组分逸散(至土壤和地下水环境中)的能力会逐渐降低.而另一方面,区别于生活垃圾填埋场,危险废物填埋场中有毒有害组分以重金属污染物为主[15],其降解行为较弱,有毒有害特性将长时间存在.因此一旦上述功能单元老化,危险废物填埋场中有毒有害组分将向周边环境介质迁移,污染土壤和地下水,进而对周边居民构成饮水安全问题.

由此可见,危险废物安全填埋场其安全寿命是有限的,超过一定周期安全填埋场将不再“安全”. 因此对填埋场进行安全寿命周期评价,并依此指导后续的风险管理行动有着重要的实践意义.所谓安全寿命周期,是指一项安全设施,经过设计、施工和使用,直到丧失其必要的安全功能而需要进行新的投资为止的过程[16-17].在废物填埋领域,国内外学者也开展了一些安全寿命周期的相关研究.如Fady等[12]对作为填埋场人工衬垫(HDPE膜)的老化特征研究、王殿武[11]对土工布性能随时间的变化进行了研究、Fleming等[9]对导排层渗透系数的变化进行了研究.然而上述研究基本还停留在对填埋场某个单元老化性能的研究上,将危险废物填埋场作为一个整体,并对其安全防护性能变化及安全寿命周期的研究未见报道.

本研究通过系统分析填埋场的设计功能,结合安全寿命周期的定义,对危险废物填埋场的安全寿命周期进行了定义.在此基础上,通过文献查阅和理论推导确定了描述危险废物填埋场主要单元性能衰减的老化模型,结合课题组构建的渗漏环境风险评价分析模型,并通过耦合衰减模型和渗漏风险分析模型,建立了危险废物填埋场的安全寿命评估模型.

1 研究方法

1.1 填埋场安全寿命周期定义及表征方式

目前没有针对危险废物填埋场安全寿命周期的定义.在航空动力学等研究领域,安全寿命周期一般定义为一项安全设施,经过设计、施工和使用,直到丧失其必要的安全功能而需要进行新的投资为止的过程[16-17].对于危险废物填埋场而言,其安全功能就是隔断危险废物中重金属等有害组分向环境和人体迁移的途径,从而达到危险废物安全处置的目的,结合其他领域对安全寿命周期的定义,本研究定义危险废物填埋场的安全寿命周期为从其试运行开始,至其失去安全防护能力(对渗滤液中的有害组分)的过程.

假设点p位于危险废物填埋场安全防护距离处,p处地下水中污染物的浓度为(),当危险废物填埋场防渗和导排能力下降导致p处污染物浓度()随时间升高,并在时刻超过该类污染物的人体健康浓度阈值CL,此时的值极为危险废物填埋场的安全寿命周期(图1).据此,填埋场的安全寿命可用下式表述:

式中:SL为-危险废物填埋场安全寿命周期;为时间,以危废填埋场开始运行为时间坐标轴的坐标原点;CL 为某类污染物的人体健康阈值;()为时刻安全防护距离处的污染物浓度.

如已知安全防护距离处的污染物浓度过程曲线,就可以根据该污染物的健康阈值浓度确定其安全寿命周期.那么关键的问题是计算安全防护距离p处的污染物浓度随时间变化过程曲线及其的健康阈值浓度CL.

1.2 污染物浓度计算模型

1.2.1 ERAMLL模型介绍 地下水中的污染物浓度随时间变化过程采用中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所开发的危险废物填埋场渗漏环境风险分析模型(ERAMLL)进行计算[18-19].该模型是渗滤液产生模型、渗漏模型、侧向导排模型、污染物组分在包气带和地下水含水层中迁移转化模型的风险综合分析系统,其求解方法综合考虑地表降水和径流过程、地表入渗水的堆体渗漏和导排、堆体淋溶、以及渗滤液通过过粘土、土工膜和复合衬垫的渗漏、以及渗滤液渗漏后污染组分在包气带和地下水中的迁移转化等地表地下水流和溶质运移过程.

1.2.2 老化模型 危险废物填埋场的安全寿命周期的主要受其防护单元性能衰减的影响:随着防渗层防渗性能减弱和导排层导排能力降低,渗滤液的渗漏量增加,地下水中污染物浓度会逐渐增加,最终达到人体健康浓度阈值.体现在模型上,则是ERAMLL模型中相关参数值的变化,包括: HDPE膜渗透系数gm增加,HDPE膜上漏洞密度增大,导排层渗透系数d减小.

文献[20]认为在渗滤液腐蚀、紫外线照射等影响下,HDPE膜的渗透系数会从250a左右开始增大,至1000年其防渗能力将与黏土相当.假定HDPE膜渗透系数随时间线性增加,第250a时渗透系数为1´10-13cm/s,第1000年时渗透系数等于黏土渗透系数(1´10-7cm/s),那么HDPE膜的渗透系数可表达成时间的函数关系式:

gm()= 1.33×10-10×(250) (2)

式中:gm()为时刻HDPE膜的渗透系数,cm/s.

文献[20]认为,HDPE膜上漏洞在第100年开始增加,每250年增加一倍,同样可近似表达成下述幂函数关系式:

式中:()为时刻的漏洞密度,个/hm2;0为初始漏洞密度,个/hm2.

导排层渗透系数随渗滤液特性、导排颗粒级配特性等许多因素影响,计算过程非常复杂,本文采用文献[21]介绍的简化模型进行描述:

d()=(4)

式中:d()为时刻导排层渗透系数,cm/s;d0为其初始渗透系数,cm/s;waste为导排层上方垃圾层的渗透系数,cm/s.

1.2.3 EMAMLL模型和老化模型的耦合 EMAMLL模型中计算渗漏量时假设HDPE膜渗透系数gm,HDPE膜上漏洞密度以及导排层渗透系数d均不随时间发生变化,渗漏为稳态下渗.而老化模型假设上述参数均随时间变化,为实现两者的耦合,需要将模拟时间以Δ为步长进行,在每个时间步长内假设gm、和d均不发生变化;而每增加一个时间步长,则根据公式重新计算gm、和d值,并将其代入ERAMLL模型计算污染物浓度.

1.3 阈值浓度确定方法

污染物对人体的健康影响包括致癌效应和非致癌效应[22-24],对于致癌效应污染物其阈值浓度采用式(5)[25]计算:

式中:RCca为致癌效应污染物的阈值浓度,mg/L; BW为暴露人群的平均体重,kg,取60;ATca、EFca、EDca分别为致癌效应平均时间、暴露频率和暴露期,d、d/a和a,取26280、350和24;CR为地下水摄入量,L/d,取2;SFO为经口摄入致癌斜率因子,kg体重d /mg污染物.

对于非致癌效应污染物,其阈值浓度采用式(6)[25]计算:

式中:RCnca为非致癌效应污染物的阈值浓度,mg/L; ATnca为非致癌效应平均时间,d;RfDO为经口摄入致癌斜率因子,mg污染物/(kg体重×d)

对于既具有致癌效应又具有非致癌效应的污染物,其阈值浓度取RCca和RCnca中的较小值.

2 案例研究

2.1 填埋场概况

案例研究中的危险废物填埋场位于中部某内陆省份,填埋场设计库容为27.4万m3,库底面积约2.5hm2,填埋高度约11m(地面以下6m地面以上5m).根据该填埋场设计规划,拟处理的危险废物主要为含锌废物、无机氟化物和含铬废物,因此将Zn、F和Cr作为目标污染物,以其健康风险为填埋场安全寿命周期评估依据.

根据该填埋场的水文地质勘测报告,场区地质稳定性好,无活动断裂,地质条件较为简单.填埋场库底下方依次为13m左右的非饱和土层、15m左右的潜水含水层以及隔水层.最近的居民点距场区边界约800m(可视为安全防护距离),因此可将场区水文地质概念模型及暴露点概化如图3.

2.2 模型输入参数

模型输入参数包括以下几类:地表入渗参数、填埋场结构及渗滤液浓度参数、老化模型参数以及多孔介质水流和溶质运移参数,其中老化模型参数见式(2)~式(4),其他参数见表1所示.

表1 模型计算所需的主要参数Table 1 Summary of main input parameters

续表1

参数取值*来源 填埋场结构及渗滤液特性参数库底面积(hm2)2.5实测 最终填埋高度(m)11实际调查 ③渗滤液中污染物浓度(mg/L)锌75文献[26] 无机氟化物100文献[26] 铬2.5文献[26] 主导排管坡度(%)5实际调查 主导排层厚度(m)0.3实际调查 主导排层初始渗透系数 (cm/s)0.1实际调查 次导排管坡度(%)5实际调查 次导排层厚度(mm)6.3实际调查 ①次导排层渗透系数(cm/s)0.1实际调查 ②防渗层结构双人工衬层实际调查 漏洞密度(个/hm2)11实测 防渗膜初始渗透系数(cm/s)1´10-13实际调查 天然基础层厚度(m)0.6实际调查 天然基础层渗透系数(cm/s)1´10-7实际调查 多孔介质水流和溶质运移参数包气带厚度(m)13实际调查 包气带渗透系数(cm/s)5.79´10-4实际调查 包气带纵向弥散度(m)实际调查 含水层厚度(m)15实际调查 含水层渗透系数(cm/s)2.66´10-2实际调查 水力坡度(%)实际调查 含水层孔隙度实际调查 纵向弥散度(m)文献[26] 横向弥散度(m)1文献[26]

注*:①考虑到经过主导排层过滤以后,渗滤液中淤堵物质减少,次导排层淤堵可能相应减小,因此不考虑次导排层的淤堵;②次防渗层和主防渗层采用同样的HDPE膜,其渗透参数和老化参数与主防渗层一致;③渗滤液中污染物浓度取《危险废物填埋场污染控制标准》[26]中入场废物的控制限值浓度

2.3 阈值浓度确定

目标污染物的致癌效应和非致癌效应根据《污染场地风险评估技术导则(HJ 25.3- 2014)》[25]确定,若导则中相关污染物存在致癌毒性参数,则认为其对人体的健康影响为致癌效应,否则不考虑其致癌效应;同理,对于非致癌效应亦如是.最终确定Zn和无机氟化物为非致癌效应,铬为致癌效应和非致癌效应,其毒性参数值如下表所示.

表2 污染物毒性参数Table 2 Toxicity parameters of target contaminants

根据表2中的毒性参数,以及式(5)和(6)分别计算得到Zn、无机氟化物和Cr的阈值浓度分别为2.35,0.31,0.03mg/L.

3 结果与讨论

3.1 安全寿命周期确定

利用EMAMLL模型和老化模型计算得到安全防护距离处地下水井中污染物的浓度,结合2.3节计算得到的不同污染物的阈值浓度,就可以得到基于不同防护对象(污染物)的危险废物填埋场安全寿命周期,见图4.从图4a可以看出,以防止Zn对人体的健康危害为目标,那么该填埋场的安全寿命周期是625a;而图4b说明,以F对人体的健康危害为防护目标,那么该填埋场的安全寿命周期是385a,同理可以确定以防止Cr对人体的健康危害为目标,该填埋场的安全寿命周期是470a.从保护人体健康角度,应取上述三者中的最小值,即385a为安全寿命周期.

安全防护距离处取水井中的污染物浓度是否超过其阈值浓度是判定填埋场是否达到安全寿命周期的依据.从图5可以看出,3种污染物(Zn、Cr和无机氟化物)的浓度变化过程均可划分为3个阶段:以Zn为例,第1个阶段是污染物从库底到取水井的穿透时间(BP),即污染物从防渗层渗漏后,经过天然基础层和包气带的截污以及在含水层中的扩散后到达地下水取水井的过程,这1阶段约70a 左右.第2阶段为Zn浓度快速增加到相对稳定的过程,时间区间为70~330a左右.快速增加阶段为70~78a左右,这一阶段是Zn从到达取水井后到扩散平衡的过程.78~330a为Zn浓度保持相对稳定的过程,虽然这一阶段中虽然出现漏洞数量开始增加(第100a)、土工膜渗透系数增加(第250a)以及导排层渗透系数减小等不利事件,但是Zn浓度并没有出现明显的增加.其原因分析如下:根据公式3,漏洞密度呈幂指数增加,因此初期(100~250a)增加比较慢,后期(250a)增加比较快(图6a).同时在250a以后土工膜渗透系数也开始线性增加(图6b),如此就导致渗漏量也在第250a左右快速增加(图6b).但是取水井中污染物浓度对渗漏量快速增加的响应有一个滞后时间(约等于穿透时间BP),该时间受天然基础层和包气带厚度及渗透系数、地下水流速等参数影响,本案例中该时间约70a左右.

第3阶段为330a以后,此时Zn浓度开始再次快速增加,到1500a左右达到稳定状态.此时Zn浓度的快速增加正是由于漏洞数量和土工膜渗透系数增加,以及导排层渗透系数减小造成的.直至1500a左右,防渗膜已经完全老化,而导排层渗透系数也不再减小,取水井中的Zn浓度才逐渐趋于平衡.

3.2 安全寿命周期的影响因素

危险废物填埋场的安全寿命周期受许多因素影响,如材料抗老化性能(土工膜防渗能力、导排层防淤堵能力)、渗滤液浓度和场址因素(包气带厚度和渗透系数、含水层厚度和渗透系数)等.而材料老化性能通常很难控制,但渗滤液浓度可以通过控制浸出浓度限值进行控制、场址因素也可以通过在填埋场选址阶段进行更改.选择浸出浓度限值、包气带渗透系数和含水层厚度进行研究,分析其对填埋场安全寿命周期的影响.

在保持其他参数不变的条件下,分别改变浸出浓度限值、包气带厚度和含水层厚度,计算相应的安全寿命周期,并绘制安全寿命周期的关系曲线,见图7.从图7a可以看出,浸出浓度限值和安全寿命周期的关系可以拟合成幂函数曲线,R平方值为0.95,说明拟合结果较为可靠.根据该拟合曲线,安全寿命周期将随危险废物浸出浓度限值的减小而增大.同时相关分析结果表明,两者呈显著的负相关,相关系数为-0.79.

图7b中包气带厚度和安全寿命周期的关系曲线可近似拟合为二次函数,2接近1,拟合结果非常可靠.根据该拟合曲线,可以推断包气带厚度的增加将有效延长填埋场的安全寿命周期.图7c中,含水层厚度与安全寿命周期近似为对数关系,含水层厚度增加将导致安全寿命周期增加.尤其当含水层厚度从5m增至10m时,其增长更为显著.这意味着当含水层厚度小于10m时,填埋场安全寿命周期将大幅减小.相关分析表明,包气带厚度和含水层厚度与安全寿命周期呈显著正相关,相关系数分别为0.99和0.72,说明包气带厚度对安全寿命周期的影响比含水层厚度的影响更大.

时间和经费所限,本文所采用的老化模型较为简单,只能粗略反应相关单元的老化过程;同时最后的安全寿命周期分析仅考虑了3个参数,进一步研究中应当开展填埋场结构、防渗膜初始渗透系数和初始漏洞密度等参数对安全寿命周期的影响.

4 结论

4.1 随着防渗材料老化以及导排层淤堵,填埋场渗滤液渗漏量将逐渐增加,其安全贮存功能将逐渐丧失,并逐渐达到其安全寿命周期.仅就本案例而言,该填埋场的安全寿命周期为385a.

4.2 基于不同防护对象(Zn、无机氟化物和Cr)计算的安全寿命周期不同,分别为625,385,470a.因此应当将无机氟化物作为重点控制和关注的污染物,通过减小其浸出浓度限值达到减小其人体健康风险,增加填埋场安全寿命周期的目的.

4.3 对污染物浸出浓度限值、包气带厚度和含水层厚度的分析表明,浸出浓度与填埋场安全寿命周期呈负相关,包气带厚度和含水层厚度与安全寿命周期呈正相关,相关系数分别为-0.79、0.99和0.72,这说明包气带厚度对安全寿命周期影响更大,其次为浸出浓度,最后为含水层厚度.

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* 责任作者, 研究员, donglu@craes.org.cn

Risk-based method to assess the safe life of hazardous waste landfill

XU Ya1,2,3, NAI Chang-xin1,2, LIU Yu-qiang1,2, YANG Jin-zhong1,2,3, LIU Jing-cai1,2, DONG Lu1,2*

(1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.College of Water Science, Beijing Normal university, Beijing 100875, China)., 2016,36(6)：1802~1809

Through systematic analysis on hazardous waste landfill’s (HWL) design function, the definition of Safety Life Cycle (SLC) of HWL was given with reference on the traditional definition of SLC. Base on this, the models describing the degradation process of HWL’s main functional units were determined by literature reviewing and theoretical analyzing. This models were then coupled with the ERAMLL (Environmental risk assessment model for the leachate leakage) to assess the SLC for HWL. A HWL in central area in China was selected as a case study, and the result reveals that: with the aging of geomembrane and clogging of drainage system, the leakage rate of leachate in HWL will increase with time. Its environment risk will increase, and the HWL will reach to its SLC. As far as this case is concerned, its SLC is about 385a; sensitivity analysis on relevant parameters indicates that the parameter of leaching concentration has negative relation with the SLC, while the thickness of vandose and aquifer has the positive relation with the SLC. Among them, parameter that has the greatest influence on SLC is vandose thickness with the coefficient of correlation equal to 0.99, and then are the limit value of leaching concentration and aquifer thickness with the coefficient of correlation equal to -0.79 and 0.72, correspondingly. Finally, this paper suggested that more effort should be paid to strengthen the research on aging models and the factors that influence the SLC in order to consummate the theory and method of SLC assessment.

health risk；safety life cycle；leachate leakage；aging

X705

A

1000-6923(2016)06-1802-08

徐 亚(1987-),男,湖南岳阳人,北京师范大学水科学学院博士研究生,主要从事固体废物填埋技术及风险评价研究.发表论文15篇.

2015-11-06

国家科技支撑计划(2014BAL02B00);环保公益性行业科研专项重点项目(201209022);国家自然科学基金项目(61503219)