页岩改性粘土作为垃圾填埋场防渗衬垫试验研究

陈 武，李 磊

(1.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京210098；2.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210098)

垃圾填埋作为城市垃圾的最终处置技术，目前应用十分普遍。我国90%的城市垃圾用填埋技术进行处理[1]。如果填埋场的防护措施不当，产生的渗滤液易造成当地土壤和地下水的污染，因此选择良好的衬垫材料至关重要。目前，常用的防渗材料包括天然材料和人工合成材料，但是由于多种原因，渗滤液的渗漏普遍发生，因此，有必要提高防渗材料对渗滤液中污染物的衰减作用。粘土等天然矿物材料以其良好的防渗性能，被广泛用作填埋场的防渗衬垫材料，但是由于天然粘土对污染物的衰减能力较差，很多学者对其进行改性，以提高其对污染物的衰减能力[2-4]。

页岩是一种由粉砂级和粘土级颗粒组成的细粒纹层状沉积岩。在我国的大部分地区均有较为丰富的页岩储备[5]。在电子显微镜下观察，页岩颗粒内部存在大量微孔，呈巢状(似蜂窝状)，所以比重和堆积密度小，体轻，具有较强的吸附能力。关于页岩的吸附能力，有不少学者做过这方面的研究[6-7]，并已成功地应用于制作陶粒滤料、油脂及糖液脱色、给水及废水的处理方面，但是页岩用于垃圾填埋场防渗衬垫的研究还不曾见到。

本研究采用页岩对天然粘土进行改性，考察页岩颗粒对污染物的吸附能力以及粉碎页岩作为天然粘土防渗衬垫改性剂对其防渗能力的影响。因此，如何开发页岩作为防渗衬垫材料就具有较高的环境效益和经济效益。

1 实验过程

根据页岩的吸附能力，通过页岩颗粒的吸附试验探索性地研究页岩颗粒对垃圾填埋场渗滤液主要污染物NH4+和COD的吸附能力；同时，通过粉碎页岩改性粘土材料的渗透试验，研究粉碎页岩作为粘土防渗衬垫改性剂对防渗能力的影响，并确定粉碎页岩改性剂一个合理添加量。

1.1 试验材料

页岩、膨润土和粉煤灰从市场购买，粘土取自某填埋场，各材料化学分析结果如表1。之前曾有学者用膨润土和粉煤灰等材料改性粘土，它们对垃圾渗滤液中的污染物都有一定的吸附能力，因此也对它们进行吸附试验，作为页岩吸附能力的比较。

表1 各材料的组成成分 单位:%

先将页岩敲碎过2 mm分析筛，做粒径分析，留作渗透试验的添加材料。再将敲碎的页岩经微型粉碎机粉碎后过2 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.15 mm 和0.075 mm分析筛，取不同粒径范围内的页岩留作吸附试验材料。粘土风干研磨剔除粗颗粒，做粒径分析。粘土和敲碎页岩的粒径分布曲线如图1。粘土的塑限为20.66%，10 mm液限为31.06%，17 mm液限为40.17%。

垃圾渗滤液取自某垃圾填埋场，NH4+和COD浓度分别为686.01 mg/L、1657.28 mg/L。

1.2 试验仪器和试剂

微型粉碎机 ；2 mm 、0.5 mm、0.25 mm 、0.15 mm和0.075 mm分析筛；250 mL锥形瓶；电子天平；振荡器；25 mL、50 mL试管 ；烘箱；UV-2450 紫外可见分光光度计；液塑限联合测定仪；轻型击实筒；推土器；钢丝锯；切土刀；TST-55型渗透仪。

酒石酸钾钠溶液；纳氏试剂；掩蔽剂；0.2 mol/L重铬酸钾消解液；Ag2SO4-H2SO4催化剂。

图1 粘土和粉碎页岩的粒径分布曲线

1.3 试验方法与步骤

(1)吸附试验方法与步骤:称取膨润土、粉煤灰、粘土及不同粒径页岩各10g置于250 mL具塞锥形瓶中，分别加入100 mL垃圾渗滤液，置于振荡器上，在20℃下以 120 r/min振荡 24 h、48 h、72 h。分别吸取不同振荡时间下振荡液，过滤后，分别用纳氏试剂光度法和快速密闭催化消解法测定NH4+浓度和COD浓度[8]。根据浓度变化确定各土样对这两个指标达到吸附平衡所需的时间、吸附量和吸附率。

(2)渗透试验方法与步骤:取重量PN的干粘土和重量PY的粉碎页岩，将它们混合。按与粘土的塑限含水率有关的含水率加水，制备成样品，再将这些材料存放24 h后击实，然后用环刀取样。粉碎页岩的重量百分比用 B=(PN/PY)×100%来确定。在粘土中添加的粉碎页岩用量分别为 0%、5%、10%、15%、20%、30%。加水量选21%(略大于粘土的塑限含水率)。环刀大小为:厚40 mm、直径61.8 mm。采用蒸馏水和填埋场垃圾渗滤液分别对几组不同粉碎页岩添加量的土样作渗透试验对比研究。按标准[9]采用TST-55型变水头渗透仪进行渗透。

2 试验结果与分析

2.1 吸附试验结果与分析

按照上述实验方法进行吸附试验，检测不同振荡时间下振荡液中NH4+、COD的浓度，数据见表2和表3。

从表2可以看出，当振荡时间为24 h时，各种土样对NH4+的吸附达到了平衡，24 h后NH4+的浓度只有微小变化。故确定页岩颗粒及其他土样对渗滤液中NH4+的吸附平衡时间为24 h。

从表3可以看出，当振荡时间为48 h时，各土样对渗滤液中COD的吸附才达到平衡，48 h后COD浓度只有微小变化。故确定页岩颗粒及其他土样对渗滤液中COD的吸附平衡时间为48 h。

表2 不同振荡时间下振荡液中NH4+的浓度 单位:mg/L

表3 不同振荡时间下振荡液中COD的浓度 单位:mg/L

原渗滤液的NH4+和COD浓度分别为686.01 mg/L、1657.28 mg/L，经过一定时间的振荡吸附，这两个指标的浓度趋于平衡。取振荡48 h下振荡液中的NH4+和COD浓度值，根据公式计算了其吸附量与吸附率[10]。

式中:S为平衡时吸附在土颗粒上的指标浓度(mg/g)；R为吸附率(%)；C0为溶液中测定指标的起始浓度；C为溶液中测定指标的平衡浓度；V为溶液的体积；MS为页岩的质量。几组不同土样分别对NH4+和COD的吸附试验结果如表4和表5所示。

表4 不同土样对NH4+的吸附试验结果

几组土样对于去除垃圾渗滤液中的NH4+主要是通过带负电荷的土颗粒的静电吸附、离子交换等作用实现的[11]。从表4可以看出，对于NH4+的吸附效果，几组不同粒径范围的页岩都差不多，吸附率在27.21%～31.21%之间，低于膨润土，但是比粉煤灰和粘土都要高。

表5 不同土样对COD的吸附试验结果

实验采用的几种土样都含有较大的比表面积。当该类物质与含大量有机、无机胶体的垃圾渗滤液作用时，起到了胶体凝结核的作用。由于表面吸附能、范德华力、氢键配位键及π键的作用，可将有机化合物吸附在矿物颗粒表面。同时已经发生凝聚作用的聚集絮团物，在运动中以其巨大的表面吸附卷带有机胶体颗粒，生成更大的絮团，使体系失去稳定而沉降，这是吸附有机物的主要作用机制[11]。

电子显微镜下观察几种实验土样，如图2，页岩跟膨润土具有相似的片状结构。但和膨润土相比页岩的片与片之间存在空隙，使页岩颗粒内部存在大量微孔，呈巢状(似蜂窝状)。这种微孔结构使得页岩对COD具有较强的吸附能力。从表5可以看出，在0.075 mm～2 mm粒径范围内的页岩对COD的吸附率在57.57%～61.75%之间，明显高于其它土样，但是在颗粒被粉碎至0.075 mm以下时这种微孔结构遭到破坏，致使其对COD的吸附能力下降。

图2 膨润土(左上)、粉煤灰(右上)、粘土(左下)和页岩(右下)的电子显微镜扫描图像

2.2 渗透性试验结果与分析

记录不同时间段的初始和终止水头，根据公式计算了其渗透系数[12]。

式中:a为变水头管的断面面积(cm2)；2.3为ln和log的变换因数；L为渗径，即试样高度(cm)；t1，t2分别为测读水头的起始和终止时间(s)；H1，H2分别为起始和终止水头。不同粉碎页岩添加量土样的渗透试验结果如图3和图4所示。

图3 蒸馏水渗透下几组土样的渗透系数

图4 垃圾渗滤液渗透下几组土样的渗透系数

由于粉碎页岩含有较多的粗颗粒，将它添加到粘土中会改变原土的颗粒级配，会使土样的渗透系数增大。同时由于改性土样的吸附性，随着它对垃圾渗滤液中离子的吸附，也会使土样的渗透系数增大[13]。从图3和图4可以看出，不管是采用蒸馏水渗透还是垃圾渗滤液渗透，粘土的渗透系数都能达到1×10-7cm/s以下，而不同粉碎页岩添加量的改性土样的渗透系数较粘土都有不同程度的增大，特别是高添加量的几组改性土样，渗透系数增大比较明显，随着渗透进行，几组改性土样的渗透系数都趋于平衡。

5%、10%粉碎页岩添加量的改性土样的渗透系数不管是蒸馏水渗透还是垃圾渗滤液渗透虽然较粘土略有增大但都能达到1×10-7cm/s以下。

在蒸馏水渗透情况下，15%、20%和30%粉碎页岩添加量的改性土样的渗透系数很难达到1×10-7cm/s以下；而在垃圾渗滤液渗透情况下，除30%页岩添加量的混合土样外其余都能降到1×10-7cm/s以下。一方面，由于垃圾渗滤液中含有大量的无机、有机杂质，悬浮物等，被土样阻截堵塞在空隙内，从而降低水流对土壤颗粒的冲刷作用；同时还由于带电离子的垃圾渗滤液粘滞度高于蒸馏水，而渗透系数又随粘滞性的增高而降低，从而使得土样的渗透系数下降。另一方面，通过离子交换或吸附作用，阳离子可以进入粘土矿物晶体的层间空隙，对层间的作用力产生影响，通常是离子浓度或电位的增加导致层间排斥力降低，从而使土粒发生聚集；还有土与垃圾渗滤液中的重金属、碳酸盐等物质由于物理或化学反应产生絮凝和沉淀作用，从而降低了土样的渗透系数。

现取渗透稳定时几组土样的渗透系数，来比较粉碎页岩添加量对改性土样渗透系数的影响，如图5。

图5 粉碎页岩添加量对改性土样渗透系数的影响

从图5可以看出，不管是蒸馏水渗透还是垃圾渗滤液渗透，随着粉碎页岩添加量的增加，改性土样的渗透系数呈增大趋势。当粉碎页岩添加量不大于10%时，改性土样的渗透系数都能满足低于1×10-7cm/s的要求。

3 结 论

(1)通过页岩颗粒吸附试验和粉碎页岩改性粘土材料渗透试验的研究，粉碎页岩作为填埋场防渗衬垫是可行的，具有技术和经济两方面的优势。

(2)通过吸附试验看出，页岩颗粒粒径在0.075 mm以上时，对COD的吸附率在57.57%～61.75%之间，明显高于膨润土、粉煤灰等改性材料，但是在颗粒被粉碎至0.075 mm以下时对COD的吸附能力下降；对NH4+的吸附率在27.21%～31.21%之间，低于膨润土，但是比粉煤灰和粘土都要高。页岩颗粒对垃圾填埋场渗滤液主要污染物NH4+和COD具有一定的吸附能力。

(3)通过渗透试验看出，粉碎页岩添加量在10%以内时，不管用蒸馏水还是用垃圾渗滤液渗透，改性土样的渗透系数都能满足低于1×10-7cm/s的要求。

(4)垃圾渗滤液中还有很多有机和无机的污染物，NH4+和COD只是其中含量比较多的污染物，页岩颗粒对污染物的吸附能力还需进一步综合考虑；粉碎页岩改性粘土材料作为垃圾填埋场防渗衬垫除了满足渗透要求外，还需要考虑衬垫的抗剪强度，抗干裂能力等等，都需要进一步实验研究。

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