紅黏土作為垃圾填埋場防滲墊層的研究進展

譚邦宏

(同濟大學土木學院地下系, 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展

譚邦宏

(同濟大學土木學院地下系, 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、塑限及力學性能。紅黏土同時具有吸附能力強和低透水性等特點。將其作為垃圾場防滲墊層材料具有可行性和現(xiàn)實意義。文章對紅黏土應(yīng)用于垃圾場防滲墊層的研究現(xiàn)狀進行了分析，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； 研究進展

目前，國內(nèi)處理危險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)境保護總局發(fā)布的《危險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)規(guī)定危險廢物填埋場下部復合襯墊系統(tǒng)中壓實的黏土襯層(CCL)必須進行壓實，并做到：壓實系數(shù)≥0.94，壓實后的厚度≥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，還要求對重金屬離子具有一定的吸附和防擴散作用。近年來，我國對防滲墊層材料的需求量非常大，長距離地運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、擴散特性表明紅黏土對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滲透系數(shù)達到10-8～10-9之間。紅黏土的含水量在24%～28%之間時，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；此外紅黏土對衛(wèi)生填埋場的滲濾液有阻滯、吸附作用，有利于襯層對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、滲透試驗、擴散試驗，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]對湖南某紅黏土地區(qū)邊坡裂隙開裂性進行了調(diào)查，得出無裂隙紅黏土滲透系數(shù)在10-9cm/s數(shù)量級，這比國家環(huán)境保護總局發(fā)布的《危險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)規(guī)定的10-7cm/s小兩個數(shù)量級。康旺東[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)，從而導致導水通道減小，滲透系數(shù)減小。

有學者研究紅黏土的擴散特性，發(fā)現(xiàn)其在pH=2的滲濾液(含有18種不同成分)中擴散時有一定量的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)合實際工程進行的，且都沒有進行系統(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散情況。許多研究主要針對單一金屬離子的作用，多個金屬離子共同作用下紅黏土的吸附、滲透、擴散特性等方面的研究工作基本沒有開展。

當前國內(nèi)外對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，且對湖南的紅黏土的吸附、滲透、擴散方面的研究還是空白。

3 機理分析

3.1 吸附理論

3.1.1 Lagergren一級動力學方程

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

式中：qt為t時刻的吸附量(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)對時間作圖，得一直線則說明吸附機理符合一級動力學速率方程。為了分析試驗數(shù)據(jù)是否符合一級速率方程，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一級速率方程應(yīng)用的局限性。

3.1.2 二級動力學方程

式中：qt為t時刻的吸附量(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對時間t作圖得一直線，則說明吸附過程符合二級動力學模型。

3.1.3 吸附熱力學

(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，反之，吸附能力越弱。而1/n被稱為Freundlich經(jīng)驗參數(shù)，也稱吸附指數(shù)，一般認為，當1/n介于0.1～0.5時，即為優(yōu)惠吸附；當1/n大于2時，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，對污染物的吸附作用也不同，有機質(zhì)和各種黏土礦物對污染物的吸附能力順序是：有機膠體>煙石>蒙脫石>伊利石>綠泥石>高嶺土。土壤黏土礦物具有較強的吸附性、離子變換性和膨脹性，對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)中運動的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象表達的定量指標是滲透系數(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動，而使土體所具有的一種水力學特性。變水頭滲透系數(shù)按下式計算:

式中：Kt為水溫t℃時的土樣滲透系數(shù)(cm/s)，計算至三位有效數(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 滲濾液的擴散

溶質(zhì)通過土壤物理運動主要有兩個過程:擴散和平流。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[14]。因此擴散被認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，此時污染物質(zhì)的化學擴散成為污染周邊環(huán)境的主要途徑[13]。因此通常采用對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為黏土對污染物的阻滯因子；z為深度；t為時間；D為水動力彌散系數(shù)，包括機械彌散與分子擴散作用。當采用擴散試驗儀進行垂直擴散試驗時，如土樣在試驗前已飽和，且試樣基底部不透水，因此土層中流速q為0，可視為純擴散情況。此時，上式可簡化為:

席永慧等[16]根據(jù)Fiek擴散第二定律的推導公式，對非反應(yīng)污染物，則Rd=1，當時間確定時，離子擴散濃度的對數(shù)值(logc)與擴散距離的平方(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)實意義及目前對滲濾液在紅黏土中的擴散滲透等方面研究的嚴重不足，我們認為有必要對其做更全面的研究，這將極大推動紅黏土作為襯墊層材料在填埋場中的應(yīng)用，對降低工程造價、減緩資源危機和推動我國國民經(jīng)濟建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展將起到巨大的促進作用。

[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．紅黏土路基水分運移規(guī)律試驗研究[D]．長沙：長沙理工大學,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及其在垃圾填埋場防滲層中的應(yīng)用[J].土木工程學報,2001,34(3):107-110.

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

[7] 于天仁.土壤化學原理[M]．北京:科學出版社，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Cr(Ⅵ)吸附性能研究及應(yīng)用[D].大連：大連理工大學,2008.

[10] 藍俊康. 柳州市紅黏土對Zn2+的吸附平衡實驗[J].桂林工學院學報,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. 粘性土中離子擴散的影響因素研究[C]// 中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術(shù)會議論文集: 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)中擴散系數(shù)的實驗室測定[C]//第一屆全國環(huán)境巖土工程與土工合成材料技術(shù)研討會論文集.杭州：浙江大學出版社，2002: 186-191.

譚邦宏(1990～)，男，研究生，研究方向：環(huán)境巖土。

TU411.4

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[定稿日期]2015-06-12