垃圾填埋場滲瀝液pH值變化對粘土防滲層壓縮性的影響

黃方媛，魏松，張婉婷，盧昱柏，蘇進(jìn)源，鄭海君，吉鋒

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都 610059)

近些年來，隨著城市人口的增加，人民生活水平的提高，城市生活垃圾的處理和處置已成為環(huán)衛(wèi)部門和市政管理工程中的一項(xiàng)新課題。國內(nèi)外對生活垃圾的處理方法主要可歸納為4類：衛(wèi)生填埋、堆肥、焚燒和綜合利用。衛(wèi)生填埋具有相對處理成本低、處置量大、終極化處置程度高(其他3種方法的終極處置，仍是采用這種方法)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為國內(nèi)外大中型城市生活垃圾處置的主要方式之一[1]。

垃圾衛(wèi)生填埋工程具有重大的環(huán)境效益和社會效益，但卻基本上不產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。它在各類市政建設(shè)工程中是一種獨(dú)特的純耗資工程，即使能回收其中可利用的部分，其意義也主要在于對資源的珍惜，而經(jīng)濟(jì)回報(bào)仍然是微不足道的。正因?yàn)槿绱?，或者由于資金不敷，或者在實(shí)施中未能按有關(guān)規(guī)程和設(shè)計(jì)執(zhí)行，對襯里(底襯和側(cè)襯)碾壓不足、填土層的厚度和密度偏小等現(xiàn)象普遍存在。長期監(jiān)測工作的懈怠，沒有按照設(shè)計(jì)要求堅(jiān)持系統(tǒng)的長期監(jiān)測，有的垃圾填埋場的監(jiān)測設(shè)施甚至形同虛設(shè)，如果發(fā)生對地質(zhì)環(huán)境的污染，也難以發(fā)現(xiàn);而且由于缺乏系統(tǒng)完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法反饋到設(shè)計(jì)中去以不斷提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量水平[2]。

垃圾填埋場中會產(chǎn)生大量的滲瀝液，生活垃圾滲瀝液是一種成分復(fù)雜、難以處理的高有機(jī)、高氨氮污水，會對周邊的地質(zhì)環(huán)境造成污染，而垃圾填埋場的上述問題為滲濾液污染地質(zhì)環(huán)境提供了污染的載體和通道[3]。

一般來說，垃圾滲瀝液的性質(zhì)會隨著填埋時(shí)間的增加而變化。垃圾滲瀝液中的成分也并非一成不變，它與垃圾的種類多樣性以及與處理時(shí)間密切相關(guān)，其含有大量的金屬離子、有機(jī)質(zhì)和鹽類物質(zhì)[4]。

對于垃圾滲瀝液目前較為常見的處理工藝有：MBR、SBR、UASB、氧化溝、直接回灌等，此類工藝較為成熟，處理滲瀝液中的COD、氨氮等污染物效果明顯。但對于滲瀝液中的重金屬污染物則處理效率低下，而重金屬是垃圾滲瀝液中不可忽視的一種污染物[5]。

垃圾滲瀝液包含的重金屬等有害物質(zhì)會改變土壤的成分及結(jié)構(gòu)，使土壤的肥力和水分下降，其中有毒物質(zhì)會通過食物鏈影響人體健康。此外，在雨水的作用下，會造成地表水及地下水的嚴(yán)重污染，影響水生生物的生存和水資源的利用。由于粘性土截污能力強(qiáng)、滲透系數(shù)小、價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，高密度聚乙烯(HDPE)具有很好的防滲性能，所以在現(xiàn)有的垃圾填埋場中，一般使用天然材料(粘性土)和人工材料(HDPE)進(jìn)行防滲。但HDPE存在老化、施工過程中易機(jī)械破損等缺點(diǎn)，而若HDPE失效，其下的粘土防滲層就成為直接接觸滲瀝液的防護(hù)層，因此研究滲瀝液對粘土防滲層的影響就顯得尤為重要。

垃圾填埋場中的垃圾在處理過程中還會產(chǎn)生大量的熱量，會導(dǎo)致垃圾填埋場內(nèi)部溫度不斷升高，影響填埋場的降解過程、滲瀝液的產(chǎn)生和產(chǎn)氣量。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于滲瀝液對填埋場下層粘土防滲層影響，做了不少研究。

目前仍缺少滲瀝液長期作用下粘土防滲層壓縮性影響的研究。本文通過控制滲瀝液pH值，研究滲瀝液對粘土防滲層在不同時(shí)長的條件下的作用效果，對處理后的土樣進(jìn)行試驗(yàn)，探究滲瀝液對粘土防滲層壓縮性的影響。

1 研究方法及試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)材料、取材及其性質(zhì)

試驗(yàn)材料包括：(1)成都粘土;(2)垃圾滲瀝液膜濾濃縮液(5 l);(3)氫氧化鈉溶液;(4)稀鹽酸溶液(濃度36%);(5)蒸餾水;(6)pH計(jì)。關(guān)鍵材料的特性如下：

(1) 成都粘土。成都粘土(Chengdu Clays)是指分布于成都平原及周邊地區(qū)二級階地以上近地表層的粘土，以質(zhì)地較細(xì)、顏色偏黃、富含鈣結(jié)核、無水平層理和柱狀結(jié)構(gòu)為顯著形態(tài)特征[13]。常近地表出露、裂隙不發(fā)育,是一種黃色塑性粘土。試驗(yàn)所用粘土取材于成都市龍?zhí)端碌貐^(qū)，用鉆掘器具取出，并取自不同點(diǎn)位的鉆孔。粘土密實(shí)度高，完整性好。取回后作密封保存并靜止于陰涼處。

(2) 垃圾滲瀝液膜濾濃縮液(5 l)。垃圾滲瀝液采用膜處理技術(shù)，得到膜濾濃縮液。垃圾滲瀝液膜濾濃縮液是一種高濃度難降解的有機(jī)廢水，主要由大分子難降解物質(zhì)組成[14]，是垃圾滲瀝液經(jīng)過生物降解后再經(jīng)反滲透膜(RO)或納濾膜(NF)截留的余液,一般不具有可生化性,其體積可以占到垃圾滲瀝液原液體積的8%～20%[15]。

和垃圾滲濾液不同，膜濾濃縮液中殘留的污染物通常是難以被生物降解的腐殖質(zhì)類物質(zhì)，而且含鹽量很高，且含有大量的金屬離子，營養(yǎng)物質(zhì)比例失調(diào)，所以一般膜濾濃縮液的可生化性很低，難以直接進(jìn)行生化處理，對環(huán)境有極其大的危害。膜濾濃縮液呈深棕色，色度可高達(dá)3 000以上，并含有大量的腐殖酸、富里酸等難降解有機(jī)物[16]。

(3) 氫氧化鈉溶液。氫氧化鈉為固體狀，用蒸餾水配置成溶液，密封靜止保存。

隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，企業(yè)之間的競爭也日益激烈，在企業(yè)競爭的同時(shí)，需要認(rèn)識到人才的重要性。為了不斷提高企業(yè)的競爭優(yōu)勢，企業(yè)不僅要及時(shí)的開拓市場，更要堅(jiān)持創(chuàng)新，挖掘游泳的人才，因此激勵員工成為一大難題。采用柔性管理的方式，可以有效調(diào)動員工的積極性和主動性，員工在一個(gè)良好的企業(yè)環(huán)境中，可以充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢，提高勞動質(zhì)量和數(shù)量。根據(jù)相關(guān)實(shí)踐表明，柔性管理方式的使用，可以有效提高員工的認(rèn)同感，從而為增強(qiáng)企業(yè)的綜合實(shí)力提供動力，有助于提高企業(yè)在市場競爭中的優(yōu)勢。

(4) 稀鹽酸溶液(濃度36%)。取自實(shí)驗(yàn)室，作密封靜止保存。

1.2 試驗(yàn)儀器

GDG系列型高壓固結(jié)儀(圖1)。該儀器可用于測定在不同載荷和有側(cè)限的條件下土的壓縮性能，可以進(jìn)行正常慢固結(jié)試驗(yàn)和快速固結(jié)試驗(yàn)，測定前期固結(jié)壓力和固結(jié)系數(shù)。

圖1 GDG系列型高壓固結(jié)儀

1.3 試驗(yàn)方案

(1) 試樣制備:將巖心狀粘土經(jīng)機(jī)械方式破碎，烘箱烘干(不少于48 h)，再用錘擊的方式將其完全破碎，形成粘土顆粒，密封保存。

一共設(shè)置4組試驗(yàn)組(pH=6,7,8,9)。將烘干后的粘土顆粒平均分為5等分，每份3 kg，取其中4組作為試驗(yàn)組，1組為對照組。每一組加入570 ml的蒸餾水使土達(dá)到天然含水率(19%)，靜置。

測得滲瀝液膜濾濃縮液的pH=7.1，呈現(xiàn)中性。將滲瀝液膜濾濃縮液的平均分成4組，用稀鹽酸和氫氧化鈉溶液來調(diào)節(jié)pH，邊加邊用pH計(jì)測量pH值，得到pH=6,7,8,9四組處理后的滲瀝液膜濾濃縮液，取每組570 ml加入到天然含水率狀態(tài)下的土樣中，混合均勻，密封靜置處理，作為試驗(yàn)組。

設(shè)置1組對照組(僅加入蒸餾水)。對照組在天然含水率狀態(tài)下再加入570 ml的蒸餾水，以作為對照，密封靜置處理。

(2) 試驗(yàn)方案：試樣制備好后，每一次浸潤周期(7 d)結(jié)束后，都需進(jìn)行一次土的固結(jié)試驗(yàn)(加荷載等級：50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa)。試驗(yàn)過程中，待上一級荷載穩(wěn)定后，再增加下一級荷載。加荷完成，待變化穩(wěn)定后，結(jié)束試驗(yàn)，一共得到3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將獲得的3組壓縮系數(shù)與壓縮模量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行比較分析，得到隨時(shí)間的變化粘土在不同pH的垃圾滲瀝液作用下壓縮系數(shù)與壓縮模量的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論分析

2.1 不同浸潤時(shí)間下固結(jié)參數(shù)的變化

圖2是在不同浸潤時(shí)間，相同pH值條件下，土樣的壓縮系數(shù)變化曲線。由圖2可見：

圖2 相同pH條件下av隨時(shí)間的變化關(guān)系

與蒸餾水組的試驗(yàn)結(jié)果相比：當(dāng)滲瀝液pH=6或7時(shí)，固結(jié)系數(shù)變化不大；但當(dāng)pH=8或9時(shí)，固結(jié)系數(shù)變化較大。這說明，膜濾濃縮液中酸性或堿性物質(zhì)的增多，會改變固結(jié)系數(shù)隨時(shí)間變化的速率。相同時(shí)間內(nèi)，固結(jié)系數(shù)顯著減小，這表明土層的固結(jié)速率加快。剛開始試驗(yàn)時(shí)，除pH=9的滲瀝液組外，其余各組土樣壓縮系數(shù)av均小于蒸餾水處理的土樣，但隨滲瀝液浸潤時(shí)間的增加，由不同pH的滲瀝液所浸潤土樣的壓縮系數(shù)av都大于蒸餾水組土的壓縮系數(shù)，經(jīng)過不同pH浸泡，土樣壓縮系數(shù)總體均呈下降趨勢，但仍都屬于高壓縮性土。試驗(yàn)結(jié)果表明，在滲瀝液中加入酸性或堿性物質(zhì)之后，粘土的壓縮系數(shù)升高，固結(jié)速率變慢。

圖3是在不同浸潤時(shí)間，相同pH值條件下，土樣的壓縮模量變化曲線。由圖3可見：

圖3 相同pH條件下Es隨時(shí)間的變化關(guān)系

土樣的壓縮模量Es與壓縮系數(shù)av呈反比關(guān)系。隨滲瀝液浸潤時(shí)間的增加，由不同pH滲瀝液浸潤的粘土土樣的壓縮模量Es小于蒸餾水組土樣。說明經(jīng)過一定時(shí)間的處理后，滲瀝液組的壓縮性較蒸餾水組的高。在滲瀝液中加入的HCl溶液和NaOH溶液可能改變了粘性土的微觀結(jié)構(gòu)，使得滲瀝液組的粘性土的壓縮性與蒸餾水組的粘性土的壓縮性有明顯的差異。

綜上，隨浸潤時(shí)間增加，壓縮系數(shù)表現(xiàn)出滲瀝液條件下大于蒸餾水條件下，壓縮模量表現(xiàn)出滲瀝液條件下小于蒸餾水條件下，反映出滲瀝液作用使得土的壓縮性提高。因此，當(dāng)垃圾填埋場粘土被浸潤時(shí)，滲瀝液的浸入比水的浸入將引起更大的壓縮量。

2.2 不同pH值下固結(jié)參數(shù)的變化

圖4、圖5為相同時(shí)間下，不同pH滲瀝液浸潤下粘土土樣的壓縮模量及壓縮系數(shù)變化曲線。由圖可見：

圖4 相同時(shí)間條件下Es隨pH的變化關(guān)系

圖5 相同時(shí)間條件下av隨pH的變化關(guān)系

對于同一pH條件下的土，隨著滲濾液作用時(shí)間的增加，壓縮模量呈現(xiàn)變大的趨勢，壓縮系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢。且變化速率逐漸變緩。其中，pH=9時(shí)滲瀝液浸潤粘土的固結(jié)參數(shù)變化最大，因此，當(dāng)垃圾填埋場滲瀝液呈強(qiáng)堿性時(shí)，對粘土的浸潤將引起較大的壓縮性能變化。

3 結(jié)論

本文以成都粘土為研究對象，分析在不同滲濾液pH值、不同浸潤時(shí)間下，固結(jié)試驗(yàn)粘土固結(jié)參數(shù)的變化規(guī)律，主要得到以下認(rèn)識：

(1) 對于成都粘土土樣，相同的浸潤時(shí)間，滲濾液的浸潤比水的浸潤引起壓縮量更大，即滲濾作用使壓縮性提高。滲濾液堿性越強(qiáng)，壓縮性變化更強(qiáng)烈。表明粘土在受到氫氧根離子、氫離子以及金屬陽離子的存在，會使其壓縮量變化，壓縮量與離子濃度有關(guān)。

(2) pH恒定條件下，隨著滲瀝液作用時(shí)間的增加，土的壓縮模量呈現(xiàn)增大的趨勢，壓縮系數(shù)有減小的趨勢，這表明隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，滲瀝液對粘土性質(zhì)的影響加大，使得粘土的壓縮性變大。

(3) 對于初始孔隙比相同的土樣，滲濾液中的加入的HCl、NaOH，使土樣微觀結(jié)果改變，這可能是使造成壓縮性增強(qiáng)的原因之一。