城市垃圾填埋场防渗浆材的实验研究.pdf

城市垃圾填埋场防渗浆材的实验研究 ＊ 靖向党 于 波 谢俊革 彭 第 长春工程学院, 长春 130021 摘要 针对垃圾填埋场防渗的特殊要求, 通过大量正交实验研究, 研制了一种低渗透系数并对污染物有良好阻滞作用 的浆材, 即膨润土-水泥-粉煤灰 BCF 浆材, 包括 S 型、N 型和Z 型 3种类型。 该浆材可泵期可调, 结实率 99. 6, 结石体 28 d 渗透系数0. 65 10- 7cm s, N 型的无侧限抗压强度1. 2 MPa, 弹性模量在200MPa左右。 浆材结石体对 COD、氨氮和磷的阻滞率均达到了 82以上, 对酞酸酯和常见重金属离子的阻滞率均在 99. 6以上。 对浆材结石体的 防渗性与对污染物阻滞性能的机理进行了研究, 并提出渗滤沉积作用和吸附滞留作用阻滞机理。 关键词 垃圾填埋场; 渗沥液; 防渗; 浆材 TEST RESEARCH ON ANTISEEPAGE SLURRY FOR URBAN LANDFILL SITES Jing Xiangdang Yu Bo Xie Junge Peng Di Changchun Institute of Technology , Changchun 130021, China Abstract According to special seepage control requirements of a landfill site, through a large amount of orthogonal experiments, a kind of low permeability coefficient slurry, namely bentonite -cement-fly ash BCF slurry was developed, which showed good inhibition to pollutant. It included S, N and Z three types.The pumpability time of this slurry was adjustable and rate of bonding stone was greater than 99. 6. The permeability coefficient of the slurry concretion was below 0. 6510 - 7 cm s after 28 d, the unconfined compressive strength of the N type slurry concretionwas lessthan 1. 2MPa and its elastic moduluswas around 200MPa. The blocking rates of slurry concretion to COD, NH3-N andphosphate were over 82 andthe blocking rates of slurry concretion to Phthalate esters and common heavy metal ionswere above 99. 6. The antiseepage and the mechanism of inhibition perance to the pollutant of slurry concretion were studied and the blocking mechanism of infiltration deposition, adsorption residence perance was proposed. Keywordslandfill site;leachate; antiseepage;slurry ＊吉林省应用基础研究项目 编号 20040580 。 0 引言 垃圾卫生填埋场的重要标志是防渗系统安全化, 保护地下水、 地表水和土壤不受渗沥液的污染 。在填 埋场工程中都需要采用垂直隔离墙 [ 1] 。采用灌浆帷 幕、 高压喷射灌浆板墙 、深层搅拌桩墙及地下连续墙 等技术方法形成垂直隔离体系是新建垃圾填埋场垂 直防渗和既有垃圾场防渗治理的重要技术 。但目前 用于垃圾填埋场垂直防渗技术基本都是借用了水利 工程、地质工程及土木工程的技术方法 , 尚未形成针 对垃圾填埋场渗沥液防渗漏的理论与技术, 为此, 本 实验针对垃圾填埋场渗漏防治研制低渗透性 、 对污染 物具有阻滞性能的浆材与工艺方法进行了研究。 1 垃圾填埋场防渗材料 1. 1 对浆材性能的要求 垃圾填埋场对防渗浆材及结石体性能的要求是 浆材可灌性好, 结石体渗透系数不大于 10 - 7 cm s, 对 渗沥液中的有机和重金属等污染物有吸附阻滞作用, 耐久性好等 。 1. 2 浆材组成的选择 借鉴国内外应用成果 [ 2] ,针对垃圾填埋场防渗对 防渗浆材及其结石体性能的要求,开展了膨润土-粉 煤灰 - 水泥浆材 BFC 的研究。 1 膨润土 。膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏 土岩 ,膨润土中蒙脱石的吸水膨胀性 、 分散悬浮性 、 离 子交换性和对有机物的吸附性等特性有利于浆液的 稳定及其结石体的低渗透性和对污染物的吸附阻滞。 2 粉煤灰 。粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅 70 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 炉中燃烧后从烟道排出并被收尘器收集的物质,其主 要成分是 SiO2、 Al2O3和 Fe2O3等 , 通常为球状颗粒, 比表面积为2 500～ 7 000 cm 2 g 。根据赵雅芝[ 3] 、 朱国 营 [ 4] 等的研究 ,粉煤灰对重金属离子具有一定的吸附 能力 ,能有效地降低渗沥液中 COD、BOD5和三氮的 浓度 。 3 水泥 。水泥是应用比较广泛的一种胶凝材料, 用作浆材的骨架材料 ,以提高浆材结石体的强度。 4 助剂 。为了确保浆材的可灌性 、 稳定性和结石 体的密实性 ,通过试验选用纯碱作分散剂 , 选用 FN、 HFN 或 TMH 作稀释剂 减水剂 , 用于调节浆液的可 泵期 。 2 实验 2. 1 实验条件 实验研究采用吉林省某黏土矿生产的黏土,粉煤 灰采用长春某电厂产的粉煤灰 ,水泥采用长春某企业 产的 32. 5普通硅酸盐水泥 。 渗透性实验主要采用南- 55 型渗透仪; 抗压强度 实验采用CBR- 1 型承载比试验仪 ; 浆液可泵期采用流 动度盘测试; 结石体对污染物的渗滤实验采用该实验 研制 的 “加 压 式 柔 壁渗 透 仪” 专 利号 ZL2005 20091576. X 。 2. 2 防渗浆材的实验研究 防渗浆材包括黏土基防渗浆材 、 水泥基防渗浆材 两种 。在初步实验的基础上, 采用三水平四因素正交 试验法 L9 3 4 优选浆材配方。通过正交实验可知 1 对黏土基防渗浆材, 影响渗透系数的主要因素 是膨润土和粉煤灰, 影响最终抗压强度 28 d 的主要 因素是水泥,影响可泵期的主要因素是膨润土 ; 2 对水泥基防渗浆材, 影响渗透系数的主要因素 是水泥和膨润土 ,影响最终抗压强度 28 d 的主要因 素是水泥 ,影响可泵期的主要因素也是膨润土 。 2. 3 防渗浆材可泵期调整与配方确定 根据施工方法的不同 ,为使防渗浆材能有较好的 流动性和适宜的可泵期, 还应加入适量的稀释剂。在 上述正交试验的基础上, 选择 TMH 、 FN 和 HFN 进行 了实验。实验结果如图 1、 图 2 所示 。 由图 1、图 2 可知 ,TMH 对浆材可泵期的调节作 用较 FN 和 HFN 明显, 所以宜用 TMH 来调节浆材的 可泵期 , 但应严格控制加量, 一般加量以不超过 0. 45 为宜 。另外, 增加纯碱加量也可适当延长浆材 的可泵期 ,如图 3 所示 。 图 1 TMH 加量对可泵期的影响 图 2 HFN 、FN 对浆材可泵期的影响 1加TMH样; 2不加TMH 样 图 3 碱加量对可泵期的影响 根据上述实验研究和分析 ,考虑到浆材的可泵期 及其结石体的渗透系数和抗压强度 ,以及浆材费用和 使用的方便等因素, 可将黏土基和水泥基两种浆材划 分为 3种类型 ,即 S 型 、 N 型和Z 型 ,其浆材组成见表 1。其中 S 型是指水泥加量较大的水泥基浆材,N 型 是指黏土加量较大的黏土基浆材, Z 型是指水泥、黏 土和粉煤灰加量等值的中性浆材。 表 4 S 型、N 型和 Z 型 3种浆材组成 类型 黏土加 量 水泥加 量 粉煤灰 加量 纯碱加 量 TMH 加量 S 型18～ 2030～ 3520～ 231 . 2～ 1. 40. 2～ 0 . 4 N 型22～ 2515～ 1820～ 231 . 4～ 1. 80. 25～ 0 . 45 Z 型21～ 2321～ 2321～ 231 . 2～ 1. 60. 3～ 0 . 4 2. 4 防渗浆材结石体性能 2. 4. 1 浆材结石体的渗透系数 通过对优选出的浆材配方进行渗透性能测试 ,S 型浆材7 d的渗透系数为 1. 49 ～ 3. 37 10 -7 cm s, 28 d的为 0. 04 ～ 0. 092 10 -7 cm s; N 型浆材7 d的渗 透系数为 5. 71 ～ 10. 9 10 - 7 cm s, 28 d的为 0. 41 ～ 0. 64 10 -7 cm s; Z 型浆材7 d的渗透系数为4. 17 10 -7 cm s,28 d的为 0. 12 10 -7 cm s, 完全满足垃圾 卫生填埋场防渗的规范要求。 71 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 2. 4. 2 浆材结石体的抗压强度与弹性模量 采用承载比测试仪对浆材结石体无侧限抗压强 度进 行测试, S 型浆材7 d的抗压 强度为 0. 95 ～ 1. 89 MPa ,28 d的为 2. 47 ～ 5. 25 MPa; N 型浆材7 d的 抗压 强 度 为 0. 26 ～ 0. 32 MPa, 28 d 的 为 1. 05 ～ 1. 11 MPa ; Z 型浆材7 d的抗压强度为0. 42MPa ,28 d的 为1. 68 MPa。 采用固结仪进行浆材结石体应力 应变关系测 定 取消环刀的侧限, 并从总变形中减去仪器变形 , 以求得弹性模量 。测试结果如图 4所示。 1S E 2 130 MPa ; 2Z E280 MPa ; 3N E240 MP 。 图 4 3类浆材结石体的应力应变关系曲线 由图4 可见 ,S 型浆材结石体脆性较大, 具有类 似纯水泥浆的特点; N 型和 Z 型浆材弹性模量较小, 塑性较大 ,可在一定范围内适应地基的变形。 2. 4. 3 浆材结石体的阻滞性能 浆材结石体的阻滞性能是指浆材凝固后形成的 结石体对垃圾渗沥液中污染物质的隔离性能。利用 本研究开发的专利产品 加压式柔壁渗透仪对垃 圾填埋场渗沥液 取自长春三道镇垃圾卫生填埋场 、 酞酸酯溶液和重金属离子溶液进行了渗滤实验,通过 对渗滤前后的滤液进行分析, 求得浆材结石体对污染 物的阻滞能力。测试结果如图 5、图6 和图7 所示。 1N 1 样; 2Z 2 样; 3S 3 样; 4S 4 样。 图 5 浆材结石体对垃圾填埋场渗沥液中有害成分的阻滞率 各类浆材结石体具有良好的阻滞性能。实验证 明,对垃圾渗沥液中 COD、BOD5、NH4-N、TP 、SS 的阻 滞率在80～ 90; 对邻苯二甲酸二甲酯 、 邻苯二甲 酸二乙酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯的 阻滞率在 99. 95以上; 对 Hg 、 As、 Pb 、 Cd 的阻滞率在 99. 65 以上。 1S 1 样; 2Z 2 样; 3N 3 样。 图 6 浆材结石体对酞酸酯溶液中各成分的阻滞率 1N 样; 2Z 样; 3S 样。 图 7 浆材结石体对重金属离子溶液中各成分的阻滞率 3 浆材结石体的性能机理分析 3. 1 浆材结石体的防渗性 浆材结石体是水泥灰土体系通过水化、 凝聚、 结晶 等一系列复杂的物理化学反应形成的 。如图 8所示。 图 8 水泥-膨润土-粉煤灰浆材凝固硬化过程 水泥-膨润土-粉煤灰浆液在凝固硬化过程中, 通过水泥水化、膨润土的聚结和硬凝反应 、 粉煤灰的 火山灰反应等, 生成了由大量水化硅酸钙胶体聚结成 的凝胶体、氢氧化钙晶体与钙矾石晶体等构成的结晶 体、 水化黏土胶粒的聚结体,这些凝胶体 、 结晶体和聚 结体的生成与不断发育, 形成凝聚体 - 结晶体的混合 网状结构, 其中的一些惰性颗粒充填于网状结构中, 逐渐形成密实的结石体, 表现出具有一定的强度和低 渗透性。 S 型 、 N 型和 Z 型 3 类浆材的 SEM 图像如图 9 所示 。 72 环 境 工 程 2009年 2 月第27 卷第1 期 S 型 N 型 Z 型 图 9 S 型、N 型和 Z 型 3 类浆材结石体的 SEM 图像 3. 2 浆材结石体对污染物阻滞性能 1 渗滤沉积作用 。由于浆材结石体的渗透系数 低,其内部的孔隙很小且连通性差, 所以垃圾渗沥液 通过结石体时, 一方面渗沥液中的悬浮物 ,固相颗粒 和较大尺寸的分子, 离子及胶团等被滞留沉积在结石 体的孔隙中,而且随着渗透的进行被滞留沉积的颗粒 越多, 堵塞孔隙使孔隙变得越小, 结石体渗透系数越 小,如图 10,从而能滞留更小的颗粒 , 阻滞了污染物 的径流扩散 ,起到过滤作用 ; 另一方面因结石体渗透 系数小且随着渗滤进行而进一步变小, 使得渗出的液 量很少,带出的污染物少 。 图 10 浆材对垃圾渗沥液的渗透系数随渗滤时间的变化关系 2 吸附滞留作用 。垃圾渗沥液中的 Cr 6 、 Cd 2 、 Pb 2 、 Ni 2 、 Zn 2 、 Fe 2 、 Cu 2等重金属离子和苯酚、硝 基苯、苯胺、 COD、 BOD5、三氮等有机污染物随液流渗 入结石体时,与浆材结石体中的膨润土和粉煤灰产生 物理和化学吸附 , 阻止了污染物的进一步迁移扩散, 表现出具有一定的吸附能力 [ 3- 7] , 而且蒙脱石、伊利石 和高岭石 3 种黏土矿物中, 蒙脱石吸附金属的等温吸 附曲线的拐点出现得最迟 ,表明蒙脱石的稳定吸附能 力最高。所以当渗沥液渗过结石体时,其中的一些重 金属离子和有机污染物被吸附滞留在结石体中,阻止 其产生径流扩散和化学扩散, 起到了净化作用 。 4 结论 1 针对防治垃圾填埋场渗沥液渗漏的特点 ,研制 的S 型 、 N 型和Z 型 3 种类型膨润土 -粉煤灰 - 水泥 浆材 BFC 的结石体具有渗透性低 1 10 -7 cm s , 符合规范要求, 抗压强度低、 塑性好 、 对垃圾渗沥液中 污染物阻滞性好的特点。 2 3 类浆材初凝之前具有很好的稳定性 、流动性 和适度可调的可泵期 ,其结石率在 99以上 , 析水率 2左右 ,所以具有很好的可灌性和封堵性能。因此 该浆材可用于高压喷射注浆、深层搅拌及压力注浆等 工艺方法。 3 浆材结石体对污染物的阻滞能力强的原因是 基于其低渗透系数的渗滤沉积作用和膨润土与粉煤 灰对污染物的吸附滞留作用。 参考文献 [ 1] 熊孝波, 施斌, 张凌. 国外城市垃圾填埋场岩土工程研究的最新 进展[ J] . 工程地质学报, 2000, 8 3 345 -350 . 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