垃圾填埋场渗沥液pH值变化对粘土防渗层压缩性的影响

2022-04-01黄方媛魏松张婉婷卢昱柏苏进源郑海君吉锋

地质灾害与环境保护 2022年1期

黄方媛，魏松，张婉婷，卢昱柏，苏进源，郑海君，吉锋

(成都理工大学环境与土木工程学院，成都 610059)

近些年来，随着城市人口的增加，人民生活水平的提高，城市生活垃圾的处理和处置已成为环卫部门和市政管理工程中的一项新课题。国内外对生活垃圾的处理方法主要可归纳为4类：卫生填埋、堆肥、焚烧和综合利用。卫生填埋具有相对处理成本低、处置量大、终极化处置程度高(其他3种方法的终极处置，仍是采用这种方法)等优点，现已成为国内外大中型城市生活垃圾处置的主要方式之一[1]。

垃圾卫生填埋工程具有重大的环境效益和社会效益，但却基本上不产生直接的经济效益。它在各类市政建设工程中是一种独特的纯耗资工程，即使能回收其中可利用的部分，其意义也主要在于对资源的珍惜，而经济回报仍然是微不足道的。正因为如此，或者由于资金不敷，或者在实施中未能按有关规程和设计执行，对衬里(底衬和侧衬)碾压不足、填土层的厚度和密度偏小等现象普遍存在。长期监测工作的懈怠，没有按照设计要求坚持系统的长期监测，有的垃圾填埋场的监测设施甚至形同虚设，如果发生对地质环境的污染，也难以发现;而且由于缺乏系统完整的监测数据，无法反馈到设计中去以不断提高设计的质量水平[2]。

垃圾填埋场中会产生大量的渗沥液，生活垃圾渗沥液是一种成分复杂、难以处理的高有机、高氨氮污水，会对周边的地质环境造成污染，而垃圾填埋场的上述问题为渗滤液污染地质环境提供了污染的载体和通道[3]。

一般来说，垃圾渗沥液的性质会随着填埋时间的增加而变化。垃圾渗沥液中的成分也并非一成不变，它与垃圾的种类多样性以及与处理时间密切相关，其含有大量的金属离子、有机质和盐类物质[4]。

对于垃圾渗沥液目前较为常见的处理工艺有：MBR、SBR、UASB、氧化沟、直接回灌等，此类工艺较为成熟，处理渗沥液中的COD、氨氮等污染物效果明显。但对于渗沥液中的重金属污染物则处理效率低下，而重金属是垃圾渗沥液中不可忽视的一种污染物[5]。

垃圾渗沥液包含的重金属等有害物质会改变土壤的成分及结构，使土壤的肥力和水分下降，其中有毒物质会通过食物链影响人体健康。此外，在雨水的作用下，会造成地表水及地下水的严重污染，影响水生生物的生存和水资源的利用。由于粘性土截污能力强、渗透系数小、价格经济等优势，高密度聚乙烯(HDPE)具有很好的防渗性能，所以在现有的垃圾填埋场中，一般使用天然材料(粘性土)和人工材料(HDPE)进行防渗。但HDPE存在老化、施工过程中易机械破损等缺点，而若HDPE失效，其下的粘土防渗层就成为直接接触渗沥液的防护层，因此研究渗沥液对粘土防渗层的影响就显得尤为重要。

垃圾填埋场中的垃圾在处理过程中还会产生大量的热量，会导致垃圾填埋场内部温度不断升高，影响填埋场的降解过程、渗沥液的产生和产气量。

目前，国内外学者关于渗沥液对填埋场下层粘土防渗层影响，做了不少研究。

目前仍缺少渗沥液长期作用下粘土防渗层压缩性影响的研究。本文通过控制渗沥液pH值，研究渗沥液对粘土防渗层在不同时长的条件下的作用效果，对处理后的土样进行试验，探究渗沥液对粘土防渗层压缩性的影响。

1 研究方法及试验材料

1.1 试验材料、取材及其性质

试验材料包括：(1)成都粘土;(2)垃圾渗沥液膜滤浓缩液(5 l);(3)氢氧化钠溶液;(4)稀盐酸溶液(浓度36%);(5)蒸馏水;(6)pH计。关键材料的特性如下：

(1) 成都粘土。成都粘土(Chengdu Clays)是指分布于成都平原及周边地区二级阶地以上近地表层的粘土，以质地较细、颜色偏黄、富含钙结核、无水平层理和柱状结构为显著形态特征[13]。常近地表出露、裂隙不发育,是一种黄色塑性粘土。试验所用粘土取材于成都市龙潭寺地区，用钻掘器具取出，并取自不同点位的钻孔。粘土密实度高，完整性好。取回后作密封保存并静止于阴凉处。

(2) 垃圾渗沥液膜滤浓缩液(5 l)。垃圾渗沥液采用膜处理技术，得到膜滤浓缩液。垃圾渗沥液膜滤浓缩液是一种高浓度难降解的有机废水，主要由大分子难降解物质组成[14]，是垃圾渗沥液经过生物降解后再经反渗透膜(RO)或纳滤膜(NF)截留的余液,一般不具有可生化性,其体积可以占到垃圾渗沥液原液体积的8%～20%[15]。

和垃圾渗滤液不同，膜滤浓缩液中残留的污染物通常是难以被生物降解的腐殖质类物质，而且含盐量很高，且含有大量的金属离子，营养物质比例失调，所以一般膜滤浓缩液的可生化性很低，难以直接进行生化处理，对环境有极其大的危害。膜滤浓缩液呈深棕色，色度可高达3 000以上，并含有大量的腐殖酸、富里酸等难降解有机物[16]。

(3) 氢氧化钠溶液。氢氧化钠为固体状，用蒸馏水配置成溶液，密封静止保存。

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(4) 稀盐酸溶液(浓度36%)。取自实验室，作密封静止保存。

1.2 试验仪器

GDG系列型高压固结仪(图1)。该仪器可用于测定在不同载荷和有侧限的条件下土的压缩性能，可以进行正常慢固结试验和快速固结试验，测定前期固结压力和固结系数。

图1 GDG系列型高压固结仪

1.3 试验方案

(1) 试样制备:将岩心状粘土经机械方式破碎，烘箱烘干(不少于48 h)，再用锤击的方式将其完全破碎，形成粘土颗粒，密封保存。

一共设置4组试验组(pH=6,7,8,9)。将烘干后的粘土颗粒平均分为5等分，每份3 kg，取其中4组作为试验组，1组为对照组。每一组加入570 ml的蒸馏水使土达到天然含水率(19%)，静置。

测得渗沥液膜滤浓缩液的pH=7.1，呈现中性。将渗沥液膜滤浓缩液的平均分成4组，用稀盐酸和氢氧化钠溶液来调节pH，边加边用pH计测量pH值，得到pH=6,7,8,9四组处理后的渗沥液膜滤浓缩液，取每组570 ml加入到天然含水率状态下的土样中，混合均匀，密封静置处理，作为试验组。

设置1组对照组(仅加入蒸馏水)。对照组在天然含水率状态下再加入570 ml的蒸馏水，以作为对照，密封静置处理。

(2) 试验方案：试样制备好后，每一次浸润周期(7 d)结束后，都需进行一次土的固结试验(加荷载等级：50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa)。试验过程中，待上一级荷载稳定后，再增加下一级荷载。加荷完成，待变化稳定后，结束试验，一共得到3组试验数据。将获得的3组压缩系数与压缩模量数据分别进行比较分析，得到随时间的变化粘土在不同pH的垃圾渗沥液作用下压缩系数与压缩模量的变化规律。

2 试验结果及讨论分析

2.1 不同浸润时间下固结参数的变化

图2是在不同浸润时间，相同pH值条件下，土样的压缩系数变化曲线。由图2可见：

图2 相同pH条件下av随时间的变化关系

与蒸馏水组的试验结果相比：当渗沥液pH=6或7时，固结系数变化不大；但当pH=8或9时，固结系数变化较大。这说明，膜滤浓缩液中酸性或碱性物质的增多，会改变固结系数随时间变化的速率。相同时间内，固结系数显著减小，这表明土层的固结速率加快。刚开始试验时，除pH=9的渗沥液组外，其余各组土样压缩系数av均小于蒸馏水处理的土样，但随渗沥液浸润时间的增加，由不同pH的渗沥液所浸润土样的压缩系数av都大于蒸馏水组土的压缩系数，经过不同pH浸泡，土样压缩系数总体均呈下降趋势，但仍都属于高压缩性土。试验结果表明，在渗沥液中加入酸性或碱性物质之后，粘土的压缩系数升高，固结速率变慢。

图3是在不同浸润时间，相同pH值条件下，土样的压缩模量变化曲线。由图3可见：

图3 相同pH条件下Es随时间的变化关系

土样的压缩模量Es与压缩系数av呈反比关系。随渗沥液浸润时间的增加，由不同pH渗沥液浸润的粘土土样的压缩模量Es小于蒸馏水组土样。说明经过一定时间的处理后，渗沥液组的压缩性较蒸馏水组的高。在渗沥液中加入的HCl溶液和NaOH溶液可能改变了粘性土的微观结构，使得渗沥液组的粘性土的压缩性与蒸馏水组的粘性土的压缩性有明显的差异。

综上，随浸润时间增加，压缩系数表现出渗沥液条件下大于蒸馏水条件下，压缩模量表现出渗沥液条件下小于蒸馏水条件下，反映出渗沥液作用使得土的压缩性提高。因此，当垃圾填埋场粘土被浸润时，渗沥液的浸入比水的浸入将引起更大的压缩量。