垃圾填埋場中改性粘土防滲層滲透性能研究

孫雪景，王占華

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市填埋問題已成為環(huán)保研究的熱點(diǎn)之一[1-2].填埋仍是目前處理城市垃圾的主要方式，但這種方式容易受到外部因素(主要指雨水、地表水和地下水)的影響，造成固體廢棄物垃圾產(chǎn)生滲濾液，滲濾液具有重金屬的危害，同時具有較大的毒性，對環(huán)境產(chǎn)生很大的污染[3].本文主要研究了垃圾防滲層的滲透問題，并通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究探討了在垃圾填埋過程中粉煤灰的使用.粘土的形式主要是來解決防滲層開裂等問題.

1 填埋場改性填料的選擇及技術(shù)路線

由于天然粘土的防滲性能較低，對其進(jìn)行改性后可以提高其防滲性能，因此所添加材料一方面其粒徑需極小，能夠填充在天然粘土孔隙中，減小其空隙比，從而在一定程度上減小其滲透系數(shù)；另一方面，希望添加的材料在于粘土的接觸面上能夠反應(yīng)生成一些難溶解、滲透性比較低的穩(wěn)定密封物質(zhì)來進(jìn)一步降低天然粘土的滲透系數(shù)，從而能夠有效阻止?jié)B濾液中的有害污染物對相關(guān)周圍環(huán)境影響.因此，實(shí)驗(yàn)中改性填料選擇的依據(jù)主要有以下四點(diǎn)：(1)選擇的改性填料可與天然粘土或垃圾滲濾液中的污染物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生一定的低溶解度、低滲透性且比較穩(wěn)定(最主要的不要受滲濾液中污染物質(zhì)的影響)的固封物質(zhì)；(2)填料不能減弱原防滲層材料的強(qiáng)度，吸附截污性能等一些對防止?jié)B濾液的泄露起重要作用的性狀；(3)填料不應(yīng)該有污染物質(zhì)的釋放，從而加劇防滲層防滲負(fù)荷；(4)填料在經(jīng)濟(jì)上應(yīng)該價格低廉，來源上數(shù)量大且易得.

圖1 技術(shù)路線圖

2 基于改性粘土滲透實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/h2>

本實(shí)驗(yàn)的粘土取自長春市建筑工地，經(jīng)過磨土機(jī)研磨，其粒徑都在0.5 mm以下，所采用的粉煤灰來自于長春大唐熱電二廠，本實(shí)驗(yàn)滲濾液取自長春市三道垃圾衛(wèi)生填埋場.本文主要對天然粘土改性以期作為防滲層材料，它改性后的滲透系數(shù)也必須至少達(dá)到這個要求(住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部規(guī)定的滲透系數(shù)在10-7cm/s)才能在實(shí)際中得到應(yīng)用.因此，本實(shí)驗(yàn)就是為確定經(jīng)粉煤灰改性的粘土滲透系數(shù)能否達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用中垃圾填埋場中的要求.實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備如下(1)變水頭滲透裝置；(2)滲透容器：由環(huán)刀、套環(huán)、上蓋和下蓋組成；(3)變水頭裝置：它主要由變管頭、供供水瓶、進(jìn)水管等相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材組成；(4)容器、測量表、桌子、線鋸、凡士林等；(5)輕型擊實(shí)儀.

滲透性測試的目的是確定土壤的滲透性，它是衡量土壤重要屬性的指標(biāo)，其影響因素包括：土壤的粒度組成、礦物組成、水膜的厚度與結(jié)構(gòu)組合、水溶液的組成和濃度等.一般采用達(dá)西定律進(jìn)行計(jì)算，即：滲透流量q與圓管面積A和水力坡度I這兩個因素有關(guān)系，并且成正比關(guān)系，同時還與土壤的滲透系數(shù)k有關(guān)系，其公式如下：

q=kAI

(1)

變水頭滲透實(shí)驗(yàn)是通過在不同的壓頭下，通過測量一定時間內(nèi)土壤樣品的滲透量來確定土壤的相關(guān)滲透系數(shù).其操作步驟如下：(1)擊實(shí)土壤后，用環(huán)刀垂直切入土樣，平整土樣兩面，為了避免堵塞縫隙，將裝有樣品的環(huán)形切割器放在滲透容器中，并用螺母旋緊，并且密封件需要泄漏到水中.(2)將滲透容器下蓋的進(jìn)水口與變水頭裝置中的進(jìn)水管連接，打開管夾使供水瓶與變水頭管連通.(3)開排氣閥從滲透容器底部除去空氣，直至溢出的水中沒有氣泡.(4)將水注入可變集管，當(dāng)出水口的水溢出時，啟動秒表，記錄初始水頭和時間，并且以預(yù)定的時間間隔記錄水頭情況和變化時間量.計(jì)算變水頭滲透系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：k—試樣的滲透系數(shù)，cm/s；

a—變水頭的斷面積，cm2；

L—試樣的高度，cm；

A—試樣的斷面；

t1—測讀水頭的起始時間，s；

t2—測讀水頭的終止時間，s；

h1—測壓管中開始時的水頭，cm；

h1—測壓管中開始時的水頭，cm；

標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)：

(3)

式中：K20—標(biāo)準(zhǔn)溫度為20 ℃樣品的滲透系數(shù)，cm/s；

kT—溫度為T℃樣品的滲透系數(shù)，cm/s；

ηT—T℃水動力黏滯系數(shù)，kPa·s；

η20—20 ℃水動力黏滯系數(shù)，kPa·s；

3 滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)中變水頭滲透儀基本參數(shù)如下：樣品高度L=4 cm，樣品面積A=30 cm2，測壓管斷面積a=2 cm2，通過變水頭滲透實(shí)驗(yàn)來測定粉煤灰改性粘土的滲透性能，經(jīng)過一段時間當(dāng)套環(huán)中的改性粘土樣品已被水飽和，達(dá)到穩(wěn)定后，連續(xù)5d觀察滲透儀水面變化情況，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表1—5).

表1 10%粉煤灰改性粘土滲透系數(shù)測定

表2 15%粉煤灰改性粘土滲透系數(shù)測定

表3 20%粉煤改性粘土滲透系數(shù)測定

表4 25%粉煤灰改性粘土滲透系數(shù)測定

表5 30%粉煤灰改性粘土滲透系數(shù)測定

從上述表中，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)粉煤灰改性的粘土在經(jīng)充分飽和達(dá)到穩(wěn)定以后，所測定的滲透系數(shù)均在10-8cm/s的數(shù)量級上，符合項(xiàng)目的工程期望.其原因主要是因?yàn)樘砑拥姆勖夯业念w粒較小，能填充在粘土的空隙之中，從而減小粘土的空隙比，同時，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滲透系數(shù)下降，因此經(jīng)改性的粘土在滲透系數(shù)方面是符合作為防滲層材料的要求的，其低滲透性能夠有效地阻滯填埋場中滲濾液等污染物的外泄污染周圍環(huán)境.

另外，從圖2中還可以觀察到不同配比改性粘土滲透系數(shù)的大概變化情況，在配比10%～20%之間，滲透系數(shù)有一個逐漸變小的趨勢，而在達(dá)到20%后又開始上升，即滲透系數(shù)在20%達(dá)到最小，說明粉煤灰滲入比有一個最優(yōu)比，超過最優(yōu)比其對滲透系數(shù)的影響減少，成本增加，從防滲層最大程度阻滯污染物的角度來看，作為防滲層的材料的滲透系數(shù)應(yīng)該是越小，其作用越明顯，而這一最佳點(diǎn)出現(xiàn)在20%的配比上.

圖2 不同粉煤灰配比改性粘土的滲透系數(shù)變化

4 結(jié) 論

本文利用變水頭滲透試驗(yàn)對各個不同粉煤灰配比的改性粘土的滲透系數(shù)進(jìn)行了測量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)粉煤灰改性的粘土其滲透性能有明顯的提高，滲透系數(shù)下降到了10-8cm/s，完全滿足于國家對防滲層材料滲透系數(shù)的要求，并且添加20%的粉煤灰得到的改性粘土的滲透系數(shù)最小.因此，經(jīng)粉煤灰改性的粘土其在滲透性能沒有產(chǎn)生不利的影響，相反還能更好地在垃圾填埋場起到防滲的作用.