靖向党，彭 第，谢俊革，于 波

（长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021）

0 引言

垃圾填埋处理作为最终处置手段一直占有重要地位，目前仍然是大多数国家主要的处理方式，也是相对最经济、最简单、适应性和灵活性强的一种方法，如美国用这种方法处理垃圾占总量的68%，欧洲一般占50%～85%，我国占集中处理量的90%左右[1]。因此，2009年2月《中国环境服务业发展报告》明确指出：在相当长的一段时间内，垃圾卫生填埋处理仍然是我国大多数城市解决垃圾出路的最主要方法。

垃圾卫生填埋最重要的指标之一是防渗系统安全，确保地下水、地表水和土壤不受垃圾渗沥液的污染。在一些发达国家，几乎所有的垃圾填埋场工程中都要建造垂直隔离墙[2]。目前主要采用灌浆帷幕、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在新建或既有垃圾场建造垂直隔离体系，但这些用于垃圾填埋场垂直防渗墙的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，尤其是防渗墙浆材，尚未形成针对垃圾填埋场渗沥液污染物渗漏防治的理论与技术[1]，所以本文在研究防渗浆材对垃圾渗沥液污染物阻滞作用机理的基础上，开展了垃圾填埋场防渗浆材及其对垃圾渗沥液污染物阻滞规律的实验研究。

1 垃圾填埋场防渗浆材的阻滞机理与浆材组成

1.1 防渗浆材对垃圾渗沥液中污染物的阻滞机理

垃圾填埋场防渗墙的作用是防止渗沥液中有毒有害污染物渗漏造成地下水和土壤污染，因此防渗浆材结石体对污染物应有良好的阻滞作用，其阻滞作用机理是通过渗滤阻滞作用和吸附阻滞作用实现的。

（1）渗滤阻滞作用，是指垃圾渗沥液在防渗墙内渗流过程中其所含污染物被低渗透系数的墙体过滤阻滞的作用，属于一种物理作用。其阻滞机理是：由于防渗墙体的渗透系数低，其内部的孔隙很小且连通性差，所以垃圾渗沥液通过墙体渗流时，一方面渗沥液中的悬浮物、固相颗粒和较大尺寸的分子及胶团等被阻止在墙体的孔隙中，而且随着渗透的进行被阻止的颗粒聚集，堵塞墙体孔隙使其变得更小，随之渗透系数进一步减小，从而能阻止更小的污染物颗粒通过，起到阻滞污染物径流扩散和过滤净化作用，如图1所示；另一方面因防渗墙体渗透系数小且随着渗滤进行而进一步变小，使得渗出的液量减少，渗出液带出的污染物也相应减少。所以规范要求防渗墙渗透系数不大于1×10－7cm／s。

（2）吸附阻滞作用，是指垃圾渗沥液中污染物被构成墙体的浆材物质成分吸附滞留在墙体内的作用，主要是化学吸附作用。当垃圾渗沥液在防渗墙体中渗流时，其所含的 Cr6＋、Cd2＋、Pb2＋、Hg2＋、As3＋等重金属离子和苯酚、硝基苯、苯胺、CODcr、BOD5和三氮等有机污染物与建造防渗墙浆材中的膨润土和粉煤灰等会产生物理化学吸附[3－7]，阻止污染物的进一步迁移扩散，被滞留在墙体中，起到了净化作用。另一方面，由于吸附阻滞作用也会不同程度使防渗墙体孔隙减小，渗透系数降低，从而促进渗滤阻滞作用的发挥。

图1 垃圾渗沥液渗滤时间与渗透系数的关系

当然，在渗滤阻滞作用和吸附阻滞作用机理中，渗滤阻滞作用是主要的，是伴随垃圾填埋场运行永恒起作用的。而吸附阻滞作用只在垃圾填埋场开始运行前期发挥作用，当构成防渗墙的浆材成分对渗沥液中污染物吸附饱和后将不再起作用。

所以，垃圾填埋场防渗墙不但应具有低的渗透系数，而且构成墙体的材料应具有对渗沥液污染物强的吸附作用。

1.2 浆材组成的选择

根据垃圾填埋场防渗墙对垃圾渗沥液污染物阻滞作用机理及作者已有研究成果[8－13]，为了进一步提高墙体防止污染物渗漏的性能，降低成本，选用粉质黏土、钠基膨润土、水泥和粉煤灰作为浆材组成材料，开展了SBCF防渗浆材配方优化的实验研究。

粉质黏土是一种黏粒含量较高的土，广泛存在于第四季地层中，具有颗粒小、密度大、渗透系数低等特点。所以为了降低浆材成本，选用粉质黏土作为浆材的主要组成。

钠基膨润土具有较大的吸水膨胀性、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。

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，其比表面积大，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和三氮的质量浓度[3－4]。

水泥是一种应用比较广泛的胶凝材料，作为浆材结石体的骨架材料，用于提高浆材结石体的强度，降低其渗透系数。

2 SBCF防渗浆材配方的优化实验研究

2.1 实验条件

实验研究选用吉林省某黏土矿生产的200目钠基膨润土，长春某电厂产的Ⅲ级粉煤灰，长春某企业产的32.5普通硅酸盐水泥，粉质黏土从校园内挖掘。

浆材结石体渗透系数测试主要采用变水头渗透仪和自有专利技术开发的柔壁渗透仪测试[14－19]，并采用柔壁渗透仪进行结石体对垃圾渗沥液中污染物阻滞性能的测试；结石体抗压强度采用CBR－1型承载比试验仪测试；结石体弹性模量采用ST型杠杆式高压固结仪测试；浆液可泵期采用流动度盘测试。

2.2 防渗浆材优化实验研究

在基本实验的基础上，采用三水平四因素正交试验法L9（34）优选浆材配方。各因素的水平范围为：粉质黏土30%～35%，钠基膨润土3%～5%，水泥18%～22%，粉煤灰18%～22%，L9（34）正交试验安排及其实验结果见表1。

表1 SBCF防渗浆材L9（34）正交安排与实验结果

对表1中数据进行处理后，可得L9（34）正交试验各因素水平条件下的性能指标与极差值R，见表2。由表2可得各因素水平对浆材结石体28d／56d渗透系数、抗压强度和弹性模量的影响趋势曲线，如图2～4所示，以及各因素水平对浆材可泵期的影响趋势曲线，如图5所示。

表2 L9（34）正交试验各因素水平的性能指标与极差值R

图2 各因素对渗透系数的影响

图3 各因素对抗压强度的影响

图4 各因素对弹性模量的影响

图5 各因素对可泵期的影响

极差值R反映了正交试验中各因素对性能指标的影响程度，极差值最大的因素为影响对应性能指标的主要因素。由表2和图2～5中极差分析可知：结石体渗透系数随钠基膨润土、粉质黏土、粉煤灰、水泥的增加而减小，其中对结石体渗透系数影响最大的是水泥，最小的是粉质黏土，当粉质黏土在Ⅱ水平（33%）时达到最低，粉煤灰在Ⅱ水平（20%）后渗透系数下降甚微。结石体抗压强度随钠基膨润土、粉质黏土、粉煤灰和水泥的增加而增大，其中对抗压强度影响程度最大的是水泥，最小的是钠基膨润土，当粉质黏土在Ⅱ水平（33%）之后随加量增加抗压强度略有下降。结石体弹性模量随钠基膨润土、粉质黏土、粉煤灰和水泥的增加而增大，其中对弹性模量影响程度最大的也是水泥，最小的是钠基膨润土，当粉质黏土在Ⅱ水平（33%）之后随加量增加弹性模量有所下降。

浆液可泵期随各成分增加而减小，影响可泵期的顺序是：钠基膨润土、水泥、粉质黏土、粉煤灰，可见钠基膨润土对可泵期的影响最大，粉煤灰最小，其中当粉煤灰达到Ⅱ水平（20%）之后可泵期基本不随加量增加而变化。在试验中还发现，当钠基膨润土达到5%时，水泥的含量很难加到22%以上。

根据表2中28d／56d极差R值以及各因素对性能的影响趋势曲线图2～5，通过综合分析研究，确定最优配方为A2B3C2D3，即：钠基膨润土4%，粉质黏土35%，粉煤灰20%，水泥22%。

对正交试验得到的最优配方进行重复验证试验，试验结果见表3。

表3 优化配方重复试验成果表

可见，该优化配方重复性好，结石体56d的渗透系数为（1.9～2.1）×10－8cm／s，符合渗透系数K＜1×10－7cm／s的规范要求；且56d的抗压强度为1.14～1.22MPa，弹性模量为99.67～99.85MPa，具有很好的塑性，成墙后能较好地适应地基变形。所以该配方可作为SBCF浆材的优化配方采用。

3 SBCF浆材结石体对垃圾渗沥液污染物阻滞规律的实验研究

3.1 实验目的与基本原理

实验目的旨在获得防渗浆材结石体对垃圾渗沥液中污染物阻滞效果和污染物在浆材结石体中的迁移衰减规律，建立污染物在浆材结石体中迁移衰减模型，并根据GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染物控制标准》中水污染物排放质量浓度限制要求，为垃圾填埋场防渗墙厚度设计提供依据。

为此，采用SBCF浆材的优化配方配制浆液并浇注直径63.5mm，高度分别为30、60、100、140、175mm等5种不同高度的试样，如图6所示。利用自有专利开发的柔壁渗透仪（如图7所示），对垃圾渗沥液进行了浆材结石体的渗滤试验。不同高度浆材结石体试样的渗滤试验方案如图8所示。

图6 浆材结石体试样

图7 柔壁渗透仪

渗滤试验时，垃圾渗沥液在气压推动下由气水隔离供液装置流至渗透装置内浆材结石体试样底部，经过试样渗滤后由其顶部渗出，并被收集在容器中。渗滤试验中柔壁渗透仪数据采集处理系统可实时采集渗透压力、渗出液量、温度等参数，并实时处理和显示渗透系数等参数。通过对进入试样前的渗透液（原液）和经过试样渗滤后的渗出液中污染物成分的测试分析，便可得到表示阻滞效果的阻滞率，通过不同高度试样的渗滤试验便可分析污染物在浆材结石体中的迁移衰减规律。阻滞率计算如下：

图8 渗滤试验方案

式中：R为阻滞率，%；Qi为进入试样前的渗透液（即原液）中污染物的含量，mg／L；Qo为经过试样渗滤后的渗出液中污染物的含量，mg／L。

3.2 垃圾渗沥液的渗滤试验

垃圾渗沥液取自长春三道镇垃圾卫生填埋场。SBCF浆材试样浇注后经过56d的养护，在渗透压50kPa，围压100kPa条件下进行渗滤试验，实验环境温度18～20℃。通过对渗滤前后的垃圾渗滤液进行分析测定，并得出不同高度的浆材结石体试样对垃圾渗沥液中各成分的阻滞效果和阻滞率，见表4。

表4 垃圾渗沥液渗滤试验成果表

由表4可得出渗出液中各成分与试样高度的关系，如图9～11所示，其阻滞率与试样高度的变化关系，如图12所示。

图9 渗出液中NH4—N、TN含量随试样高度变化曲线

图10 渗出液中BOD5、TP含量随试样高度变化曲线

由表4及图9～11可知，渗出液中污染物含量随试样高度的增加而下降，当试样高度由30mm增至100mm时，渗出液中污染物含量基本呈线性下降，且下降均比较快；当试样高度大于100mm时，渗出液中污染物含量仍有不同程度下降，但下降速率有所减缓；当试样高度为175mm时，渗出液中的NH4—N、TN、TP、BOD5污染物的含量符合生活垃圾填埋场水污染物排放质量浓度限值（GB 16889—2008）要求，只CODCr超标17.6mg／L，但根据渗出液中污染物含量随试样高度变化的函数关系，适当增加墙体厚度（即试样高度）即可符合污染物排放质量浓度限值要求。

图11 渗出液中CODCr含量随试样高度变化曲线

图12 阻滞率与试样高度的关系曲线

同样，根据图12可见，浆材结石体对垃圾渗沥液污染物的阻滞率随试样高度的增加而增大，当试样高度由30mm增至100mm时，对污染物的阻滞率基本呈线性增加，且NH4—N、TN和CODCr增加比较快；当试样高度大于100mm时，对污染物的阻滞率仍有不同程度增加，但增加速率有所减缓；当试样高度为175mm时，除对CODCr外其他均能达到95%以上。

4 结论

（1）针对新建和既有垃圾填埋场或堆场防渗漏的要求，选用比较经济的粉质黏土、钠基膨润土、粉煤灰和水泥等常用材料，经过大量正交优化试验和重复试验，开发的SBFC防渗浆材其结石体渗透系数为（1.48～1.71）×10－8cm／s，抗压强度为1.10～1.12MPa，弹性模量为97.7～99.7MPa，对垃圾渗沥液中主要污染物的阻滞率均能达到95%以上，具有渗透系数低、对污染物阻滞率高、塑性与耐久性好、无化学添加剂、无污染、原材料来源广和经济性好等特点，可用于新建或既有垃圾填埋场、建筑基坑工程和水利工程防渗处理。

（2）开展了浆材结石体对垃圾渗沥液中污染物阻滞规律的实验研究，实验表明阻滞率均随墙体厚度增加而增大，且在开始渗滤的100mm内阻滞率增加较快，大于100mm后阻滞率增加减缓，有一定的规律可循，并可将此实验规律与国家生活垃圾填埋场污染控制标准结合作为设计防渗墙墙体厚度的依据。

（3）通过研究提出防渗墙对垃圾渗沥液污染物阻滞作用机理为渗滤阻滞作用和吸附阻滞作用，即垃圾填埋场防渗墙不但应具有低的渗透系数，而且构成墙体的材料应具有对渗沥液污染物强的吸附作用，并可将此作用机理作为开发垃圾填埋场防渗浆材的理论基础。

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