北京大学环境工程概论_第七章__固体废物-3

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7.4 固体废物最终处置技术
7.4.1 地质处置方法 固体废物经过减量化和资源化处理后,
剩余下来的无再利用价值的残渣,往往 富集了大量的不同种类的污染物质,对 生态环境和人体健康具有即时性和长期 性的影响,必须妥善加以处置。安全、 可靠地处置这些固体废物残渣,是固体 废物全过程管理中的最重要环节。
(4)多重屏障原理
地质屏障系统 密封屏障系统 废物屏障系统
废物处置的三道屏障系统
地质屏障系统决定“废物屏障系统”和“密封屏 障系统”的基本结构。如果经查明地质屏障系统 性质优良,对废物有足够强的防护能力,则可简 化这两道屏障系统的技术措施。所以地质屏障系 统制约了固体废物处置场工程安全和投资强度。
土 壤 的 CEC 可 用 每 100g 土 壤 的 毫 克 当 量 数 (Meq/100g)来表示,其大小随土壤中粘土的种类 和含量以及有机质的含量而变化。纯腐殖质的CEC 为200Meq/100g,而蒙脱土和高岭土的CEC分别为 90Meq/100g和80Meq/100g。大多数土壤的CEC在 10~30Meq/100g之间。
(3)去除作用:对于在地质介质中既被吸 附,又会发生衰变或降解的污染物质,只 要该污染物在此地质介质层内有足够的停 留时间,就可以使其穿透此介质后的浓度 达到所要求的低浓度。
一般来说,在含水层中的地质介质对有害 物质具有一定的阻滞作用,但由于这些矿 物质的表面吸附能力因吸附量的增大而减 弱。此外、地下水径流量的变化,对有害 物质的阻滞作用不可能长时间存在,因而 含水层介质不能被看作是良好的地质屏障。
7.4.2 土地处置的方法
1、概念及分类
地填埋处置是从传统的堆放和土地处置发展起来的一项 最终处置技术,不是单纯的堆、填、埋,而是一种按照 工程理论和土工标准,对固体废物进行有控管理的一种 综合性科学工程方法。
土地填埋处置具有工艺简单、成本较低、适于处置多种 类型固体废物的优点。目前,土地填埋处置已成为固体 废物最终处置的一种主要方法。土地填埋处置的主要问 题是渗滤液的收集控制问题。实践表明,以往的某些衬 里系统是不适宜的,衬里一旦破坏很难维修。另一个问 题是由于各项法律的颁布和污染控制标准的制定,对土 地填埋的要求更加严格,致使处置费用不断增加。因此, 对土地填埋处置方法尚需进一步改进臻于完善。
(1)固体废物处置的基本原理和原则
固体废物在长期处置过程中经历的生物、化学和 物理变化包括:
1. 生物反应
这是处置含有机物,特别是可降解有机物时,处 置场中发生的最重要反应,其产物是气体、水分 和可溶解的有机物,最终结果是使所处置的有机 废物逐渐达到稳定化。
生物降解过程通常从好氧生物降解开始,产生的 主要气体是CO2,好氧降解只能持续短时间。一旦 废物中的氧气被耗尽,降解就变成厌氧过程,有 机物质被转变成CO2、CH4、少量的氨和硫化氢。
在一定时间内对环境有较大影响的固体废物:如城市生 活垃圾,在废物中的有机组分达到稳定化之前会不断产 生渗滤液和释放出有害气体,对环境有较大影响。
在较长时间内对环境有较大影响的固体废物:如大部分 工业固体废物,(例如来自烟气脱硫后的石膏)。
在很长时间内对环境有严重影响的固体废物:如危 险废物,其废物中所含的特殊化学物质成分、有害 程度强或有毒的废物。它可容纳来自手工业和工业 的特殊废物,按其物质成分提出特殊要求。
表 3 地质介质的典型渗透系数值
来自百度文库
岩性 砾石 砂(分选性好) 淤泥状砂 亚粘土(淤泥) 未风化的粘土 碳酸岩 砂岩 粘土岩
页岩 裂隙火成岩 无裂隙火成岩
渗透系数(m/s) 10-3~100 10-5~10-2 10-7~10-3 10-9~10-6 10-12~10-6 10-9~10-2 10-10~10-6 10-12~10-6
④ 地质介质屏障作用
污染物在地质介质中的去除作用大小取决于地质介 质对它的阻滞能力和该污染物在地质介质中的物理 衰变、化学或生物降解作用。当污染物通过厚度为 L(m)的地质介质层时,其所需要迁移时间(t*)为:
t* L L v' v Rd
所以污染物穿透此地质介质层时地下水中的浓度为:
C C0 exp( kt*)
土地填埋处置的分类
土地填埋处置的种类很多,采用的名称也不尽相 同。按填埋场地形特征可分为山间填埋、峡谷填 埋、平地填埋、废矿坑填埋;按填埋场地水文气 象条件可分为干式填埋、湿式填埋和干、湿式混 合填埋:按填埋场的状态可分为厌氧性填埋、好 氧性填埋、准好氧性填埋和保管型填埋,按固体 废物污染防治法规,可分为一般固体废物填埋和 工业固体废物填埋。在日本,工业固体废物填埋 又分为遮断型、管理型和安定型三种。比较科学 的分类,是根据所处置的废物种类,以及有害物 质释出所需控制水平进行来分类。
10-13~10-9 10-8~10-2 10-14~10-10
B. 水通量 土壤水通过地质介质的流动通量通常用达西公式
(Darcy’s Law)来计算: q K i
式中:q=达西通量,cm/s;K=渗透系数,cm/s; i=水力坡度,cm/cm。
C. 水运移速度 土壤孔隙中水的运动和孔隙的性质及数量有关,
在很长时间内对环境和人体健康有严重影响的废物: 如因其有害性质(例如易溶和难分解的物质成分)必 须封闭处理的特殊废物、易爆物质或高水平放射性 废物。
因此,应根据不同废物的危害程度与特性,区别对 待,分类管理,对具有特别严重危害性质的危险废 物,处置上比一般废物的污染防治更为严格的特别 要求和实行特殊控制。这样,既能有效地控制主要 污染危害,又能降低处置费用。
渗透率(cm/h) 〉5 1.6~5 1.6~5 0.5~1.6 <0.1~0.5
② 介质的渗透性及水运移
A. 土壤渗透性
土壤渗透性是指空气和水通过土壤的难易程度。 渗透性一般用单位时间所流过的距离来表示 (cm/s)。表2列出了通用的渗透性分级。地质 介质的渗透系数,是决定地下水运移速度和污染 物迁移速度的重要参数。通常,土壤结构越紧密, 渗透性越小。如表3所示,砂、砾、裂隙岩层含 水层是强渗透性岩石,会使渗滤液自处置场流出 或地下水流入处置场;只有渗透性非常低的粘土、 粘结性松散岩石和裂隙不发育的坚硬岩石有足够 的屏障作用。
(2)最大限度地将危险废物与生物圈相隔离原则
固体废物,特别是危险废物和放射性废物最终处置 的基本原则是合理地、最大限度地使其与自然和人 类环境隔离,减少有毒有害物质释放进入环境的速率 和总量,将其在长期处置过程中对环境的影响减至最 小程度。
(3)集中处置原则
《固体废物污染环境防治法》把推行危险废物的集 中处置作为防治危险废物污染的重要措施和原则。 对危险废物实行集中处置,不仅可以节约人力、物 力、财力,利于监督管理,也是有效控制乃至消除 危险废物污染危害的重要形式和主要的技术手段。
脱卤/降解:有机化合物的脱卤作用和水解、化学降解 作用;
氧化还原:影响金属和金属盐的可溶性。
其他反应:另外一些重要的化学反应发生在衬层土和某 些有机化合物之间,导致衬层结构和渗透性的改变,目 前对这些化学反应的相互关系还没有完全弄清。
3. 物理反应
处置场中发生的最为重要的物理反应包括:
蒸发/汽化:废物中的水分、挥发性和半挥发性有机化 合物通过蒸发汽化转入处置过程所产生的气体中;沉降 /悬浮:渗滤液中的悬浮和胶体物质在液相中所发生的 重力作用;扩散/迁移:气体在处置场中的横向扩散和 向周围环境释放;渗滤液在处置场中的迁移和进入覆土 的下层;物理衰变:发生在自然界的自发现象,随着时 间的推移而益明显。
2. 化学反应
在处置场中发生的主要化学反应包括:
溶解/沉淀:进入处置场的水在废物层中渗透时, 会将废物原存在的或生物转化产生的可溶物质 溶解出来,产生高浓度有机物和高盐份浓度的 渗滤液;渗滤液中的某些盐类,在处置场内的 某些区域因pH值变化等原因又会产生沉淀反应。
吸附/解吸:处置场产生的气体中的挥发性和半 挥发性有机化合物、渗滤液中的有机和无机污 染物质,会被所处置的废物和土壤所吸附;而 在某些条件下,也会发生解吸作用,使污染物 进入气体或液体。
其运移速度可用下式确定:
q v
e
式中,e所为土壤的有效空隙度,cm3/cm3。
③ 吸附滞留与污染物迁移
A. 污染物迁移
污染物在地质介质中的迁移是由于地下水的运动速度, 污染物与地质介质之间的吸附/解吸、离子交换、化学 沉淀/溶解、和机械过滤等多种物理化学反应共同作用 所致,其迁移路线与地下水的运移路线基本相同,而 迁移速度v‘则与地下水的运移速度v有下述关系:
v' v Rd
式中,Rd为污染物在地质介质中的滞留因子,无量纲。
如果污染物在地下水-地质介质中的吸附平衡为线性关
系,可用下式确定:
Rd
1
b e
Kd
式中:ρb=土壤堆积容重(干),g/cm3;kd=污染物在 土壤-水体系中的吸附平衡分配系数,ml/g。
B. 地质介质对污染物迁移阻滞作用
土壤中有机质(腐殖质)和粘土颗粒带负电荷, 其数量随pH值的升高而增加。由于这种现象, 正电荷离子(阳离子),如铵、铅、钙、锌、铜、 汞、铬(III)、镁、钾等可被粘土和腐殖质含量 高的土壤所吸附滞留;而负电荷(阴离子)则难 以被吸附,阴离子金属(Cr4-,As,Se) 一般只有 在低pH值时才被吸附,而活性很高的硝酸盐和 氯化物NO-3和C1- 等则不能为土壤所滞留,将随 土壤中的水一起迁移。一些有机物,特别是微量 有机物,可坚固地被土壤表面吸附,其吸附分配 系数与土壤中的有机碳含量成正比。土壤的阳离 子交换容量(CEC)越大,则滞留荷电废物组份 的能力就越强。
(2)地质屏障的防护性能
① 土壤的性质
土壤由具有孔隙的固体物质构成,这些固体物质 含有来自磷岩石的矿物质颗粒和动植物腐烂后生 成的有机物质。微生物也属于有机物成分之一, 上层土壤中的有机物大约占固体物质的1%~10%。 土壤孔隙中充满了空气、水以及溶解的无机物和 有机物。
土壤的结构取决于所含矿物颗粒的大小。表中列 出了土壤基本的结构分类以及其他一些常用的参 数。根据定义,含砂量>70%(wt)的土壤称之为 砂质土壤,而粘土含量大于35%的土壤称为粘土。
式中,c0和c分别为污染物进入和穿透此地质介质层 前后的浓度,k为污染物的降解或衰变速率常数。
地质介质的屏障作用可分为三种不同类型:
(1)隔断作用:在不透水的深地层岩石层内处置的 废物,地质介质的屏障作用可以将所处置废物与环 境隔断。
(2)阻滞作用:对于在地质介质中只被吸附的污染 物质,虽然其在此地质介质中的迁移速度小于地下 水的运移速度,所需的迁移时间比地下水的运移时 间长,但此地质介质层的作用仅只是使该污染物进 入环境的时间延长,所处置废物中的污染物质,最 终会大量进入到环境中来。
固体废物处置原则
(1)区别对待、分类处置、严格管制危险废物和放射性 废物:
可根据所处置固体废物对环境危害程度的大小和危害时 间的长短,大体上将其分为以下六类:
对环境无有害影响的惰性固体废物:如未受污染的天然 松散或坚硬岩石、建筑废物
对环境有轻微的、暂时的影响的固体废物:如矿业固体 废物等,废物中所含有的这类污染物质虽可释放,但对 水域和周围环境的污染是轻微的、暂时的、是可容忍的。
土壤中颗粒物大小是不会变化的,除非经剧烈的 物理或化学方法处理过。故土壤颗粒大小的级配 比例(即土质结构)是土壤的基本性质。表中还 给出了砾石、砂、淤泥以及粘土的粒径。
结构 大孔 较大孔 中等孔 较小孔 小孔
土壤的结构分类和常用术语
常用木语 砂质上、砂质壤土 亚砂土、细亚砂土 非常细亚砂土、沪姆土、淤泥 亚粘土、砂质亚粘土、淤泥砂亚粘土 砂质粘土、泥砂粘上、粘上
表 2 渗透性分级
分级 非常快 快 稍快 中速 稍慢 慢 非常慢
渗透系数(cm/s) >7×l0 -3 3.5×l0 -3~7× l0-3 1.7×l0 -3~3.5× l0-3 0.6×l0 -3~1.7× l0-3 1.4×l0 -4~6× l0-4 3.5×l0-5~14.10-5 <3.5×l0-5
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