譚邦宏

(同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院地下系, 上海 200092)

·巖土工程與地下工程·

紅黏土作為垃圾填埋場防滲墊層的研究進(jìn)展

譚邦宏

(同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院地下系, 上海 200092)

填埋場黏土墊層是近十幾年發(fā)展起來的一種新型防滲材料。紅黏土具有較高的天然含水量、液限、塑限及力學(xué)性能。紅黏土同時(shí)具有吸附能力強(qiáng)和低透水性等特點(diǎn)。將其作為垃圾場防滲墊層材料具有可行性和現(xiàn)實(shí)意義。文章對(duì)紅黏土應(yīng)用于垃圾場防滲墊層的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出了國內(nèi)外研究的不足，并提出將來的研究方向。

紅黏土； 防滲墊層； 研究進(jìn)展

目前，國內(nèi)處理危險(xiǎn)廢物的方法主要有綜合利用、焚燒和填埋三種方法，其中填埋法的關(guān)鍵是防滲。襯墊層的作用是阻止垃圾體內(nèi)的滲濾液往下滲漏或向四周擴(kuò)散，使地下水免受污染。為節(jié)約成本和安全性，應(yīng)盡量選擇具有天然防滲功能的材料作為襯墊層。

國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《危險(xiǎn)廢棄物安全填埋處置工程建設(shè)技術(shù)要求》(環(huán)發(fā)[2004])75號(hào))規(guī)定危險(xiǎn)廢物填埋場下部復(fù)合襯墊系統(tǒng)中壓實(shí)的黏土襯層(CCL)必須進(jìn)行壓實(shí)，并做到：壓實(shí)系數(shù)≥0.94，壓實(shí)后的厚度≥0.5 m，滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s。防滲墊層材料的選取不僅要保證有足夠的防滲條件，還要求對(duì)重金屬離子具有一定的吸附和防擴(kuò)散作用。近年來，我國對(duì)防滲墊層材料的需求量非常大，長距離地運(yùn)輸將大大提高防滲層材料的單位成本。因此，尋找一種容易獲取、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的防滲層材料勢在必行。

紅黏土已在大壩及道路建設(shè)中廣泛應(yīng)用，但污染物在壓實(shí)紅黏土中的研究是非常的少，Maria Eugenia Gimenez Boscov[1]通過研究紅黏土的滲透、吸附、擴(kuò)散特性表明紅黏土對(duì)鎘離子具有較好的吸附性，紅黏土的干密度在最大干密度值附近時(shí)滲透系數(shù)達(dá)到10-8～10-9之間。紅黏土的含水量在24%～28%之間時(shí)，其滲透系數(shù)K<1.0×10-7cm·s-1作為衛(wèi)生填埋場防滲襯墊材料是可行的；此外紅黏土對(duì)衛(wèi)生填埋場的滲濾液有阻滯、吸附作用，有利于襯層對(duì)填埋場滲濾液的防滲[3]。本文從污染物在黏土襯墊中遷移的角度，通過等溫吸附試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、擴(kuò)散試驗(yàn)，研究湖南紅黏土是否適合作為填埋場防滲墊層。

1 紅黏土作為垃圾填埋場防滲墊層的研究現(xiàn)狀

重金屬溶液在紅黏土的滲透性方面。吳勝軍[2]對(duì)湖南某紅黏土地區(qū)邊坡裂隙開裂性進(jìn)行了調(diào)查，得出無裂隙紅黏土滲透系數(shù)在10-9cm/s數(shù)量級(jí)，這比國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《危險(xiǎn)廢棄物安全填埋處置工程建設(shè)技術(shù)要求》 (環(huán)發(fā)[2004])75號(hào))規(guī)定的10-7cm/s小兩個(gè)數(shù)量級(jí)?？低鷸|[3]等研究表明紅黏土在最優(yōu)含水量26%下滲濾液的滲透系數(shù)介于2×10-8～9×10-8cm/s之間，除了水的滲流作用外，滲濾液含有的有機(jī)質(zhì)、重金屬離子和腐蝕質(zhì)也能產(chǎn)生同樣的阻滯作用。梁志剛[6]等，于天仁[7]等研究表明土顆粒之間由于離子置換和鏈接鍵的破壞，土顆粒表面通常帶有負(fù)電荷，因此，使得滲濾液中的重金屬離子被吸附在土顆粒表面，形成雙電層結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致導(dǎo)水通道減小，滲透系數(shù)減小。

有學(xué)者研究紅黏土的擴(kuò)散特性，發(fā)現(xiàn)其在pH=2的滲濾液(含有18種不同成分)中擴(kuò)散時(shí)有一定量的Al3+出現(xiàn)，經(jīng)x射線衍射測試發(fā)現(xiàn)，紅黏土中的氧化高嶺石礫巖已經(jīng)被鐵鋁氧化物包圍[9]。

2 國內(nèi)外研究的不足

到目前為止，許多學(xué)者選取了各種土作為垃圾填埋場襯墊層材料，包括蒙脫石[4]、非飽和膨脹土[5]、改性膨潤土[1]等。從以上國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀可以看出，開展與研究相關(guān)的主要金屬離子有：Cr6+、Zn2+、Pb2+、Cd2+。以紅黏土作為垃圾填埋場襯墊層材料的研究較少，其中許多研究是沒有結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行的，且都沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究，如只研究滲透或吸附方面，而忽略了重金屬溶液在紅黏土中的擴(kuò)散情況。許多研究主要針對(duì)單一金屬離子的作用，多個(gè)金屬離子共同作用下紅黏土的吸附、滲透、擴(kuò)散特性等方面的研究工作基本沒有開展。

當(dāng)前國內(nèi)外對(duì)紅黏土作為垃圾填埋場襯墊層材料研究的不足主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)在垃圾填埋場黏土襯墊層材料的選擇上，國內(nèi)外的研究大多集中在膨潤土、改性黏土上，而對(duì)南方地區(qū)常見的紅黏土研究很少。

(2)在紅黏土的吸附、滲透研究方面，國內(nèi)外學(xué)者所取的紅黏土主要分布地區(qū)有大連[9]、柳州[10]、意大利[8]。其土樣差距較大，研究成果差異大，且對(duì)湖南的紅黏土的吸附、滲透、擴(kuò)散方面的研究還是空白。

3 機(jī)理分析

3.1 吸附理論

3.1.1 Lagergren一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

式中：qt為t時(shí)刻的吸附量(mg·kg-1);k1為吸附反應(yīng)速率常數(shù)(min-1);qe為平衡吸附量(mg·kg-1)。

以ln(qe-qt)對(duì)時(shí)間作圖，得一直線則說明吸附機(jī)理符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)速率方程。為了分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合一級(jí)速率方程，必須知道平衡吸附量qe，而在許多情況下平衡吸附量是未知的，這就造成了Lageigren一級(jí)速率方程應(yīng)用的局限性。

3.1.2 二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程

式中：qt為t時(shí)刻的吸附量(mg·kg-1);K2為吸附反應(yīng)速率常數(shù)(min-1);qe為平衡吸附量(mg·kg-1)。

以t/qt對(duì)時(shí)間t作圖得一直線，則說明吸附過程符合二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

3.1.3 吸附熱力學(xué)

(1)Langmuir吸附等溫式

其中：qmax為最大吸附量；b為與吸附能力相關(guān)的常數(shù)。

(2)Freundlich吸附等溫式

式中：kf和1/n值可以看作是吸附能力和吸附優(yōu)惠性的表現(xiàn)。kf與吸附能力呈正比，kf越大，表示吸附能力越強(qiáng)，反之，吸附能力越弱。而1/n被稱為Freundlich經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，也稱吸附指數(shù)，一般認(rèn)為，當(dāng)1/n介于0.1～0.5時(shí)，即為優(yōu)惠吸附；當(dāng)1/n大于2時(shí)，即為較難吸附。

3.1.4 紅黏土的吸附

戴樹桂[11]等研究表明，土壤中黏士礦物的種類和數(shù)量不同，對(duì)污染物的吸附作用也不同，有機(jī)質(zhì)和各種黏土礦物對(duì)污染物的吸附能力順序是：有機(jī)膠體>煙石>蒙脫石>伊利石>綠泥石>高嶺土。土壤黏土礦物具有較強(qiáng)的吸附性、離子變換性和膨脹性，對(duì)水體中各種類型的污染物有良好的吸附性能，并使土壤有一定的自凈作用，所以在環(huán)境污染的防治中有廣闊的應(yīng)用前景[12]。

3.2 紅黏土的滲透性

滲透是液體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象表達(dá)的定量指標(biāo)是滲透系數(shù)。土的滲透性是由于土顆粒骨架之間存在著連通的孔隙結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了水的運(yùn)移通道，土中自由水在重力作用下，通過土顆粒骨架的孔隙運(yùn)動(dòng)，而使土體所具有的一種水力學(xué)特性。變水頭滲透系數(shù)按下式計(jì)算:

式中：Kt為水溫t℃時(shí)的土樣滲透系數(shù)(cm/s)，計(jì)算至三位有效數(shù)字；a為變水頭管的內(nèi)徑面積(cm2)；2.3為ln和lg的變換因數(shù)；L為滲徑，即試樣高度(cm)：t2-t1為測讀水頭的起始和終止時(shí)間(S)：H1、H2為起始水頭和終止水頭；A為試樣的過水面積。

3.3 滲濾液的擴(kuò)散

溶質(zhì)通過土壤物理運(yùn)動(dòng)主要有兩個(gè)過程:擴(kuò)散和平流。然而,在黏土障礙的情況下,他們的低滲透呈現(xiàn)的平流可以忽略不計(jì)[14]。因此擴(kuò)散被認(rèn)為是溶液在壓縮性黏土中遷移的主要方式[15]。在水頭不大的情況下，垃圾滲濾液中的污染物質(zhì)在黏土襯墊中通過豎向?qū)α鞫鴿B入到含水層或下臥土層的量極其微小，此時(shí)污染物質(zhì)的化學(xué)擴(kuò)散成為污染周邊環(huán)境的主要途徑[13]。因此通常采用對(duì)流一彌散方程的垂向一維形式來描述污染物質(zhì)在黏土層的遷移，其表達(dá)式如下:

式中：C為單位體積孔隙溶液中污染物的濃度；q為單位時(shí)間通過單位面積的流量；θ為黏土的體積含水量；Rd為黏土對(duì)污染物的阻滯因子；z為深度；t為時(shí)間；D為水動(dòng)力彌散系數(shù)，包括機(jī)械彌散與分子擴(kuò)散作用。當(dāng)采用擴(kuò)散試驗(yàn)儀進(jìn)行垂直擴(kuò)散試驗(yàn)時(shí)，如土樣在試驗(yàn)前已飽和，且試樣基底部不透水，因此土層中流速q為0，可視為純擴(kuò)散情況。此時(shí)，上式可簡化為:

席永慧等[16]根據(jù)Fiek擴(kuò)散第二定律的推導(dǎo)公式，對(duì)非反應(yīng)污染物，則Rd=1，當(dāng)時(shí)間確定時(shí)，離子擴(kuò)散濃度的對(duì)數(shù)值(logc)與擴(kuò)散距離的平方(x2)呈線性關(guān)系，只要得到該直線的斜率，就可以確定D。

式中：A為常數(shù)，其余符號(hào)與前相同。

4 研究展望

鑒于紅黏土作為將來許多地區(qū)的垃圾填埋場襯墊層材料的重大現(xiàn)實(shí)意義及目前對(duì)滲濾液在紅黏土中的擴(kuò)散滲透等方面研究的嚴(yán)重不足，我們認(rèn)為有必要對(duì)其做更全面的研究，這將極大推動(dòng)紅黏土作為襯墊層材料在填埋場中的應(yīng)用，對(duì)降低工程造價(jià)、減緩資源危機(jī)和推動(dòng)我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展將起到巨大的促進(jìn)作用。

[1] S.L.Bartelt-hunt.Optimal Design of a Compacted Soil Liner Containing Containing Sorptive Amendments[D]. viriginia:Univ. of viriginia,2004.

[2] 吳勝軍．紅黏土路基水分運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)研究[D]．長沙：長沙理工大學(xué),2010.

[3] 康旺東,張可能. 紅黏土作為衛(wèi)生填埋場黏土襯墊材料的滲透試驗(yàn)研究[J]. 廣東建材,2010(12):20-22.

[4] F. Barbier, G. Duc, M. Petit-Ramel. Adsorption of lead and cadmium ions from aqueous solution to the montmorillonite /water interface[J]. Physicochemical and Engineering Aspects.2000.166:153-159.

[5] 黃生文. 非飽和土的滯水試驗(yàn)及其在垃圾填埋場防滲層中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào),2001,34(3):107-110.

[6] 梁志剛，柯瀚，陳云敏．污染物的動(dòng)點(diǎn)修復(fù)機(jī)理及應(yīng)用中的關(guān)鍵問題[C]// 浙江大學(xué)．第一屆全國環(huán)境巖土工程與土工合成材料技術(shù)研討會(huì)論文集．杭州：浙江大學(xué)出版社，2002：211-216．

[7] 于天仁.土壤化學(xué)原理[M]．北京:科學(xué)出版社，1987．

[8] M.P.Papini, A.Bianchi, M.Majone, M.Beccari. Equilibrium Modeling of Lead Adsorption onto a “Red Soil” as aFunction of the Liquid-Phase Composition[J]. American Chemical Society. 2002,41:1946-1956.

[9] 譚曉. 廢茶枝葉改性紅黏土對(duì)Cr(Ⅵ)吸附性能研究及應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué),2008.

[10] 藍(lán)俊康. 柳州市紅黏土對(duì)Zn2+的吸附平衡實(shí)驗(yàn)[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),1995,15(3):265-268.

[11] 戴樹桂,劉廣良,錢蕓,等. 土壤多介質(zhì)環(huán)境污染研究進(jìn)展[J].土壤與環(huán)境,2001, 10(1): 1-5.

[12] 湯艷杰,賈建業(yè),謝先德.粘土礦物的環(huán)境意義[J].地學(xué)前緣,2002,9(2):338-344.

[13] 羅春泳, 唐曉武, 陳云敏, 等. 粘性土中離子擴(kuò)散的影響因素研究[C]// 中國土木工程學(xué)會(huì)第九屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集: 下冊. 2003: 1257-1257.

[14] I.S.D.Sotoa, A.I. Ruiza, C.Ayorab,et al. Diffusion of land?ll leachate through compacted natural clays containing smallamounts of carbonates and sulfates[J]. Applied Geochemistry. 2012 (27):1202-1213.

[15] M.Rosanne, N.Mammar, N.Koudina,et al. Transport properties of compact clays: II. Diffusion[J]. Journal of Colloid and Interface Science.2003,260(1): 195-203.

[16] 席永慧,任杰,胡中雄.污染物離子在粘土介質(zhì)中擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測定[C]//第一屆全國環(huán)境巖土工程與土工合成材料技術(shù)研討會(huì)論文集.杭州：浙江大學(xué)出版社，2002: 186-191.

譚邦宏(1990～)，男，研究生，研究方向：環(huán)境巖土。

TU411.4

A

[定稿日期]2015-06-12