王國輝，張卜今，陳軍紅，劉雙晨，王慶軍，李友東

(1.河北建設勘察研究院有限公司， 河北 石家莊 050031；2.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京 100044；3.內蒙古大學 交通學院， 內蒙古 呼和浩特 010070)

赤泥是一種以鋁土礦為原料生產氧化鋁時產生的顆粒極細、堿度強的固體廢棄物。研究表明，赤泥中的主要污染物包括鈉、鋁、堿以及氟化物等，含量遠遠超出《有色金屬工業(yè)固體廢物污染控制標準》[1](GB 5085—85)中規(guī)定的排放要求。目前，對赤泥等固體廢棄物的處置方式一般采用堆存覆土[2-4]。在堆放過程中，赤泥中所含的各種化學成分若隨雨水徑流滲入土層，易造成土壤堿化和地下水污染[5-6]。根據文獻數據[7]，赤泥礦物中粒徑在5 μm～75 μm之間的顆粒含量約占90%。這一粒徑的顆粒易以懸浮態(tài)分散于水中，而懸浮的赤泥顆粒可以隨孔隙水沿著滲流通道快速運移，從而擴大污染范圍。因此，研究赤泥濾液在多孔介質中的滲透遷移規(guī)律，有助于認識赤泥污染物在環(huán)境中的擴散演化過程，有助于進一步制定控制赤泥污染影響的針對性解決方案。

關于懸浮顆粒在多孔介質中的運移方面已有一定的實驗和理論研究基礎。Massei等[8]進行了10μm淤泥懸浮顆粒短脈沖注入高滲透性碎石基質的實驗，發(fā)現穿透曲線可以采用一階對流-擴散-沉積模型的解析解描述。Wang等[9]研究了在不同pH值、鹽度和溫度條件下土壤和海洋沉積物對四環(huán)素的吸附效果，研究表明，隨著pH值和鹽度的增加，四環(huán)素的吸附量減少。Bai等[10]采用3種不同注入濃度的硅粉懸浮液在3種滲透速率下進行了土柱滲透試驗。結果表明，當顆粒注入濃度一定時，滲透曲線的相對濃度峰值隨著滲流速度的增加而增大；當滲流速度一定時，顆粒注入濃度存在所謂臨界濃度。當超出臨界濃度時，穿透曲線的相對濃度將隨滲流速度的增加而減小。該臨界濃度隨滲流速度增加而逐漸增大。Bai等[11-12]進一步考慮了溫度和堿度的影響，通過采用不同pH值和溫度的硅粉溶液和外部滲流液進行了多孔介質穿透實驗，結果表明，在相同的滲流速度下，相同的粒徑，溫度越高，滲透曲線對應濃度峰值越小，峰值對應的孔隙體積數越大；顆粒回收率隨著粒徑的增大而減小，直至達到一個臨界值，超過該臨界值后幾乎保持不變，當有堿存在時，顆?；厥章试龃蟆?/p>

本文以赤泥濾液的滲流遷移為研究背景，研究赤泥濾液的穿透特性。選用一種典型赤泥進行室內土柱穿透試驗，分析其穿透多孔介質的規(guī)律和影響因素。

1 赤泥的物理化學性質

本文所研究的赤泥土樣選自山西赤泥處置庫，采用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立，型號S4800)對試驗進行微觀觀察，觀測圖像見圖1。圖像顯示，赤泥顆?；境闪罱Y構，粒徑偏小，顆粒分布較為松散，集合體間的相互聯系不十分緊密，因此，赤泥顆粒隨孔隙水流動而發(fā)生運移的潛在可能較大。

圖1 赤泥試樣微觀結構圖像及測點

赤泥的物理化學性質與其礦物組成密切相關，而赤泥的礦物組成則取決于鋁礦原土的組分，以及生產過程中所采用的方法。采用X 射線能譜(EDX)儀分析該赤泥試樣的化學成分，測點位置已在圖1中標出，能譜分析圖如圖2所示，赤泥試樣的元素構成情況匯總于表1。從赤泥的代表性成分看，鈣、鋁、鈉、鎂等金屬氧化物含量較高，遇水易形成堿性化合物，因此赤泥濾液呈堿性。

圖2 山西交口赤泥試樣能譜分析圖

表1 赤泥試樣的元素構成

赤泥的理化性質強弱主要通過比表面積和陽離子交換量兩個指標體現?？傮w上，赤泥中陽離子交換量偏大且變化幅度較大，單位千克赤泥的交換量一般可達250 mEq～300 mEq，該值高于高嶺土和膨脹土，低于蒙脫石和伊利石。此外，赤泥顆粒粒徑較細，故赤泥比表面積普遍較高，一般可達60 m2/g～180 m2/g。不同赤泥產物的礦物分散度和晶格構造存在顯著差異，因此比表面積變化幅度較大?？傮w而言，赤泥的理化性質普遍較活躍，這與赤泥中所含金屬氧化物較多和粒徑較細的特點密切相關。

2 實驗方法

本實驗的目的是給出不同流速、不同濃度和不同pH值下赤泥濾液的穿透曲線。參考以往研究[10,13]，實驗容器采用高300 mm、內徑80 mm的有機玻璃圓柱筒，內部填充酸洗后的石英砂，上下兩端均設口，上端進水口用于連接蠕動泵，下端出水口用于接取出流液。試驗用石英砂的粒度分布為：1.0 mm～2.0 mm，約占26%，2.0 mm～3.5 mm，約占74%。該石英砂孔隙大小相對均勻，可以保證粒度為3 μm～50 μm的顆粒在石英砂中不引起嚴重的堵塞。土柱分10層填裝，每層約174 g砂，每次填裝時水面高于試樣頂面1 cm～2 cm以確保填裝的土柱為飽和土柱，同時對每層搗實相同的次數以保證土柱整體的均勻性。在重力的作用下，垂直方向的水流可以均勻地流過土柱的整個截面。因此，可以認為該試驗中的滲流類似于一維穩(wěn)定流。飽和土柱的孔隙率n=0.45。

制備赤泥濾液時，首先需將干燥的赤泥土樣碾碎后通過0.075 mm孔徑的篩網，過篩后的赤泥樣品經激光衍射測得其中位粒徑為D50=5.9 μm。再加入去離子水，制備得到顆粒濃度分別為0.2 mg/ml、0.8 mg/ml和2.0 mg/ml的赤泥懸濁液。經過測定，在此濃度下赤泥濾液的pH值為在8.0～8.6之間，為弱堿性。鑒于不同生產工藝得到的赤泥成分不同，有些赤泥濾液甚至可達強堿性，實驗中增設強堿性對照組，通過加入NaOH溶液可將上述赤泥懸濁液調整至pH=12.3±0.3。

赤泥濾液濃度采用濁度儀檢測，OH-離子濃度采用pH計檢測。土柱穿透實驗前，需完成上述兩個檢測儀器的率定。通過配置若干組預設濃度的溶液，依次進行測試，對實驗結果采用曲線擬合方式即可確定濃度與濁度的率定關系。

實驗時，通過調節(jié)蠕動泵控制流速至高速檔位，將土柱充分沖洗3 min，保證溶液為飽和狀態(tài)。然后調節(jié)蠕動泵流速至某一指定滲流速度，待出水口流出速度穩(wěn)定后，瞬間注入(2.5 s左右)赤泥溶液(30 ml)，并及時開始接取滲濾液(采用不間斷方式接取，即接完一小瓶后立即接取下一瓶，并以此記號為1、2、3…，每一小瓶的容量為30 ml)。土柱穿透實驗完成后，利用濁度儀和pH計分別測定各組中每小瓶滲透液的濁度及OH-離子的濃度。數據處理中，定義無量綱時間因數Pv，Pv等于排出水體積與總孔隙體積的比值，Pv=1對應的時刻整個土柱內孔隙水已被完全更新1次。Pv大于2時可認為穿透實驗結束。

3 實驗結果

分別用3種注入速度(120 ml/min、200 ml/min 和 400 ml/min)和3種注入濃度(0.2 mg/ml、0.8 mg/ml和2.0 mg/ml)完成弱堿性和強堿性赤泥懸濁液共計18組實驗，得到的穿透曲線如圖3所示。圖中縱坐標為出流液的赤泥濃度；橫坐標采用無量綱時間因數Pv。赤泥懸濁液穿透曲線與OH-離子穿透曲線的對比如圖4所示。

3.1 堿性對穿透曲線的影響

在實驗前配置赤泥溶液的過程中發(fā)現，弱堿性赤泥溶液在攪拌充分后靜置一會兒上清液逐漸澄清，而加入NaOH溶液的強堿性赤泥濾液靜置后上清液仍然較為渾濁。此外，對比圖3中強堿和弱堿性赤泥的穿透曲線發(fā)現，在相同注入速度和相同注入濃度下，強堿性赤泥濾液穿透曲線的峰值始終高于弱堿性，強堿性赤泥懸濁液在穿透多孔介質過程中出流的懸浮顆粒較多，說明堿性對赤泥濾液的渾濁程度和滲出量有較大影響。

Bai等[14]得到了相同的現象，認為OH-離子可以增強赤泥顆粒之間、赤泥顆粒與基質之間的排斥作用，促進赤泥顆粒的遷移。本文將從赤泥水化機理的角度分析堿性對赤泥懸浮液渾濁程度產生影響的原因。赤泥中幾種典型金屬氧化物水化的離子方程式可寫為:

CaO+H2OCa2++2OH-

MgO+H2OMg2++2OH-

(1)

Al2O3+3H2OAl3++6OH-

向赤泥溶液加堿后，溶液中OH-離子濃度升高，上述堿性氧化物的水化反應將逆向進行，因此溶液中固體顆粒增多，從而使得赤泥懸浮液更為渾濁，滲出量增多，出流液整體峰值偏高。另一種可能的原因是OH-離子的存在改變了顆粒的表面物理結構和雙電層厚度[15]，這些變化將使顆粒的吸附性發(fā)生改變[16]。

圖3 注入赤泥懸濁液的穿透曲線

3.2 滲流速度對穿透曲線的影響

圖3和圖4結果還顯示當滲流速度較大時，赤泥穿透曲線的峰值普遍較高，而OH-離子的穿透曲線則未顯示出這一規(guī)律。Bai等[10]通過研究硅粉顆粒的穿透實驗得出以下結論，對于一定濃度的顆粒，當滲流速度越大時，水動力越顯著，因而沉積下來的顆粒越少，因此滲透曲線中峰值的相對濃度也將越大；其次，由于孔隙水的沖刷作用，較大的滲流速度容易造成沉積粒子再次遷移移動。這也解釋了為什么滲流速度較大時，赤泥穿透曲線的峰值普遍較高。與赤泥顆粒的運移受制于物理作用不同，OH-離子為納米尺度的微小顆粒，滲透遷移過程受物理沉積和沖刷作用影響較小，因此其穿透曲線峰值大小與滲流速度關系不十分明顯。

圖4 強堿赤泥懸濁液穿透曲線與OH-離子穿透曲線對比

3.3 赤泥顆粒遷移規(guī)律與OH-離子遷移規(guī)律的對比

通過圖4中的對比還可發(fā)現，OH-離子pH值的上升速度較快，持續(xù)時間也較長，pH值在達到峰值后逐漸平緩地下降到初始狀態(tài)。相比之下，赤泥懸浮顆粒濃度值則上升和下降均較快，呈現較尖銳的峰值特征，顆粒穿透的持續(xù)過程較短。實際上，從彌散和對流這兩個影響對遷移過程的因素看，OH-離子穿透過程較長，與離子類物質的彌散效應占主導作用密切相關；而對于赤泥顆粒而言，由于所謂的“顆粒排除效應”，其對流效應起主導作用，即顆粒主要隨著水流的運動而運動。

4 結 論

(1) 在相同注入速度和相同注入濃度下，強堿性赤泥濾液穿透曲線的峰值高于弱堿性。由于OH-離子含量增大導致赤泥水化反應逆向進行，因此溶液中固體顆粒增多，加劇了赤泥顆粒在水中的分散，使得赤泥懸浮液更為渾濁，出流液整體峰值偏高。

(2) 當滲流速度較大時，赤泥穿透曲線的峰值普遍較高，OH-離子的穿透曲線則未顯示出這一規(guī)律。赤泥顆粒的運移過程受物理沉積和沖刷作用影響，因此滲流速度越高，出流液峰值濃度越高；而OH-離子為納米尺度的微小顆粒受物理作用影響小，因而其出流液峰值濃度與滲流速度關系不十分明顯。

(3) 赤泥懸浮液中赤泥顆粒穿透過程較短，而OH-離子穿透過程較長。說明兩者在遷移中占主導作用的影響因素不同，前者受對流作用影響大，后者受彌散作用影響大。