紅土作為廢物處置場襯墊的研究進展*

牛凱佳 張家明

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

*基金項目：國家自然科學(xué)基金 (41807258)；中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司科技創(chuàng)新項目(2019YN05)。

0 引言

隨著工業(yè)化和城市化進程的加快，不可避免地產(chǎn)生大量的工業(yè)和生活垃圾，這些垃圾通常堆放在專門的廢物處置場中，如垃圾填埋場、尾礦庫等。然而工業(yè)和生活垃圾中的重金屬可能下滲到周圍的土壤和地下水中，從而對周圍的環(huán)境造成污染。為了降低廢物處置場對周圍環(huán)境的不利影響，傳統(tǒng)的措施是在廢物處置場下方建造襯墊系統(tǒng)來將廢物與周圍環(huán)境相隔開。這些襯墊的作用不僅僅是作為一個水力屏障來物理地控制滲濾液滲漏，還可通過化學(xué)反應(yīng)來限制有害物質(zhì)的逃逸[1]。

紅土作為一種紅棕色的特殊土壤，是在強風(fēng)化作用下紅土化過程的產(chǎn)物。我國紅土主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，所占面積約200萬km2，其厚度可達(dá)數(shù)米[2]。紅土化可能導(dǎo)致紅土具有多微孔結(jié)構(gòu)，如果很好地壓實，紅土具有高密度、低壓縮性和低滲透性的性能[3-4]。由于其資源相對豐富、成本較低以及有利的巖土和地球化學(xué)特性，紅土被考慮作為廢物處置場的襯墊材料。紅土是一種細(xì)粒土，其主要特征是鐵鋁硅酸鹽礦物的分解和倍半氧化物(Fe2O3和Al2O3)的相對富集，并且含有大量的粘土礦物，礦物成分主要為高嶺石、三水鋁石、針鐵礦、赤鐵礦和石英[5]。土壤中較細(xì)的部分，尤其是膠粒粘土部分，可以吸附金屬鹽溶液中的離子，且紅土中的粘土礦物具有較高的陽離子交換量、比表面積和孔隙體積，能有效地吸附溶液中的金屬陽離子[6]。紅土中的鋁、鐵、錳等氧化物礦物具有較大的比表面積、微孔結(jié)構(gòu)和豐富的結(jié)合位點，是影響污染物分布和衰減的有效地球化學(xué)屏障[7-8]。因此，紅土可作為廢物處置設(shè)施的潛在緩沖材料，且襯墊的適用性研究對廢物處置場的運行及管理有重要的意義。

土壤對污染物的阻滯能力主要取決于滲濾液-土壤系統(tǒng)的物理化學(xué)特性。因此，本文從巖土特性、滲透系數(shù)、吸附性能和化學(xué)相容性方面總結(jié)了紅土作為廢物處置場襯墊材料的研究進展。

1 紅土的形成及分類

紅土主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，是母巖在風(fēng)化和不同程度的紅土化作用下形成的產(chǎn)物。它的成土過程主要經(jīng)歷3個階段：①原生礦物的物理化學(xué)分解和以簡單離子形式出現(xiàn)的組分元素(SiO2、A12O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等)的釋放；②紅土化：在適當(dāng)?shù)呐潘畻l件下，二氧化硅、堿和堿土金屬的浸出以及倍半氧化物(主要是A12O3、Fe2O3、TiO2)的相對富集；③脫水或干燥：富含倍半氧化物的材料和次生礦物部分或完全脫水(有時涉及硬化)。膠狀水合氧化鐵的脫水包括失水和無定形鐵膠體濃縮、結(jié)晶成致密的鐵礦物。

“紅土”最先由Buchanan (1807) 提出，用來描述一種含F(xiàn)e的、不分層的多孔材料。根據(jù)水合氧化物的總含量把紅土分為：①真紅土(水合氧化物含量超過90%的土壤)；②硅酸鹽紅土(含量為50～90%的土壤)；③紅粘土(含量為10～50%的土壤)。之后很多學(xué)者對紅土做了不同的定義，MARTIN F J等[9]根據(jù)硅鋁物質(zhì)的量之比(n(SiO2)/n(Al2O3))定義了3個等級的紅土。硅鋁比小于1.33屬于真紅土；介于1.33和2.00之間的是紅土；大于2.00的是非紅土性的熱帶風(fēng)化土。WINTERKORN F H等[10]認(rèn)為紅土中的Fe也是影響其工程性質(zhì)的重要因素，于是提出用硅和倍半氧化物的物質(zhì)的量之比(n(SiO2)/[n(Al2O3)+n(Fe2O3)])來劃分紅土，劃分等級要求與Martin和Doyne提出的值相同。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 紅土的巖土特性

粘土襯墊的屏障性能在很大程度上取決于土體的巖土特性。紅土的巖土特性受成因、風(fēng)化程度、形態(tài)特征、化學(xué)和礦物成分以及環(huán)境的影響，不同程度的紅土化作用形成的紅土的巖土特性則不同，其工程性能也就存在差異。我國紅土集中分布在長江以南的云南、貴州、廣西和湖南等地區(qū)，分布范圍較為廣泛，且化學(xué)風(fēng)化和紅土化作用較為強烈，是具有特殊工程性質(zhì)的土體，常用作路基、地基以及筑壩材料等。

盡管紅土的粒間孔隙發(fā)育，孔隙比較大(1.1～1.7)[11]，若壓實良好，紅土具有較高的抗剪強度和承載力、較低的壓縮性(壓縮系數(shù)一般小于0.03 MPa-1)和滲透系數(shù)(小于1×10-7cm/s)；由于金屬氧化物的存在，導(dǎo)致紅土的比重一般較大(2.76～2.90)[12]；紅土的液限、塑限都較高，塑性指數(shù)介于30～50之間，屬于高塑性粘土，粘粒含量(粒徑小于0.005 mm)高達(dá)60%～80%，其中小于0.002 mm的膠粒占40%～70%[13]，大量細(xì)粒組的存在使得紅土具有較大的比表面積，因此紅土的持水能力和吸附能力較強。紅土富含粘土礦物，其礦物成分主要為高嶺石、三水鋁石、針鐵礦、赤鐵礦和石英[4-5]，粘土礦物的骨架為穩(wěn)定性較高的結(jié)晶格架，細(xì)粒組膠結(jié)成穩(wěn)固的團粒結(jié)構(gòu)，因此紅土具有良好的力學(xué)性能。紅土內(nèi)部顆粒以鐵質(zhì)或鋁質(zhì)凝結(jié)膠結(jié)為主，其結(jié)構(gòu)主要為蜂窩狀結(jié)構(gòu)和絮凝狀結(jié)構(gòu)，故具有較強的粘滯性[14]。

用作襯墊材料的土壤，其特性應(yīng)滿足表1所示的要求[15-16]，壓實粘土襯墊最常用的土壤是低塑性無機粘土(CL)和高塑性無機粘土(CH)[15]。

表1 作為土壤襯墊材料的要求

前人已經(jīng)對作為廢物處置場襯墊的紅土的巖土特性做了大量的研究，如表2所示。CHALERMYANONT T等[17]調(diào)查了用于垃圾填埋場襯墊的紅土的物理特性，該紅土是石炭紀(jì)巖石的風(fēng)化產(chǎn)物，其液限、塑性指數(shù)和密度分別為43%、21.8%和2.76×103kg/m3，根據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)(Unified Soil Classification System, USCS)，該紅土屬于低塑性無機粘土(CL)；FREMPONG E M等[18]研究了用于城市固體廢物填埋場襯墊的紅土的特性，該紅土是前寒武紀(jì)千枚巖的風(fēng)化產(chǎn)物，其粘粒含量和細(xì)粒含量分別為39%和67%，液限、塑性指數(shù)和比重分別為56%、30%和2.78，屬于高塑性粘土(CH)；EBEREMU A O等[19]研究了用于城市固體廢物填埋場襯墊的紅土的巖土特性，該紅土源于酸性火成巖和變質(zhì)巖，其粘粒含量和細(xì)粒含量分別為24%和57%，液限、塑性指數(shù)和比重分別為42%、24%和2.61，屬于低塑性無機粘土(CL)；OLUREMI J R等[5]開展了用于垃圾填埋場襯墊的紅土特性的研究，其紅土是火成巖和變質(zhì)巖衍生的熱帶鐵質(zhì)土壤，其粘粒含量和細(xì)粒含量分別為16%和47%，液限、塑性指數(shù)和比重分別為39.6%、11.6%和2.61，屬于低塑性無機粘土(CL)。

綜合以上研究，在紅土的巖土特性方面，紅土的粘粒和細(xì)粒含量、比重、液塑限均滿足用于襯墊材料的土壤特性要求，且用于廢物處置場襯墊的紅土多屬于低塑性無機粘土。

表2 紅土的巖土特性

2.2 紅土的滲透系數(shù)

水力屏障是廢物處置場襯墊系統(tǒng)的重要組成部分，而滲透系數(shù)是影響土壤水力屏障性能的主要因素，是選擇襯墊材料的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)。儲存工業(yè)廢料、城市固體廢物的處置場的土壤襯墊的滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-7cm/s 。紅土的孔隙發(fā)育程度較高、孔隙比大，但其孔隙尺寸較小，以小孔和微孔為主，孔隙具有較強的吸附水的能力，因此紅土的滲透系數(shù)極低，持水性較強，是較為理想的天然屏障材料。

為了評價紅土作為廢物處置場壓實粘土襯墊的適用性，INDRARATNA B等[22]采用標(biāo)準(zhǔn)和改進的壓實方法，把紅壤殘積土壓實到最大密度的95%，測得2種壓實方法對應(yīng)土樣的滲透系數(shù)分別為2.3×10-7cm/s和1.5×10-7cm/s。OSINUBI K J等[23]研究了壓實紅土的滲透系數(shù)，結(jié)果顯示紅土滲透系數(shù)隨干容重和初始飽和度的增加而降低，尤其是細(xì)粒含量較高時，在干容重和初始飽和程度分別大于16.0 kN/m3和86%狀態(tài)下，紅土的滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s。BOSCOV M E G等[24]調(diào)查了在不同含水率和不同壓實度下巴西紅粘土的滲透性，在最佳壓實條件下，紅土的滲透系數(shù)大約是1×10-7cm/s。IGE O O[20]評價了紅土作為衛(wèi)生填埋場襯墊的適用性，研究表明按標(biāo)準(zhǔn)擊實和改進擊實能壓實后，紅土的滲透系數(shù)分別為1×10-7cm/s和1×10-9cm/s，滿足襯墊材料的滲透系數(shù)要求。MORANDINI T L C等[4]研究了熱帶紅土和膨潤土混合物作為壓實粘土襯墊的滲透系數(shù)，對于天然紅土樣，即使是在最高圍壓80 kPa下，滲透系數(shù)也沒有達(dá)到1×10-7cm/s，增加12%(干重)膨潤土，顯著減小了土壤的滲透系數(shù)，為1.5×10-8cm/s。OJURI O O等[25]調(diào)查了尼日利亞埃多州北部紅粘土作為工程垃圾填埋場襯墊的適用性，調(diào)查發(fā)現(xiàn)土樣的滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s，適合作為襯墊材料。EHRLICH M等[26]調(diào)查了纖維-紅土復(fù)合材料作為垃圾處置場襯墊的水力行為，結(jié)果表明未添加纖維的試樣，即紅土試樣的滲透系數(shù)為5×10-6cm/s，向土壤中添加纖維可以使土壤材料更有韌性，從而減少收縮、張拉問題，提高紅土作為水力屏障的整體性能。

綜上所述，由于紅土沉積環(huán)境的復(fù)雜性，不同區(qū)域發(fā)育的紅土的滲透性可能不同，且紅土的滲透性受含水率和壓實程度的影響，但大多數(shù)紅土的滲透系數(shù)均小于1×10-7cm/s，滿足襯墊材料的滲透系數(shù)要求，有少數(shù)的天然紅土的滲透性較高，不滿足襯墊材料的滲透性要求，但通過添加膨潤土、纖維等添加劑能顯著降低紅土的滲透系數(shù)，從而提高紅土的水力屏障性能。

2.3 紅土對污染物的吸附能力

如前所述，紅土的細(xì)粒含量較高，比表面積較大，因此吸附能力較強。此外，紅土中的鐵、錳氫氧化物是良好的吸附劑，是一種金屬吸附屏障，氫氧化錳能從溶液中吸收鋇、鈷、銅、鎳、銀、鋅、鉛和汞。帶正電荷的氫氧化鐵可以吸收磷、砷、釩、鉬和其他以陰離子遷移的元素[27]。紅土已經(jīng)被證實是一種有效的吸附劑，可去除砷[28]、磷[29]、硫酸鹽[30]、氟化物[31]等多種污染物。

Batch吸附試驗是用來研究土體對重金屬吸附能力最常見的方法。土體對重金屬的吸附是防止其遷移的主要途徑。

國外學(xué)者對紅土對污染物的吸附做了大量的研究。SARKAR M等[32]發(fā)現(xiàn)紅土可作為一種潛在的吸附劑，在293～313 K的溫度范圍內(nèi)，使用500 μm顆粒尺寸的紅土能吸收水溶液中74.4%～83.3%的氟化物。WANG T H等[33]研究了用紅土作為緩沖材料從溶液中去除銫(Cs)的可行性，結(jié)果表明紅土在低溫下對Cs有較高的親和力和吸附能力，這可能是由于溫度升高，解吸能力增強導(dǎo)致的。YU X H等[34]研究了貴州紅土對汞(Hg)的吸附行為，結(jié)果顯示紅土中不同礦物成分會導(dǎo)致紅土對Hg的吸附能力不同，伊利石和非晶體是提高紅土對Hg吸附能力的主要貢獻者。MAJI S K等[28]采用批量吸附試驗，用紅土作為吸附劑來去除地下水中的砷，研究發(fā)現(xiàn)，紅土是一種有效的吸附劑，可以去除砷污染地區(qū)地下水中的砷，去除率可達(dá)98%。UDOEYO F F等[35]呈現(xiàn)了紅土吸附重金屬離子的實驗研究結(jié)果，研究表明紅土對鉛、鎘、砷的吸附量隨著金屬濃度的增加而增加，砷對紅土的親和力最強，其次是鉛、鎘，紅土可作為防滲材料，以吸收重金屬。GHOSH G K等[30]研究了紅土對硫酸鹽的吸附能力，結(jié)果表明紅土對硫酸鹽有較強的吸附能力，平均吸附量高達(dá)84.7%，吸附數(shù)據(jù)與Freundlich和Langmuir吸附等溫線擬合良好。MIGUEL M G等[36]通過吸附試驗分析酸性礦山排水中的化學(xué)元素(鋁、鐵和錳)在典型熱帶紅土中的吸附能力，結(jié)果顯示鋁、鐵、錳的吸附行為不同，在酸性條件下，紅土對鋁的吸附能力較低，沒有獲得吸附等溫線，鐵和錳的分配系數(shù)分別為0.036 4、0.028 1 L/g，阻滯因子分別為81～91和61～79。AMADI A等[37]通過Batch吸附試驗測定紅土對K+、Pb2+的吸附能力，分析表明紅土對K+和Pb2+的去除率分別為85%和81%。

綜上所述，紅土對廢水中的污染物，如氟化物、硫酸鹽、鉛、鎘、砷、汞等有較強的吸附能力，衰減廢物處置場滲濾液中的污染物濃度，從而減小污染物對周圍環(huán)境的影響。

2.4 紅土與滲濾液的化學(xué)相容性

土壤與滲濾液的化學(xué)相容性是指土壤與滲濾液長時間接觸后，土壤襯墊材料的性能不會隨著時間的推移而發(fā)生改變。因此襯墊材料與滲濾液的相容性是廢物處置場建設(shè)需考慮的重要因素，也是評價襯墊材料適用性的重要指標(biāo)之一?；瘜W(xué)相容性研究可能涉及滲透性測試、污染物遷移分析和土壤成分變化的測定。

CHALERMYANONT T等[17]評價了紅土滲透系數(shù)的化學(xué)相容性，采用不同濃度的Cr溶液作為滲透液來測定紅土的滲透系數(shù)，結(jié)果表明隨著重金屬濃度的增加，土樣的滲透系數(shù)會隨之增大，當(dāng)陽離子濃度足夠高時，其滲透系數(shù)超過1×10-7cm/s，如果Cr溶液濃度小于0.001 mol/L，其滲透系數(shù)不會上升到引起人們擔(dān)憂的程度，即紅土的滲透系數(shù)是相容的。BOSCOV M E G等[24]為了研究紅土與滲濾液的相容性，分別測定含有1 000 mg/kg Hg、Zn、Mn、Cd、Fe和Al元素的土壤的液限(WL)和塑限(WP)。結(jié)果顯示除了含有Hg元素的土體，含有其他金屬元素的土體的WL均有所增加，WP表現(xiàn)出輕微下降的趨勢。除汞外，所有金屬的塑性指數(shù)(PI)均顯著上升。對于汞，PI保持不變，因為WL和WP以同等增量增加。OSINUBI K J等[38]分別采用自來水和城市固體廢物滲濾液來滲透紅土，觀測其滲透系數(shù)的變化來評價滲濾液與紅土的化學(xué)相容性，用自來水滲透時，滲透系數(shù)從1.4×10-8cm/s增加到2.5×10-8cm/s，而隨著滲濾液的加入，滲透系數(shù)從2.4×10-8cm/s降低到1.8×10-8cm/s；在相容性測試結(jié)束時，其滲透系數(shù)小于1×10-7cm/s，表明紅土與城市固體廢物滲濾液具有相容性。FREMPONG E M等[18]通過評估垃圾填埋場滲濾液對土體襯墊的影響來確定紅土是否可作為垃圾填埋場襯墊，經(jīng)過測定滲濾液滲透前后的土體參數(shù)得知：滲透液滲透后土體的化學(xué)和礦物學(xué)變化不會對土體的滲透系數(shù)產(chǎn)生不利影響，其滲透系數(shù)為3.1×10-9cm /s，其弱透水性達(dá)到垃圾填埋場襯墊材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。AGBENYEKU E O E等[39]采用酸性礦山廢水(AMD)作為滲透液，研究AMD滲透后紅土的滲透系數(shù)變化規(guī)律，結(jié)果顯示，當(dāng)滲透液AMD體積為7PV(PV為孔隙體積)時，滲透系數(shù)從2.6×10-9cm/s增加到3.5×10-9cm/s，繼續(xù)用AMD滲透，滲透體積達(dá)到18PV后，滲透系數(shù)在3.3×10-9cm/s和3.4×10-9cm/s之間波動，即AMD滲透后，紅土的滲透系數(shù)基本保持不變。

滲濾液與襯墊材料反應(yīng)往往會使土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能產(chǎn)生絮凝、收縮及土壤的酸堿溶解，導(dǎo)致襯墊材料的滲透系數(shù)增加。然而綜合上述研究發(fā)現(xiàn)，滲濾液與紅土反應(yīng)并沒有導(dǎo)致滲透系數(shù)明顯增加，表明紅土與滲濾液有較好的化學(xué)相容性。

3 既有研究存在的不足及研究發(fā)展趨勢

收集國內(nèi)外相關(guān)資料顯示，國外對作為廢物處置場襯墊，尤其是垃圾填埋場襯墊的紅土做了大量的研究，然而國內(nèi)研究較少。我國紅粘土主要集中分布在云南、貴州、廣西等熱帶、亞熱帶的南方地區(qū)，喀斯特較為發(fā)育，大多數(shù)紅土下伏基巖主要是碳酸鹽巖，且這些地區(qū)礦產(chǎn)資源比較豐富，如個舊錫礦、廣西平果鋁土礦。礦產(chǎn)資源的開采產(chǎn)生了大量的尾礦，通常儲存在尾礦庫中，利用天然的紅粘土作為尾礦庫襯墊具有明顯的優(yōu)勢，然而既有研究主要集中于紅土作為垃圾填埋場襯墊材料的研究，作為尾礦庫襯墊材料的研究還較少。此外，由于沉積環(huán)境的復(fù)雜性，不同區(qū)域發(fā)育的紅土的地球化學(xué)行為具有多樣性，目前對碳酸鹽巖上覆紅土作為襯墊材料的研究也較少。今后的研究可以從碳酸鹽巖上覆紅土作為礦山尾礦庫襯墊材料的適用性進行研究，開展這些研究可以為尾礦庫的襯墊設(shè)計提供參考。

4 結(jié)論

建造廢物處置場必須要優(yōu)先考慮對周圍環(huán)境的影響，以確保周圍土壤、地表水以及地下水不受污染，因此，廢物處置場的襯墊設(shè)計尤為重要，是廢物處置場能否正常運行的關(guān)鍵所在。紅土由于其分布廣泛，且具有有利的巖土和地球化學(xué)特性，被考慮作為廢物處置場襯墊材料。通過總結(jié)前人的研究得到如下結(jié)論：

(1)紅土作為一種特殊土壤，其比重大、細(xì)粒含量高，大多屬于低塑性無機粘土，其粘粒和細(xì)粒含量、比重、液限和塑性指數(shù)均滿足襯墊材料的土壤特性要求。

(2)由于紅土化作用，紅土的孔隙較為發(fā)育、孔隙比大，但孔徑較小，以小孔和微孔為主，微小孔徑具有較強的吸附水的能力，因此紅土的滲透系數(shù)極低，大多都小于1×10-7cm/s，可以作為水力屏障材料。

(3)由于紅土細(xì)粒含量較高，比表面積較大，因此有較強的吸附能力，此外，紅土中富含的鐵、錳氫氧化物是一種良好的吸附劑。紅土能吸附廢水中的氟化物、硫酸鹽、鉛、鎘、砷、汞等污染物，從而降低廢物處置場滲濾液中的污染物濃度。

(4)紅土與滲濾液具有化學(xué)相容性，滲濾液與紅土反應(yīng)不會導(dǎo)致紅土的滲透系數(shù)明顯增加，因此，紅土可作為理想的天然屏障材料。