垃圾填埋場中水泥土屏障對Cu2+的阻滯性能

席永慧， 楊 帆， 蔡策毅

(同濟大學 土木工程學院，上海 200092)

填埋是生活垃圾處理的主要方式之一，國家統(tǒng)計局最新數(shù)據(jù)顯示，2015年全國生活垃圾產(chǎn)生量達到19 141.9萬t，其中垃圾填埋量達11 483.1萬t，占比達60%[1].為了避免填埋場中的滲濾液滲出污染周邊環(huán)境，在填埋場地應用污染物防滲屏障技術，減少因滲濾液遷移造成的危害.滲濾液中含有多種無機物離子和有機物質還可能通過擴散的形式遷移，擊穿防滲屏障后污染周邊環(huán)境[2].

土-膨潤土屏障在國外用得較為普遍，目前國內大多采用塑性混凝土作為防滲屏障材料[3]，也有采用水泥攪拌樁墻、注漿帷幕作為豎向屏障.眾多學者研究了Cl-、Zn2+、Ca2+、Cr3+等離子在膨潤土、黏土-膨潤土的擴散性能[4-7],表明了膨潤土類屏障對無機離子有較好的阻滯效果.朱偉等[8]對上海等6個城市的垃圾填埋場滲濾液進行了采樣分析，結果顯示上海、杭州、深圳等地的滲濾液中重金屬含量從高到低依次為鋅、銅、鉻、砷.這些重金屬離子可通過擴散的形式污染周圍環(huán)境，危害人體健康.席永慧等[9]研究了Zn2+在水泥土防滲屏障中的擴散性能，針對Cu2+的研究目前還只集中在Cu2+在砂土中的擴散性能和防滲屏障對Cu2+阻滯效果的數(shù)值模擬[10-13].但水泥土和塑性混凝土屏障的阻滯性能和對Cu2+阻滯性能的試驗研究仍鮮有報道.

為了更好地了解水泥土屏障對重金屬離子阻滯性能，本文通過大型模型試驗來模擬實際填埋場中滲濾液的擴散，研究了水泥土屏障和上海老港填埋場中實際應用的塑性混凝土防滲屏障對Cu2+的阻滯性能，并通過數(shù)值模擬分析求得Cu2+在水泥土和膨潤土-砂-水泥(塑性混凝土)介質中的有效擴散系數(shù)，填補了國內外對Cu2+在水泥土和塑性混凝土屏障中擴散性能研究的空白.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1土樣

土樣取自上海市某工地(第③層土，淤泥質粉質黏土)，風干后磨細過2.5 mm篩后儲存待用.具體顆粒組成見表1.

表1 土樣顆粒級配(質量分數(shù))Tab.1 Soil particle size distribution (mass fraction)

1.1.2水泥和膨潤土

水泥采用海螺牌水泥，標號425；

膨潤土采用高廟子膨潤土GMZ001.高廟子膨潤土，產(chǎn)自中國內蒙古境內.礦物成分：蒙脫石，75.4%；石英，11.7%；方石英，7.3%；長石，4.3%；高嶺石，0.8%；方解石，0.5%.

1.1.3儀器設備

試驗中主要用到的儀器及具體型號見表2.

表2 試驗主要儀器設備Tab.2 Main instruments of the experiment

1.1.4污染物質

本試驗選擇Cu2+作為污染離子，使用氯化銅(分析純，含量大于98.0%)作為污染物進行試驗.

1.2 屏障模型的試驗裝置

根據(jù)一維擴散理論，設計試驗模型如圖1所示.此模型由聚氯乙烯(PVC)板加工而成，板厚10 mm.模型的內部尺寸如圖所示，長、寬、高分別為600、200、300 mm.模型內腔分為三部分，由左右各三分之一處設置水泥土屏障分隔開來，中間倉放置污染液體，其長度為200 mm，遠遠大于屏障厚度；兩邊倉長度為200 mm，在其中填裝未受污染的凈土.在距離箱體兩端200 mm處，各設置了孔隙率達到50%以上的由PVC板加工而成的擋板，此擋板目的在于加強箱體的側向穩(wěn)定性.

圖1 試驗模型(單位:mm)Fig.1 Device of test (unit: mm)

1.3 試驗方案設計

本試驗選取屏障材料中水泥摻量和屏障厚度作為兩個影響因素，并考慮到試驗過程中屏障過薄可能會提前破壞和屏障過厚可能導致金屬離子無法在試驗期間擊穿防滲屏障，設計了水泥摻量5%～15%、厚度為10和15 mm的5組屏障試驗，另外依據(jù)上海老港填埋場實際防滲屏障配方設計了3組屏障試驗，試驗方案見表3.表中，H代表厚度；C代表水泥摻量；L為老港配方,膨潤土∶水泥∶砂(質量比)為2.57∶1∶1.2.

表3 試驗方案Tab.3 Experimental scheme

1.4 試驗步驟

①模型的制作.按圖1加工PVC模型；②材料的準備.膠水、自然風干的土樣、水泥；③屏障的預制.按照表3將土和水泥混合均勻，在模板中養(yǎng)護成型；④屏障的放置.將制作好的屏障放置在凈土側，并用膠水固定在PVC板上；⑤土樣的夯實.將土樣倒入模型兩端空倉中，分層夯實；⑥土樣的飽和.土樣夯實后，為模擬自然固結過程，每天向土樣中加入適量水，直至土樣飽和；⑦鉆孔.待兩邊倉土樣飽和后，按圖2所示位置鉆孔，以便以后取樣；⑧污染源溶液的加入.待兩側凈土固結完成后，配置濃度為0.3 mol·L-1的CuCl2溶液，將其加入中間倉.⑨取樣.每隔三個月從預先鉆好的孔中(圖2)取得水樣；⑩濃度的測定.將取得的水樣(或泥漿樣)在離心機上進行離心，取其清液進行稀釋，然后利用原子發(fā)射光譜儀測(ICP)清樣中的Cu2+濃度.每個樣品平行測定三次然后取其平均值.

圖2 取樣孔位置Fig.2 Location of sampling apertures

2 結果與分析

Cu2+在防滲屏障中的擴散模型試驗過程，共進行了3次取樣，3次取樣的Cu2+質量濃度結果見表4.表中,污染源濃度為0.3 mol·L-1.

表4 Cu2+的質量濃度Tab.4 Concentration of Cu2+

2.1 水泥摻量、屏障厚度對阻滯效果的影響

圖3是厚度為10 mm，水泥摻量分別為5%、9%、12%的屏障三次取樣濃度比較結果.三次取樣的濃度曲線表明，隨著水泥摻量的增大，取樣孔中Cu2+質量濃度大幅減少，說明屏障的阻滯效果大幅提升，凈土中受污染程度大幅降低.以第一次取樣為例，當水泥摻量為5%，取樣孔中Cu2+質量濃度為98.34 mg·L-1；當水泥摻量增加至12%時，取樣孔中Cu2+質量濃度為29.5 mg·L-1.由此可見水泥摻量增加2.4倍，取樣孔中Cu2+質量濃度降低了約3.3倍.

圖3孔中Cu2+質量濃度與水泥摻量的關系(屏障厚度為10mm)

Fig.3RelationshipbetweenconcentrationofCu2+andcementcontent(thicknessis10mm)

圖4是水泥摻量同為5%，厚度不同的屏障的兩次取樣質量濃度的比較結果.可以看出，隨著厚度增加，取樣孔中Cu2+質量濃度降低，說明阻滯效果隨之提高.以第三次取樣結果為例，當厚度為10 mm時，取樣孔中質量濃度高達693.00 mg·L-1；當厚度增至15 mm時取樣孔中質量濃度降為158.90 mg·L-1.由此可見厚度增加1.5倍，取樣孔中Cu2+質量濃度降低了約4.4倍.對比增加水泥摻量和屏障厚度對屏障阻滯效果的影響，可以看出此結果與喬兵等[7]所得試驗結果較為相符，銅固化淤泥孔隙直徑以0.1～1 μm為主，增加水泥摻量不能有效降低其孔徑大小，所以水泥土中盲目增加水泥摻量并不能夠使水泥土屏障的阻滯效果達到質的提升，反而會降低其經(jīng)濟性.

圖4孔中Cu2+質量濃度與屏障厚度關系(水泥摻量為5%)

Fig.4RelationshipbetweenconcentrationofCu2+andcementthicknessofbarrier(cementcontentis5%)

2.2 Cu2+在水泥土中的有效擴散系數(shù)求解及分析

2.2.1一維對流-彌散遷移方程及邊界條件

土中的遷移受各種物理、化學和生物反應的作用，是一個復雜的過程，包括對流、彌散、擴散、吸附、溶解、沉淀、水化等.通常污染物在土中的遷移機理主要包括對流運移、分子擴散、機械彌散、吸附作用等[14].

在填埋場中，污染物在填埋場襯墊中的遷移可用一維對流-彌散模型來描述對流、彌散與吸附等作用對滲濾液中污染物在屏障中遷移的影響.污染物在多孔介質中的對流-彌散方程為[15]

(1)

式中：1表示擴散；2表示彌散；3表示對流；4表示蛻變；c為水中溶解物質的濃度，mol·L-3；D為擴散系數(shù)，m2·s-1；R為阻滯系數(shù)；v為單位時間內沿x方向的滲流速度，m·s-1；μ為蛻變系數(shù)；θ為體積含水量，m3·m-3；t為時間，s；x為沿運移方向距離，m；α為彌散距離，m；γ為阻抗因數(shù).

假定：①屏障多孔介質系統(tǒng)是均質的、半無限的；②土壤是飽和的，地下水在土壤中的流動符合達西定律；③溶質沿一個方向遷移；④不考慮污染物的蛻變，吸附是線性的；⑤彌散項與擴散項合并為一項.

則方程(1)可簡化為

(2)

式中：Rf為阻滯因子，且Rf=1+(ρbkd/n)；其中ρb為土體的干密度，kd為分配系數(shù)，指吸附達到平衡時被固相吸附的污染物濃度與液相濃度的比值，在吸附過程中，kd>0；n為總的孔隙率.

不考慮污染物溶質的滲流(v=0)，則方程(2)又可進一步簡化為

(3)

《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術規(guī)范(CJJ176—2012)》[16]中提到在重金屬離子污染的土體中，阻滯因子可取3～40，計算時，為保守起見,本文取阻滯因子Rf為3，則方程(3)又進一步寫成式(4)如下：

(4)

式中：De為有效擴散系數(shù)(等于擴散系數(shù)與阻滯因子的比值).

則根據(jù)式(4)，遷移方程可以表示為

(5)

初始條件為

c(x,t)=0,t=0

(6)

邊界條件如下:

(1)在左邊界，假設濃度恒定：

c(x,t)=c0,x=0

(7)

(2)在右邊界，假設濃度恒定：

c(x,t)=0,x=H

(8)

(3)在土與水泥土的交接面，保持濃度連續(xù)和通量連續(xù)：

c1(x,t)=c2(x,t),x=h

(9)

(10)

式(5)～(10)中：c1、c2分別為離子在水泥土和土中的濃度；h為水泥土屏障厚度；H為水泥土屏障厚度加上土的厚度；c0為初始濃度；n1、n2分別為水泥土和土的空隙率；De1、De2分別為Cu2+在水泥土和土中的有效擴散系數(shù).

2.2.2Cu2+的有效擴散系數(shù)求解

本文采用有限差分數(shù)值方法，運用Matlab軟件，依據(jù)式(5)～(10)編制程序對試驗數(shù)據(jù)進行模擬.席永慧等[17]研究得到Cu2+在土中的有效擴散系數(shù)為9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1，模擬時，Cu2+在土中的有效擴散系數(shù)(De2)取為1.0×10-5cm2·s-1.模型H10C5、H15C5中Cu2+濃度和時間t的關系分別見圖5和圖6，對其擬合求得Cu2+在水泥摻量為5%的水泥土屏障中的有效擴散系數(shù)De分別為2.5×10-7、1.0×10-7cm2·s-1.兩組模型求得的Cu2+在水泥土中的有效擴散系數(shù)的結果接近，這說明本文的試驗方法及計算方法均是可行的，計算結果是可信的.

本實驗求得的Cu2+在水泥土中的有效擴散系數(shù)與Cu2+在一般黏土中的有效擴散系數(shù)值(9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1)對比可知，Cu2+在水泥土中的有效擴散系數(shù)遠遠小于在土中的，約只有土中的1/35～1/100.這個結果說明，水泥土防滲屏障對Cu2+的阻滯效果遠遠好于一般的土屏障.Li等[18]研究了金屬離子在頁巖黏土混合物防滲屏障中的有效擴散系數(shù)，測得金屬離子的有效擴散系數(shù)約為1.816×10-6～1.418×10-5cm2·s-1.比較可以看出金屬離子在水泥土屏障中的有效擴散系數(shù)(1×10-7～2.5×10-7cm2·s-1)約為在頁巖黏土屏障中的有效擴散系數(shù)的1/10～1/140，說明水泥土屏障對金屬離子的阻滯效果明顯好于黏土.

上海老港填埋場模型H15L中Cu2+濃度和時間的關系見圖7，對其擬合求得的Cu2+的有效擴散系數(shù)約為4.5×10-7cm2·s-1，比在水泥摻量為5%的水泥土中的有效擴散系數(shù)大約兩倍以上，證明上海老港填埋場的塑性混凝土防滲屏障對Cu2+的阻滯性能略差于水泥土屏障.Cu2+在塑性混凝土防滲屏障中的有效擴散系數(shù)與Cu2+在一般黏土中的有效擴散系數(shù)值(9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1)對比可知，Cu2+在塑性混凝土防滲屏障中的有效擴散系數(shù)遠遠小于在土中的，約只有土中的1/21～1/25，同時通過數(shù)值計算，Cu2+擊穿上海老港填埋場的塑性混凝土屏障的時間約為53年[19]，可見老港填埋場的防滲屏障對Cu2+的阻滯性能也較好，在屏障不出現(xiàn)質量問題的情況下可保證Cu2+不對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響.

圖5 Cu2+在水泥土中的有效擴散系數(shù)擬合(模型H10C5)

Fig.5FittingofCu2+diffusionthecoefficientincement-soil(modelH10C5)

圖6 Cu2+在水泥土中的有效擴散系數(shù)擬合(模型H15C5)

Fig.6FittingofCu2+diffusionthecoefficientincement-soil(modelH15C5)

圖7 Cu2+在水泥土中的有效擴散系數(shù)擬合(模型H15L)

Fig.7FittingofCu2+diffusionthecoefficientincement-soil(modelH15L)

3 結論

(1)在水泥摻量介于5%～15%之間時，隨著水泥摻量和屏障厚度增加，水泥土屏障對金屬離子的阻滯效果會大幅提升，但盲目提升水泥摻量不會對屏障的阻滯效果有質的提升，需綜合考慮經(jīng)濟效益.

(2)Cu2+在水泥土(水泥摻量為5%)中的有效擴散系數(shù)約為1×10-7～2.5×10-7cm2·s-1，說明水泥土屏障對Cu2+的阻滯性能較好.但有研究表明垃圾填埋場滲濾液中有機污染物(COD)最先擊穿填埋場防滲系統(tǒng)[16]，今后還需進一步研究水泥土屏障對COD的阻滯性能，由此來綜合判斷水泥土屏障的阻滯性能.

(3)銅離子在土中的有效擴散系數(shù)(9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1)比在水泥土(1×10-7～2.5×10-7cm2·s-1)中的大35倍以上，說明一旦水泥土屏障失效，離子進入周圍土體中，對周圍的污染危害將大大增加.

(4)銅離子在上海老港填埋場塑性混凝土防滲屏障中的有效擴散系數(shù)約為4.5×10-7cm2·s-1，約為在土中的有效擴散系數(shù)的1/21～1/25，表明老港填埋場的塑性混凝土防滲屏障對銅離子有較好的阻滯性能，在正常使用情況下可保證銅離子不對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響.