适用于深层地下水净化的阻隔墙-可渗透反应墙组合结构

技术领域

本发明属于污染场地地下水污染控制及修复技术领域的一种净化深层地下水污染羽的组合结构，尤其是涉及了一种适用于深层地下水净化的阻隔墙-可渗透反应墙组合结构。

背景技术

我国生活垃圾填埋场基数大，污染负荷高，渗滤液液位高，底部衬垫破损问题尤为严重，渗滤液渗漏问题频频发生。据住建部2018年调查，中国约1600个垃圾填埋场和27000个简易填埋场存在渗滤液渗漏的风险。高浓度的渗滤液将对周围地表水、地下水和土壤造成严重的污染，从而影响人类健康和生态安全。山谷型垃圾填埋场利用天然山体形成库容，可减少填埋场为增加库容的开挖成本。但山谷型场地地形地貌起伏变化较大，地下水埋深大，通常地层倾角≥15°，水力梯度>0.02，其水动力条件较平原型和阶地形填埋场复杂，地下水污染风险更高。我国部分山谷型垃圾填埋场封场后仍持续产生低浓度废水，运营成本较高，需要采取处置措施。

可渗透反应墙技术被广泛认为是一种可持续的污染地下水原位修复方法。可渗透反应墙的技术修复原理是：在污染物场地下游垂直于地下水流方向设置可渗透反应墙，使含有污染物的地下水流经墙内的反应区，通过墙内填料与污染物发生物理化学反应，以使污染物达到修复浓度目标的目的。其优势在于可实现原位被动修复、填料易获得且成本低、后期维护费用低、绿色可持续等。可渗透反应墙的结构选型需综合考虑场地水文地质特征和污染羽分布特征，在尽可能拦截污染羽的同时实现经济高效净化。可渗透反应墙的结构类型主要分为连续墙式、隔水漏斗-导水门式、反应单元被动收集带式和灌注处理带式等。但当污染羽规模较大、地下水埋深及基岩埋深较大时，传统结构类型的可渗透反应墙开挖和支护难度大，建设成本将大幅度提高，污染羽浓度分布不均也将导致反应墙内的反应性填料利用率较低。

国内部分场地已开展了可渗透反应墙技术相关的中试试验或示范性工程，但暂时仅采用底部嵌入相对隔水层或修建隔水单元的可渗透反应墙，该技术在深层污染地下水的垃圾填埋场场地修复项目的应用还有待进一步发展。田雷等于2012年在河南焦作修建了高5m的地下式混凝土反应池用于开展地下水三氯乙烯和甲苯修复的中试试验；滕应等于2015年在内蒙古包头应用深度10～11m的注入式反应系统联合隔水墙修复尾矿库地下水中的硫酸盐；宋昕等于2018年在湖南长沙应用了深度为15m的可渗透反应墙修复铬盐厂污染地下水等。

此外，国内也有若干关于可渗透反应墙的专利报道，少数联合水力阻隔被动集流结构(郑凯旋等，CN113896273A；杨崎峰等，CN111153529A)，部分采用外力驱动集流结构(蒲生彦等，CN115636464A；朱宗强等，CN113751493A)，也有涉及被动和外力驱动联合集流的案例(吴代赦等，CN107311286A)。但现有技术中暂无采用低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构净化处置深层污染地下水的先例。

发明内容

针对背景技术中存在的缺陷和问题，本发明的目的在于提供一种适用于深层地下水净化的阻隔墙-可渗透反应墙组合结构，用于解决传统可渗透反应墙净化深层污染地下水存在的开挖深度大、支护难度大、建设成本高和填料利用率低等问题，可有效去除污染地下水中的COD、氨氮和重金属等主要污染组分。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明的低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构布设在垃圾填埋场的下游地下水出流口处，低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构包括低渗透性阻隔墙和可渗透反应墙，可渗透反应墙设置在低渗透性阻隔墙中间的上部，低渗透性阻隔墙的两侧分别嵌入垃圾填埋场两侧的山体，可渗透反应墙的上表面和低渗透性阻隔墙的上表面齐平，可渗透反应墙和低渗透性阻隔墙均垂直于地下水水流方向设置；所述的低渗透性阻隔墙主要由低渗透性防污材料填筑形成，可渗透反应墙主要由非反应性填料和用于净化受污染地下水的反应性填料分层填筑形成。

所述的非反应性填料填筑于可渗透反应墙的地下水位线以上区域，反应性填料填筑于可渗透反应墙的地下水位线以下区域，反应性填料用于去除地下水中的COD、氨氮和重金属。

所述的非反应性填料为粗砂和砾石中的一种或多种；所述的反应性填料为活性炭、石灰石和沸石中的一种或多种；非反应性填料和反应性填料的渗透系数均为1×10

所述的低渗透性防污材料采用土-膨润土、水泥-膨润土或注浆帷幕，低渗透性防污材料的渗透系数为1×10

所述的垃圾填埋场的下游地下水出流口处具体为指山谷型垃圾填埋场的下游谷口处。

所述的低渗透性阻隔墙嵌入在相对隔水层中，低渗透性阻隔墙的厚度为0.6～1.2m。

所述低渗透性阻隔墙的深度和可渗透反应墙深度的比例为6：1～10：1，可渗透反应墙的深度不超过5m，可渗透反应墙的厚度为1.0～5.0m。

低渗透性阻隔墙厚度根据阻隔材料性能、水头高度和墙体服役年限等进行综合设计，一般为0.6～1.2m。可渗透反应墙厚度根据填料性能、场地实际流速和污染物信息等进行综合设计，一般为1.0～5.0m。

在受污染含水层中布置低渗透性阻隔墙以阻拦深层污染地下水向下游流动，迫使地下水位雍高；在低渗透性阻隔墙内设置部分区段的可渗透反应墙，使得雍高地下水均匀流经可渗透反应墙；

在山谷型垃圾填埋场下游谷口位置处原位布设低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构，将低渗透性阻隔墙嵌入相对隔水层中，预留可渗透反应墙缺口。这样，低渗透性阻隔墙阻拦的含有多组分污染物的地下水将溢流到可渗透反应墙中，经反应性填料进行净化处置。

本发明通过在山谷型垃圾填埋场下游谷口处建立低渗透性阻隔墙，将地下水雍高至可渗透反应墙处，再利用水头差使污染地下水在驱动力作用下溢流进入可渗透反应墙，这样污染地下水中的污染物将与反应性填料充分反应实现净化。

本发明通过设置低渗透性阻隔墙的方式将具有污染羽的地下水集流至可渗透反应墙中，避免地下水污染羽流经填埋场下游造成污染，可实现原位污染羽的捕获与净化。此外，由低渗透性阻隔墙雍高地下水水位将迫使所有污染地下水均匀通过布设的可渗透反应墙中集中处理，而不是将可渗透反应墙嵌入相对隔水层处置分布不均的污染羽。这样可以根据场地实际污染渗漏总量进行优化布设可渗透反应墙，无需考虑高浓度渗漏通道的影响，以被动处理的方式实现了原位净化垃圾填埋场地下水污染羽。

本发明的有益效果为：

1、本发明的低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构可解决地下水深层污染问题，通过低渗透性阻隔墙截留污染羽，将深层污染地下水引入可渗透反应墙内进行净化处置。

2、本发明的低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构依靠水头差自主运行，水头差将驱动受污染地下水持续流入可渗透反应墙内，无需外力，运行维护方便。

3、本发明的低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构内，地下水污染羽由自然衰减导致的分布不均变为雍高后的相对均匀，延长了反应性填料的击穿时间，实现填料的高效利用和污染水流的高效净化。

综合上述，本发明低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构使污染地下水被动雍高并均匀通过可渗透反应墙，使得污染物和填料充分反应，显著提高填料的利用率和墙体净化污染羽效率。填充的活性材料可根据目标污染物进行调整，实现“氧化”、“沉淀”、“吸附”等功能，可有效净化污染地下水中的多组分污染物。本发明具有建设成本低，填料利用率高，设计灵活性强，运行维护方便，绿色可持续等优势，极具推广应用潜力。

附图说明

图1为低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构平面示意图；

图2为低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构在A-A处的剖面示意图；

图3为实施例中组合结构在X-Y平面的数值模拟粒子追踪效果图；

图4为实施例中组合结构在三维空间的数值模拟粒子追踪效果图。

图中：1、低渗透性阻隔墙；2、可渗透反应墙；3、低渗透性防污材料；4、非反应性填料；5、反应性填料；6、场地初始地下水水位；7、雍高后地下水水位；8、山谷型垃圾填埋场谷口边界线；9、粒子追踪流线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明的低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构布设在垃圾填埋场的下游地下水出流口处，低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构包括低渗透性阻隔墙1和可渗透反应墙2，可渗透反应墙2设置在低渗透性阻隔墙1中间的上部，可渗透反应墙2的上表面和低渗透性阻隔墙1的上表面齐平，可渗透反应墙2和低渗透性阻隔墙1均垂直于地下水水流方向设置；所述的低渗透性阻隔墙1主要由低渗透性防污材料3填筑形成，可渗透反应墙2主要由非反应性填料4和用于净化受污染地下水的反应性填料5分层填筑形成。

非反应性填料4填筑于可渗透反应墙2的地下水位线以上区区域，反应性填料5填筑于可渗透反应墙2的地下水位线以下区域，反应性填料5用于去除地下水中的COD、氨氮和重金属等的污染物。

非反应性填料4为粗砂和砾石中的一种或多种；所述的反应性填料5为活性炭、石灰石和沸石中的一种或多种；非反应性填料4和反应性填料5的渗透系数均为1×10

低渗透性阻隔墙1具体为填充低渗透性防污材料的阻隔墙，低渗透性防污材料3采用土-膨润土、水泥-膨润土或注浆帷幕等低渗透性材料，低渗透性防污材料3的渗透系数为1×10

垃圾填埋场的下游地下水出流口处具体为指山谷型垃圾填埋场的下游谷口处。

低渗透性阻隔墙1嵌入在相对隔水层中，低渗透性阻隔墙1的厚度为0.6～1.2m。

低渗透性阻隔墙1的深度和可渗透反应墙2深度的比例为6：1～10：1，可渗透反应墙(2)的深度不宜超过5m，可渗透反应墙2的厚度为1.0～5.0m。

可渗透反应墙深度不宜超过5m，若大于5m需进行支护。

低渗透性阻隔墙和可渗透反应墙均高于雍高后地下水水位，可渗透反应墙水位线以下填筑反应性填料以净化受污染地下水，而水位线以上填筑了非反应性填料，使得低渗透性阻隔墙和可渗透反应墙的上表面齐平，增加了结构整体的稳定性和强度，防止可渗透反应墙的上部由于应力集中发生破坏，影响低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构的使用寿命。

在水力梯度较大的山谷型垃圾填埋场受污染含水层中，位于下游谷口处布设低渗透性阻隔墙，阻拦向下游流动的受污染地下水；

低渗透性阻隔墙1穿透风化层、裂隙岩层等可能存在渗流的地层，并嵌入地下相对隔水层0.5～1.0m，若污染场地底部基岩裂隙较发育，需在低渗透性阻隔墙1底部一定范围内采用注浆密封等措施降低渗透性，防止地下水沿墙体周边或底部绕流，迫使地下水雍高。

低渗透性阻隔墙1将受污染地下水捕获并雍高至可渗透反应墙2的设置高度，可渗透反应墙2有水流流出时，则使低渗透性阻隔墙1上游水头低于周边受污染地下水的水头，产生水头差；水头差驱动低渗透性阻隔墙1周边受污染的地下水均匀流经可渗透反应墙2，使污染羽的规模缩小、浓度分布趋于均匀，提高可渗透反应墙的净化处置效率；受污染地下水不存在绕流，可实现下游地下水的高效捕获。

如图1所示，低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构布设于山谷型垃圾填埋场下游谷口处。下游谷口具体是指山谷型垃圾填埋场周边山体形成天然隔水边界条件下的下游唯一出流口，图1实线箭头方向为污染羽水流方向。低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构包括低渗透性阻隔墙1和可渗透反应墙2，低渗透性阻隔墙1建设过程中预留可渗透反应墙2的位置缺口，两者具有协同作用，不能省略和交换两个墙体的制备顺序。

低渗透性阻隔墙1采用土-膨润土、水泥-膨润土或注浆帷幕等低渗透性防污材料3填筑形成，修建后墙体上游的雍高后地下水水位7与修建前的场地初始地下水水位6相比，地下水水位雍高。

可渗透反应墙2采用活性炭、石灰石或沸石等至少一种反应性填料5以及粗砂或砾石等非反应性填料4填充形成，根据目标污染物种类选择吸附、沉淀和氧化等反应性填料5净化地下水中的污染组分。如污染地下水中以氨氮和重金属为主要超标组分，可选用沸石与活性炭混合作为反应性填料5填充。

低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构布设于山谷型垃圾填埋场谷口边界线8处，并嵌入垃圾填埋场两侧山体一定深度，提高捕获下游低浓度污染地下水的效率。

可渗透反应墙2中，若涉及多种填料，每种竖向墙体层按照顺序相邻布置。

这样设置，墙体除中上部为透水的可渗透反应墙2外，其余均为低渗透性阻隔墙1。使地下水水位不断雍高，水头差驱使污染地下水雍高溢流进入可渗透反应墙，在可渗透反应墙处可顺利净化并流向下游。

本发明的实施例如下：

我国浙江省某生活垃圾填埋场，主要出露古生代碎屑岩地层及第四系中、全新统地层，含水层厚度约为45～50m。

低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构选址于山谷型垃圾填埋场的下游谷口处，水力梯度约0.023，下游谷口横向距离约为208m。根据选址处地下水水位和水量情况，可确定出场地初始地下水水位和雍高后地下水水位7，结合地下水污染羽宽度和目标污染物总量，从而设计低渗透性阻隔墙1和可渗透反应墙2的尺寸。低渗透性阻隔墙1长度L

具体实施中，低渗透性阻隔墙1的浇筑过程需包括导墙修筑、泥浆制备、沟槽开挖、泥浆护壁、回填墙体材料和顶部覆盖清理等阶段，中间区段根据可渗透反应墙2尺寸预留缺口。可渗透反应墙2的填料可装填在预制立方体钢丝笼中，便于堆砌、吊装、更换，同时防止填料流失。低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构装填完成后，上覆土层至原标高，地表覆绿。

应用Visual MODFLOW中地下水流动模块模拟，填埋场下游边界出水量约为140m

可渗透反应墙2内主要发生吸附反应。沸石通过离子交换吸附氨氮和重金属，椰壳活性炭通过巨大的比表面积和多级孔隙结构对各目标污染物均有物理吸附作用，椰壳活性炭表面的官能团也一定程度上与污染物络合以去除。

可渗透反应墙2中填料渗透系数约为10

当可渗透反应墙2厚度T

应用VisualMODFLOW中粒子追踪模块概化计算实施例中地下水流经“低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙”的流动路径，含水层渗透系数为10

低渗透性阻隔墙-可渗透反应墙组合结构迫使水流均匀渗流流经反应性填料5，有效提高了填料利用率和污染羽净化效率。

对比例

相同案例条件下，于山谷型垃圾填埋场下游谷口设置普通的连续式可渗透反应墙，为保证下游污染地下水均能流经可渗透反应墙进行净化处置，墙体底部至少需嵌入相对隔水层0.6m，深度H设置为48m；长度为污染羽宽度的1.2～1.5倍，长度L设置为120m；反应墙厚度T为2m。本对比例的连续式可渗透反应墙总体积为11520m

本发明采用的了大面积的低渗透性阻隔墙-小面积的可渗透反应墙的组合结构，使得低渗透性阻隔墙的两侧产生较大水头差，较大的水头差驱动受污染地下水进入可渗透反应墙，无需外力，运行方便；且可以使受污染地下水集中在小面积的可渗透反应墙中过滤，地下水污染羽由自然衰减导致的分布不均变为雍高后的相对均匀；在保证可渗透反应墙的填料厚度与地下水流速和入流污染物浓度匹配、可除污容量与目标污染物总量匹配的前提下，即确保填料具有和目标污染物充分的反应时间和吸附量，可实现与大面积可渗透反应墙相同的过滤效果，同时实现填料的高效利用和污染水流的高效净化，有效降低了受污染地下水的过滤成本。