垃圾填埋场防渗浆材对重金属污染物阻滞规律的实验研究

靖向党,于 波,谢俊革,马 戈

(长春工程学院,长春 130012)

0 引言

城市生活垃圾卫生填埋是各国最常用的且处理垃圾量最大的方法。为了保护地下水、地表水和土壤不受垃圾渗沥液的污染,在一些发达国家,几乎所有填埋场工程都采用了垂直隔离墙。但目前我国用于垃圾填埋场的垂直防渗技术基本都是借用了水利工程、地质工程及土木工程的技术方法,尚未形成针对垃圾填埋场渗沥液防渗漏的理论与技术[1],尤其是防渗浆材对污染物阻滞性能的研究,国内只有张可能、邓飞跃、陈永贵等就黏土固化浆液进行了研究[2—4]。所以本文在垃圾填埋场防渗浆材研究和柔壁渗透仪研制的基础上[5—7],就其对重金属污染物阻滞规律进行了实验研究,以便为垃圾填埋场垂直防渗墙设计和浆材研制提供依据。

1 垃圾填埋场防渗对浆材性能的要求

1.1 对浆材性能的要求

垃圾填埋场防渗浆材的目的是防止渗沥液中的有毒有害污染物对地下水、地表水和土壤造成污染,因此对防渗浆材及其结石体性能的要求是:浆材可灌性好,结石体渗透系数不大于1×10-7cm/s,对渗沥液中的有机和重金属等污染物有吸附阻滞作用,具有一定适应地基变形的塑性及耐久性等。

1.2 浆材配方研究

借鉴国内外应用成果,针对垃圾填埋场防渗对防渗浆材及其结石体性能的要求,本文开展了膨润土—粉煤灰—水泥浆材(BFC)的研究。

(1)膨润土

膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土岩,在我国的储量仅次于美国,居世界第二位,主要集中在东北和东部沿海各省。膨润土中蒙脱石的吸水膨胀性、分散悬浮性、离子交换性和对有机物的吸附性等特性有利于浆液的稳定及其结石体的低渗透性和对污染物的吸附阻滞。

(2)粉煤灰

粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出并被收尘器收集的物质,其主要成分是SiO2、A l2O3和Fe2O3等,通常为球状颗粒,比表面积一般为2 500～7 000 cm2/g。根据赵雅芝[8]、朱国营[9]等的研究,粉煤灰对重金属离子具有一定的吸附能力,能有效地降低渗沥液中COD、BOD5和三氮的含量

(3)水泥

水泥是应用比较广泛的一种胶凝材料,用作浆材的骨架材料,以提高浆材结石体的强度。

(4)助剂

为了确保浆材的可灌性、稳定性和结石体的密实性,通过试验选用纯碱作分散剂,必要时选用TMH作稀释剂(减水剂),用于调节浆液的可泵期。

通过三水平四因素正交试验法L9(34),确定了防渗浆材的配方为:膨润土35%、粉煤灰20%、水泥22%、纯碱1.6%。其结石体的渗透系数为0.85×10-7cm/s,抗压强度 2.07 MPa,弹性模量306.3 MPa,在垃圾渗沥液和地下水中久泡无变化,满足垃圾填埋场防渗的要求。

2 防渗浆材对重金属污染物阻滞规律的实验研究

2.1 试样制备

实验研究采用吉林省某黏土矿生产的膨润土,粉煤灰采用长春某电厂产的粉煤灰,水泥采用长春某企业产的32.5普通硅酸盐水泥。按上述配方配制浆液并浇注直径 63.5 mm,高度为 88 mm、70 mm、50 mm、28 mm 4种不同的试样,如图 1所示。

图1 渗滤试验试样

2.2 试验原理

浆材结石体对污染物溶液的渗滤试验采用我们研制的“加压式柔壁渗透仪(专利号:ZL2005 20091576.X)”和“柔壁渗透试验气水隔离供液装置(专利号:ZL2009 2 0094935.5)”进行,如图2所示。用下式计算得到阻滞率。式中:Rb——浆材结石体对污染物的阻滞率,%;

图2 柔壁渗透仪试验原理

图3 渗滤试验方案

C1——渗滤前原液中某种污染物的含量,mg/L;

C2——渗出液中某种污染物的含量,mg/L。

渗滤试验采用人工配制的重金属离子溶液,重金属污染物含量见表1。

表1 渗滤溶液的污染物含量

2.3 重金属离子溶液渗滤试验

试样浇注后经过 30 d的养护,在渗透压50 kPa,围压100 kPa条件下进行渗滤试验,滤出液采用等离子体—质谱仪分析,结果见表2。

其渗滤原理是:储液瓶中的渗透液在气压作用下经供液管路流出供液装置进入渗透仪,由于试样在压气作用下(气压大于供液气压30～50 kPa)橡胶膜柔性壁紧紧地压在试样周围,进入渗透仪的渗透液从试样下端经试样渗滤后由其上端流出,进入渗出液收集器。

图3所示为渗滤试验方案,含重金属污染物的原溶液(0号)分别经过不同高度的试样进行渗滤,对渗出液进行重金属污染物含量分析,从而得到污染物在浆材结石体中渗透迁移扩散规律,同时可利

表2 重金属离子溶液渗滤试验结果

由表2可见,随着浆材结石体试样高度增加,渗出液中重金属污染物的含量减少,即阻滞作用随试样高度增加而增大,如图4所示。

图4 滤出液中重金属污染物与试样高度的关系

由式(1)和表2可得不同高度试样对重金属污染物的阻滞率,见表3。

表3 重金属离子溶液渗滤试验结果

由表3得试样高度与阻滞率的关系曲线,如图5所示。

图5 阻滞率与试样高度的关系

由表3和图5可见,随着浆材结石体试样高度增加,对污染物的阻滞率随之增大,但至少95%的污染物被阻滞在开始渗滤的30mm范围内,当试样高度达到88 mm时,几乎100%的污染物被阻滞在浆材结石体内。

3 浆材结石体对污染物阻滞机理分析

浆材结石体对垃圾填埋场渗沥液中污染物的阻滞性能是通过渗滤沉积作用和吸附滞留作用实现的。

3.1 渗滤沉积作用

由于浆材结石体的渗透系数低,其内部的孔隙很小且连通性差,所以渗透液通过结石体时,一方面较大尺寸的分子、离子胶团等被滞留沉积在结石体的孔隙中,而且随着渗透的进行被滞留沉积的颗粒越来越多,堵塞孔隙使孔隙变得更小,从而能滞留更小的颗粒,阻滞了污染物的径流扩散,起到过滤作用;另一方面因结石体渗透系数小且随着渗滤进行而进一步变小,使得渗出的液量减少,因而带出的污染物也减少。

3.2 吸附滞留作用

渗透液中的 Hg、As、Pb、Cr、Cd 等重金属离子污染物随液流渗入结石体时,与浆材结石体中的膨润土和粉煤灰产生物理与化学吸附,阻止了污染物的进一步迁移扩散,表现出具有一定的吸附能力[10—11],而且蒙脱石、伊利石和高岭石3种黏土矿物中,蒙脱石吸附金属的等温吸附曲线的拐点出现得最迟,表明蒙脱石的稳定吸附能力最高。所以当渗沥液渗过结石体时,其中的一些重金属离子污染物被吸附滞留在结石体中,阻止其产生径流扩散和化学扩散,起到了净化作用。

4 结语

(1)针对防治垃圾填埋场渗沥液渗漏的特点,研制的膨润土—粉煤灰—水泥浆材(BFC)其结石体渗透系数＜1×10-7cm/s,符合规范要求,抗压强度和弹性模量低、塑性好,能很好地适应垃圾填埋场地基变形的要求。

(2)浆材结石体对污染物具有渗滤沉积和吸附滞留作用 ,对 Hg 、As、Pb 、Cr、Cd 等重金属污染物具有很好的阻滞作用,而且至少95%的污染物能被阻滞在开始渗滤的30 mm范围内,当试样高度达到90 mm时,几乎100%的污染物被阻滞在浆材结石体内,且有一定的规律可循。可依据阻滞率实验规律和生活垃圾填埋场污染控制标准设计防渗墙的墙体厚度。

[1]靖向党,阮文军,代国忠.垃圾填埋场防渗技术的现状[J].长春工程学院学报:自然科学版,2006,7(1):1-4.

[2]邓飞跃,张可能.粘土固化注浆帷幕对有害物质的阻滞作用[J].中南工业大学学报,2000,31(6):524-527.

[3]陈永贵,邹银生,张可能.粘土固化注浆帷幕对重金属离子的吸附特性[J].湖南大学学报:自然科学版,2007,34(2):25-28.

[4]陈永贵,张可能,邓飞跃,等.粘土固化注浆帷幕对渗滤液中苯酚的吸附性能研究[J].中南大学学报:自然科学版,2009,40(1):243-247.

[5]靖向党,于波.城市垃圾填埋场粘土基防渗浆材的实验研究[J].水文地质工程地质,2007(5):372-434.

[6]靖向党,于波.垃圾填埋场水泥基防渗浆材的研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2006,10:5-8.

[7]靖向党,于波,谢俊革.柔壁渗透仪的试验研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2008,9:28-31.

[8]赵雅芝,杨凤林,薛大明,等.粉煤灰、建筑垃圾、粘土对垃圾渗透液吸附行为的研究[J].环境保护科学,1994,20(4):32-36.

[9]朱国营,赵永胜.粉煤灰在垃圾淋滤液循环处理中的作用[J].长春科技大学学报,2000,30(3):262-265.

[10]成春奇.粘土对重金属污染物容纳阻滞能力研究[J].水文地质工程地质,2001,6:12-14.

[11]刘安涟.利用粉煤灰处理电厂生活污水的试验研究[J].湖北电力,1998,22(2):41-44.