工業廢棄物改良土污染特性試驗方法研究

盤 霞，黃 強

（1.廣西交通職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.廣西珠委南寧勘測設計院，廣西 南寧 530007）

0 引言

目前，人們把粉煤灰、礦渣、鑄造廢砂等工業廢棄物廣泛應用于土木工程領域，以解決工業廢棄物排放引起的環境問題。人們主要把這些工業廢棄物和土混合在一起作為鐵路、公路路基的填料來使用，這樣不僅能很好地解決如何處理工業廢料的難題，還能提高路基填料的強度、透水性，從而達到改良土的填筑性能的目的。然而，隨著工業廢棄物在土木工程中的應用日益頻繁，人們開始擔心其帶來的負面問題，有些組織機構已經開始研究這種工業廢棄物改良土帶來的環境問題。但是由于這是一個土木工程和環境工程交叉學科的問題，目前還沒有一個權威的試驗方法來測定工業廢棄物改良土的污染特性。本文提出一種新型試驗方法，來研究工業廢棄物改良土污染特性。

1 研究基礎

為了更好地模擬工業廢棄物改良土有毒成分的浸出規律，國內外的學者們研究了各種試驗方法模擬真實情況。

目前，國外研究工業廢棄物改良土通用的浸出試驗方法主要是土柱滲透試驗方法。這種試驗方法是美國材料試驗協會（簡稱ASTM）在2004出臺的試驗方法標準，該試驗能比較真實地模擬地下水在土壤的運移規律。試驗裝置四周用軟橡皮膜制成（模擬三維），見圖1。試驗時，把水力梯度調到7～10（加快水流在試樣中的浸出時間），入滲流從裝置底部流進裝置，從頂部流出，定期收集浸出液，測定浸出液離子濃度。目前以美國威斯康星州的Benson教授等人用此試驗方法研究工業廢棄物在土木工程中的應用最為出名。Benson［1］采用此試驗方法對摻粉煤灰公路路基重金屬離子在不同滲濾劑作用下的浸出能力進行研究。Taeyoon Lee（2005年）［2］用此試驗方法對鑄造廢砂作為垃圾填埋場的活性的隔離介質時污染物的滲濾特征進行研究。

圖1 土柱滲透試驗裝置示意圖

國內的學者研究工業廢棄物改良土主要采用的是淋溶柱試驗，裝置見圖2。此裝置設定一個高水位槽，讓水槽中的浸取液流經試樣，然后定時收集浸出液并及時測出浸出液的濃度。此方法是簡單模擬雨水在土壤中的運移規律，可以模擬飽和和非飽和兩種狀態。目前國內的淋容實驗沒有統一的試驗標準，學者們研究不同固體廢棄物時，裝置會根據實際情況而有所改進。

綜上所述，國內學者在研究固體廢棄物的污染特性時大都采用淋溶試驗方法，這種試驗方法主要用來模擬地表水在土壤里入滲時污染物的浸出規律。而國外的學者采用土柱滲透試驗方法，采用這種試驗方法進行試驗時，溶液從土柱下部入滲，上部流出，主要模擬地下水在土壤中運移的規律。本文在結合前人研究的基礎上，設計一種新型試驗方法，命名為注滲試驗方法來研究工業廢棄物改良土污染物在地下水中的運移規律。

圖2 淋溶裝置示意圖［3］

2 注滲試驗

2.1 試驗設計思路及特點

本試驗設計宗旨是“化學與土工試驗結合，最大程度模擬實際”。本試驗在綜合國內外試驗裝置優點的前提下，采用注滲試驗裝置（詳見下頁圖3）。試驗時，把擊實好的試樣放入試驗裝置中，往試驗裝置里注滲濾液，讓滲濾液從混合料試樣的底部流入，頂部滲出，模擬地下水在土壤中的運移規律。在溶液滲出管下方放置容器，收集滲出液。待滲出液收集滿100ml時，測試滲出液的各項污染物指標。目前國內常用的淋溶柱試驗模擬的情形接近于自然降雨過程，本文進行的注滲實驗模擬更接近于地下水的運移，與實際情況較為接近。

該試驗方法具備四個特點：

（1）本研究采取化學試驗和土工試驗相結合的方式。樣品制備前，先測定工業廢棄物化學成分，確定超標的化學物質。同時，依據《公路土工試驗規程》（JTG.E40－2007）［4］測定各種配合比工業廢棄物改良土的物理指標，確定各種配合比改良土的最優含水率。

（2）土樣制備考慮土木工程各行業中土工試驗土樣制備特點。本試驗土樣制備按《公路土工試驗規程》（JTG.E40－2007）中擊實試驗標準制備各種摻量的改良土試樣，與路基填筑采用的試驗方法一致，接近實際。若研究的改良土為土木工程別的領域，可結合各自行業土工試驗標準來進行土樣制備。

（3）試驗裝置與土工試驗裝置相匹配。裝置的尺寸根據《公路土工試驗規程》（JTG.E40－2007）中輕型擊實筒的尺寸來定制，這樣擊實的土樣才能放置到裝置中。裝置中間筒部分使用半剛性的PVC材料制作，未像美國土柱滲透試驗方法那樣采用軟橡皮膜。主要考慮到使用橡膠模，裝置制作相對繁瑣，而且土樣容易發生側向變形，在大規模改良土填筑中，改良土可認為放置于半無限大的空間，側向變形細微，不容易發生側向大變形。

（4）試驗所用滲濾液特點。為了研究在不同條件下污染物的滲出規律，試驗準備三種滲濾液：去離子水、自來水和PH值與試驗地區酸雨相近的酸性溶液。分別模擬不同情況下污染物的浸出特點。滲濾液采取從試驗底部流進試驗試樣、從頂部流出的方式，與地下水運移情形一致，而不是采取自上而下淋溶的方式。

2.2 試驗裝置

本文設計的試驗裝置稱為注滲試驗裝置，構造圖詳見圖3。本試驗裝置由上下底板、中間筒、軟管和固定螺絲組成。試驗裝置中間筒的尺寸是根據《公路土工試驗規程》（JTG.E40－2007）輕型擊實筒的尺寸來定制，采用半剛性的PVC板制作，管壁厚2mm，內徑102mm，內部體積997cm3。裝置的上下底板，厚12mm，板中間留有10mm的進出水孔，進出水孔與軟管連接。為了增加裝置的密封性，上下底板上留有與中間筒內徑一樣大小的刻槽，刻槽內放置O型環。裝置四周用長螺絲固定，試驗中，裝置可以承受3 MPa的水壓。

圖3 注滲試驗裝置示意圖

2.3 試樣準備和制備

工業廢棄物摻入土中改良土的填筑性能，一般摻入廢棄物的百分比為10%、20%、30%和50%，試驗時也可以根據具體情況摻入不同量的廢棄物，制備不同摻量的改良土樣。

2.3.1 試樣的準備

（1）取要改良的代表土樣100kg，風干，碾碎，過0.1mm標準篩。根據《公路土工試驗規程》（JTG.E40－2007）測定土樣的含水率、比重、級配、液塑限、最大干密度和最優含水率等物理性質指標。

（2）取工業廢棄物30kg。制備土樣前，測定工業廢棄物化學成分，分別確定超過《污水綜合排放標準》（GB 8978－1996）［5］和 《生 活 飲 用 水 衛 生 標 準》（GB5749－2006）［6］的化學指標。注滲試驗浸出液污染物測試的項目指標，由上述試驗確定。測試的指標包含超出《污水綜合排放標準》（GB 8978－1996）的指標。

（3）本試驗準備三種滲濾液：①用蒸餾水模擬無雜質干擾情況下，改良土污染物的浸出特征；②用自來水模擬一般情況地下水運移時改良土污染物的浸出特征；③用pH值為4.5的醋酸溶液或與取樣地區酸雨相符的酸溶液來模擬酸雨影響的情況下改良土污染物的浸出特征。

2.3.2 試樣的制備

分別在土中摻入10%、20%、30%、50%的廢棄物（土與廢棄物總重約3kg），根據《公路土工試驗規程》（JTG.E40－2007）土工試驗所測得的最優含水率，加水，充分攪拌均勻。依據《公路土工試驗規程》（JTG.E40－2007），進行輕型擊實試驗。將輕型擊實儀放置堅硬地面上，在筒壁上涂抹凡士林，將3kg混合土樣大致平分為3份，分3層擊實，每層錘擊27次。錘擊時，應讓擊實錘自由落體垂直落下，錘印遍布土樣。每層錘擊完畢后，用刀片對擊實層面進行拉毛處理，保證兩層土的良好接觸。擊實結束后，用刮土刀削刮套筒內壁，取下套筒，修平頂部多余的土樣，用推土器推出筒內試樣。試樣制備好之后，密閉放置7d備用。

廢棄物摻量分別為10%、20%、30%、50%的試樣要用3種滲濾液進行2次實驗，因此，整個實驗共計要制備≥24個土樣。

2.4 試驗步驟

（1）將制備好的土樣放入注滲試驗裝置中，在土樣兩端各放置一塊濾紙，蓋上頂板和底板，擰緊頂底板四周的固定螺絲。

（2）在裝置上方放置水槽，用軟管連接水槽與裝置底部，使滲濾液從裝置底部流進，頂部流出（模擬地下水的流動，每個試樣只用一種滲濾液進行試驗），見圖4。排出裝置軟管中的氣泡，把水力梯度I調到I＝5（地下水在土壤中流動的水力梯度約為1，大量的實驗證明，即使把水力梯度調節到10，也不會對土壤中重金屬浸出規律造成影響，為了加快試驗的進程和符合實際試驗條件，本試驗把1調到5）。

圖4 柱滲試驗工作示意圖

（3）在軟管出水口處放置容器收集浸出液。每當浸出液體積達約100ml時，記錄浸出液的體積、收集時間、測定浸出液的pH值，并即刻測定浸出液污染物濃度，測定的指標包含工業廢棄物中超出《污水綜合排放標準》（GB 8978－1996）的化學指標。直到浸出液收集達7d時終止實驗（實驗證明，當試驗時間達到7d以上，樣品中污染物的濃度變化很小，基本趨于穩定，為了節省時間，降低成本，故只進行7d實驗）。

（4）以上步驟結束后，換試樣進行試驗。

（5）數據處理。

3 試驗方法的應用

目前注滲試驗已在國內得到初步應用，并取得一定的成果。孫樹林等在鑄造廢砂改良土重金屬浸出試驗研究中，采用該注滲試驗方法，得出鑄造廢砂改良土浸出物中，只有Fe、Mn、Pb沒有滿足《生活飲用水衛生標準》、PH值對重金屬的浸出影響較大的結論，結論與實際檢測結果較為相符。［7］李玲等在摻膨脹土粉煤灰的重金屬浸出試驗研究中，也采用該注滲試驗方法，得出粉煤灰改良土中Fe、Mn離子浸出濃度較大，超過《生活飲用水衛生標準》的結論，結果與實際檢測結果也相近。［8］

4 結語

（1）注滲試驗是以美國的土柱滲透試驗方法（ASTM D 3987）為基礎，結合我國的《土工試驗規程》而設計，有一定的理論依據。

（2）注滲試驗方法在國內得到初步的應用，在研究鑄造廢砂改良土和粉煤灰改良膨脹土重金屬浸出特性方面，取得一定的成果，有實踐應用意義。

（3）其他的工業廢棄物，例如礦渣、鋼渣在土木工程的應用與鑄造廢砂和粉煤灰頗為相似，因此，注滲試驗是可以在工業廢棄物改良土污染物特性研究中廣泛應用的。

綜上所述，注滲試驗是一種值得在環境工程和巖土工程交叉學科研究中推廣的試驗方法。