粘性土对垃圾污染组分的阻滞能力研究

李强孙振营席雪萍高学飞杨问省

摘要：城市生活垃圾产生量大幅增加，处置方法多采用卫生填埋，但以现阶段的技术水平，垃圾处理很难做到真正的无害化，垃圾填埋场自身防止污染的能力显得尤为重要。包气带是垃圾渗滤液渗透和运移至地下水的必经途径，本文通过研究，确定天津市平原区粘性土对各污染组分的阻滞系数为3.06-71.97，其中对TP的阻滞系数最大，其次为TN、NH3-N，而对COD阻滞系数最小；两种典型粘性土中，总体来看，灰色粘性土比褐黄色粘性土的阻滞能力强。因此，垃圾填埋场选址时，选择灰色粘性土分布地区作为建场位置更合理。

关键词：粘性土；垃圾污染组分；阻滞能力

1 引言

随着城市发展和人民生活水平不断提高，城市生活垃圾产生量大幅增加，目前国内外所采用的城市生活垃圾处置方法一般为卫生填埋、焚烧和堆肥等。由于垃圾卫生填埋具有成本相对较低，处理垃圾量大，终极化处置程度高等优点，故在垃圾处置中占有重要地位。但现阶段的技术水平，垃圾处理很难做到真正的无害化，因此，垃圾填埋场自身防止污染的能力显得尤为重要[1] [2]。

包气带是垃圾渗滤液渗透和运移至地下水的必经途径，本文根据天津市平原区地质环境条件和垃圾渗滤液特点，通过选取主要垃圾污染组分，确定对垃圾填埋具有重要实用价值的粘性土试验土样，研究包气带岩性对垃圾污染组分的阻滞能力，确定不同岩性的隔污性能，为垃圾填埋场合理、科学选址做出指导。

2 污染组分选取和试验土样确定

根据天津市平原区典型垃圾渗滤液取样分析结果可知（见表1），重金属含量很少，另外天津市浅层地下水具有含盐量高的特点，最容易迁移的Cl－不构成地下水的污染物，因此，选定磷（TP）、有机污染物（COD）、氮（TN和NH3-N）为试验污染组分[3]。天津市平原区广泛分布着对垃圾填埋具有重要实用价值的褐黄色粉质粘土（FN1）和灰色粉质粘土（FN2），因此，我们将这两种粉质粘土作为本次研究的试验土样，土样的物理性质指标见表2。

表1 典型垃圾填埋场渗滤液化学成分分析表

表2 试验土样物理性质指标分析表

3 粘性土阻滞系数测定方法

阻滞能力大小由阻滞系数来表达。污染物随水进入包气带，进而进入含水层的水动力场过程中，由于产生各种物理、化学及生物作用，使得污染物迁移与其周围地下水运动产生差异，出现前者比后者迟后的现象[4]。这种现象可用阻滞系数R来定量描述。R的数学表达式为：

（1）

式中：V－水流平均线性流速，Vc－污染物锋面的流速。据（1）式，1／R＝V／Vc，1／R称为污染物的相对迁移速度，R值与污染物性质、岩土的孔隙度（n）及容重（ρb）有关，因此R又有另一种数学表达式：

（2）

式中：ρb－岩土容重（g/cm3）；n －岩土孔隙度，无量纲；Kd－分配系数（cm3/g）。

对于粘性土，当容重和孔隙度已知时，只要知道各污染组分的分配系数Kd就可确定阻滞系数。利用吸附等温线来求得分配系数：分别取25mL、50mL、75mL、100mL、125mL、150mL的垃圾渗滤液于容量瓶中用蒸馏水定容至150mL；然后放入6个三角瓶中，分别加入4.5g土样，在（20℃）振荡器上振荡（振频为100次/分）；24小时后，取上清液离心、过滤，测试上清液各污染组分的平衡浓度，用差减法得到粘土的平衡吸附量。土壤吸附量计算公式：

（3）

式中：C0－各污染组分的初始浓度（mg/ml）；Ci－各污染组分的平衡浓度（mg/ml）；V－水的体积（ml）；m－土样总重量（g）。

分配系数计算公式：

（4）

式中：S－平衡时固相所吸附的溶质浓度（mg/kg）；C－平衡时液相溶质浓度（mg/l）。

各污染组份在不同粉质粘土中的吸附等温线见图1。

由以上图形可知，各污染组份在两种粉质粘土中吸附等温线均呈直线型，由吸附等温线可求得分配系数，从而可进一步计算出不同粘性土对不同污染组分的阻滞系数（见表3）。

表3 粘性土阻滞系数计算结果表

4 结论

按照溶质迁移中阻滞系数的标准（R=1，无阻滞；R>1有阻滞）来判断对不同污染组分的阻滞性。从测定结果可知，粘性土对各污染组分的阻滞系数为3.06－71.97，说明各污染组分在土壤中的迁移过程中受到非常强烈的吸附作用；不同粘性土的R值变化规律相似，即对TP的阻滞系数最大，其次为TN、NH3－N；而对COD阻滞系数最小；两种典型粘性土中，总体来看，灰色粘性土比褐黄色粘性土的阻滞能力强。

粘性土对污染组分的阻滞系数越大，包气带岩性的隔污性能越好，垃圾渗滤液污染组分渗透和运移至地下水水环境的时间越长，越有利于保护地下水水环境不受污染。因此，在天津市平原区进行垃圾填埋场选址时，要认真分析包气带岩性特征，选择对污染组分阻滞能力强的灰色粘性土分布地区作为建厂位置，做到从建设初期就提高垃圾填埋场安全保障能力，减少环境污染潜在威胁，使其以最小的投入和最低的环境风险产生最大的垃圾处理效能。

参考文献：

[1] 刘长礼,张云,叶浩等.2006.包气带粘性土层的防污性能试验研究及其对地下水脆弱性评价的影响[J].地球学报, (4):63-68.

[2] 郭静,赵林,刘年磊等.2011.基于DRASTIC的包气带阻滞污染物能力研究.环境污染与防治, (12):67-70.

[3] 周睿,赵勇胜,吴倩芳等.2008.包气带介质截留不同龄垃圾渗滤液中的有机污染物.《吉林大学学报(地球科学版), (6):122-126.

[4] 李合莲,陈家军, 张俊丽等.2002.阻滞系数的确定方法及其应用.山东科技大学学报(自然科学版), (2):105-108.

基金项目：天津市科技计划项目（10ZCGYSF02100）

作者简介：李强（1982—），男，工程师，主要从事与水工环相关的城市地质研究工作。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。