靖向黨，彭 第，謝俊革，于 波

（長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春130021）

0 引言

垃圾填埋處理作為最終處置手段一直占有重要地位，目前仍然是大多數(shù)國家主要的處理方式，也是相對最經(jīng)濟、最簡單、適應(yīng)性和靈活性強的一種方法，如美國用這種方法處理垃圾占總量的68%，歐洲一般占50%～85%，我國占集中處理量的90%左右[1]。因此，2009年2月《中國環(huán)境服務(wù)業(yè)發(fā)展報告》明確指出：在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，垃圾衛(wèi)生填埋處理仍然是我國大多數(shù)城市解決垃圾出路的最主要方法。

垃圾衛(wèi)生填埋最重要的指標(biāo)之一是防滲系統(tǒng)安全，確保地下水、地表水和土壤不受垃圾滲瀝液的污染。在一些發(fā)達國家，幾乎所有的垃圾填埋場工程中都要建造垂直隔離墻[2]。目前主要采用灌漿帷幕、高壓噴射灌漿板墻、深層攪拌樁墻及地下連續(xù)墻等技術(shù)方法在新建或既有垃圾場建造垂直隔離體系，但這些用于垃圾填埋場垂直防滲墻的技術(shù)基本都是借用了水利工程、地質(zhì)工程及土木工程的技術(shù)方法，尤其是防滲墻漿材，尚未形成針對垃圾填埋場滲瀝液污染物滲漏防治的理論與技術(shù)[1]，所以本文在研究防滲漿材對垃圾滲瀝液污染物阻滯作用機理的基礎(chǔ)上，開展了垃圾填埋場防滲漿材及其對垃圾滲瀝液污染物阻滯規(guī)律的實驗研究。

1 垃圾填埋場防滲漿材的阻滯機理與漿材組成

1.1 防滲漿材對垃圾滲瀝液中污染物的阻滯機理

垃圾填埋場防滲墻的作用是防止?jié)B瀝液中有毒有害污染物滲漏造成地下水和土壤污染，因此防滲漿材結(jié)石體對污染物應(yīng)有良好的阻滯作用，其阻滯作用機理是通過滲濾阻滯作用和吸附阻滯作用實現(xiàn)的。

（1）滲濾阻滯作用，是指垃圾滲瀝液在防滲墻內(nèi)滲流過程中其所含污染物被低滲透系數(shù)的墻體過濾阻滯的作用，屬于一種物理作用。其阻滯機理是：由于防滲墻體的滲透系數(shù)低，其內(nèi)部的孔隙很小且連通性差，所以垃圾滲瀝液通過墻體滲流時，一方面滲瀝液中的懸浮物、固相顆粒和較大尺寸的分子及膠團等被阻止在墻體的孔隙中，而且隨著滲透的進行被阻止的顆粒聚集，堵塞墻體孔隙使其變得更小，隨之滲透系數(shù)進一步減小，從而能阻止更小的污染物顆粒通過，起到阻滯污染物徑流擴散和過濾凈化作用，如圖1所示；另一方面因防滲墻體滲透系數(shù)小且隨著滲濾進行而進一步變小，使得滲出的液量減少，滲出液帶出的污染物也相應(yīng)減少。所以規(guī)范要求防滲墻滲透系數(shù)不大于1×10－7cm／s。

（2）吸附阻滯作用，是指垃圾滲瀝液中污染物被構(gòu)成墻體的漿材物質(zhì)成分吸附滯留在墻體內(nèi)的作用，主要是化學(xué)吸附作用。當(dāng)垃圾滲瀝液在防滲墻體中滲流時，其所含的 Cr6＋、Cd2＋、Pb2＋、Hg2＋、As3＋等重金屬離子和苯酚、硝基苯、苯胺、CODcr、BOD5和三氮等有機污染物與建造防滲墻漿材中的膨潤土和粉煤灰等會產(chǎn)生物理化學(xué)吸附[3－7]，阻止污染物的進一步遷移擴散，被滯留在墻體中，起到了凈化作用。另一方面，由于吸附阻滯作用也會不同程度使防滲墻體孔隙減小，滲透系數(shù)降低，從而促進滲濾阻滯作用的發(fā)揮。

圖1 垃圾滲瀝液滲濾時間與滲透系數(shù)的關(guān)系

當(dāng)然，在滲濾阻滯作用和吸附阻滯作用機理中，滲濾阻滯作用是主要的，是伴隨垃圾填埋場運行永恒起作用的。而吸附阻滯作用只在垃圾填埋場開始運行前期發(fā)揮作用，當(dāng)構(gòu)成防滲墻的漿材成分對滲瀝液中污染物吸附飽和后將不再起作用。

所以，垃圾填埋場防滲墻不但應(yīng)具有低的滲透系數(shù)，而且構(gòu)成墻體的材料應(yīng)具有對滲瀝液污染物強的吸附作用。

1.2 漿材組成的選擇

根據(jù)垃圾填埋場防滲墻對垃圾滲瀝液污染物阻滯作用機理及作者已有研究成果[8－13]，為了進一步提高墻體防止污染物滲漏的性能，降低成本，選用粉質(zhì)黏土、鈉基膨潤土、水泥和粉煤灰作為漿材組成材料，開展了SBCF防滲漿材配方優(yōu)化的實驗研究。

粉質(zhì)黏土是一種黏粒含量較高的土，廣泛存在于第四季地層中，具有顆粒小、密度大、滲透系數(shù)低等特點。所以為了降低漿材成本，選用粉質(zhì)黏土作為漿材的主要組成。

鈉基膨潤土具有較大的吸水膨脹性、分散懸浮性、離子交換性和對有機物的吸附性等特性，有利于漿液的穩(wěn)定及其結(jié)石體的低滲透性和對污染物的吸附阻滯。

粉煤灰是燃煤電廠中磨細煤粉在鍋爐中燃燒后從煙道排出并被收塵器收集的物質(zhì)，其比表面積大，對重金屬離子具有一定的吸附能力，能有效地降低滲瀝液中COD、BOD5和三氮的質(zhì)量濃度[3－4]。

水泥是一種應(yīng)用比較廣泛的膠凝材料，作為漿材結(jié)石體的骨架材料，用于提高漿材結(jié)石體的強度，降低其滲透系數(shù)。

2 SBCF防滲漿材配方的優(yōu)化實驗研究

2.1 實驗條件

實驗研究選用吉林省某黏土礦生產(chǎn)的200目鈉基膨潤土，長春某電廠產(chǎn)的Ⅲ級粉煤灰，長春某企業(yè)產(chǎn)的32.5普通硅酸鹽水泥，粉質(zhì)黏土從校園內(nèi)挖掘。

漿材結(jié)石體滲透系數(shù)測試主要采用變水頭滲透儀和自有專利技術(shù)開發(fā)的柔壁滲透儀測試[14－19]，并采用柔壁滲透儀進行結(jié)石體對垃圾滲瀝液中污染物阻滯性能的測試；結(jié)石體抗壓強度采用CBR－1型承載比試驗儀測試；結(jié)石體彈性模量采用ST型杠桿式高壓固結(jié)儀測試；漿液可泵期采用流動度盤測試。

2.2 防滲漿材優(yōu)化實驗研究

在基本實驗的基礎(chǔ)上，采用三水平四因素正交試驗法L9（34）優(yōu)選漿材配方。各因素的水平范圍為：粉質(zhì)黏土30%～35%，鈉基膨潤土3%～5%，水泥18%～22%，粉煤灰18%～22%，L9（34）正交試驗安排及其實驗結(jié)果見表1。

表1 SBCF防滲漿材L9（34）正交安排與實驗結(jié)果

對表1中數(shù)據(jù)進行處理后，可得L9（34）正交試驗各因素水平條件下的性能指標(biāo)與極差值R，見表2。由表2可得各因素水平對漿材結(jié)石體28d／56d滲透系數(shù)、抗壓強度和彈性模量的影響趨勢曲線，如圖2～4所示，以及各因素水平對漿材可泵期的影響趨勢曲線，如圖5所示。

表2 L9（34）正交試驗各因素水平的性能指標(biāo)與極差值R

圖2 各因素對滲透系數(shù)的影響

圖3 各因素對抗壓強度的影響

圖4 各因素對彈性模量的影響

圖5 各因素對可泵期的影響

極差值R反映了正交試驗中各因素對性能指標(biāo)的影響程度，極差值最大的因素為影響對應(yīng)性能指標(biāo)的主要因素。由表2和圖2～5中極差分析可知：結(jié)石體滲透系數(shù)隨鈉基膨潤土、粉質(zhì)黏土、粉煤灰、水泥的增加而減小，其中對結(jié)石體滲透系數(shù)影響最大的是水泥，最小的是粉質(zhì)黏土，當(dāng)粉質(zhì)黏土在Ⅱ水平（33%）時達到最低，粉煤灰在Ⅱ水平（20%）后滲透系數(shù)下降甚微。結(jié)石體抗壓強度隨鈉基膨潤土、粉質(zhì)黏土、粉煤灰和水泥的增加而增大，其中對抗壓強度影響程度最大的是水泥，最小的是鈉基膨潤土，當(dāng)粉質(zhì)黏土在Ⅱ水平（33%）之后隨加量增加抗壓強度略有下降。結(jié)石體彈性模量隨鈉基膨潤土、粉質(zhì)黏土、粉煤灰和水泥的增加而增大，其中對彈性模量影響程度最大的也是水泥，最小的是鈉基膨潤土，當(dāng)粉質(zhì)黏土在Ⅱ水平（33%）之后隨加量增加彈性模量有所下降。

漿液可泵期隨各成分增加而減小，影響可泵期的順序是：鈉基膨潤土、水泥、粉質(zhì)黏土、粉煤灰，可見鈉基膨潤土對可泵期的影響最大，粉煤灰最小，其中當(dāng)粉煤灰達到Ⅱ水平（20%）之后可泵期基本不隨加量增加而變化。在試驗中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈉基膨潤土達到5%時，水泥的含量很難加到22%以上。

根據(jù)表2中28d／56d極差R值以及各因素對性能的影響趨勢曲線圖2～5，通過綜合分析研究，確定最優(yōu)配方為A2B3C2D3，即：鈉基膨潤土4%，粉質(zhì)黏土35%，粉煤灰20%，水泥22%。

對正交試驗得到的最優(yōu)配方進行重復(fù)驗證試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化配方重復(fù)試驗成果表

可見，該優(yōu)化配方重復(fù)性好，結(jié)石體56d的滲透系數(shù)為（1.9～2.1）×10－8cm／s，符合滲透系數(shù)K＜1×10－7cm／s的規(guī)范要求；且56d的抗壓強度為1.14～1.22MPa，彈性模量為99.67～99.85MPa，具有很好的塑性，成墻后能較好地適應(yīng)地基變形。所以該配方可作為SBCF漿材的優(yōu)化配方采用。

3 SBCF漿材結(jié)石體對垃圾滲瀝液污染物阻滯規(guī)律的實驗研究

3.1 實驗?zāi)康呐c基本原理

實驗?zāi)康闹荚讷@得防滲漿材結(jié)石體對垃圾滲瀝液中污染物阻滯效果和污染物在漿材結(jié)石體中的遷移衰減規(guī)律，建立污染物在漿材結(jié)石體中遷移衰減模型，并根據(jù)GB 16889—2008《生活垃圾填埋場污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中水污染物排放質(zhì)量濃度限制要求，為垃圾填埋場防滲墻厚度設(shè)計提供依據(jù)。

為此，采用SBCF漿材的優(yōu)化配方配制漿液并澆注直徑63.5mm，高度分別為30、60、100、140、175mm等5種不同高度的試樣，如圖6所示。利用自有專利開發(fā)的柔壁滲透儀（如圖7所示），對垃圾滲瀝液進行了漿材結(jié)石體的滲濾試驗。不同高度漿材結(jié)石體試樣的滲濾試驗方案如圖8所示。

圖6 漿材結(jié)石體試樣

圖7 柔壁滲透儀

滲濾試驗時，垃圾滲瀝液在氣壓推動下由氣水隔離供液裝置流至滲透裝置內(nèi)漿材結(jié)石體試樣底部，經(jīng)過試樣滲濾后由其頂部滲出，并被收集在容器中。滲濾試驗中柔壁滲透儀數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可實時采集滲透壓力、滲出液量、溫度等參數(shù)，并實時處理和顯示滲透系數(shù)等參數(shù)。通過對進入試樣前的滲透液（原液）和經(jīng)過試樣滲濾后的滲出液中污染物成分的測試分析，便可得到表示阻滯效果的阻滯率，通過不同高度試樣的滲濾試驗便可分析污染物在漿材結(jié)石體中的遷移衰減規(guī)律。阻滯率計算如下：

圖8 滲濾試驗方案

式中：R為阻滯率，%；Qi為進入試樣前的滲透液（即原液）中污染物的含量，mg／L；Qo為經(jīng)過試樣滲濾后的滲出液中污染物的含量，mg／L。

3.2 垃圾滲瀝液的滲濾試驗

垃圾滲瀝液取自長春三道鎮(zhèn)垃圾衛(wèi)生填埋場。SBCF漿材試樣澆注后經(jīng)過56d的養(yǎng)護，在滲透壓50kPa，圍壓100kPa條件下進行滲濾試驗，實驗環(huán)境溫度18～20℃。通過對滲濾前后的垃圾滲濾液進行分析測定，并得出不同高度的漿材結(jié)石體試樣對垃圾滲瀝液中各成分的阻滯效果和阻滯率，見表4。

表4 垃圾滲瀝液滲濾試驗成果表

由表4可得出滲出液中各成分與試樣高度的關(guān)系，如圖9～11所示，其阻滯率與試樣高度的變化關(guān)系，如圖12所示。

圖9 滲出液中NH4—N、TN含量隨試樣高度變化曲線

圖10 滲出液中BOD5、TP含量隨試樣高度變化曲線

由表4及圖9～11可知，滲出液中污染物含量隨試樣高度的增加而下降，當(dāng)試樣高度由30mm增至100mm時，滲出液中污染物含量基本呈線性下降，且下降均比較快；當(dāng)試樣高度大于100mm時，滲出液中污染物含量仍有不同程度下降，但下降速率有所減緩；當(dāng)試樣高度為175mm時，滲出液中的NH4—N、TN、TP、BOD5污染物的含量符合生活垃圾填埋場水污染物排放質(zhì)量濃度限值（GB 16889—2008）要求，只CODCr超標(biāo)17.6mg／L，但根據(jù)滲出液中污染物含量隨試樣高度變化的函數(shù)關(guān)系，適當(dāng)增加墻體厚度（即試樣高度）即可符合污染物排放質(zhì)量濃度限值要求。

圖11 滲出液中CODCr含量隨試樣高度變化曲線

圖12 阻滯率與試樣高度的關(guān)系曲線

同樣，根據(jù)圖12可見，漿材結(jié)石體對垃圾滲瀝液污染物的阻滯率隨試樣高度的增加而增大，當(dāng)試樣高度由30mm增至100mm時，對污染物的阻滯率基本呈線性增加，且NH4—N、TN和CODCr增加比較快；當(dāng)試樣高度大于100mm時，對污染物的阻滯率仍有不同程度增加，但增加速率有所減緩；當(dāng)試樣高度為175mm時，除對CODCr外其他均能達到95%以上。

4 結(jié)論

（1）針對新建和既有垃圾填埋場或堆場防滲漏的要求，選用比較經(jīng)濟的粉質(zhì)黏土、鈉基膨潤土、粉煤灰和水泥等常用材料，經(jīng)過大量正交優(yōu)化試驗和重復(fù)試驗，開發(fā)的SBFC防滲漿材其結(jié)石體滲透系數(shù)為（1.48～1.71）×10－8cm／s，抗壓強度為1.10～1.12MPa，彈性模量為97.7～99.7MPa，對垃圾滲瀝液中主要污染物的阻滯率均能達到95%以上，具有滲透系數(shù)低、對污染物阻滯率高、塑性與耐久性好、無化學(xué)添加劑、無污染、原材料來源廣和經(jīng)濟性好等特點，可用于新建或既有垃圾填埋場、建筑基坑工程和水利工程防滲處理。

（2）開展了漿材結(jié)石體對垃圾滲瀝液中污染物阻滯規(guī)律的實驗研究，實驗表明阻滯率均隨墻體厚度增加而增大，且在開始滲濾的100mm內(nèi)阻滯率增加較快，大于100mm后阻滯率增加減緩，有一定的規(guī)律可循，并可將此實驗規(guī)律與國家生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合作為設(shè)計防滲墻墻體厚度的依據(jù)。

（3）通過研究提出防滲墻對垃圾滲瀝液污染物阻滯作用機理為滲濾阻滯作用和吸附阻滯作用，即垃圾填埋場防滲墻不但應(yīng)具有低的滲透系數(shù)，而且構(gòu)成墻體的材料應(yīng)具有對滲瀝液污染物強的吸附作用，并可將此作用機理作為開發(fā)垃圾填埋場防滲漿材的理論基礎(chǔ)。

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