基于病毒防护的填埋场隔离距离研究

向 锐,雷国元,徐 亚,刘玉强,董 路,刘景财,黄启飞

基于病毒防护的填埋场隔离距离研究

向 锐1,2,雷国元1*,徐 亚2**,刘玉强2,董 路2,刘景财2,黄启飞2

(1.武汉科技大学,湖北省工业安全工程技术研究中心,湖北 430081；2.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,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)

为研究渗滤液中致病性病毒对填埋场隔离距离的影响,提出一种基于系统健康风险目标的建模方法,用于确定地下水梯度、水力传导系数和包气带厚度对隔离距离的影响,基于线性剂量-效应模型和可接受的感染风险[<10-4/(人×a)]推导确定了饮用水肠道病毒浓度限值,通过耦合渗漏源强模型-以及水流和病毒在包气带中的纵向迁移转化和含水层中的水平迁移转化模型,构建了污染物泄露-迁移-降解的解析模型,并基于Monte-Carlo模拟表征解析模型中参数的不确定性.选择某典型生活垃圾填埋场开展案例研究,结果表明,在砂含水层中为44~564m,在砾石含水层中为91m~2.39km,在粗砾石含水层中为1.74~27.29km;地下水梯度从0.001变化到0.05,导致最高梯度处的隔离距离比最低梯度大10~20倍;当包气带厚度从1m增加到10m时,隔离距离可缩短到10m以内.隔离距离的确定需根据具体的安全防护要求和水文地质条件确定.

生活垃圾填埋场；水文地质参数；隔离距离；病毒防护

目前,卫生填埋是我国城市垃圾处理的主要手段.然而,填埋场渗漏导致的地下水污染日益严重,已成为重要的人为地下水污染源之一.渗滤液中不仅含有氨氮、COD等传统污染物,还含有持久性有机物[1]、重金属[2]、致病细菌[3]等多种有毒有害物质.因而,渗滤液污染的地下水不仅会影响生态环境,还会通过饮用、洗澡等途径暴露于人体,并引发各种水源性疾病.近年来,一些学者甚至在填埋场周边被污染地下含水层中发现了具有遗传毒性[3]、生殖毒性[4]和胚胎毒性[5]的新兴污染物,包括激素、抗生素、个人护理产品和纳米颗粒[6],这些污染物一旦暴露于人体后,会对人体健康造成严重的影响[7].

虽然现代卫生填埋场试图从选址、设计、建设、运营和封场等全生命周期[8]对渗滤液的产生和渗漏进行控制,但是在建设和运行过程中不可避免的会造成防渗层的破损,从而导致渗滤液渗漏事件[9].据美国环境保护署(USEPA)的统计,美国55000个垃圾填埋场中约有四分之三周围的水体被渗滤液污染了[10].国内渗漏情况更加严重[11],防渗层破损高达28个/hm2.因此,设置合适的隔离距离十分必要.适当的隔离距离,可以让渗滤液中有毒有害物质的浓度在包气带的吸附作用和含水层的稀释作用下持续降低[12],使得饮用水源的水质要求达到安全用水标准[13].由于隔离距离对于饮用水源的重要性,很多国家均提出相关要求,国内相关标准要求生活垃圾填埋场必须与周边饮用水源的距离保持500m以上.Blaschke等[14]以病毒为目标污染物研究了小型生物废水处理系统与饮用水井之间的隔离距离;Xu等[15]研究了危废填埋场浅层含水层与供水井之间的隔离距离.

已有研究中隔离距离的确定大多数以重金属或其他污染物作为隔离目标[16],较少考虑病毒.然而有研究表明[17-18],渗滤液中含有致病微生物,特别是肠道病毒,可以存活较长时间.为了使填埋场与饮用水源之间的隔离距离更加合理,本文在渗漏条件下,以肠道病毒为隔离目标,利用渗漏源强模型-以及水流和病毒在包气带中的纵向迁移转化和含水层中的水平迁移转化模型分别研究包气带和含水层厚度、水力传导系数、水力梯度等参数的影响.

1 材料与方法

1.1 可接受的肠道病毒浓度限值

世界上许多国家均对饮用水中的微生物指标提出了明确要求,主要是以大肠杆菌(非致病性)作为主要的指示生物,来判断水质是否符合标准,如欧盟饮用水指令[19]要求每100mL饮用水样品中大肠杆菌的数量需小于1个;新西兰饮用水标准同样要求饮用水中大肠杆菌小于1个/100mL[20].但是,上述标准中并未考虑具有较低感染剂量且在水中存活周期较长的病毒.

除了各国发布的标准以外,基于可接受感染风险的水质指标限值确定方法也被世界卫生组织列为推荐方法.美国基于感染风险确定了安全水质标准,因此对于不同水处理设施,其指标可能迥异[21-22].同样,荷兰基于<10-4/(人×a)的感染风险确定了水质标准限值.基于可接受感染风险的水质指标限值确定方法已被世界卫生组织列为推荐方法.本文也将采用该方法确定饮用水质标准中肠道病毒的限值[23].

基于可接受感染风险[<10-4/(人×a)],通过线性剂量反应关系[24](式1),估计肠道病毒的最小感染剂量(inf):

式中:是肠道病毒最小感染剂量的倒数.然而,由于相关数据较少,不能使用非线性模型的外推法.因此使用和的平均值加上各自标准差的2倍代替初始和.然后,通过求解式(1)计算出饮用水中肠道病毒浓度应满足£3.4×10-7个/L.

另一方面,Regli等[25]认为,要满足inf<10-4感染/(人×a)的条件,轮状病毒浓度应为2.2×10-7个/L,然后外推法来确定最小感染剂量为1.6个.本文依据肠道病毒的发病概率,通过外推法确定2个作为最小感染剂量[26].

1.2 生活垃圾填埋场渗滤液中的肠道病毒浓度

目前填埋场渗滤液中病毒的研究数据稀少,但有研究表明人类乳腺病毒F种(HAdV-F)与大肠杆菌有直接相关性[27],因此可采用大肠杆菌浓度表征肠道病毒浓度.生活垃圾填埋场(MSWL)运营时间、垃圾填埋量和填埋龄、填埋场结构(厌氧/好氧)不同,其渗滤液中所含有的细菌浓度差异甚大,Hamidi等[26]对MSWL渗滤液中的细菌浓度进行了统计调查,其浓度下限值为2×103个/L,上限值可达2.4×106个/L.本文采用浓度上限值作为隔离距离计算的源强参数.

1.3 防渗膜破损与渗滤液渗漏速率预测

渗滤液通过防渗层的渗漏采用填埋场水文过程评估模型(HELP)模型计算.借助该模型可快速的评价和计算填埋场地表径流量、蒸发蒸腾量、排水量、渗滤液收集量和衬垫渗漏量[28].HELP模型认为渗滤液的渗漏主要包括通过完整防渗膜部分的渗透量和通过防渗膜破损部位的渗漏量,受防渗膜的渗透性能、破损情况以及防渗膜上方渗滤液饱和水位影响.而渗滤液饱和水位又受渗滤液的产生量(与降雨、地表坡度、覆盖系统结构有关)和侧向导排能力[29](与填埋场导排层厚度、渗透系数,以及导排管的坡度、走向、间距等有关)影响,因此计算渗滤液渗漏速率需提供以下参数,防渗膜渗透系数、破损数量、导排层厚度和渗透系数,导排管道坡度和导排支管间距、封场覆盖后的地表坡度、植被类型、降雨量等参数[14].

1.4 包气带和地下水中的病毒迁移扩散模型

采用一维水流模型模拟垂直非饱和流动和水平饱和地下水流动. Nielsen等[30]研究模拟在一维空间非饱和带的地下水流速,

根据van gernichten模型[31],()是含水率的函数,可利用参数为r和s(表1)计算得到.长期模拟时,可假定包气带中的流速与包气带的补给流速in相等,进而求解式(2)和(3).

通过求解达西方程模拟地下水的水平流动,该方程是关于、地下水梯度和e的函数,其中e通过减去s和r来计算.

利用一维平流-弥散方程模拟病毒在非饱和带和饱和带的迁移,并与病毒灭火率相耦合:

该方程适用于稳定的地下水流动和病毒迁移条件,首先模拟包气带,通过0求解出0为渗滤液中的大肠杆菌浓度.然后将该浓度除以含水层厚度乘以含水层宽度,作为饱和含水层中病毒迁移的初始浓度值,模拟饱和含水层中的肠道病毒水平迁移和浓度分布.

不同介质(沙、砾石、粗砾石)不同含水层/包气带中病毒指标参考Pang数据库[32]确定 (表2).并利用HELP模型和病毒迁移扩散模型模拟了隔离距离.

表1 参数符号及意义

表2 参数取值参考

续表2

1.5 隔离距离计算

图1 渗滤液渗漏过程概化

针对不同的水文地质参数,模拟了MSWL渗漏条件下的隔离距离.由于病毒在包气带和地下水中的衰减受包气带和含水层厚度、水力传导系数、水力梯度等参数影响,因此本研究将重点分析这几个参数变化对隔离距离的影响.考虑含水层不同介质条件下的水力传导系数,其厚度取3m,包气带层厚度值分别取1,3,5,10m,地下水梯度取0.001,0.005,0.01和0.05.将不同的水文地质参数进行组合,得到90个模拟情形.采用Monte Carlo方法模拟参数不确定性对隔离距离计算的影响.按照蒙特卡罗框架对每种情况重复多次模拟.然后根据沿地下水流方向不同距离处的浓度值来确定隔离距离.渗滤液及其病毒渗漏、渗漏后在环境介质中的迁移转化过程如图1所示.

2 结果与讨论

2.1 模拟隔离距离

图2和表3展示了在包气带厚度为1~10m和地下水梯度为0.001~0.05的砂、砾石和粗砾石含水层中通过病毒自然衰减达到饮用水安全使用标准的隔离距离.结果表明,对于砂、砾石和粗砾石含水层,其所需的隔离距离分别为44~564m、91m~2.39km和27.29km.上述结果表明不同类型的含水层所需要的隔离距离存在较大差异,最长距离超过20km.由于渗漏是填埋场普遍存在的问题,而且一旦渗漏,就只能依赖包气带和含水层中的稀释和病毒自然灭活使渗滤液中病毒自然衰减以达到安全要求.

模拟结果表明(表3),当地下水梯度从0.001增加到0.05时,模拟隔离距离在砂含水层或粗砾石含水层中增大10倍,在砾石含水层中延伸20倍.当包气带厚度从10m缩减到1m时,模拟隔离距离在不同含水层(砂石、砾石和粗砾石)中分别延伸1.2,1.3和2.0倍.当包气带厚度设定为1m时,粗砾石含水层中隔离距离需要20km或更长.其他相关研究结果表明,在不同含水层条件下病毒所需的隔离距离可能会更远,例如在受污染的粗砾含水层中,隔离距离可达3.8km.因为快速流动的含水层,如粗砾、破碎岩石和岩溶石灰岩,容易受到微生物污染,所以需要的隔离距离更远.对于这些类型的含水层介质,建议在填埋场建设之初做好相应的处理方案,避免因为渗滤液渗漏而导致周边地下水环境严重污染事件.

图2 模拟隔离距离

表3 模拟隔离距离

2.2 地下水梯度对隔离距离的影响

在包气带厚度分别取1,5m,地下水梯度分别取0.005和0.05的情况下,模拟了所需隔离距离 (图3).模拟结果表明,在水力梯度取0.005时,包气带厚度越小,所需隔离距离越长,包气带厚度10m时,隔离距离在5km以内,包气带厚度影响较小,当厚度减小到1m时,隔离距离明显增加,最远可达10km.另一组模拟结果表明,当地下水梯度取0.05,包气带厚度超过5m时,粗砾石含水层介质不需设置隔离距离,由于地下水梯度的增加[40],使得病毒在地下水中的扩散稀释作用明显增强,导致浓度急速下降;在砂石含水层中,隔离距离超过20km,距离太远,周围的地下水和土壤会被严重污染.

2.3 水力传导系数对隔离距离的影响

病毒在地下水的运移过程中,不仅受到地下水梯度的影响,水力传导系数也发挥了至关重要的作用,如图4,当包气带厚度为1m时,水力传导系数与防护距离成正比例关系,当水力传导系数达到1300m/d时,所需防护距离可能在实际或经济上是不可行的.地下水梯度与水力传导系数的影响相似,同为正相关,当梯度为0.05时,使得相同时间内,地下水流动的距离大幅增加,相同距离内的病毒衰减幅度相对降低,防护距离明显增加[41].考虑填埋场渗漏的特殊情况,渗漏事件一旦发生,渗滤液将与包气带直接接触,由于重力作用迁移至地下含水层,导致地下水严重污染,为了防止污染的地下水对周围的地质环境造成污染,进而影响居民的正常生活与身体健康,必须避免严重的渗漏事件发生.

图4 水力传导系数对隔离距离的影响

2.4 包气带厚度对隔离距离的影响

图5 包气带厚度对隔离距离的影响

地下水梯度、水力传导系数以及含水层厚度,都是不可改变的水文地质参数;而包气带特性,包括厚度,可以通过回填、压实等方式进行改变,进而增强其对病毒的降解能力,降低对防护距离的要求.为此模拟了包气带厚度对隔离距离的影响,如图5所示.当地下水梯度取0.005,随着水力传导系数的增大,相同包气带厚度的隔离距离逐渐增大,包气带厚度取值1m时,隔离距离超过9km,已经超出了正常的规划范围;增加包气带厚度至10m时,隔离距离减小一倍,可以控制在5km以内.上述分析表明,当受区域水文地质条件所限,填埋场所需隔离距离很大,但由于经济、社会等因素不能保证如此大的隔离距离时,可以通过对包气带改造降低对隔离距离的要求,保证在较小的隔离距离条件下的病毒防护目的[42].

2.5 建议采取的防护措施

针对上述模拟中存在的长远隔离距离,建议采取抽提的方式控制填埋场中渗滤液最高水位,或者通过加强覆盖控制渗滤液水位.根据两种措施,对最远隔离距离情形进行了模拟,在原设计渗滤液水位0.3m的基础上,降低水位至0.2,0.1m时,隔离距离分别为22,6.5km,水位下降直接影响渗滤液渗漏速率和渗漏量,使得地下水中污染物浓度减少,隔离距离缩短.因此,控制渗滤液水位是缩短隔离距离的有效措施.

2.6 模型假设和应用范围

本文的重点是MSWL渗漏条件下病毒对地下水的影响.由于在这种情况下,渗漏速率与地下水含水层的水流速率相比相对较小(<10%),因此假定渗滤液渗漏引起的地下水梯度变化可以忽略不计.研究同时假设包气带和含水层介质为均质、各向同性介质,渗滤液渗漏速率和浓度不随时间变化,并且在整个含水层厚度上渗滤液与含水层均匀混合.隔离距离的模拟是假设含水层的饱和厚度为1~10m.不考虑更大的厚度,因为渗滤液渗漏进入含水层后通常在饱和含水层的上部迁移,含水层整个饱和厚度上的垂直混合仅在渗漏量极大的情况下发生.

由于渗滤液的渗漏很可能是一个连续的过程,假定含水层厚度在1~10m之间完全垂直混合是合理的.为权衡这些简化假设所产生的不确定性,模型变量的随机性质通过使用蒙特卡罗框架来考虑.

如果考虑饮用水质量,以砂石和砾石为主的含水层更易受病毒污染.原因在于,这种含水层中存在的高流速会降低过滤和吸附能力.如果多孔介质的粒径较小,则渗滤液稀释度较低,因此化学污染和氧气消耗会对地下水质量造成负面影响.例如,对于壤质砂含水层和沙质壤土含水层,应根据这些参数确定隔离距离.

本文模拟隔离距离时,主要考虑为具有单层防渗膜的生活垃圾填埋场,因为我国现有的生活垃圾填埋场中单层防渗膜具有普适性,对于老式无膜、以及高标准双层膜的填埋场,需要重新考虑模型的适用性.而且该模型只考虑防渗膜磨损引起的渗漏,未考虑防渗膜老化,对于已覆盖多年的填埋场,模拟结果会有较大误差,不建议使用本文中的模型.

3 结论

3.1 研究提出一种基于系统健康风险目标的建模方法,用于确定地下水梯度、水力传导系数和包气带厚度对隔离距离的影响.

3.2 模拟结果表明,在不同类型的含水层介质中,隔离距离相差较大,在砂石含水层中为44~564m,在砾石含水层中为91m~2.39km,在粗砾石含水层中最远为27.29km.

3.3 在模拟地下水梯度从0.001变化到0.05时,最高梯度处的隔离距离比最低梯度大10~20倍.同样的,当包气带厚度从1m增加到10m时,隔离距离可缩短到10m以内.因此,隔离距离的确定需根据具体的安全防护要求和水文地质条件确定.

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Landfill isolation distance based on virus protection.

XIANG Rui1,2, LEI Guang-yuan1*, XU Ya2*, LIU Yu-qiang2, DONG Lu2, LIU Jing-cai2, HUANG Qi-fei2

(1.Industrial Safety Engineering Technology Research Center of Hubei Province, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China；2.State Key Laboratory of Environmental Benchmarks and Risk Assessment, Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Sciences, Beijing 100012, China)., 2019,39(7)：3094~3101

For researching the isolation distance of landfill with virus as isolation target, a modeling method based on system health risk objective was proposed to determine the influence of groundwater gradient, hydraulic conductivity and aeration zone thickness on isolation distance. Based on linear dose-effect model and acceptable infection risk[<10-4/(person×a)], the concentration limit of enterovirus in drinking water was deduced. An analytical model of pollutant leakage-migration-degradation was constructed by coupling the leakage source strength model with the vertical migration and transformation model of water flow and virus in the aeration zone and the horizontal migration and transformation model in the aquifer. The uncertainty of parameters in the analytical model was characterized by Monte-Carlo simulation, and then a typical domestic waste landfill site was selected for case study. The result indicated that the isolation distance in sand aquifer is 44~564m, in gravel aquifer was 91m~2.39km and in coarse gravel aquifer was 1.74~27.29km. Groundwater gradient changed from 0.001 to 0.05, resulting in the isolation distance at the highest gradient was 10~20 times larger than that at the lowest gradient. When the thickness of aeration zone increases from 1 to 10m, the isolation distance could be shortened to less than 10m. The research indicated that the determination of isolation distance should be based on specific safety requirements and hydrogeological conditions.

municipal solid waste landfill；hydrogeological parameters；isolation distance；virus protection

X523

A

1000-6923(2019)07-3094-08

向 锐(1994-),男,湖北宜昌人,硕士,主要研究方向为固体废物处理与处置.发表论文3篇.

2018-12-07

国家重点研发计划(2018YFC1800902);国家自然科学基金资助项目(51708529)

*责任作者, 教授, leiguoyuanhit@126.cn; ** 副研究员, xuya@craes.org.cn