垃圾填埋场中改性粘土防渗层渗透性能研究

孙雪景，王占华

(吉林建筑大学 市政与环境工程学院，吉林 长春 130118)

随着社会经济的快速发展以及城市化进程的快速发展，城市填埋问题已成为环保研究的热点之一[1-2].填埋仍是目前处理城市垃圾的主要方式，但这种方式容易受到外部因素(主要指雨水、地表水和地下水)的影响，造成固体废弃物垃圾产生渗滤液，渗滤液具有重金属的危害，同时具有较大的毒性，对环境产生很大的污染[3].本文主要研究了垃圾防渗层的渗透问题，并通过理论分析和实验研究探讨了在垃圾填埋过程中粉煤灰的使用.粘土的形式主要是来解决防渗层开裂等问题.

1 填埋场改性填料的选择及技术路线

由于天然粘土的防渗性能较低，对其进行改性后可以提高其防渗性能，因此所添加材料一方面其粒径需极小，能够填充在天然粘土孔隙中，减小其空隙比，从而在一定程度上减小其渗透系数；另一方面，希望添加的材料在于粘土的接触面上能够反应生成一些难溶解、渗透性比较低的稳定密封物质来进一步降低天然粘土的渗透系数，从而能够有效阻止渗滤液中的有害污染物对相关周围环境影响.因此，实验中改性填料选择的依据主要有以下四点：(1)选择的改性填料可与天然粘土或垃圾渗滤液中的污染物质进行反应，产生一定的低溶解度、低渗透性且比较稳定(最主要的不要受渗滤液中污染物质的影响)的固封物质；(2)填料不能减弱原防渗层材料的强度，吸附截污性能等一些对防止渗滤液的泄露起重要作用的性状；(3)填料不应该有污染物质的释放，从而加剧防渗层防渗负荷；(4)填料在经济上应该价格低廉，来源上数量大且易得.

图1 技术路线图

2 基于改性粘土渗透实验目的和方法

本实验的粘土取自长春市建筑工地，经过磨土机研磨，其粒径都在0.5 mm以下，所采用的粉煤灰来自于长春大唐热电二厂，本实验渗滤液取自长春市三道垃圾卫生填埋场.本文主要对天然粘土改性以期作为防渗层材料，它改性后的渗透系数也必须至少达到这个要求(住房与城乡建设部规定的渗透系数在10-7cm/s)才能在实际中得到应用.因此，本实验就是为确定经粉煤灰改性的粘土渗透系数能否达到实际工程应用中垃圾填埋场中的要求.实验材料和设备如下(1)变水头渗透装置；(2)渗透容器：由环刀、套环、上盖和下盖组成；(3)变水头装置：它主要由变管头、供供水瓶、进水管等相关实验器材组成；(4)容器、测量表、桌子、线锯、凡士林等；(5)轻型击实仪.

渗透性测试的目的是确定土壤的渗透性，它是衡量土壤重要属性的指标，其影响因素包括：土壤的粒度组成、矿物组成、水膜的厚度与结构组合、水溶液的组成和浓度等.一般采用达西定律进行计算，即：渗透流量q与圆管面积A和水力坡度I这两个因素有关系，并且成正比关系，同时还与土壤的渗透系数k有关系，其公式如下：

q=kAI

(1)

变水头渗透实验是通过在不同的压头下，通过测量一定时间内土壤样品的渗透量来确定土壤的相关渗透系数.其操作步骤如下：(1)击实土壤后，用环刀垂直切入土样，平整土样两面，为了避免堵塞缝隙，将装有样品的环形切割器放在渗透容器中，并用螺母旋紧，并且密封件需要泄漏到水中.(2)将渗透容器下盖的进水口与变水头装置中的进水管连接，打开管夹使供水瓶与变水头管连通.(3)开排气阀从渗透容器底部除去空气，直至溢出的水中没有气泡.(4)将水注入可变集管，当出水口的水溢出时，启动秒表，记录初始水头和时间，并且以预定的时间间隔记录水头情况和变化时间量.计算变水头渗透系数，其计算公式如下：

(2)

式中：k—试样的渗透系数，cm/s；

a—变水头的断面积，cm2；

L—试样的高度，cm；

A—试样的断面；

t1—测读水头的起始时间，s；

t2—测读水头的终止时间，s；

h1—测压管中开始时的水头，cm；

h1—测压管中开始时的水头，cm；

标准温度下的渗透系数：

(3)

式中：K20—标准温度为20 ℃样品的渗透系数，cm/s；

kT—温度为T℃样品的渗透系数，cm/s；

ηT—T℃水动力黏滞系数，kPa·s；

η20—20 ℃水动力黏滞系数，kPa·s；

3 渗透实验结果与数据分析

实验中变水头渗透仪基本参数如下：样品高度L=4 cm，样品面积A=30 cm2，测压管断面积a=2 cm2，通过变水头渗透实验来测定粉煤灰改性粘土的渗透性能，经过一段时间当套环中的改性粘土样品已被水饱和，达到稳定后，连续5d观察渗透仪水面变化情况，得到实验结果(见表1—5).

表1 10%粉煤灰改性粘土渗透系数测定

表2 15%粉煤灰改性粘土渗透系数测定

表3 20%粉煤改性粘土渗透系数测定

表4 25%粉煤灰改性粘土渗透系数测定

表5 30%粉煤灰改性粘土渗透系数测定

从上述表中，可以发现经粉煤灰改性的粘土在经充分饱和达到稳定以后，所测定的渗透系数均在10-8cm/s的数量级上，符合项目的工程期望.其原因主要是因为添加的粉煤灰的颗粒较小，能填充在粘土的空隙之中，从而减小粘土的空隙比，同时，改性粘土吸附污染物，但是空隙被堵塞.此外，其中的活性成分都能使改性粘土的渗透系数下降，因此经改性的粘土在渗透系数方面是符合作为防渗层材料的要求的，其低渗透性能够有效地阻滞填埋场中渗滤液等污染物的外泄污染周围环境.

另外，从图2中还可以观察到不同配比改性粘土渗透系数的大概变化情况，在配比10%～20%之间，渗透系数有一个逐渐变小的趋势，而在达到20%后又开始上升，即渗透系数在20%达到最小，说明粉煤灰渗入比有一个最优比，超过最优比其对渗透系数的影响减少，成本增加，从防渗层最大程度阻滞污染物的角度来看，作为防渗层的材料的渗透系数应该是越小，其作用越明显，而这一最佳点出现在20%的配比上.

图2 不同粉煤灰配比改性粘土的渗透系数变化

4 结 论

本文利用变水头渗透试验对各个不同粉煤灰配比的改性粘土的渗透系数进行了测量，实验结果表明经粉煤灰改性的粘土其渗透性能有明显的提高，渗透系数下降到了10-8cm/s，完全满足于国家对防渗层材料渗透系数的要求，并且添加20%的粉煤灰得到的改性粘土的渗透系数最小.因此，经粉煤灰改性的粘土其在渗透性能没有产生不利的影响，相反还能更好地在垃圾填埋场起到防渗的作用.