某钢铁厂废渣填埋场对地下水环境的影响研究

作     者：蔡云 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵志怀;祝雪萍;贾振兴

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：废渣填埋场 地下水环境 数值模拟 氟化物 汞 

摘      要：钢铁冶炼过程中产生的废渣,成分复杂含有无机污染物和重金属等,一般采用填埋的方式处理。当填埋场没有做防渗时,入渗的雨水淋滤废渣中污染物形成溶液,污染周围的地下水环境。本文以山西立恒钢铁厂废渣填埋场为研究对象,研究废渣的污染物在包气带和地下水中迁移规律,对当地的地下水资源的保护有着重要的实际意义。本次研究通过收集资料及野外勘探,查明了填埋场的地质及水文地质条件;采取现场废渣样,进行了废渣的静态浸出实验和动态淋溶实验,确定了污染因子为氟化物和汞,查明了废渣中氟化物和汞在降水条件下的动态释放特征;采取土样进行了弥散系数和弥散度实验、土样对氟化物和汞的吸附实验、氟化物和汞在土柱中的穿透实验,计算得到弥散度和弥散系数,查明了土样对氟化物和汞的吸附特性,实测出土柱不同深度氟化物和汞的浓度变化,为HYDRUS-1D建立的包气带污染物迁移模型提供数据支撑和理论基础;用验证后的模型计算污染物迁移到达潜水面的浓度,将其输入到Visual MODFLOW建立的地下水污染物迁移模型中,建立起非饱和带-饱和带的耦合模型。模拟结果表明随着时间的推移,污染物在地下水中的迁移距离和污染面积不断增加,为填埋场地下水污染的防治提供科学的依据。本文通过实验和数值模拟取得了如下的成果:(1)根据野外勘探和室内土工试验,查明了废渣填埋场勘探深度内的地层自上而下可划分为5层,含水层为第(4)粉土层,隔水底板为第5层粉质粘土。本次勘察针对(2)、(3)、(4)粉土层进行了渗透实验,得到研究区粉土层的垂直渗透系数为2.3×10cm/s～219.7×10 cm/s。(2)通过静态浸出实验,确定了氟化物和汞为污染因子,它们的浸出浓度为1.87mg/L、23.7μg/L,分别超标地下水质量标准(GBT-14848-2017)的Ⅲ类标准的0.87、23倍。(3)通过动态淋溶实验,模拟降水条件下氟化物和汞的析出结果,由于氟化物的溶解比较缓慢,氟化物的浓度变化是先增加后减小,第9天的时候达到峰值;汞的析出较为复杂,汞的浓度变化为波浪状,整体趋势一直减小;淋溶的溶液为碱性,还原性较强,随着氧气的进入和氟化物的浓度减少,还原性不断减弱。同时通过弥散系数和弥散度实验,计算得到土壤的水动力弥散系数及弥散度分别为0.00698 cm/min,0.294 cm。(4)进行了吸附动力学实验,结果表明准二级动力学模型与氟化物和汞的吸附过程拟合更好,R分别为0.921、0.923。通过等温吸附实验结果分析得到氟化物模型拟合的相关性最好的是Freundlich模型,R为0.973,不可用Langmuir模型来拟合氟化物的等温吸附过程;汞拟合的相关性最好的是Temkin模型,R为0.956,拟合效果最差的是Freundlich模型,R为0.806。(5)氟化物和汞在土柱中的穿透实验结果表明氟化物达到最大值的时间随着运移的距离加长而增加,2.5 cm处到达最大值时间为32 h,底部到达最大值的时间为332 h。汞在200 h运移到底部,之后浓度逐渐增大,在380 h左右穿透,达到浓度最大值。(6)运用HYDRUS-1D建立的包气带污染物迁移模型,模拟计算了氟化物和汞到达潜水面的浓度变化情况。氟化物在600天迁移到包气带底部,之后浓度逐渐增大,最终在850后稳定不变;汞在800天左右运移到包气带底部,随后浓度变化较大,到1100天后浓度趋于稳定。(7)用非饱和带-饱和带的耦合模型,模拟计算废渣填埋场在没有防渗条件下,污染物在地下水中的迁移规律。结果显示汞和氟化物的迁移距离及污染面积随着时间的推移不断增加,50年后汞的迁移距离为267.03 m,污染面积为70576.11 m,氟化物迁移距离为207.9 m,污染面积为51720.57 m,会对地下水环境造成一定影响。为了填埋场的安全使用,建议修建防渗工程,加强周围环境监管。