垃圾填埋場防滲漿材對重金屬污染物阻滯規(guī)律的實驗研究

靖向黨,于 波,謝俊革,馬 戈

(長春工程學(xué)院,長春 130012)

0 引言

城市生活垃圾衛(wèi)生填埋是各國最常用的且處理垃圾量最大的方法。為了保護地下水、地表水和土壤不受垃圾滲瀝液的污染,在一些發(fā)達國家,幾乎所有填埋場工程都采用了垂直隔離墻。但目前我國用于垃圾填埋場的垂直防滲技術(shù)基本都是借用了水利工程、地質(zhì)工程及土木工程的技術(shù)方法,尚未形成針對垃圾填埋場滲瀝液防滲漏的理論與技術(shù)[1],尤其是防滲漿材對污染物阻滯性能的研究,國內(nèi)只有張可能、鄧飛躍、陳永貴等就黏土固化漿液進行了研究[2—4]。所以本文在垃圾填埋場防滲漿材研究和柔壁滲透儀研制的基礎(chǔ)上[5—7],就其對重金屬污染物阻滯規(guī)律進行了實驗研究,以便為垃圾填埋場垂直防滲墻設(shè)計和漿材研制提供依據(jù)。

1 垃圾填埋場防滲對漿材性能的要求

1.1 對漿材性能的要求

垃圾填埋場防滲漿材的目的是防止?jié)B瀝液中的有毒有害污染物對地下水、地表水和土壤造成污染,因此對防滲漿材及其結(jié)石體性能的要求是:漿材可灌性好,結(jié)石體滲透系數(shù)不大于1×10-7cm/s,對滲瀝液中的有機和重金屬等污染物有吸附阻滯作用,具有一定適應(yīng)地基變形的塑性及耐久性等。

1.2 漿材配方研究

借鑒國內(nèi)外應(yīng)用成果,針對垃圾填埋場防滲對防滲漿材及其結(jié)石體性能的要求,本文開展了膨潤土—粉煤灰—水泥漿材(BFC)的研究。

(1)膨潤土

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土巖,在我國的儲量僅次于美國,居世界第二位,主要集中在東北和東部沿海各省。膨潤土中蒙脫石的吸水膨脹性、分散懸浮性、離子交換性和對有機物的吸附性等特性有利于漿液的穩(wěn)定及其結(jié)石體的低滲透性和對污染物的吸附阻滯。

(2)粉煤灰

粉煤灰是燃煤電廠中磨細(xì)煤粉在鍋爐中燃燒后從煙道排出并被收塵器收集的物質(zhì),其主要成分是SiO2、A l2O3和Fe2O3等,通常為球狀顆粒,比表面積一般為2 500～7 000 cm2/g。根據(jù)趙雅芝[8]、朱國營[9]等的研究,粉煤灰對重金屬離子具有一定的吸附能力,能有效地降低滲瀝液中COD、BOD5和三氮的含量

(3)水泥

水泥是應(yīng)用比較廣泛的一種膠凝材料,用作漿材的骨架材料,以提高漿材結(jié)石體的強度。

(4)助劑

為了確保漿材的可灌性、穩(wěn)定性和結(jié)石體的密實性,通過試驗選用純堿作分散劑,必要時選用TMH作稀釋劑(減水劑),用于調(diào)節(jié)漿液的可泵期。

通過三水平四因素正交試驗法L9(34),確定了防滲漿材的配方為:膨潤土35%、粉煤灰20%、水泥22%、純堿1.6%。其結(jié)石體的滲透系數(shù)為0.85×10-7cm/s,抗壓強度 2.07 MPa,彈性模量306.3 MPa,在垃圾滲瀝液和地下水中久泡無變化,滿足垃圾填埋場防滲的要求。

2 防滲漿材對重金屬污染物阻滯規(guī)律的實驗研究

2.1 試樣制備

實驗研究采用吉林省某黏土礦生產(chǎn)的膨潤土,粉煤灰采用長春某電廠產(chǎn)的粉煤灰,水泥采用長春某企業(yè)產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥。按上述配方配制漿液并澆注直徑 63.5 mm,高度為 88 mm、70 mm、50 mm、28 mm 4種不同的試樣,如圖 1所示。

圖1 滲濾試驗試樣

2.2 試驗原理

漿材結(jié)石體對污染物溶液的滲濾試驗采用我們研制的“加壓式柔壁滲透儀(專利號:ZL2005 20091576.X)”和“柔壁滲透試驗氣水隔離供液裝置(專利號:ZL2009 2 0094935.5)”進行,如圖2所示。用下式計算得到阻滯率。式中:Rb——漿材結(jié)石體對污染物的阻滯率,%;

圖2 柔壁滲透儀試驗原理

圖3 滲濾試驗方案

C1——滲濾前原液中某種污染物的含量,mg/L;

C2——滲出液中某種污染物的含量,mg/L。

滲濾試驗采用人工配制的重金屬離子溶液,重金屬污染物含量見表1。

表1 滲濾溶液的污染物含量

2.3 重金屬離子溶液滲濾試驗

試樣澆注后經(jīng)過 30 d的養(yǎng)護,在滲透壓50 kPa,圍壓100 kPa條件下進行滲濾試驗,濾出液采用等離子體—質(zhì)譜儀分析,結(jié)果見表2。

其滲濾原理是:儲液瓶中的滲透液在氣壓作用下經(jīng)供液管路流出供液裝置進入滲透儀,由于試樣在壓氣作用下(氣壓大于供液氣壓30～50 kPa)橡膠膜柔性壁緊緊地壓在試樣周圍,進入滲透儀的滲透液從試樣下端經(jīng)試樣滲濾后由其上端流出,進入滲出液收集器。

圖3所示為滲濾試驗方案,含重金屬污染物的原溶液(0號)分別經(jīng)過不同高度的試樣進行滲濾,對滲出液進行重金屬污染物含量分析,從而得到污染物在漿材結(jié)石體中滲透遷移擴散規(guī)律,同時可利

表2 重金屬離子溶液滲濾試驗結(jié)果

由表2可見,隨著漿材結(jié)石體試樣高度增加,滲出液中重金屬污染物的含量減少,即阻滯作用隨試樣高度增加而增大,如圖4所示。

圖4 濾出液中重金屬污染物與試樣高度的關(guān)系

由式(1)和表2可得不同高度試樣對重金屬污染物的阻滯率,見表3。

表3 重金屬離子溶液滲濾試驗結(jié)果

由表3得試樣高度與阻滯率的關(guān)系曲線,如圖5所示。

圖5 阻滯率與試樣高度的關(guān)系

由表3和圖5可見,隨著漿材結(jié)石體試樣高度增加,對污染物的阻滯率隨之增大,但至少95%的污染物被阻滯在開始滲濾的30mm范圍內(nèi),當(dāng)試樣高度達到88 mm時,幾乎100%的污染物被阻滯在漿材結(jié)石體內(nèi)。

3 漿材結(jié)石體對污染物阻滯機理分析

漿材結(jié)石體對垃圾填埋場滲瀝液中污染物的阻滯性能是通過滲濾沉積作用和吸附滯留作用實現(xiàn)的。

3.1 滲濾沉積作用

由于漿材結(jié)石體的滲透系數(shù)低,其內(nèi)部的孔隙很小且連通性差,所以滲透液通過結(jié)石體時,一方面較大尺寸的分子、離子膠團等被滯留沉積在結(jié)石體的孔隙中,而且隨著滲透的進行被滯留沉積的顆粒越來越多,堵塞孔隙使孔隙變得更小,從而能滯留更小的顆粒,阻滯了污染物的徑流擴散,起到過濾作用;另一方面因結(jié)石體滲透系數(shù)小且隨著滲濾進行而進一步變小,使得滲出的液量減少,因而帶出的污染物也減少。

3.2 吸附滯留作用

滲透液中的 Hg、As、Pb、Cr、Cd 等重金屬離子污染物隨液流滲入結(jié)石體時,與漿材結(jié)石體中的膨潤土和粉煤灰產(chǎn)生物理與化學(xué)吸附,阻止了污染物的進一步遷移擴散,表現(xiàn)出具有一定的吸附能力[10—11],而且蒙脫石、伊利石和高嶺石3種黏土礦物中,蒙脫石吸附金屬的等溫吸附曲線的拐點出現(xiàn)得最遲,表明蒙脫石的穩(wěn)定吸附能力最高。所以當(dāng)滲瀝液滲過結(jié)石體時,其中的一些重金屬離子污染物被吸附滯留在結(jié)石體中,阻止其產(chǎn)生徑流擴散和化學(xué)擴散,起到了凈化作用。

4 結(jié)語

(1)針對防治垃圾填埋場滲瀝液滲漏的特點,研制的膨潤土—粉煤灰—水泥漿材(BFC)其結(jié)石體滲透系數(shù)＜1×10-7cm/s,符合規(guī)范要求,抗壓強度和彈性模量低、塑性好,能很好地適應(yīng)垃圾填埋場地基變形的要求。

(2)漿材結(jié)石體對污染物具有滲濾沉積和吸附滯留作用 ,對 Hg 、As、Pb 、Cr、Cd 等重金屬污染物具有很好的阻滯作用,而且至少95%的污染物能被阻滯在開始滲濾的30 mm范圍內(nèi),當(dāng)試樣高度達到90 mm時,幾乎100%的污染物被阻滯在漿材結(jié)石體內(nèi),且有一定的規(guī)律可循?？梢罁?jù)阻滯率實驗規(guī)律和生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計防滲墻的墻體厚度。

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