垃圾填埋场防渗浆材对污染物的阻滞规律

城市生活垃圾卫生填埋是各国最常用的且处理垃圾量最大的方法。为了保护地下水、地表水和土壤不受垃圾渗沥液的污染，在一些发达国家，几乎所有填埋场工程都采用了垂直隔离墙。但目前我国用于垃圾填埋场的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[1]，尤其是防渗浆材对污染物阻滞性能的研究，国内只有张可能、邓飞跃、陈永贵等就粘土固化浆液进行了研究[2-4]。所以作者在垃圾填埋场防渗浆材研究和柔壁渗透仪研制的基础上[5-8]，就其对污染物阻滞规律进行了实验研究，以便为垃圾填埋场垂直防渗技术提供依据。
1垃圾填埋场防渗对浆材性能的要求
1.1对浆材性能的要求
垃圾填埋场防渗浆材的目的是防止渗沥液中的有毒有害污染物对地下水、地表水和土壤造成污染，因此对防渗浆材及其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1×10-7cm/s，对渗沥液中的有机和重金属等污染物有吸附阻滞作用，具有一定适应地基变形的塑性及耐久性等。
1.2浆材配方研究
借鉴国内外应用成果，针对垃圾填埋场防渗对防渗浆材及其结石体性能的要求，作者开展了膨润土-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份的粘土岩，在我国的储量仅次于美国，居世界第2位，主要集中在东北和东部沿海各省。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，比表面积一般为2500~7000cm2/g。根据赵雅芝[9]、朱国营[10]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，必要时选用TMH作稀释剂（减水剂），用于调节浆液的可泵期。通过3水平4因素正交试验法L9（34），确定了防渗浆材的配方为：膨润土35%、粉煤灰20%、水泥22%、纯碱1.6%。其结石体的渗透系数为0.85×10-7cm/s，抗压强度2.07MPa，弹性模量306.3MPa，满足垃圾填埋场防渗的要求。
2防渗浆材对污染物阻滞规律的实验研究
2.1实验条件与原理
实验研究采用吉林省某粘土矿生产的膨润土，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。按上述配方配制浆液并浇注直径63.5mm4种不同高度的3组试样

浆材结石体对污染物溶液的渗滤试验采用自己研制的“加压式柔壁渗透仪（专利号：ZL200520091576.X）”和“柔壁渗透试验气水隔离供液装置（专利号：ZL200920094935.5）”进行。如图2所示，含污染物的原溶液（0号）分别经过不同高度的试样进行渗滤，对渗出液进行成分分析，便可利用下式计算得到阻滞率。

式中：Rb－浆材结石体对污染物的阻滞率，%；C1－渗滤前原液中某种污染物的含量，mg/L；C2－渗滤后渗出液中某种污染物的含量，mg/L。
渗滤试验采用人工配制的重金属离子溶液和有机溶液，以及取自长春市三道镇垃圾卫生填埋场的垃圾渗沥液，污染物溶液成分测定结果见表2。
表2渗滤溶液的污染物含量

2.2重金属离子溶液渗滤试验
试样浇注后经过30d的养护，利用柔壁渗透仪在渗透压50kPa，围压100kPa条件下进行渗滤试验，滤出液采用等离子体-质谱仪分析和计算，见表3。
表3重金属离子溶液渗滤试验结果

由表3可见，浆材结石体对溶液中重金属污染物的阻滞率随着试样高度增加，基本呈现增大的趋势，但至少95%的污染物滞留在开始渗滤的30mm范围内。另外由表3可得到滤出液中重金属污染物与试样高度的关系曲线，如图3所示。

由图3可知，随着试样高度增加，滤出液中各种重金属污染物均随之减少，但不同污染物衰减的程度不同，除As外基本呈线性减少。所以根据此趋势便可初步设计符合排放标准的垃圾填埋场防渗墙厚度。如表3显示，试样高度88mm时，滤出液中Hg的含量不符合生活垃圾填埋场污染控制标准（GB16889-2008）1μg/L，因此根据滤出液中Hg污染物与试样高度的趋势方程可得最小墙体厚度为126.18mm。
2.3有机溶液渗滤试验
试样浇注后经过35d养护，同样利用柔壁渗透仪在渗透压50kPa，围压100kPa条件下进行渗滤试验，滤出液采用高效液相色谱仪分析和计算，结果见表4。
表4有机溶液渗滤试验结果

由表4可见，浆材结石体对溶液中有机污染物的阻滞率虽然也随着试样高度增加，基本呈现增大的趋势，但至少96%的污染物滞留在开始的30mm范围内。当试样高度达到70mm时，滤出液可达到污水综合排放标准（GB8978-1996）一级。另外由表3可得到滤出液中有机污染物与试样高度的关系曲线，如图4所示。

由图4可知，随着试样高度增加，滤出液中各种有机污染物均随之减少，但不同污染物衰减的程度不同，当试样高度大于70mm时，基本趋于稳定。
2.4垃圾渗沥液的渗滤试验
试样浇注后经过40d养护，同样利用柔壁渗透仪在渗透压50~70kPa，围压100~120kPa条件下进行渗滤试验，滤出液经分析和计算结果见表5。
表5垃圾渗沥液渗滤试验结果

由表5可得滤出液中污染物含量与试样高度的关系，如图5所示。

由表5和图6可见，垃圾渗沥液的滤出液中污染物含量随试样高度增加而减少，但至少60%的污染物滞留在开始渗滤的30mm范围内。不同高度浆材结石体试样对垃圾渗沥液中各种污染物的阻滞率在59.7%~96.5%，而且随着试样高度增加，阻滞率基本呈现增大的趋势，当试样高度达到98mm时，除TP在生活垃圾填埋场污染控制标准（GB16889-2008）以内，对其它污染物的阻滞率均在84%以上。