浏览次
近些年来，垃圾填埋场造成的环境污染问题受到了国内外的普遍关注。垃圾填埋场防渗层的自然或人为破坏是垃圾填埋场污染环境的主要原因之一，冻融作用就是一种不可避免的自然破坏作用。
在寒冷地区，如何减轻冻融作用对防渗系统（顶部盖层、侧部防渗层及底部防渗层）的影响是垃圾填埋场建设和运营过程中需要考虑的一个重要问题。目前，冻融作用对防渗层性能影响的研究较少。仅有少量资料表明，冻融作用可以改变粘土的结构和性质，并且能够使防渗层的渗透性增大[1－3]，而对冻融作用对防渗层的防渗性能和污染物去除性能的影响鲜见报道。本文以此为出发点，拟通过系列室内模拟实验对其进行研究，以期为垃圾填埋场的建设和运行管理提供一定的理论指导。
1实验设备和目的
1.1实验材料
实验用渗滤液取自长春三道垃圾卫生填埋场，渗滤液的pH为7.4，COD质量浓度为13.36g/L，Cl-的质量浓度为4.62g/L，NH+4的质量浓度为1.51g/L，硬度为2.77g/L。
1.2实验方法
实验装置为4个直径为18.5ｃｍ的有机玻璃柱，防渗层配置见表1。
表1防渗层配置
实验步骤如下：1）在有机玻璃柱侧壁涂适量凡士林防止渗漏，从下向上依次铺设尼龙网、1ｃｍ厚石英砂、3ｃｍ厚改性土或粘土。改性土或粘土控制在一定湿度搅拌均匀，放入柱中击实；2）在改性土或粘土上再铺设1ｃｍ厚石英砂，用于均匀布水，保持上部石英砂湿润，柱1、柱2静置2周后注入垃圾渗滤液，始终保持水头50ｃｍ不变；3）柱3、柱4静置2周后，经过反复3次冻融再注入垃圾渗滤液，保持水头40ｃｍ不变。定期取各柱的渗透水样，并对水样的pH、COD、Cl-、NH+4和硬度进行监测。
2实验结果及分析
2.1渗透系数变化规律分析
从图1可以看出，冻融作用对防渗层的防渗性能影响较大。柱1、柱2的渗透系数均低于最低标准（1.0×10－7ｃｍ／ｓ）。柱1与柱3的防渗层配置相同，相比可以看出冻融作用对渗透系数的影响。同理，对比柱2与柱4也可以看出冻融作用对防渗层防渗性能的影响。通过这2组对比均可以看出：冻融作用使得防渗层的渗透系数增大，经过3次冻融后，柱1初始的渗透系数由3.3×10－8ｃｍ／ｓ升高为7.4×10－8ｃｍ／ｓ（柱3）；柱2初始的渗透系数由5.1×10－8ｃｍ／ｓ升高至3.16×10－7ｃｍ／ｓ（柱4）。另外，随着时间的推移，防渗层的渗透系数呈下降趋势。其中：柱1、柱2和柱3的变化较小；而柱4变化则较大，到130ｄ由初始的3.16×10－7ｃｍ／ｓ下降到7.7×10－8ｃｍ／ｓ。从防渗的角度看，膨润土的亲水性强，吸水后体积迅速膨胀，使得其渗透系数下降。柱2和柱4的渗透系数总体都呈降低的趋势，这主要是因为添加石灰后，石灰中的钙离子与粘土颗粒表面的金属离子发生阳离子交换，从而改变粘土颗粒表面的电价，使双电层结构中ζ电位增大，粘土胶体颗粒难以聚沉[4]。另外，某些离子，如Ca2＋、Mg2＋、NH+4和K+等，能使粘土中产生絮凝物，使粘土的结构变松散，导致渗透系数增大[5]；但随着时间的推移，由于添加石灰而形成的高碱度环境会引起硅铝酸盐的缓慢溶解，这些硅铝酸盐又会形成水合胶凝物并将周围的粘土颗粒固结在一起，从而减小了渗透系数[6]。柱3、柱4的防渗层在冻结过程中，孔隙水由水变成冰，体积膨胀，破坏了土颗粒之间的胶结体，使孔隙度增大；当冰融化后，孔隙水含量相对增加；当再次冻结时，孔隙度继续增大。因此，反复冻融作用导致防渗层渗透系数不断增大。
2.2 pH变化规律分析
从图2可以看出：柱2渗出液的pH在开始阶段急剧升高，这主要是由于添加的石灰和粘土矿物还未进行充分的反应，石灰部分溶解导致pH升高；当pH增加到10.29时，随着硬凝反应的进行，pH不再升高，反而开始下降。同时，结合图1可发现，pH＞10也为硬凝反应的进行创造了条件，使硬凝反应成为主要反应。防渗层中的硅铝矿物（主要化学成分是SiO2、Al2O3等），与含钙的石灰质材料在水溶条件下反应生成具有胶粘性和水硬性的硅酸石灰水化合物（CaO－SiO2－H2O）及铝酸石灰水化合物（CaO－Al2O3－H2O），将其周围的土壤颗粒连接在一起，降低了渗透系数。但同样加石灰的柱4的pH却无明显变化，这说明在冻融过程中石灰已发生了反应。随着时间的推移，柱2、柱4中的石灰形成的高pH环境有利于钙与粘土中的硅和铝发生硬凝反应[7－8]，使得渗透系数逐渐下降[9]。
图2 pH随时间的变化曲线
2.3 COD变化规律分析
从图3可以看出，冻融作用对防渗层的去污能力有较大的影响，虽然增大了防渗层对COD的去除能力，但消弱了其对COD的防护能力。经过反复冻融3次后，柱1出水的COD质量浓度由7.92g/L升高至12.32g/L（柱3），柱2出水的COD质量浓度由2.32g/L升高至9.12g/L（柱4），且随时间的推移COD的质量浓度呈下降趋势。柱3、柱4对COD的去除效果较柱1、柱2好，主要原因是冻融作用使得土颗粒间的孔隙度变大，使防渗层吸附能力相对增大，到100ｄ左右时，其吸附能力接近饱和，COD的质量浓度趋于稳定，此时柱1、柱2的去除率分别为70.1％和67.1％；而柱3、柱4的去除率较高，分别为86.2％和89％。后期防渗层对COD的去除主要是生化作用导致的。
图3 COD随时间的变化曲线
2.4 Cl-浓度变化分析
由图4可以看出，冻融作用降低了防渗层对Cl-的拦截能力。从柱1和柱2Cl-的变化曲线可以看出，Cl-在初期均有不同程度的去除，但约在20ｄ左右时就穿透了整个防渗层；这说明Cl-对防渗层具有较强的破坏能力，这和以前的研究结论基本一致[10]。在经过3次冻融作用后，柱1的初始Cl-质量浓度由0.79g/L升高至4.50g/L（柱3），柱2的初始Cl-质量浓度由0.69g/L升高至4.10g/L（柱4）。柱1、柱2对Cl-的去除率分别为31.7％和31.5％；而经过冻融作用的柱3、柱4对Cl-的去除率则相对较低，分别为17.5％和18.9％。
图4 Cl-随时间的变化曲线
2.5 NH+4浓度变化分析
从图5可见，冻融作用使防渗层对NH+4的阻截能力有极大的影响。实验结果表明，反复冻融3次后，柱1、柱2的质量浓度分别由初始的0.11g/L和0.29g/L升高至1.45g/L（柱3）和1.16g/L（柱4）。柱1、柱2、柱3和柱4的NH+4去除率分别为71.4％、69.9％、22.5％和23％，这说明冻融作用导致防渗层的渗透系数增大，使防渗层对NH+4的阻截能力大大降低。前期柱2对NH+4的去除作用不及柱1，这是由于添加石灰使防渗层的渗透系数变大，使得NH+4与防渗层的作用时间缩短。
2.6硬度变化分析
从图6可以看出，冻融作用对硬度有积极影响。柱1、柱2的硬度分别从2.48g/L、1.60g/L急剧上升至7.92g/L和6.50g/L后，柱1逐步下降至3.20g/L，而柱2平稳约55ｄ后才开始下降至3.78g/L。这说明初期防渗层中的钙镁离子不断溶出导致渗出液的硬度呈上升趋势，而随着溶解达到平衡和防渗层中pH环境的变化，部分钙镁离子形成沉淀，使其在渗出液中的浓度降低。而柱3、柱4在反复3次冻融的过程中钙镁离子已经发生反应并沉淀，因此其在初始阶段的溶解量较少，其浓度分别从4.60g/L和3.17g/L缓慢降至2.18g/L左右。
图6硬度随时间的变化曲线
3结论
1）石灰使粘土、膨润土的结构变松散，使得加入石灰的防渗层在前期防渗性能较差。但在后期随着硬凝反应的发生，对防渗性能有一定的改善。未加石灰的粘土防渗层在经过冻融破坏后渗透系数基本稳定。
2）冻融作用对防渗层的破坏较大，尤其是对加入石灰的粘土防渗层；但对防渗层的吸附能力有所提高。
3）实验初期，防渗层对污染物的去除作用主要依靠吸附拦截作用，加石灰的防渗层性能优于同等条件下未加石灰的防渗层。实验后期防渗层吸附能力达到饱和，渗滤液中污染物的去除主要靠生化反应。
参考文献略
