頁巖改性粘土作為垃圾填埋場防滲襯墊試驗研究

陳 武，李 磊

(1.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京210098；2.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京210098)

垃圾填埋作為城市垃圾的最終處置技術，目前應用十分普遍。我國90%的城市垃圾用填埋技術進行處理[1]。如果填埋場的防護措施不當，產生的滲濾液易造成當地土壤和地下水的污染，因此選擇良好的襯墊材料至關重要。目前，常用的防滲材料包括天然材料和人工合成材料，但是由于多種原因，滲濾液的滲漏普遍發生，因此，有必要提高防滲材料對滲濾液中污染物的衰減作用。粘土等天然礦物材料以其良好的防滲性能，被廣泛用作填埋場的防滲襯墊材料，但是由于天然粘土對污染物的衰減能力較差，很多學者對其進行改性，以提高其對污染物的衰減能力[2-4]。

頁巖是一種由粉砂級和粘土級顆粒組成的細粒紋層狀沉積巖。在我國的大部分地區均有較為豐富的頁巖儲備[5]。在電子顯微鏡下觀察，頁巖顆粒內部存在大量微孔，呈巢狀(似蜂窩狀)，所以比重和堆積密度小，體輕，具有較強的吸附能力。關于頁巖的吸附能力，有不少學者做過這方面的研究[6-7]，并已成功地應用于制作陶粒濾料、油脂及糖液脫色、給水及廢水的處理方面，但是頁巖用于垃圾填埋場防滲襯墊的研究還不曾見到。

本研究采用頁巖對天然粘土進行改性，考察頁巖顆粒對污染物的吸附能力以及粉碎頁巖作為天然粘土防滲襯墊改性劑對其防滲能力的影響。因此，如何開發頁巖作為防滲襯墊材料就具有較高的環境效益和經濟效益。

1 實驗過程

根據頁巖的吸附能力，通過頁巖顆粒的吸附試驗探索性地研究頁巖顆粒對垃圾填埋場滲濾液主要污染物NH4+和COD的吸附能力；同時，通過粉碎頁巖改性粘土材料的滲透試驗，研究粉碎頁巖作為粘土防滲襯墊改性劑對防滲能力的影響，并確定粉碎頁巖改性劑一個合理添加量。

1.1 試驗材料

頁巖、膨潤土和粉煤灰從市場購買，粘土取自某填埋場，各材料化學分析結果如表1。之前曾有學者用膨潤土和粉煤灰等材料改性粘土，它們對垃圾滲濾液中的污染物都有一定的吸附能力，因此也對它們進行吸附試驗，作為頁巖吸附能力的比較。

表1 各材料的組成成分 單位:%

先將頁巖敲碎過2 mm分析篩，做粒徑分析，留作滲透試驗的添加材料。再將敲碎的頁巖經微型粉碎機粉碎后過2 mm、0.5 mm、0.25 mm、0.15 mm 和0.075 mm分析篩，取不同粒徑范圍內的頁巖留作吸附試驗材料。粘土風干研磨剔除粗顆粒，做粒徑分析。粘土和敲碎頁巖的粒徑分布曲線如圖1。粘土的塑限為20.66%，10 mm液限為31.06%，17 mm液限為40.17%。

垃圾滲濾液取自某垃圾填埋場，NH4+和COD濃度分別為686.01 mg/L、1657.28 mg/L。

1.2 試驗儀器和試劑

微型粉碎機 ；2 mm 、0.5 mm、0.25 mm 、0.15 mm和0.075 mm分析篩；250 mL錐形瓶；電子天平；振蕩器；25 mL、50 mL試管 ；烘箱；UV-2450 紫外可見分光光度計；液塑限聯合測定儀；輕型擊實筒；推土器；鋼絲鋸；切土刀；TST-55型滲透儀。

酒石酸鉀鈉溶液；納氏試劑；掩蔽劑；0.2 mol/L重鉻酸鉀消解液；Ag2SO4-H2SO4催化劑。

圖1 粘土和粉碎頁巖的粒徑分布曲線

1.3 試驗方法與步驟

(1)吸附試驗方法與步驟:稱取膨潤土、粉煤灰、粘土及不同粒徑頁巖各10g置于250 mL具塞錐形瓶中，分別加入100 mL垃圾滲濾液，置于振蕩器上，在20℃下以 120 r/min振蕩 24 h、48 h、72 h。分別吸取不同振蕩時間下振蕩液，過濾后，分別用納氏試劑光度法和快速密閉催化消解法測定NH4+濃度和COD濃度[8]。根據濃度變化確定各土樣對這兩個指標達到吸附平衡所需的時間、吸附量和吸附率。

(2)滲透試驗方法與步驟:取重量PN的干粘土和重量PY的粉碎頁巖，將它們混合。按與粘土的塑限含水率有關的含水率加水，制備成樣品，再將這些材料存放24 h后擊實，然后用環刀取樣。粉碎頁巖的重量百分比用 B=(PN/PY)×100%來確定。在粘土中添加的粉碎頁巖用量分別為 0%、5%、10%、15%、20%、30%。加水量選21%(略大于粘土的塑限含水率)。環刀大小為:厚40 mm、直徑61.8 mm。采用蒸餾水和填埋場垃圾滲濾液分別對幾組不同粉碎頁巖添加量的土樣作滲透試驗對比研究。按標準[9]采用TST-55型變水頭滲透儀進行滲透。

2 試驗結果與分析

2.1 吸附試驗結果與分析

按照上述實驗方法進行吸附試驗，檢測不同振蕩時間下振蕩液中NH4+、COD的濃度，數據見表2和表3。

從表2可以看出，當振蕩時間為24 h時，各種土樣對NH4+的吸附達到了平衡，24 h后NH4+的濃度只有微小變化。故確定頁巖顆粒及其他土樣對滲濾液中NH4+的吸附平衡時間為24 h。

從表3可以看出，當振蕩時間為48 h時，各土樣對滲濾液中COD的吸附才達到平衡，48 h后COD濃度只有微小變化。故確定頁巖顆粒及其他土樣對滲濾液中COD的吸附平衡時間為48 h。

表2 不同振蕩時間下振蕩液中NH4+的濃度 單位:mg/L

表3 不同振蕩時間下振蕩液中COD的濃度 單位:mg/L

原滲濾液的NH4+和COD濃度分別為686.01 mg/L、1657.28 mg/L，經過一定時間的振蕩吸附，這兩個指標的濃度趨于平衡。取振蕩48 h下振蕩液中的NH4+和COD濃度值，根據公式計算了其吸附量與吸附率[10]。

式中:S為平衡時吸附在土顆粒上的指標濃度(mg/g)；R為吸附率(%)；C0為溶液中測定指標的起始濃度；C為溶液中測定指標的平衡濃度；V為溶液的體積；MS為頁巖的質量。幾組不同土樣分別對NH4+和COD的吸附試驗結果如表4和表5所示。

表4 不同土樣對NH4+的吸附試驗結果

幾組土樣對于去除垃圾滲濾液中的NH4+主要是通過帶負電荷的土顆粒的靜電吸附、離子交換等作用實現的[11]。從表4可以看出，對于NH4+的吸附效果，幾組不同粒徑范圍的頁巖都差不多，吸附率在27.21%～31.21%之間，低于膨潤土，但是比粉煤灰和粘土都要高。

表5 不同土樣對COD的吸附試驗結果

實驗采用的幾種土樣都含有較大的比表面積。當該類物質與含大量有機、無機膠體的垃圾滲濾液作用時，起到了膠體凝結核的作用。由于表面吸附能、范德華力、氫鍵配位鍵及π鍵的作用，可將有機化合物吸附在礦物顆粒表面。同時已經發生凝聚作用的聚集絮團物，在運動中以其巨大的表面吸附卷帶有機膠體顆粒，生成更大的絮團，使體系失去穩定而沉降，這是吸附有機物的主要作用機制[11]。

電子顯微鏡下觀察幾種實驗土樣，如圖2，頁巖跟膨潤土具有相似的片狀結構。但和膨潤土相比頁巖的片與片之間存在空隙，使頁巖顆粒內部存在大量微孔，呈巢狀(似蜂窩狀)。這種微孔結構使得頁巖對COD具有較強的吸附能力。從表5可以看出，在0.075 mm～2 mm粒徑范圍內的頁巖對COD的吸附率在57.57%～61.75%之間，明顯高于其它土樣，但是在顆粒被粉碎至0.075 mm以下時這種微孔結構遭到破壞，致使其對COD的吸附能力下降。

圖2 膨潤土(左上)、粉煤灰(右上)、粘土(左下)和頁巖(右下)的電子顯微鏡掃描圖像

2.2 滲透性試驗結果與分析

記錄不同時間段的初始和終止水頭，根據公式計算了其滲透系數[12]。

式中:a為變水頭管的斷面面積(cm2)；2.3為ln和log的變換因數；L為滲徑，即試樣高度(cm)；t1，t2分別為測讀水頭的起始和終止時間(s)；H1，H2分別為起始和終止水頭。不同粉碎頁巖添加量土樣的滲透試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 蒸餾水滲透下幾組土樣的滲透系數

圖4 垃圾滲濾液滲透下幾組土樣的滲透系數

由于粉碎頁巖含有較多的粗顆粒，將它添加到粘土中會改變原土的顆粒級配，會使土樣的滲透系數增大。同時由于改性土樣的吸附性，隨著它對垃圾滲濾液中離子的吸附，也會使土樣的滲透系數增大[13]。從圖3和圖4可以看出，不管是采用蒸餾水滲透還是垃圾滲濾液滲透，粘土的滲透系數都能達到1×10-7cm/s以下，而不同粉碎頁巖添加量的改性土樣的滲透系數較粘土都有不同程度的增大，特別是高添加量的幾組改性土樣，滲透系數增大比較明顯，隨著滲透進行，幾組改性土樣的滲透系數都趨于平衡。

5%、10%粉碎頁巖添加量的改性土樣的滲透系數不管是蒸餾水滲透還是垃圾滲濾液滲透雖然較粘土略有增大但都能達到1×10-7cm/s以下。

在蒸餾水滲透情況下，15%、20%和30%粉碎頁巖添加量的改性土樣的滲透系數很難達到1×10-7cm/s以下；而在垃圾滲濾液滲透情況下，除30%頁巖添加量的混合土樣外其余都能降到1×10-7cm/s以下。一方面，由于垃圾滲濾液中含有大量的無機、有機雜質，懸浮物等，被土樣阻截堵塞在空隙內，從而降低水流對土壤顆粒的沖刷作用；同時還由于帶電離子的垃圾滲濾液粘滯度高于蒸餾水，而滲透系數又隨粘滯性的增高而降低，從而使得土樣的滲透系數下降。另一方面，通過離子交換或吸附作用，陽離子可以進入粘土礦物晶體的層間空隙，對層間的作用力產生影響，通常是離子濃度或電位的增加導致層間排斥力降低，從而使土粒發生聚集；還有土與垃圾滲濾液中的重金屬、碳酸鹽等物質由于物理或化學反應產生絮凝和沉淀作用，從而降低了土樣的滲透系數。

現取滲透穩定時幾組土樣的滲透系數，來比較粉碎頁巖添加量對改性土樣滲透系數的影響，如圖5。

圖5 粉碎頁巖添加量對改性土樣滲透系數的影響

從圖5可以看出，不管是蒸餾水滲透還是垃圾滲濾液滲透，隨著粉碎頁巖添加量的增加，改性土樣的滲透系數呈增大趨勢。當粉碎頁巖添加量不大于10%時，改性土樣的滲透系數都能滿足低于1×10-7cm/s的要求。

3 結 論

(1)通過頁巖顆粒吸附試驗和粉碎頁巖改性粘土材料滲透試驗的研究，粉碎頁巖作為填埋場防滲襯墊是可行的，具有技術和經濟兩方面的優勢。

(2)通過吸附試驗看出，頁巖顆粒粒徑在0.075 mm以上時，對COD的吸附率在57.57%～61.75%之間，明顯高于膨潤土、粉煤灰等改性材料，但是在顆粒被粉碎至0.075 mm以下時對COD的吸附能力下降；對NH4+的吸附率在27.21%～31.21%之間，低于膨潤土，但是比粉煤灰和粘土都要高。頁巖顆粒對垃圾填埋場滲濾液主要污染物NH4+和COD具有一定的吸附能力。

(3)通過滲透試驗看出，粉碎頁巖添加量在10%以內時，不管用蒸餾水還是用垃圾滲濾液滲透，改性土樣的滲透系數都能滿足低于1×10-7cm/s的要求。

(4)垃圾滲濾液中還有很多有機和無機的污染物，NH4+和COD只是其中含量比較多的污染物，頁巖顆粒對污染物的吸附能力還需進一步綜合考慮；粉碎頁巖改性粘土材料作為垃圾填埋場防滲襯墊除了滿足滲透要求外，還需要考慮襯墊的抗剪強度，抗干裂能力等等，都需要進一步實驗研究。

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