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填埋场衬里中重金属迁移与腾发封顶层特性研究

杨清雷  
【摘要】:填埋场的封顶层与衬里是影响渗滤液产生与渗滤液中污染物迁移的两个重要屏蔽系统。垃圾填埋场一般采用压实黏土衬里与压实黏土最终封顶层。黏土可吸附多种污染物,但吸附能力相对较低,为提高黏土的吸附能力,通过适量添加活性炭、酸活化膨润土、黄土等对黏土进行改良。通过间歇试验研究了黏土及改良黏土衬里对重金属离子的吸附特性,确定了黏土及改良黏土衬里吸附重金属离子的临界土颗粒浓度及相应的吸附参数。进行了一系列土柱模型试验与水平扩散试验,并根据污染物在土层中的迁移数据估算了弥散系数与扩散系数。在实验室条件下,采用大型模型槽制作三种腾发封顶层,依据气象资料,以降雨模拟器模拟实际降雨过程,通过埋设于土层中的温度与含水率传感器,实时采集土层不同位置的温度与含水率数据。同时,采用数值方法分析了植被、降雨强度、初始条件等参数的影响。通过对间歇试验、土柱试验、水平扩散试验、腾发封顶层模型试验以及污染物、水分运移的数值计算等结果的分析和总结,得到以下结论。 1.添加适量黄土的黏土对Cd(Ⅱ)的吸附发生很快,30min即可达到平衡吸附。单位平衡吸附量随着土颗粒浓度的增大而减小;Cd(Ⅱ)去除率随溶液初始pH的增加而增大;温度越高,吸附越快,单位平衡吸附量越大。动力学研究表明,改良黏土吸附Cd(Ⅱ)的试验数据与准二阶动力学模型拟合相关系数最高。吸附等温线与Langmuir模型拟合效果最好,当温度从298K升高到313K、323K、333K时,最大单位吸附量分别为5.173mg/g、5.735mg/g、6.193mg/g和7.077mg/g。热力学研究表明,吸附反应是自发进行的,吸附过程是吸热反应。吸附活化能约为14.95kJ/mol,吸附属于活化的化学反应。 2.采用活性炭、酸活化膨润土和黄土对黏土衬里进行改良。间歇试验结果表明,改良黏土衬里吸附Cd(Ⅱ)的能力显著增强,表明所采用的添加材料可有效提高黏土衬里的吸附能力。试验结果表明,随着土颗粒浓度增加,单位吸附量随之下降,由此确定黏土与三种改良黏土的临界土颗粒浓度分别为320g/L、280g/L、280g/L和280g/L。Langmuir方程中的qm随土颗粒浓度增加而降低。 3.采用VS2DI对试验数据进行反演,可以得到弥散系数和扩散系数。对于黏土、含6%活性炭的黏土、含6%酸活化膨润土的黏土和含6%黄土的黏土,由土柱试验得到Cd(Ⅱ)迁移的弥散系数值分别为6.0×10-10m2/s5.4×10-10m2/s、5.1×10-10m2/s和4.6x10-10m2/s;由水平扩散试验得到Cd(Ⅱ)迁移的扩散系数值分别为4.8×10-10m2/Ss、4.8×10-10m2/s、4.1×10-10m2/s和3.7x10-1Om2/s。 4.本文采用的水平扩散装置可以方便地分析污染物在黏土中的分子扩散作用。污染物源溶液浓度随着时间的增长逐渐降低,一部离子分扩散到土样孔隙溶液中,另外一部分被土样所吸附。Cr(Ⅵ)离子在大连红黏土中的扩散系数在1.5×10-11m2/s~2.08×10-11m2/s之间。经过1000天扩散作用,源溶液浓度从62.5mg/L降低到1.27mg/L,污染物迁移距离为3.5cm。采用VS2DI程序进行计算,结果表明,在假定扩散系数不变的条件下,干密度越小,温度越低,溶液pH越高,时间越长,扩散效果越明显。 5.室内大型模型槽试验表明,三种腾发封顶层在降雨期间,均可有效储存降雨入渗水分而不进入填埋场,在无雨期间可将土层中的水分有效释放,具有良好的储水与释水功能。其中,浅阻隔层型封顶层控制水分运移效果最好。室内模型试验数据与数值计算结果吻合较好。数值计算结果表明,植被对于腾发封顶层的水分运移起到至关重要的作用。在完成降雨蒸发循环后,封顶层含水率随着土层初始含水率的增大而增大;砂土层与粉质黏土层的渗透系数比值越大,层间毛细作用越大,腾发封顶层蓄水蒸发循环效果越好;增大粉质黏土层初始孔隙率有利于控制封顶层水分运移,而增大砂土层孔隙率效果不明显;浅阻隔层型封顶层在大连1976年汛期降雨与腾发边界条件下能有效控制雨水入渗和蒸发。


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