垃圾填埋场新技术：国内外防渗液材料研究进展

近年来，随着环境保护越来越受到重视，本领域的研究也逐渐成为热点。国内一些科研单位和学者开展了垃圾填埋场防渗作用的研究工作。如中南大学开展了黏土固化注浆帷幕对渗滤液的阻渗机理与环境效应方面的研究工作，主要研究黏土固化注浆帷幕对污染物的吸附性能和吸附机理，得出了黏土固化注浆帷幕对污染物的Freundlich吸附模式，分析污染物在黏土固化注浆帷幕中的迁移与转化机理，建立了污染物在黏土固化注浆帷幕中运移的水动力模型。浙江大学开展了城市生活垃圾填埋场中水分运移规律、渗滤液垂直防渗帷幕的渗漏分析，并指出应根据垃圾堆体边坡稳定性分析确定各填埋阶段警戒水位，在运营过程中应监控垃圾堆体中渗滤液水位。河海大学开展了污泥掺入生活垃圾后的力学特性试验研究，说明污泥和垃圾混合后的强度比垃圾土的强度低，比污泥的强度高，且改善了污泥的强度特性，随着污泥掺量的增加，边坡安全系数会先提高后降低，考虑降解产气对边坡稳定的影响，安全系数会降低15%～20%。此外，中国矿业大学开展了填埋场渗漏实时检测系统的研制工作。成都理工大学开展了改性成都黏土预处理垃圾渗滤液的研究。同济大学开展了填埋场中水泥土屏障对金属离子的隔离效果研究。中国科学院武汉岩土力学研究所等开展了垃圾填埋场防渗浆材实验研究工作。

目前，用于垃圾填埋场垂直防渗墙的墙体浆材种类繁多，如天然黏土防渗材料、人工改性黏土防渗材料、人工合成有机防渗材料等，不同墙体浆材的性能指标是有区别的。国内外一些学者通过开展垃圾填埋场防渗墙体浆材的配制、渗透性能、力学性能、吸附阻滞性能等研究工作，得出了很多有价值的结论。

Opdyke和Evans通过实验室试验研究了胶结材料的含量对水泥-膨润土材料强度的影响，对不同胶结材料所占质量比的无侧限抗压强度进行测试。结果表明，随着胶结材料所占质量比的增大、水泥-膨润土材料的强度增强。Royal等采用无侧限抗压仪和三轴试验仪对水泥-膨润土材料的强度进行测试，并将实验数据与Opdyke和Evans所得的数据进行对比分析。结果显示，相较于掺有粒化高炉矿渣的材料，掺有粉煤灰的水泥-膨润土材料的刚度和强度都有所降低。Rafalsk在水泥-膨润土泥浆中加入了钠离子来研究钠离子对水泥-膨润土材料性能的影响，并对水泥与膨润土的配比与抗压强度的关联进行相关试验。结果表明，在水泥-膨润土浆材中掺入钠离子后，相比而言，浆材的固结强度有一定程度的增强。Herrick等从水泥和膨润土的质量出发，对实验室搅拌泥浆和现场搅拌泥浆的力学性能和渗透性进行了比较。结果表明，实验室搅拌泥浆的强度高于现场搅拌泥浆，渗透率低于现场搅拌泥浆。其主要原因是现场浆体混合不均匀，导致施工现场浆体质量水平低于实验室浆体质量水平。

Deschenes等采用不同的低渗透水泥与膨润土泥浆的配比，对3～103 d的泥浆固结体进行无侧限和三轴压缩试验。结果表明，试件强度在初始养护阶段迅速增大。黄亮等研究了水泥掺量与极限应变的关系。试验结果表明，当水泥-膨润土材料养护龄期为28 d时，随着水泥掺量的增加，其极限应变减小，说明水泥掺量的增加使得材料向刚性材料转变。费培云等采用不同的掺砂和减水剂防渗墙材料的配合比，并进行钙基与钠基膨润土对比，同时所使用的水泥为矿渣水泥。试验结果表明，膨润土的种类对墙体性能有重要影响。钠基膨润土的性能明显优于钙基膨润土。粉砂、细砂掺量对试验块体强度的影响有限，且掺入粉砂的试验块体渗透性较差，如果粉砂、细砂掺量过高，粉砂、细砂会析出。何润芝等通过实验发现掺入粉煤灰、黏土或膨润土等材料对浆材的抗渗性有利，且水胶比越小，浆材的强度越大。

在防渗浆材的渗透性能研究方面。Travar等研究了用于隔离煤焦油污染砂土的防渗墙材料，在试验中分别选用水泥-膨润土、水泥-钠基膨润土、水泥-钙基膨润土和矿渣水泥-坡粒石黏土4种不同材料组合，并测试了这4种组合材料的渗透系数和无侧限抗压强度。采用地表水和煤焦油非水相流体作为渗透剂进行渗透试验。结果表明，在所有模拟试验条件下，矿渣水泥和坡缕石黏土的渗透性较低，强度较高。Khera以钙基膨润土、水泥、矿渣、粉煤灰和砂土作为防渗墙材料的组分，发现当钙基膨润土掺量为18%时，防渗墙材料渗透系数能够小于10-7 cm/s这一量级。表明用矿渣代替部分水泥可以提高硬化泥浆的强度，降低渗透系数。Philip对施工现场采集的样品进行了渗透试验和扩散试验。实验发现，随着采样深度的增加，试样的渗透系数减小，同时渗透系数随着水力梯度的变化没有明显的规律性，但实测渗透系数会随着围压的增大而减小。Joshi等通过试验发现水泥-膨润土材料会在养护90 d的时间内迅速降低，且之后会继续降低，但是降低的幅度大大降低，最终趋于平缓。这是由于在养护过程中，所掺入的矿渣成分会与水化产物发生化学反应，从而致使材料内部结构紧密，渗透系数降低。(www.xing528.com)

徐超等开展渗透试验，研究水泥-膨润土材料的组分及养护时间对浆材渗透性能的影响。结果表明，膨润土掺量的增加能有效降低固结体的渗透系数，但这是在有一定水泥掺量的基础上的，这一结果表明水泥和膨润土对渗透系数的影响具有相互影响的作用。随着龄期的增加，浆材在强度提升的同时渗透系数也会显著降低。周冰发现在膨润土中加入水泥会增加膨润土的渗透性，因为水泥会降低膨润土的膨胀性和保水性，不利于膨润土的抗渗透性。但由于不掺加水泥，单纯的膨润土泥浆作为垂直防渗材料很难满足工程强度要求。黄亮研究发现，水泥基膨润土的临界孔径与渗透性能密切相关，临界孔隙尺寸越小，抗渗性越好。水泥基膨润土孔隙结构的几个参数与渗透系数之间的关系如下：临界孔径＞孔隙分布在各级＞最可能孔径＞总孔隙度。盛炎民等采用聚乙烯醇对钠基膨润土进行有机改性，并通过室内实验研究经改性后水泥-改性膨润土防渗材料的渗透性能。实验研究表明，随着聚乙烯醇掺量的增加，防渗材料的渗透性逐渐减小，但在超过一定数值时，防渗材料的渗透系数逐渐趋于稳定，说明聚乙烯醇的掺量存在一个最佳区间；随着水泥掺量的增加，防渗材料的渗透系数先增大后减小。

在防渗浆材的吸附性能研究方面。Garvin和Hayles对掺有不同成分的水泥-膨润土材料的抗化学侵蚀能力进行研究。试验结果表明，材料配比、水泥种类、污染物浓度和类型都对材料的抗化学侵蚀能力有影响。胶凝材料的质量比越高，水泥-膨润土材料的抗化学侵蚀能力增强。Smith等通过膨润土的有机改性，发现改性土对四氯化碳有较好的吸附效果。因此，该方法对改性膨润土的吸附能力有限，只有成分简单、浓度低的有机废弃物才能用短碳链有机膨润土进行处理。Daniels等对铅离子在土-膨润土土柱中的扩散性能进行研究。试验结果表明，土-膨润土材料对铅离子具有较强的吸附作用。Lacin等研究了膨润土对锌和镉离子的吸附和脱附效果。膨润土对锌和镉离子的最大吸附率分别为99.9%和96.8%，最大脱附率分别为66.6%和51.4%。Gupta和Bhattacharyya研究了高岭土、蒙脱石及其改性产物四丁基溴化铵在水溶液中对Cd2+的吸附。结果表明，两种材料对Cd2+的吸附机理和二次反应原理一致，且吸附类型符合Langmuir型和Freundlich型两种吸附模型。强酸溶液中的吸附量很低，但随着碱性介质中pH值的增加而增加。

刘学贵等采用聚丙烯酰胺制备改性膨润土，并对制得的改性膨润土进行渗透和吸附试验。结果表明，采用聚丙烯酰胺制备的改性膨润土材料的抗渗性能良好，其渗透系数能达到垃圾填埋场防渗材料的技术要求。同时，这种材料对渗滤液中的污染成分也具备良好的吸附性能，其中，CODCr和氨氮的最大去除率分别为81%和91%；TFe，Zn2+和TCr的最大去除率分别为71%，58%和73%。陈永贵等采用自制的仪器进行黏土灌浆帷幕对苯酚的吸附平衡实验。结果表明，在两天时间内，苯酚在黏土灌浆帷幕的吸附就已经达到平衡状态，此时的灌浆帷幕对苯酚的吸附率为75.8%。黏土灌浆帷幕对苯酚的吸附主要是表面电荷不平衡而产生的电荷吸附，但是这种吸附能力不均匀，这是由于材料表面电荷密度不均匀，与孔径、内部自由度和有机特性有关。陈飞等在水泥-膨润土浆材中掺入纤维制备出一种BFCF浆材，BFCF浆材对垃圾渗滤液中的污染成分具有良好吸附阻滞性能，对无机污染成分的阻滞率大于98%，对有机污染成分的阻滞率大于83.74%。代国忠等通过正交实验研制出一种以水泥和膨润土为主要成分的低渗透系数且对渗滤液中污染物具有较强吸附性能的黏土基BFC浆材，这种浆材固结体28 d的抗渗性能良好，满足垃圾填埋场防渗材料的技术要求，对垃圾渗滤液中的对重金属离子有很强的吸附作用，吸附率在99%以上，对CODCr，BOD5等有机污染物的吸附性能也较好，吸附率达到了82%以上。在黏土基BFC浆材研制的基础上，采用聚乙烯醇（PVA）为改性剂对膨润土进行有机化处理，即配制出聚乙烯醇改性的膨润土-粉煤灰-水泥-纤维防渗浆材（PBFC浆材），PBFC浆材抗渗能力优于现有各类BFC浆材，具有更加广阔的应用前景。