垃圾填埋場(chǎng)中水泥土屏障對(duì)Cu2+的阻滯性能

席永慧， 楊 帆， 蔡策毅

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

填埋是生活垃圾處理的主要方式之一，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新數(shù)據(jù)顯示，2015年全國(guó)生活垃圾產(chǎn)生量達(dá)到19 141.9萬(wàn)t，其中垃圾填埋量達(dá)11 483.1萬(wàn)t，占比達(dá)60%[1].為了避免填埋場(chǎng)中的滲濾液滲出污染周邊環(huán)境，在填埋場(chǎng)地應(yīng)用污染物防滲屏障技術(shù)，減少因滲濾液遷移造成的危害.滲濾液中含有多種無(wú)機(jī)物離子和有機(jī)物質(zhì)還可能通過(guò)擴(kuò)散的形式遷移，擊穿防滲屏障后污染周邊環(huán)境[2].

土-膨潤(rùn)土屏障在國(guó)外用得較為普遍，目前國(guó)內(nèi)大多采用塑性混凝土作為防滲屏障材料[3]，也有采用水泥攪拌樁墻、注漿帷幕作為豎向屏障.眾多學(xué)者研究了Cl-、Zn2+、Ca2+、Cr3+等離子在膨潤(rùn)土、黏土-膨潤(rùn)土的擴(kuò)散性能[4-7],表明了膨潤(rùn)土類屏障對(duì)無(wú)機(jī)離子有較好的阻滯效果.朱偉等[8]對(duì)上海等6個(gè)城市的垃圾填埋場(chǎng)滲濾液進(jìn)行了采樣分析，結(jié)果顯示上海、杭州、深圳等地的滲濾液中重金屬含量從高到低依次為鋅、銅、鉻、砷.這些重金屬離子可通過(guò)擴(kuò)散的形式污染周圍環(huán)境，危害人體健康.席永慧等[9]研究了Zn2+在水泥土防滲屏障中的擴(kuò)散性能，針對(duì)Cu2+的研究目前還只集中在Cu2+在砂土中的擴(kuò)散性能和防滲屏障對(duì)Cu2+阻滯效果的數(shù)值模擬[10-13].但水泥土和塑性混凝土屏障的阻滯性能和對(duì)Cu2+阻滯性能的試驗(yàn)研究仍鮮有報(bào)道.

為了更好地了解水泥土屏障對(duì)重金屬離子阻滯性能，本文通過(guò)大型模型試驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際填埋場(chǎng)中滲濾液的擴(kuò)散，研究了水泥土屏障和上海老港填埋場(chǎng)中實(shí)際應(yīng)用的塑性混凝土防滲屏障對(duì)Cu2+的阻滯性能，并通過(guò)數(shù)值模擬分析求得Cu2+在水泥土和膨潤(rùn)土-砂-水泥(塑性混凝土)介質(zhì)中的有效擴(kuò)散系數(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外對(duì)Cu2+在水泥土和塑性混凝土屏障中擴(kuò)散性能研究的空白.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1土樣

土樣取自上海市某工地(第③層土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土)，風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)2.5 mm篩后儲(chǔ)存待用.具體顆粒組成見(jiàn)表1.

表1 土樣顆粒級(jí)配(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Soil particle size distribution (mass fraction)

1.1.2水泥和膨潤(rùn)土

水泥采用海螺牌水泥，標(biāo)號(hào)425；

膨潤(rùn)土采用高廟子膨潤(rùn)土GMZ001.高廟子膨潤(rùn)土，產(chǎn)自中國(guó)內(nèi)蒙古境內(nèi).礦物成分：蒙脫石，75.4%；石英，11.7%；方石英，7.3%；長(zhǎng)石，4.3%；高嶺石，0.8%；方解石，0.5%.

1.1.3儀器設(shè)備

試驗(yàn)中主要用到的儀器及具體型號(hào)見(jiàn)表2.

表2 試驗(yàn)主要儀器設(shè)備Tab.2 Main instruments of the experiment

1.1.4污染物質(zhì)

本試驗(yàn)選擇Cu2+作為污染離子，使用氯化銅(分析純，含量大于98.0%)作為污染物進(jìn)行試驗(yàn).

1.2 屏障模型的試驗(yàn)裝置

根據(jù)一維擴(kuò)散理論，設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示.此模型由聚氯乙烯(PVC)板加工而成，板厚10 mm.模型的內(nèi)部尺寸如圖所示，長(zhǎng)、寬、高分別為600、200、300 mm.模型內(nèi)腔分為三部分，由左右各三分之一處設(shè)置水泥土屏障分隔開(kāi)來(lái)，中間倉(cāng)放置污染液體，其長(zhǎng)度為200 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于屏障厚度；兩邊倉(cāng)長(zhǎng)度為200 mm，在其中填裝未受污染的凈土.在距離箱體兩端200 mm處，各設(shè)置了孔隙率達(dá)到50%以上的由PVC板加工而成的擋板，此擋板目的在于加強(qiáng)箱體的側(cè)向穩(wěn)定性.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位:mm)Fig.1 Device of test (unit: mm)

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選取屏障材料中水泥摻量和屏障厚度作為兩個(gè)影響因素，并考慮到試驗(yàn)過(guò)程中屏障過(guò)薄可能會(huì)提前破壞和屏障過(guò)厚可能導(dǎo)致金屬離子無(wú)法在試驗(yàn)期間擊穿防滲屏障，設(shè)計(jì)了水泥摻量5%～15%、厚度為10和15 mm的5組屏障試驗(yàn)，另外依據(jù)上海老港填埋場(chǎng)實(shí)際防滲屏障配方設(shè)計(jì)了3組屏障試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3.表中，H代表厚度；C代表水泥摻量；L為老港配方,膨潤(rùn)土∶水泥∶砂(質(zhì)量比)為2.57∶1∶1.2.

表3 試驗(yàn)方案Tab.3 Experimental scheme

1.4 試驗(yàn)步驟

①模型的制作.按圖1加工PVC模型；②材料的準(zhǔn)備.膠水、自然風(fēng)干的土樣、水泥；③屏障的預(yù)制.按照表3將土和水泥混合均勻，在模板中養(yǎng)護(hù)成型；④屏障的放置.將制作好的屏障放置在凈土側(cè)，并用膠水固定在PVC板上；⑤土樣的夯實(shí).將土樣倒入模型兩端空倉(cāng)中，分層夯實(shí)；⑥土樣的飽和.土樣夯實(shí)后，為模擬自然固結(jié)過(guò)程，每天向土樣中加入適量水，直至土樣飽和；⑦鉆孔.待兩邊倉(cāng)土樣飽和后，按圖2所示位置鉆孔，以便以后取樣；⑧污染源溶液的加入.待兩側(cè)凈土固結(jié)完成后，配置濃度為0.3 mol·L-1的CuCl2溶液，將其加入中間倉(cāng).⑨取樣.每隔三個(gè)月從預(yù)先鉆好的孔中(圖2)取得水樣；⑩濃度的測(cè)定.將取得的水樣(或泥漿樣)在離心機(jī)上進(jìn)行離心，取其清液進(jìn)行稀釋，然后利用原子發(fā)射光譜儀測(cè)(ICP)清樣中的Cu2+濃度.每個(gè)樣品平行測(cè)定三次然后取其平均值.

圖2 取樣孔位置Fig.2 Location of sampling apertures

2 結(jié)果與分析

Cu2+在防滲屏障中的擴(kuò)散模型試驗(yàn)過(guò)程，共進(jìn)行了3次取樣，3次取樣的Cu2+質(zhì)量濃度結(jié)果見(jiàn)表4.表中,污染源濃度為0.3 mol·L-1.

表4 Cu2+的質(zhì)量濃度Tab.4 Concentration of Cu2+

2.1 水泥摻量、屏障厚度對(duì)阻滯效果的影響

圖3是厚度為10 mm，水泥摻量分別為5%、9%、12%的屏障三次取樣濃度比較結(jié)果.三次取樣的濃度曲線表明，隨著水泥摻量的增大，取樣孔中Cu2+質(zhì)量濃度大幅減少，說(shuō)明屏障的阻滯效果大幅提升，凈土中受污染程度大幅降低.以第一次取樣為例，當(dāng)水泥摻量為5%，取樣孔中Cu2+質(zhì)量濃度為98.34 mg·L-1；當(dāng)水泥摻量增加至12%時(shí)，取樣孔中Cu2+質(zhì)量濃度為29.5 mg·L-1.由此可見(jiàn)水泥摻量增加2.4倍，取樣孔中Cu2+質(zhì)量濃度降低了約3.3倍.

圖3孔中Cu2+質(zhì)量濃度與水泥摻量的關(guān)系(屏障厚度為10mm)

Fig.3RelationshipbetweenconcentrationofCu2+andcementcontent(thicknessis10mm)

圖4是水泥摻量同為5%，厚度不同的屏障的兩次取樣質(zhì)量濃度的比較結(jié)果.可以看出，隨著厚度增加，取樣孔中Cu2+質(zhì)量濃度降低，說(shuō)明阻滯效果隨之提高.以第三次取樣結(jié)果為例，當(dāng)厚度為10 mm時(shí)，取樣孔中質(zhì)量濃度高達(dá)693.00 mg·L-1；當(dāng)厚度增至15 mm時(shí)取樣孔中質(zhì)量濃度降為158.90 mg·L-1.由此可見(jiàn)厚度增加1.5倍，取樣孔中Cu2+質(zhì)量濃度降低了約4.4倍.對(duì)比增加水泥摻量和屏障厚度對(duì)屏障阻滯效果的影響，可以看出此結(jié)果與喬兵等[7]所得試驗(yàn)結(jié)果較為相符，銅固化淤泥孔隙直徑以0.1～1 μm為主，增加水泥摻量不能有效降低其孔徑大小，所以水泥土中盲目增加水泥摻量并不能夠使水泥土屏障的阻滯效果達(dá)到質(zhì)的提升，反而會(huì)降低其經(jīng)濟(jì)性.

圖4孔中Cu2+質(zhì)量濃度與屏障厚度關(guān)系(水泥摻量為5%)

Fig.4RelationshipbetweenconcentrationofCu2+andcementthicknessofbarrier(cementcontentis5%)

2.2 Cu2+在水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)求解及分析

2.2.1一維對(duì)流-彌散遷移方程及邊界條件

土中的遷移受各種物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的作用，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括對(duì)流、彌散、擴(kuò)散、吸附、溶解、沉淀、水化等.通常污染物在土中的遷移機(jī)理主要包括對(duì)流運(yùn)移、分子擴(kuò)散、機(jī)械彌散、吸附作用等[14].

在填埋場(chǎng)中，污染物在填埋場(chǎng)襯墊中的遷移可用一維對(duì)流-彌散模型來(lái)描述對(duì)流、彌散與吸附等作用對(duì)滲濾液中污染物在屏障中遷移的影響.污染物在多孔介質(zhì)中的對(duì)流-彌散方程為[15]

(1)

式中：1表示擴(kuò)散；2表示彌散；3表示對(duì)流；4表示蛻變；c為水中溶解物質(zhì)的濃度，mol·L-3；D為擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；R為阻滯系數(shù)；v為單位時(shí)間內(nèi)沿x方向的滲流速度，m·s-1；μ為蛻變系數(shù)；θ為體積含水量，m3·m-3；t為時(shí)間，s；x為沿運(yùn)移方向距離，m；α為彌散距離，m；γ為阻抗因數(shù).

假定：①屏障多孔介質(zhì)系統(tǒng)是均質(zhì)的、半無(wú)限的；②土壤是飽和的，地下水在土壤中的流動(dòng)符合達(dá)西定律；③溶質(zhì)沿一個(gè)方向遷移；④不考慮污染物的蛻變，吸附是線性的；⑤彌散項(xiàng)與擴(kuò)散項(xiàng)合并為一項(xiàng).

則方程(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

式中：Rf為阻滯因子，且Rf=1+(ρbkd/n)；其中ρb為土體的干密度，kd為分配系數(shù)，指吸附達(dá)到平衡時(shí)被固相吸附的污染物濃度與液相濃度的比值，在吸附過(guò)程中，kd>0；n為總的孔隙率.

不考慮污染物溶質(zhì)的滲流(v=0)，則方程(2)又可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(3)

《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范(CJJ176—2012)》[16]中提到在重金屬離子污染的土體中，阻滯因子可取3～40，計(jì)算時(shí)，為保守起見(jiàn),本文取阻滯因子Rf為3，則方程(3)又進(jìn)一步寫成式(4)如下：

(4)

式中：De為有效擴(kuò)散系數(shù)(等于擴(kuò)散系數(shù)與阻滯因子的比值).

則根據(jù)式(4)，遷移方程可以表示為

(5)

初始條件為

c(x,t)=0,t=0

(6)

邊界條件如下:

(1)在左邊界，假設(shè)濃度恒定：

c(x,t)=c0,x=0

(7)

(2)在右邊界，假設(shè)濃度恒定：

c(x,t)=0,x=H

(8)

(3)在土與水泥土的交接面，保持濃度連續(xù)和通量連續(xù)：

c1(x,t)=c2(x,t),x=h

(9)

(10)

式(5)～(10)中：c1、c2分別為離子在水泥土和土中的濃度；h為水泥土屏障厚度；H為水泥土屏障厚度加上土的厚度；c0為初始濃度；n1、n2分別為水泥土和土的空隙率；De1、De2分別為Cu2+在水泥土和土中的有效擴(kuò)散系數(shù).

2.2.2Cu2+的有效擴(kuò)散系數(shù)求解

本文采用有限差分?jǐn)?shù)值方法，運(yùn)用Matlab軟件，依據(jù)式(5)～(10)編制程序?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬.席永慧等[17]研究得到Cu2+在土中的有效擴(kuò)散系數(shù)為9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1，模擬時(shí)，Cu2+在土中的有效擴(kuò)散系數(shù)(De2)取為1.0×10-5cm2·s-1.模型H10C5、H15C5中Cu2+濃度和時(shí)間t的關(guān)系分別見(jiàn)圖5和圖6，對(duì)其擬合求得Cu2+在水泥摻量為5%的水泥土屏障中的有效擴(kuò)散系數(shù)De分別為2.5×10-7、1.0×10-7cm2·s-1.兩組模型求得的Cu2+在水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)的結(jié)果接近，這說(shuō)明本文的試驗(yàn)方法及計(jì)算方法均是可行的，計(jì)算結(jié)果是可信的.

本實(shí)驗(yàn)求得的Cu2+在水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)與Cu2+在一般黏土中的有效擴(kuò)散系數(shù)值(9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1)對(duì)比可知，Cu2+在水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在土中的，約只有土中的1/35～1/100.這個(gè)結(jié)果說(shuō)明，水泥土防滲屏障對(duì)Cu2+的阻滯效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于一般的土屏障.Li等[18]研究了金屬離子在頁(yè)巖黏土混合物防滲屏障中的有效擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)得金屬離子的有效擴(kuò)散系數(shù)約為1.816×10-6～1.418×10-5cm2·s-1.比較可以看出金屬離子在水泥土屏障中的有效擴(kuò)散系數(shù)(1×10-7～2.5×10-7cm2·s-1)約為在頁(yè)巖黏土屏障中的有效擴(kuò)散系數(shù)的1/10～1/140，說(shuō)明水泥土屏障對(duì)金屬離子的阻滯效果明顯好于黏土.

上海老港填埋場(chǎng)模型H15L中Cu2+濃度和時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖7，對(duì)其擬合求得的Cu2+的有效擴(kuò)散系數(shù)約為4.5×10-7cm2·s-1，比在水泥摻量為5%的水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)大約兩倍以上，證明上海老港填埋場(chǎng)的塑性混凝土防滲屏障對(duì)Cu2+的阻滯性能略差于水泥土屏障.Cu2+在塑性混凝土防滲屏障中的有效擴(kuò)散系數(shù)與Cu2+在一般黏土中的有效擴(kuò)散系數(shù)值(9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1)對(duì)比可知，Cu2+在塑性混凝土防滲屏障中的有效擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在土中的，約只有土中的1/21～1/25，同時(shí)通過(guò)數(shù)值計(jì)算，Cu2+擊穿上海老港填埋場(chǎng)的塑性混凝土屏障的時(shí)間約為53年[19]，可見(jiàn)老港填埋場(chǎng)的防滲屏障對(duì)Cu2+的阻滯性能也較好，在屏障不出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的情況下可保證Cu2+不對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響.

圖5 Cu2+在水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)擬合(模型H10C5)

Fig.5FittingofCu2+diffusionthecoefficientincement-soil(modelH10C5)

圖6 Cu2+在水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)擬合(模型H15C5)

Fig.6FittingofCu2+diffusionthecoefficientincement-soil(modelH15C5)

圖7 Cu2+在水泥土中的有效擴(kuò)散系數(shù)擬合(模型H15L)

Fig.7FittingofCu2+diffusionthecoefficientincement-soil(modelH15L)

3 結(jié)論

(1)在水泥摻量介于5%～15%之間時(shí)，隨著水泥摻量和屏障厚度增加，水泥土屏障對(duì)金屬離子的阻滯效果會(huì)大幅提升，但盲目提升水泥摻量不會(huì)對(duì)屏障的阻滯效果有質(zhì)的提升，需綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益.

(2)Cu2+在水泥土(水泥摻量為5%)中的有效擴(kuò)散系數(shù)約為1×10-7～2.5×10-7cm2·s-1，說(shuō)明水泥土屏障對(duì)Cu2+的阻滯性能較好.但有研究表明垃圾填埋場(chǎng)滲濾液中有機(jī)污染物(COD)最先擊穿填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)[16]，今后還需進(jìn)一步研究水泥土屏障對(duì)COD的阻滯性能，由此來(lái)綜合判斷水泥土屏障的阻滯性能.

(3)銅離子在土中的有效擴(kuò)散系數(shù)(9.53×10-6～1.14×10-5cm2·s-1)比在水泥土(1×10-7～2.5×10-7cm2·s-1)中的大35倍以上，說(shuō)明一旦水泥土屏障失效，離子進(jìn)入周圍土體中，對(duì)周圍的污染危害將大大增加.

(4)銅離子在上海老港填埋場(chǎng)塑性混凝土防滲屏障中的有效擴(kuò)散系數(shù)約為4.5×10-7cm2·s-1，約為在土中的有效擴(kuò)散系數(shù)的1/21～1/25，表明老港填埋場(chǎng)的塑性混凝土防滲屏障對(duì)銅離子有較好的阻滯性能，在正常使用情況下可保證銅離子不對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響.