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粉煤灰对垃圾填埋场黄土垫层的改性试验 ＊ 曾正中 马力鹤 南忠仁 兰州大学资源环境学院, 兰州 730000 摘要 通过击实、渗透试验得到粉煤灰改性-黄土的最佳配比为 10。 对压实黄土和压实粉煤灰改性-黄土, 分别用 清水和渗滤液进行室内渗透试验, 结果表明 渗滤液在压实粉煤灰改性黄土中的渗透系数≤1. 010- 7cm s, 在压实黄 土中的渗透系数≤1. 010- 5cm s, 前者可作为填埋场防渗垫层, 后者可作为填埋场防渗保护垫层。 对 COD、NH3-N 的 去除效果前者优于后者。 关键词 粉煤灰改性黄土; 压实黄土; 渗透系数; 渗滤液 A TEST OF FLY-ASH MODIFIED LOESS OF LANDFILL LINER MATERIAL Zeng Zhengzhong Ma Lihe NanZhongren College of Resource and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China Abstract It has been found that the better fly -ash modified loess liner could be achieved while fly-ash filling rate is 10 by the compacting and permeability tests. Two laboratory permeability tests have been done for tap water and leachate infiltration, respectively. One was for the compacted loess, and the other for the compacted fly -ash modified loess. The findings indicated that the permeability of leachate in the compacted fly -ash modified loess could be less than 1. 010- 7cm s, and also less than 1. 010 - 5 cm s when in compacted loess. The er can be used as the landfill liner, and the latter the landfill protective liner. Furthermore, the removal efficiency of COD and NH3-N of the er was better than that of the latter. Keywords fly -ash modified loess;compacted loess; permeability coefficient; leachate ＊自然科学基金 NSFC 40671167 和国家环境保护公益性项目 NEPCP 200809098 资助。 0 引言 卫生填埋是目前各国处理生活垃圾的主要方法, 卫生填埋的关键技术是对填埋场产生的渗滤液进行 污染防治 ,渗滤液是一种颜色深、 臭味重 、 有机污染物 浓度高 、 成分复杂的污水 [ 1] 。如果防护措施不当, 渗 滤液一旦泄漏, 必然会对地下水、地表水和土壤造成 污染 ,其危害往往要延续很长时间 。 因此,我国现行填埋场污染控制标准和防渗规 范 [ 2- 3] 对填埋场防渗系统均有严格的规定, 其中对人 工防渗系统高密度聚乙烯 HDPE 膜下的压实土层渗 透性能有两种要求 压实土层作为保护层时 ,渗透系 数不得 1 10 - 5 cm s; 作为防渗层时 , 渗透系数不 得 110 -7 cm s。若采用天然防渗系统, 则要求天 然基础层和天然压实黏土防渗衬层的渗透系数均 应≤ 110 -7 cm s。 我国黄土地区的填埋场天然基础层为黄土,黄土 地层从下到上可划分为午城黄土 、离石黄土 、 马兰黄 土和黄土状土, 黄河中游地区的天然黄土渗透系数为 4. 8 10 -4 ～ 5. 8 10 -5 cm s [ 4] 。午城黄土和离石黄土 形成年代较早, 埋深较大 , 渗透性较弱 ,属老黄土; 马 兰黄土和黄土状土形成于晚更新世以后, 属新黄土。 在黄土地区建设填埋场时 ,天然基础层和人工防渗膜 下压实土层多为马兰黄土 。马兰黄土因垂直节理 、 裂 隙发育且富含碳酸钙 ,使其具有良好的渗透性与可溶 蚀性, 其渗透系数远 1. 0 10 -5 cm s,不能作为人工 防渗膜下保护层使用 。 有研究表明 [ 5- 8] 天然黏土在高浓度的有机渗滤 液、 油类产品或者纯有机液体作用下, 渗透系数会提 高2～ 3个数量级, 无法达到规范要求。为此, 许多学 者对黏土进行了有机处理和改性研究 [ 9- 11] 。 为了解马兰黄土 以下称黄土 在压实、 改性后的 渗透性能, 试验选取清水和渗滤液分别在压实黄土和 105 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 压实粉煤灰改性黄土 简称复合土 中进行渗透试验, 探讨复合土的最佳配比、最优含水量、渗透系数和对 污染物的去除效果及其影响因素, 为黄土地区填埋场 防渗系统工程设计提供依据。 1 试验仪器及材料 试验仪器主要有 ST- 55 改进型渗透仪、标准轻型 击实仪、 液压脱模器 、 饱和器、真空泵、 马弗炉 、 电热鼓 风干燥箱 、 COD测定回流装置等 。 试验材料主要有马兰黄土 ,粉煤灰 ,垃圾渗滤液, 自来水。黄土取自兰州城关区阳洼沟生活垃圾填埋 场,基本性质见表 1 ～ 表 3 [ 12] 。渗透系数平均值为 5. 827 10 -4 cm s [ 13] ; 粉煤灰取自兰州第二热电厂 ,基 本性质见表4、表 5。渗滤液取自伏龙坪垃圾填埋场, 基本性质见表 6。自来水 简称清水 取自兰州市生 活用水。 表 1 马兰黄土基本性质 干密度 gcm- 3 孔隙 比 含水率 有机质 易溶盐 碳酸钙 硫酸钙 pH 1 . 31 . 077 . 380 . 1950 . 4712. 100 . 5788 . 52 表 2 马兰黄土颗粒组成 粒径 mm≥0 . 250. 25～ 0 . 0750. 075～ 0. 005≤0 . 005 质量分数 0 . 3913. 9379. 885 . 80 表 3 马兰黄土化学成分 SiO2Al2O3CaOFeOFe2O3MgONa2OK2O 63. 0311. 468 . 871 . 393. 242. 812. 652 . 25 表 4 粉煤灰颗粒组成 ≥ 0. 09 mm0. 09～ 0. 063 mm0. 063～ 0 . 043 mm≤0. 043 mm 17 . 36 . 5017. 558. 7 表 5 粉煤灰化学成分 SiO2Al2O3 CaO Fe2O3 54 . 4121. 226. 846 . 87 MgO Na2OK2O 烧失量 1. 231 . 141. 184 . 06 表 6 渗滤液性质 硬度 mgL- 1 浊度 度 ρ NH3-N mgL- 1 ρ COD mgL- 1 ρ SS mgL - 1 pH 4502273 46416 078 . 405108. 28 2 试验过程与方法 2. 1 试样配制 先将野外取来的扰动黄土样品风干碾碎, 过 2 mm筛去除杂质,将筛下土样拌匀 ,并测定其含水率 后待用。再将取自电厂的粉煤灰测定其含水率,采用 干重量比配置足够试验用的试样 6种 ,其中天然黄土 样1 种 ,复合土样 5 种, 其配比情况见表 7。 表 7 试样配比 样品号黄土粉煤灰样品号黄土粉煤灰 1100048515 295558020 3901067525 2. 2 击实试验 击实试验的目的是确定击实试样的最大干密度 和最优含水率 。根据土工实验方法标准 [ 14] , 击实试 验采用标准轻型击实仪, 锤重2. 5 kg , 落高305 mm, 击 实筒容积947. 4 cm 3 。土样分 3 层进行击实 , 每层 25 击。每种土样至少制备 5个不同含水率的一组试样, 共计 6 组30 个以上试样。 2. 3 渗透试验 渗透试验采用标准规定的变水头渗透试验方法 进行 [ 13- 14] 。按照击实试验确定的最优含水率, 分别制 备 6 种土样的渗透试样 。为满足清水与渗滤液对比 渗透试验要求, 每种土样至少制备 6 个最优含水率的 一组击实试样, 共计 6 组 36 个以上试样。击实试样 经环刀取样后进行抽气饱和试验 [ 14] , 然后进行变水 头渗透试验 ,分别测定 6组试样对清水和渗滤液的饱 和渗透系数 。 变水头管采用内径0. 9 cm ,长2 m的有机玻璃管, 渗透仪器为 ST-55 改进型渗透仪 。每种试样对清水 和渗滤液同时进行 3个平行样的变水头渗透试验 ,共 6 套装置。渗透试验稳定读数时间需要10 d左右, 每 个渗透试验持续12 d,共历时 4 个月 。 试验中 ,测定出水温度,利用式 1 计算实际温度 下的渗透系数。按标准规定的方法将实测温度的渗 透系数全部换算为20 ℃标准温度下的渗透系数 [ 14] 。 每个试样的渗透系数均为 3 个平行试样的渗透系数 平均值。 K 2. 3 αL log H1 H2 A t2-t1 1 式中 K 渗透系数 ,cm s; α 变水头管的断面积 ,cm 2 ; A 试样的断面积 ,cm 2 ; 106 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 L 渗径 试样高度 ,cm ; t1、t2 测读水头的起始和终止时间,s; H1、H2 起始和终止水头 。 3 试验结果及分析 3. 1 击实试验 击实试验得到的干密度和含水率的关系曲线见 图1。由于粉煤灰密度小于黄土, 天然黄土击实最大 干密度大于复合土的最大干密度, 随着掺和量的增 加,复合土的击实最大干密度总体呈减小趋势 ,最优 含水率呈增大趋势 , 见图 1。由于粉煤灰粒径 10 时 ,复合土样孔 隙比逐渐增大, 渗透系数也相应增大 。其中掺和量为 15时,孔隙比最大 ,渗透系数也最大。 图 3 粉煤灰掺和量与平均渗透系数的关系 粉煤灰的掺入能改变黄土的孔隙结构和密实度, 孔隙比是反映土样密实度的指标, 土样的孔隙比越 小,土样越密实 ,有效渗透断面越小 。故孔隙比与土 样渗透系数成正比 ,孔隙比越小, 土样的渗透系数越 小。孔隙比对渗透系数的影响见图 4。 图 4 孔隙比与渗透系数的关系 3. 2. 2 渗透液体对渗透系数的影响 渗透试验表明, 同一种土样在清水和渗滤液两种 渗透液体中的渗透系数始终是清水的大于渗滤液的, 见图 3。这主要是因为 1 渗滤液是一种高浓度有机废水 ,黏度较自来水 大,渗滤液的黏度值是自来水的 1. 06 倍 ,由于渗透系 数与液体黏度成反比关系 [ 15] , 所以渗滤液的渗透系 数小于自来水。 2 渗滤液中有机悬浮质 SS 高达510 mg L。试验 过程中土样对这些污染物会发生过滤截留作用,使得 部分孔隙堵塞; 同时 , 复合土中粉煤灰具有很强的吸 附作用 ,能够有效的吸附渗滤液中的重金属离子, 或 者他们附着在被截留的悬浮质表面 ,堵塞孔隙, 影响 渗透性能,使渗透系数变小。土样对污染物的过滤、 吸附作用使得其中有机质含量明显增加 ,渗透试验结 107 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 束后土样有机质质量分数为 0. 202～ 0. 418,均高 于原土样中有机质质量分数 0. 195,见图 5。且土 样中有机质含量随着粉煤灰掺和量的增大而增大 。 3 渗滤液中 ρ COD 高达16 078. 4 mg L , ρ NH3- N 为3 464 mg L。试验过程中土样与渗滤液中有机 污染物会发生微生物作用 ,形成的代谢产物有堵塞颗 粒孔隙的作用, 影响渗透系数并增加土样中有机质 含量 [ 12] 。 图 5 渗透试验结束后土样中有机质含量 3. 2. 3 粉煤灰掺量对COD、 氨氮去除率的影响 试验结束后 ,对渗滤液一组渗透试验的出液分别 进行了 COD、氨氮测定 , 根据出液测定数据计算各复 合土样对 COD、 氨氮的去除率, 结果见图 6。 图 6 粉煤灰掺量与COD、 NH3- N 去除率的关系 由图 6 可以看出,6 种土样对COD和氨氮都有不 同程度的去除效果, 对氨氮的去除效果优于COD。压 实黄土对 COD 和氨氮的去除效果明显劣于改性后的 复合土样 。 粉煤灰掺量 15的复合土样对 COD 和氨氮的去 除率最大。掺量 15时, 复合 土样对COD、 氨氮的去除率反而降低。这是因为随着 粉煤灰的掺量增大, 复合土样的孔隙结构和对污染物 的吸附机理发生改变, 使得土样渗透系数增大 ,大分 子污染物通过土样进入出水中使得去除率下降。 可见, 复合土对 COD 和氨氮去除能力最大时 ,粉 煤灰掺量为 15, 综合考虑防渗性能和去除能力的 要求 ,最佳的粉煤灰掺量应为 10。 4 结论 1 在最优含水量 16. 2下的击实马兰黄土孔隙 比由天然的 1. 07 减小为 0. 56,最大干密度由天然的 1. 30 g cm 3增大到1. 76 g cm3 , 在清水、渗滤液两种液 体中的渗透系数分别为4. 39 10 -6 cm s和 5. 21 10 -7 cm s,较天然的 5. 827 10 -4 cm s降低 2 个或 3 个数量级, 远小于我国现行填埋场污染控制标准和防 渗规范对人工防渗膜下保护垫层1. 0 10 -5 cm s的界 限值 。故压实马兰黄土可以作为人工防渗膜下保护 垫层使用。 2 添加粉煤灰改性后的压实复合土最小渗透系 数对应的最 佳粉煤灰 掺量为 10, 最优 含水率 18. 5, 孔隙比 0. 49,最大干密度1. 73 g cm 3 。压实复 合土在清水、渗滤液两种液体中的渗透系数分别为 1. 3810 - 6 cm s和 7. 06 10 -8 cm s。由于填埋场防 渗对象是渗滤液而不是清水, 故粉煤灰改性马兰黄土 经压实后可以作为人工防渗膜下防渗垫层使用。 3 改性后的复合土不但渗透系数降低 ,而且对渗 滤液中的 COD、NH3-N 的去除率分别为 38. 7和 46. 5, 防渗性能 、 去除效果明显优于压实天然黄土 。 参考文献 [ 1] 郑铁鑫, 城市垃圾处理对地下水的污染[ J] , 环境科学, 1999, 10 3 89 -92. [ 2] CJJ 113 -2007 生活垃圾 卫生填 埋场防 渗系统 工程技术 规范[ S] . [ 3] GB 16889-2008 生活垃圾填埋场污染控制标准[ S] . [ 4] 工程地质手册编委会. 工程地质手册[ M] . 四版. 北京 中国 建筑工业出版社, 2007. [ 5] 刘阳生, 白庆中. 膨润土改性天然粘土防渗材料的研究[ J] . 应 用基础与工程科学学报, 2002, 10 2 143 -149. [ 6] 何俊宝, 高亮. 垃圾卫生填埋场防渗衬层材料复合土的试验 研究[ J] . 环境卫生工程, 1998, 6 4 144 -147. [ 7] 张波, 苗群. 卫生填埋场伊-灰复合土防渗层抗渗性能现场模 拟试验研究[ J] . 环境科学,1998, 19 75 -77. [ 8] Lo I M C, Mak Raynod. Transport of phenolic compounds through compacted organoclay liner [ J] . Wat Sci Tech, 1998, 38 143 -150. [ 9] Rene M C Lo , Raymond K M Mak, Lee C H Samuel . Modified clays for wastecontainmentand pollutant attenuation [ J] . Journal of Environmental Engineering, 1997, 123 1 25 -32. [ 10] Smith A Jams, Jaffe R Peter. Benezene tranaport through landfill liners containingorganophilic bentonite [ J] .Journal of Environmental engineering , 1994, 120 6 72 -76. [ 11] 宋宝华. 城市废弃物填埋场中有机膨润土的防渗研究[ J] . 环境 工程, 2004, 22 6 65 -68. 下转第 86 页 108 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期 电力消耗节省 29. 9; 去除单位 BOD 的消耗电量为 1. 19 kW h kg, 相应微孔曝气为1. 66 kW h kg , 对比 电力消耗节省 28. 3。搅拌散气曝气设备的性能明 显高于微孔鼓风曝气设备 表 3 。 表 3 搅拌散气曝气与微孔鼓风曝气的主要曝气性能比较 曝气方式 氧转移率 mgL- 1h- 1 氧的利用率 动力效率 kgkW- 1h-1 搅拌散气曝气14. 521. 12. 4～ 5 . 9 微孔鼓风曝气46～ 606. 70. 7～ 1 . 4 3. 2. 2 搅拌能力 通过对曝气池内 DO 分布状态的测定表明 ,在曝 气池的上、中、下部 , DO 值大致相同; 对曝气池内 MLSS 的分布状态测定结果表明,MLSS 的浓度在池内 分布均匀, 说明搅拌能够有效防止污泥沉降 ,保持污 泥均匀分布。对曝气池内流速分布的测定表明,各测 定点的平均流速约为0. 15 m s, 而传统鼓风曝气平均 流速为 0. 3 m s, 本 散气式 曝气 装置流 场流 速为 0. 15 m s,即可完成搅拌操作,有效防止污泥沉降。 3. 2. 3 水处理性能 BOD容积负荷为 0. 17～ 0. 76 kg m 3d , BOD- SS 负荷为 0. 18 ～ 0. 73 kg kgd , BOD 平均去除率达 90以上 ,出水 SS 达 1～ 17 mg L , 达到处理目标, 处 理出水比较稳定 。 4 结论和展望 本文论述的新型搅拌散气曝气技术和现有的传 统微孔曝气设备相比曝气性能好和动力效率高; 具有 充氧和搅拌双重功能, 使用范围较广, 既可作为污水 处理的潜水曝气机使用, 又可单独作为潜水搅拌机 使用 。 曝气方式节能、高效 、 控制性强 。在处理纺织 、 印 染、 造纸、 食品等行业的工业废水和生活污水 ,具有技 术原理可靠 ,能量效益较高,便于自动化控制等优点。 该项技术可以满足污水的脱氮除磷高级处理工艺的 要求 ,有广阔的推广潜力 。 参考文献 [ 1] 高延耀. 水污染控制工程[ M] . 北京 高等教育出版社, 1999. [ 2] Young Kyu Kim, Deog Gwan Ra. Water surface contacting cover system the basic study for improving the oxygen transfer coefficient and the BOD removal capacity[ J] . Wat Res, 2005, 39 8 1553 -1559. [ 3] Chen Jiaming , Chou Shunren, Chou Shengshang . Effects of impurities on oxygen transfer rates in diffused aeration sysyems[ J] . Wat Res, 2001,35 13 3041-3048. [ 4] 日本建设省. 「 省エネルギ型散装置の」 . 建设省技术 评书, 建技评. 第 81102 号. 1982. [ 5] 诸暨市天立机电科技发展有限公司. 推流式潜水曝气机[ P] 中 国实用新型专利 CN200949079, 2006-08-25. [ 6] 王 利品. 环流 式 潜水 曝 气机 [ P] 中 国 实用 新 型 专利 CN2828029, 2006-10-18. [ 7] 南京贝特环保通用设备制造有限公司. 潜水浮动式曝气机[ P] 中国实用新型专利 CN2823252, 2006-10- 04. [ 8] 江建 兴. 复 叶推流 潜水曝 气机[ P] 中国实 用新 型专利 CN2778805Y, 2006-05-10. [ 9] 好雄, 川内正六. 嫌好用水中搅拌机 の周波数机 を用いた回数制御[ J] . 月刊下水道, 1988, 13 6 88 -92. 作者通信处 张兴文 116023 辽宁省大连市 大连理工大学环境 科学与生命学院 402 电话 0411 88857252 E -mail zxw-dI163. com 2008- 09-08 收稿 上接第 108 页 [ 12] 曾正中, 孙志忠. 垃圾渗滤液在黄土层中的渗透模拟试验[ J] . 环境工程学报, 2008, 2 7 906 -910. [ 13 ] 李保雄. 兰州马兰黄土的水敏感性特征[ J] . 岩土工程学报, 2007, 29 2 294-298. [ 14] GB T 50123-1999 土工试验方法标准[ S] . [ 15] 瞿贤, 何品晶. 城市生活垃圾填埋场渗滤液粘度的研究[ J] . 环 境工程, 2005,2 23 82 -84. 作者通信处 朱彦博 730050 甘肃省兰州市西津西路 1088 号 工 勘院设计室 E -mail malh06lzu. cn 2008- 10-24 收稿 86 环 境 工 程 2009年 8 月第27 卷第4 期