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生物灌浆场地竖向隔离屏障的配比及防污隔渗性能研究

李章彦  
【摘要】:随着国家“退城进园”、“产业转移”等政策的实施,重污染行业的企业关闭和搬离城区,遗留土地污染严重,其中重金属污染尤为突出。随着现代生物技术的发展,微生物治理重金属污染逐渐受到重视,基于产脲酶细菌诱导原理的MICP(microbially induced carbonate precipitation,微生物诱导碳酸盐结晶)技术,是最近发展起来的一种土壤微生物加固和修复方法。考虑MICP灌浆时释放氨氮可能带来的不利环境影响,可采用竖向隔离屏障建立灌浆修复体系,进行区域统筹治理,推动该技术在岩土加固和修复领域的应用。针对扬州地区粉土地质,基于竖向隔离屏障服役周期和功能要求,本文选择了粉土-水泥-膨润土作为屏障材料,进行竖向隔离屏障的配比研究,分为四个过程进行:(1)进行粉土-水泥-膨润土多种配比材料的坍落度试验、渗透试验和力学试验,寻求符合防渗墙施工及服役要求的合理掺比区间;(2)研究屏障材料与Cu2+、Cr6+、Mn2+三种重金属离子的化学相容性,包括基于材料各阶段渗透系数变化情况的污染溶液浸泡试验,及各阶段材料内部层间可交换态重金属离子含量的测定,以探究重金属离子在材料中的侵蚀轨迹与程度;(3)研究MICP灌浆对屏障材料的影响;(4)进行现场灌浆试验,实际考察竖向屏障的防污隔渗效果。结论如下:(1)膨润土对于混合材料渗透性能的增加具有主导作用;掺加少量水泥时,增加膨润土的掺量可明显提高材料抗渗性能;随着水泥量增加,水泥中大量的钙离子置换了膨润土层间的低价钠离子,使之膨胀性能损失,导致材料渗透系数升高。通过无侧限抗压试验可以得出,水泥掺量越低,材料极限应变越大,强度和变形模量越小。结合各配比材料的渗透试验和抗压试验,可得出粉土-水泥-膨润土隔离材料中膨润土较优掺量为6%~10%,水泥的较优掺量为8%~10%;(2)屏障材料在不同浓度的硫酸铜、重铬酸钾和氯化锰溶液中浸泡后,其渗透系数均有不同程度的上升,前7d上升最为迅速,7d~60d速度逐渐变缓,其原因主要在于金属阳离子对膨润土膨胀性能的降低作用。经比较,硫酸铜溶液对材料渗透系数的影响较大,氯化锰次之,重铬酸钾影响最小;材料膨润土含量越高,浸泡后渗透系数增加倍数越大;(3)测定屏障材料经重金属溶液浸泡后,内部各深度可交换态Cu2+、Cr6+和Mn2+的含量,结果显示,材料对Cr6+的阻滞效果较好;材料对Cu2+和Mn2+阻滞效果相对较弱;金属离子在材料内运移的难度随膨润土掺加量的增加而增加,膨润土掺量为8%和10%的材料对重金属离子的阻滞效果较好;(4)材料压裂后渗透系数可提高一到两个数量级,在生物浆液中浸泡后,由于微生物矿化沉积作用,出现覆膜效应,材料表面及裂缝被细小的球霰石和方解石覆盖和填充,试样渗透系数平均可降低37.9%,部分达到50%以上,但随着浸泡时间增长,由于灌浆液中钙离子对膨润土的不利影响,试样渗透系数出现小幅增长;(5)现场生物灌浆后,在目标配比的竖向隔离屏障的阻隔下,地下水全氮含量降低约50%,合理设置粉土-水泥-膨润土防渗墙,可阻隔微生物修复剂和污染水的运移。


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