粘性土的不同特征对多环芳烃阻隔能力影响研究

论文摘要

由于经济快速发展,城市化扩大,居民消费水平日益提高,我国城市垃圾处置及污染防治已成为环境保护的突出问题,城市生活垃圾成分中的有机物比例明显上升。由于工艺简单、操作方便、投资与施工费用低,简易填埋仍然是我国目前主要采用的垃圾处理方式,无害化处理水平极低。垃圾的不合理处置产生的一系列影响,破坏和污染土地、污染地下水资源,加剧环境污染、严重危害城市环境和居民生活条件,严重地制约着城市社会、经济和生态可持续发展,影响和谐社会的建设,早已引起有关部门的高度重视。国内外许多学者对渗滤液中有机物成分作了分析测试,结果表明其中有机污染物成分十分复杂,以烷烃、芳烃类较多,,其中多数有机污染物为致癌物和有毒污染物。因此控制有机污染物的污染在治理垃圾填埋场渗滤液中非常重要。在垃圾填埋工程中,粘土防渗层是垃圾处置的天然屏障,粘土层的性质、密度、厚度直接决定垃圾填埋场能否污染地下水及其污染的程度。兴建垃圾填埋场必须考虑密闭性和防渗漏问题,而填埋衬层的选择是解决上述两问题的重要方面。因此,研究不同性质的粘性土对垃圾渗滤液有机污染组分的净化能力是垃圾场选址和防止地下水污染的重要环节。萘、菲、荧蒽为持久性有机污染物多环芳烃中的三种,在城市垃圾渗滤液中的含量很高。其中萘为双环,菲为三环,荧蒽为四环,多环芳烃自身性质(尤其是环数)对其在土壤中的迁移影响很大。选定这三种有机污染物为研究对象,通过吸附振荡实验与土柱垂向淋滤模拟实验,定量地分析其在不同密度的粘性土防渗层中的垂向迁移规律,确定不同密度粘性土对不同环数多环芳烃的截留能力,为垃圾填埋场的防渗垫层设计提供依据。通过吸附动力学实验、等温吸附实验以及吸附影响因素实验,分析垃圾填埋场防渗粘土层对多环芳烃的吸附作用,根据实验结果,探讨吸附机理及影响因素的作用机制。1、粉质粘土对多环芳烃的吸附以表面吸附为主,由于土样中的有机质含量较少,分配作用不占据主导地位,起辅助作用。通过吸附动力学实验得到粉质粘土对萘、菲、荧蒽三种有机物的吸附平衡时间为1h,吸附具有较明显的阶段性。三者的吸附率有很大不同,萘的吸附率为39.76%,菲的吸附率为78.09%,荧蒽的吸附率为97.60%。这三种多环芳烃单体与混合溶液中的吸附率差别不大,之间的相互作用对粘性土的吸附性影响很小。萘的等温吸附曲线更符合Langmuir方程模型,而菲、荧蒽的吸附曲线更符合Freundlich方程模型,在此平衡体系中萘、菲、荧蒽的上—水分配系数分别为0.72、4.76、10.56。2、在本实验平衡体系中,温度与酸碱度对粘性土的吸附性具有一定影响,并且三种物质对温度变化的吸附响应不同。由于荼的挥发性受温度影响很大,萘的吸附率随温度升高而增大。吸附是一个放热的过程,放热过程对非的吸附影响很大,随温度升高,菲的吸附能力降低。由于荧蒽本身吸附率很大,受外界环境影响很小,荧蒽的吸附受温度的影响不大；在pH值为7.8的本底值附近,曲线波动比较大,本底值时多环芳烃吸附量最小,适量加酸或加碱都可增大粘性土对多环芳烃的吸附量,而且增大碱性条件对吸附性能的影响更为明显。3、试验粘性上中随着蒙脱石矿物成分加大,萘、菲、荧蒽的吸附率都有所增高,其中荧蒽的影响率最大,添加30%的蒙脱石之后,荧蒽的吸附率达到100%,粘土层中的纯净粘土矿物含量越大,对多环芳烃的吸附率越高；在相同的吸附时间段内,胡敏酸的添加极大地促进了粘性土对多环芳烃的吸附,当胡敏酸在混合土体中的质量比为20%时吸附效果最好。综合考虑,土壤中胡敏酸达到该比例时对多环芳烃的吸附能力达到最优；土壤的颗粒越细,比表面积越大,其表面效应越强,多环芳烃在三种土样中的最大吸附量依次为粘土>粉质粘土>细砂。土样中的粘粒成分在吸附中占有重要作用,粘粒与其他组分相比具有更大的比表面积、具有更多的表面吸附点位,表现出更为优越的吸附性能。4、以粉质粘土为介质层对多环芳烃的淋滤实验中,粉质粘土对萘的截污总量为5.81mg,净化率为29.074%；粉质粘土对菲的截污总量为19.98mg,净化率为99.894%；粉质粘土对荧蒽的截污总量为19.99mg,净化率为99.988%。粉质粘上对三者的单位截污量分别为3.79μg/g、13.06μg/g、13.06μg/g。表明粉质粘土对多环芳烃菲、荧蒽具有很强的截污能力。多环芳烃在粉质粘土模拟柱中的垂向迁移是一个化学非平衡的过程,应用CXTFTIT软件中的两点模型能够对多环芳烃的穿透曲线较好的拟合。5、在不同击实条件下,上柱中粉质粘土的力学性质也发生很大改变。测试结果显示,随着击实次数的增多,上所受到的击实动能越大,粘土的密度也随之增大,其饱和度就越大,呈正相关增长态势。其孔隙比越小,渗透系数不断减小,呈负相关。土体的压缩模量有先增大后减小的趋势,压缩系数有先减小后增大的趋势。6、在不同密度粉质粘土对多环芳烃阻隔作用实验中,菲、荧蒽的有效阻隔厚度为10cm。粉质粘土在10cm厚度内能将菲、荧蒽有效阻隔。萘在粉质粘上中的截污率较小,l0cm的厚度不能有效阻隔其在粉质粘上中的运移。不同密度的粘性上防渗层对萘、菲、荧蒽的截污量区别很大,对萘的截留容量变化较大,有先增大后减小的趋势。由11击时的4.7μg/g,增加到38击时的9.7μg/g,随着击实强度的再加大,萘的截污容量逐渐降低,减小到50击时的8.2μg/g,在同等土体质量下,击实量小,土体防渗层厚度大但密度小,故渗流量较大,有机污染物会经土体空隙不断下渗,随着击实量的不断增大,防渗土层的密度不断增大,能够有效阻隔污染物质的下渗,当击实量增大到某个临界值时,粘性土的密度增大,防渗层吸附量会达到某一边界值,吸附量有所减小。菲、荧蒽的吸附量随击实强度的变化出现细微的变化,菲、荧蒽的截污容量随击实强度有所增大,但变化范围不是很明显。由于菲、荧蒽两者的截污容量本身较大,接近于饱和值,在本实验中密度的影响不能完全体现出来。将垃圾填埋场的防渗粘土层中温度、酸碱度、有机质含量、颗粒大小、粘粒含量等条件进行有机结合,能够改进垃圾填埋场防渗层对有机污染物的净化性能。确定垃圾填埋场粘性土防渗层的粘土密度对有机污染物的影响变化,可确定其对有机污染物阻隔性最好的最优粘性土密度,对有机污染物的有效阻隔厚度进行定量化,能够有针对性地对垃圾填埋场防渗层进行设计优化。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据与研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 发展趋势及存在问题
• 1.3 研究目标内容及方法
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法及技术路线
• 1.4 论文创新之处
• 第二章 研究区环境地质条件
• 2.1 研究区概况
• 2.2 垃圾场及其防渗层概况
• 2.3 粘性土理化特征
• 2.3.1 粘性土的一般特征
• 2.3.2 粘性土的影响作用
• 2.4 研究区上样选取
• 第三章 粘性土对多环芳烃的吸附与解吸
• 3.1 吸附理论与等温吸附模型
• 3.1.1 吸附理论
• 3.1.2 等温吸附模型
• 3.2 实验样品性质与制备
• 3.2.1 多环芳烃实验的准备
• 3.2.2 实验用土的制备
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 实验仪器
• 3.3.2 实验方法
• 3.3.3 分析方法
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 吸附动力学实验研究
• 3.4.2 等温吸附实验研究
• 3.4.3 环境影响因素分析
• 3.4.4 吸附影响因素分析
• 3.4.5 正交试验结果分析
• 3.5 吸附机理探讨
• 第四章 多环芳烃在粘性土中垂向迁移研究
• 4.1 污染物在多孔介质中迁移机理
• 4.1.1 分子扩散
• 4.1.2 对流
• 4.1.3 机械弥散
• 4.1.4 物理、化学以及生物作用
• 4.2 疏水有机污染物在饱和土柱中垂向迁移模型
• 4.3 实验样品的性质与制备
• 4.3.1 多环芳烃实验的准备
• 4.3.2 实验用土的性质与制备
• 4.3.3 实验模型的制作
• 4.4 实验与分析方法
• 4.4.1 实验模型
• 4.4.2 分析方法
• 4.4.3 实验方法
• 4.5 实验结果与讨论
• -示踪实验数据处理'>4.5.1 Cl^-示踪实验数据处理
• 4.5.2 多环芳烃渗透实验数据处理
• 4.5.3 粘性上的截污能力研究
• 4.5.4 数值模拟
• 第五章 不同密度粘性土对多环芳烃阻隔功效研究
• 5.1 实验样品的性质与制备
• 5.1.1 多环芳烃实验的准备
• 5.1.2 实验用土的性质与制备
• 5.2 实验与分析方法
• 5.2.1 实验模型
• 5.2.2 实验与分析方法
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 粘性土防渗层土工实验结果
• 5.3.2 多环芳烃渗透实验数据处理
• 5.3.3 粘性土的截污能力影响因素研究
• 5.4 垃圾场粘性土防渗层优化设计
• 第六章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献