（岩土工程专业论文）污染物在冻融活动层中迁移的初步试验研究.pdf

污染物在冻融活动层中迁移的初步试验研究 杨宁芳 ( 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州，7 3 0 0 0 0 ) 摘要 多年冻土作为一种负温地质体，其存在决定于冻土区的区域热量平衡。多年冻土 的分布和保存对于环境条件的依赖性很强，对环境变化极为敏感。现代多年冻土分布 面积占全球陆地面积的2 5 ，包括季节冻土在内则要占到5 0 。中国多年冻土的面积 约2 1 5 1 0 6 k m z ，占全国陆地面积的2 2 4 ，主要分布于青藏高原和东北的大、小兴安 岭地区。 近年来，随着我国东北及青藏高原冻土区大规模的公路、铁路、输油管道和房屋 的建设、矿山开采以及森林采伐等活动的进行，冻土地区的工矿业废渣及生活垃圾等 废弃物也逐渐增加。废弃物中含有大量的有毒有害成分，如处理不当使其进入土壤和 水体，就会污染土壤和水源，影响植被的生长，甚至危害到附近居民的健康状况；废 弃物腐烂、降解过程释放的热量可影响相关区域的水热平衡，加速堆放点及填埋场周 围冻土层的融化，改变冻土区的工程地质环境，破坏建筑场地和建筑物的稳定性。为 了保护冻土环境，安全合理地处理冻土地区的废弃物，首先应该了解污染物在冻融活 动层中是如何迁移的，清楚其在冻融活动层中的迁移规律。 本文室内模拟了生活垃圾和矿山尾矿在冻融活动层和融土中填埋的对比试验、重 金属元素镉和铅在开放系统下的冻融循环过程中的迁移试验，并取得如下初步结论： 通过模拟生活垃圾和矿渣在冻融活动层与融土中的填埋对其周边土体的影响，表 明水分是影响可溶盐离子和重金属元素迁移的重要因素，盐分和重金属元素的迁移与 水分的迁移具有一致性；土壤温度对有机质的分解、盐离子和重金属元素的迁移影响 很大，温度越低，有机质的分解速率越慢，盐离子和重金属元素的迁移越慢；在外界 因素相同的情况下，重金属元素中锌的迁移性较强，砷和铅的迁移性相对较弱。 通过模拟开放系统中重金属元素镉和铅在冻融循环过程中的迁移，表明温度和水 分对重金属元素镉和铅在冻融活动层中的迁移影响很大，重金属元素镉和铅在温度梯 度的影响下，均从未冻土层向冻土层迁移，并富集于试验土柱顶层；在相同的试验条 n 件下，镉的迁移性比铅强，迁移速率比铅快。 初步试验研究结果表明：多年冻土因其良好的低温和隔水作用，对于废弃物的降 解和迁移有抑制和阻隔作用，如果处理得当，可以利用冻土的这一特性封闭处理废弃 物，但如果处理不当，废弃物中的有害元素会在反复冻融过程中产生迁移、富集，从 而对环境及地下水产生污染。 关键词：污染元素，冻土，冻融循环，重金属 i i i p r i m a r yr e s e a r c ho nc o n t a m i n a n tt r a n s p o r t i nt h e a c t i v e fp e r ma f r o s t a c t i v el a y e roe r ma f r o s t l ( s t a t ek e yl a b o r a t o r yo ff r o z e ns o i le n g i n e e r i n g ，c o l da n da r i dr e g i o n se n v i r o n m e n t a la n d e n g i n e e r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ，c h i n e s ea c a d e m y o fs c i e n c e s ，l a n z h o u ，7 3 0 0 0 0 ) a b s t r a c t a sak i n do fc r y o g e n i cg e o l o g i c a ls u b s t a n c e ，t h ee x i s t e n c eo fp e r m a f r o s ti sd e c i d e db y t h eh e a tb a l a n c ei np e r m a f r o s tr e g i o n s t h ed i s t r i b u t i o na n dc o n s e r v a t i o no fp e r m a f r o s ti s c l o s e l yd e p e n d a n t o nt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n ，a n di sv e r ys e n s i t i v et ot h e e n v i r o n m e n t a lc h a n g e s t h ed i s t r i b u t i o na r e ao fm o d e mp e r m a f r o s ta c c o u n t sf o r2 5 o ft h e g l o b a lt e r r e s t r i a la r e a , a n de v e n5 0 i fi n c l u d i n gs e a s o n a lp e r m a f r o s t t h ep e r m a f r o s ta r e a i nc h i n ai sa b o u t2 15 x10 6 k m 2 w h i c ha c c o u n t sf o r2 2 3 o fc h i n e s et e r r e s t r i a la r e aa n d m a i n l yd i s t r i b u t e s i nq i n g h a i t i b e t a np l a t e a u ，d ax i n ga nl i n ga n dx i a ox i n ga nl i n g d i s t r i c ti nn o r t h e a s tc h i n a i nr e c e n t l yy e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l er o a d ，r a i l r o a d ，o i lp i p e l i n ea n d h o u s ec o n s t r u c t i o n ，m i n ee x p l o r a t i o na n dd e f o r e s t a t i o na c t i v i t i e s ，t h ep r o d u c t i o no ft h e i n d u s t r i a l ，m i n i n ga n dm u n i c i p a lw a s t e sg r a d u a l l yi n c r e a s e di np e r m a f r o s tr e g i o n s t h e r e a r eal o to fp o i s o n o u sa n dd e l e t e r i o u si n g r e d i e n t si nt h ew a s p s ，a n di fn o tp r o p e r l yd i s p o s e d ， t h e ym a ye n t e ra n dp o l l u t et h es o i la n dw a t e r , i n f l u e n c et h ep l a n t sg r o w t h ，a n de v e n e n d a n g e rt h eh e a l t hc o n d i t i o n so ft h en e a r b yp e o p l e t h eh e a tr e l e a s e dd u r i n gt h ew a s t e d e c a ya n dd e g r a d a t i o np r o c e s sc a ni n f l u e n c et h ew a t e ra n dh e a tb a l a n c eo ft h e r e l a t e d d i s t r i c t s ，a c c e l e r a t et h em e l to ft h ef r o z e ns o i ln e a rt h ep i l ea n dl a n d f i l ls i t e s ，c h a n g et h e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n dd e s t r u c tt h es t a b i l i t yo f t h ec o n s t r u c t i o ns i t e sa n d b u i l d i n g i no r d e rt op r o t e c tp e r m a f r o s te n v i r o n m e n t ，s a f e l ya n df e a s i b l yd i s p o s et h ew a s t e i np e r m a f r o s tr e g i o n s ，w eh a v et ok n o wh o wt h ec o n t a m i n a n t sm o v ei nt h ea c t i v el a y e ro f p e r m a f r o s t ，a n df i n do u tt h em o v e m e n tr u l e s t h i sp a p e rs e p a r a t e l ys i m u l a t e st h el a n d f i l lo ft h em u n i c i p a lw a s t ea n dm i n i n gw a s t e i nu n f r o z e ns o i la n dt h ea c t i v el a y e ro fp e r m a f r o s ti nl a b o r a t o r y , a n dt h em o v e m e n to fc d a n dp bd u r i n gt h ef r o z e n m e l tp r o c e s su n d e ro p e ns y s t e m t h er e s u l ti sa sf o l l o w s ： i v t h ee x p e r i m e n ts i m u l a t e st h el a n d f i l lo fm u n i c i p a la n dm i n i n gw a s t e si nu n f r o z e n s 0 1 l a i l dt h ea c t i v el a y e ro fp e r m a f r o s t ，t h r o u g ha n a l y s e si t s i n f l u e n c eo nt h en e a r b ys 0 1 l ，t h e r e s u l ts h o w sm a tw a t e rm o v e m e n ti sa m a i nf a c t o ri ni n f l u e n c i n gt h em o v e m e n to fs o l u b l e s a i ti o n sa n dh e a v ym e t a l s ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fw a t e r a n ds a l ti o n sa n dh e a v ym e t a l sh a s s o m ec o h e r e n c y s o i lt e m p e r a t u r eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ed e g r a d a t i o no fo r g a n i cm a 戗e r a n dt h em o v e m e n to fs a l ti o n sa n dh e a v ym e t a l s ，t h el o w e rt h et e m p e r a t u r ei s ，t h es l o w e r t l l em o v e m e n ta n dd e g r a d a t i o ns p e e da r e u n d e rt h e s a l t l ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，z n m o v e sf a s t e rt h a na sa n dp b t h ee x p e r i m e n ts i m u l a t e s t h em o v e m e n to fh e a v ym e t a lc da n dp bd u r i n gt h e j 6 r o z e n m e i tp r o c e s si no p e ns y s t e m ，d e t e c t st h ew a t e rc o n t e n t ，c da n dp bc o n t e n ti ne v e d r s o i ll a y e r , t h er e s u l ts h o w st h a ts o i lt e m p e r a t u r ea n dw a t e r h a v eg r e a ti n f l u e n c eo nh e a v y m e t a lm o v e h l e n ti nt h ea c t i v el a y e ro fp e r m a f r o s t u n d e rt h e i m p a c to ft e m p e r a t u r c d i 髓r e n c e ，c da i l dp bm o v ef r o mu n f r o z e nl a y e r st of r o z e nl a y e r s ，a n da c c u m u l a t ea tt h e u p p e rl a y e ro ft h es o i lc o l u m n u n d e rt h es a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，c dm o v e s f a s t e r t h a n p b t h e 砸m a r ye x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tp e r m a f r o s th a si n h i b i t i v ea n do b s 讥c t l v e e 虢c to nt h ew a s t ed e g r a d a t i o na n dm o v e m e n t ，b e c a u s eo f i t sl o wt e m p e r a t u r ea n dw a t e r i n s u l a t i o ns p e c i a l t i e s i fp r o p e r l yd i s p o s e d ，w e c a r lu s et h ep e r m a f r o s ts p e c l a l t l e s t o 0 b d u r a t ea n dd i s p o s ew a s t e ，b u ti fi m p r o p e r l yd i s p o s e d ，t h ed e l e t e r i o u se l e m e n t sm t h e 、椰t e sw i l lm o v e 锄da s s e m b l eu n d e rt h ef r e e z i n g - t h a w i n gp r o c e s sa g a i na n da g a l n ，a n d f i n a l l yp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t a n dg r o u n dw a t e r k e y w o r d ：c o n t a m i n a n t ，p e r m a f r o s t ，f r e e z i n g - t h a wc y c l e ，h e a v y m e t a l v 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确 注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 研究生签名：魈鱼盏日期：殳2 ：茎：星翌 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中国科 学院寒区旱区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区旱区环境与工程 研究所有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离所后发表、使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名：盘童羞 导师签名：埠辫 日期：丑：羔塑 日期一垒孑：丝 第一章绪论 第一章绪论 冻土，一般指温度在o c 或o c 以下并含有冰的各种岩土和土壤【l l ，是土的一种特 殊状态，其性质受气候和季节变化的影响很大。全球各大洲均有季节冻土( 只有表层 几米处冻结，夏天融化冬天冻结) 存在，而我国季节冻土的分布面积占我国国土面积 的5 3 5 。全球多年冻土( 两年以上处于冻结状态，只有表层几米的土层处于夏天融 化冬天冻结状态) 主要分布在北半球，包括欧亚大陆和北美大陆多年冻土区及其南界 以南的高山高原多年冻土区。据不完全统计，欧亚大陆和北美大陆多年冻土区面积约 占全球多年冻土面积的6 3 。我国多年冻土主要分布于东北的大、小兴安岭、松嫩平 原北部、西北高山和青藏高原，占我国国土面积的2 1 5 ，居世界第三位，其中高海 拔多年冻土面积居世界首位。 冻土地区具有很强的资源优势和发展潜力，蕴藏着丰富的矿产、石油、天然气和 森林等资源。俄罗斯已探明的天然气储量为3 8 x 1 0 9 m 3 ，其中仅西西伯利亚冻土区就 蕴藏了6 0 的天然气资源和1 3 8 x 1 0 1 0 t 的石油资源【2 1 。石油和天然气资源是阿拉斯加 的支柱产业，据粗略估计，阿拉斯加州仅石油的蕴藏量就在5 1 0 9 桶至1 6 1 0 1 0 桶之 间【3 1 。我国东北地区蕴藏着丰富的油田、矿山、农业基地和林业基地，阿尔泰山、天 山、祁连山和青藏高原也蕴藏着丰富矿产资源和水利资源。开发和利用冻土区的资源 是发展寒区经济的主要途径。 随着寒区经济的发展，人类经济：工程活动不断进行，如青藏公路、青藏铁路、 南疆铁路、输油管道的铺设，石油、矿山资源的开采以及房屋建设、给水供电等，这 些工程活动产生的工业及生活垃圾等废弃物的数量也不断增加。废弃物的填埋和堆放 产生的热量会改变填埋区及其周围区域的水热平衡，加速冻土层的融化，破坏冻土区 的生态环境；废弃物中的有毒有害成分可通过淋滤和扩散进入土壤和周围水体，污染 土壤和水体，污染冻土环境。冻土地区自然条件严酷，生态环境脆弱，自身调节能力 差。要想安全合理地处理冻土区的废弃物，保护冻土环境，首先应该对污染物在冻土 这一特殊地质体中的迁移进行研究，总结污染物在冻融活动层中的迁移规律及影响其 迁移的因素，利用这些规律及其影响因素指导冻土地区废弃物的处理。 中国科学院硕士研究生学位论文一污染物在冻融活动层中迁移的初步试验研究 1 1 研究目的和意义 冻土环境是寒区生态环境的重要组成部分，其变化是寒区生态环境变化的主要原 因。多年冻土是生态脆弱和敏感性地区，一旦受到破坏就很难恢复【4 5 l 。 目前，青藏高原冻土区的工程建设及矿山开采等活动产生的废弃物一般采取就地 挖坑填埋或随意堆放的方法来处置。这种简单填埋无法到达永久冻土层，一般只能在 冻土活动层中进行。冻土活动层是寒区质能运输最重要和最活跃的层位，对寒区生态 环境、工程稳定性和农牧业生产影响都非常大。 废弃物的简单填埋使得废弃物中的有毒有害物质通过渗滤和扩散的方式进入冻 土活动层，活动层周期性的冻结融化作用加速了盐分、重金属等污染物的结晶、析出 和富集，而永久冻土层的隔绝作用又使得这些污染物主要富集于多年冻土上限附近， 从而进一步影响永久冻土层，污染环境和地下水。废弃物的填埋需要铲除地表植被、 开挖取土，铲除植被后地表裸露，土壤水分蒸发加快，表层土壤含水量降低，影响植 被的生长，导致植被物种的更替及“黑土滩等退化现象，开挖一定的土方量，会使 地下冰暴露于地表，加速冰层的融化【6 。生活垃圾的随处堆放、腐烂、降解，释放 出大量的热量，加速填埋场或堆放区周围及其下卧冻土层的融化，使多年冻土( 主要 是高温高含冰量多年冻土) 上限产生较大幅度的下降【9 】，一方面使多年冻土区的冻土 工程地质环境变得复杂，影响建筑场地和建筑物的稳定性，如新账房车站羊草腐烂引 起地面及路基下沉；另一方面在废弃物堆放区形成污染区，污染土壤和水源，影响冻 土环境及冻土层的发育【m 1 1 】。冻土中的温室气体也会因为冻土层的退化而释放进入大 气，增加大气中温室气体的含量，加剧全球变暖的趋势。 在填埋和堆放过程中，废弃物中的有毒有害成分可能进入土壤和水体，引起土壤 和水源的污染。当土壤中污染物含量超过植物承受限度时，就会引起植物吸收和代谢 的失调，影响植物的生长发育，引起植物变异。土壤中的可溶性污染物还可通过淋滤 作用，随土壤溶液进入地下水或地表水，污染周围人群的饮用水源。 青藏高原素有”世界屋脊”和地球第三极”之称，是全球气候最为敏感的地区。青 藏高原被称为“中华水塔”，是长江、黄河、澜沧江的发源地，长江总水量的2 5 、 黄河总水量的4 9 、澜沧江总水量的1 5 都来自青藏高原【1 2 1 。为了保护好冻土及工程 地质环境，保证脆弱的寒区生态环境不受破坏、“中华水塔 不受污染，安全合理地 处理冻土地区的废弃物，就必须了解和掌握污染物在冻融活动层的迁移规律及其影响 2 第一章绪论 因素。研究污染物在冻融活动层的迁移是选择最佳填埋位置与最佳填埋时段的重要依 据，是安全合理地处理冻土区废弃物的基础，是十分必要而有意义的。 1 2 国内外研究现状及进展 随着天然气、石油等资源的日益短缺，寒区的资源开采活动变得越来越剧烈，资 源开采过程产生的废弃物的处理问题也越来越受到人们的重视。国际上研究冻土地区 废弃物处理的国家很多，有美国、英国、加拿大、俄罗斯、德国和瑞典等，其研究时 间长，涉及范围广，研究方法和技术也比较成熟。冻土地区废弃物的处理最初涉及的 是放射性废弃物和核废弃物，后来，随着冻土地区石油、天然气、矿产等资源的开采 以及工程建设活动的进行，冻土地区废弃物的处理与有害元素在冻土中迁移的研究也 得到了拓展。 要想设计安全可行的治理措施，有效控制污染物对冻土环境的影响，首先应该了 解污染物在冻土中的迁移及影响其迁移的各种因素。 k e l u n d 等【1 3 】为了研究土壤质地和地质地形对冻土中污染物迁移的影响，2 0 0 2 年夏在北极地区选择了3 个试验点( 地形陡峭的试验点、土壤质地粗大的试验点和富 含有机质的试验点) ，用0 2 m o l l 的氯化锂溶液淋滤，分别于一周( 短期) 和一年( 长 期) 后沿垂直和水平两个方向取样检测，发现短期内土壤质地和地质地形对冻土中 l i + 的迁移影响不大，但长期数据显示，试验点土壤的颗粒越粗大、有机质含量越低、 地形越陡峭，l i + ( 也就是污染物) 的迁移量越大，迁移速率也越快。该研究结果对于 冻土地区填埋场的选址以及矿产资源的开采都有重要的指导意义。 s j h a r t 等【1 4 1 为了研究污染物在冻融循环不同阶段的迁移规律，将染色的乙烯 已二醇( 抗冻剂) 装入5 个圆柱筒并埋于中，使其在冻结过程的不同时刻开始渗漏， 用离心模型检测其迁移路径，结果发现，土壤冻结前渗入的乙烯乙二醇由于随后的冻 结过程而向土壤表层迁移；土壤冻结后渗入的乙烯乙二醇与未冻土的迁移路径相仿， 都是沿渗漏点垂直向下迁移。该研究结果对于选择废弃物的最佳填埋时段具有重要的 意义。 s vk o k e l j 等【1 5 j 在加拿大西北部的m a c k e n z i e 地区选择了4 1 个试验点，分别检 测了冻土活动层和活动层表层中可溶盐离子的含量，发现表层盐离子含量较低，而活 动层底部含量较高，这是因为当从地表向下冻结时，土壤溶液中析出的可溶盐离子由 3 中国科学院硕士研究生学位论文一污染物在冻融活动层中迁移的初步试验研究 于永久冻土层的隔绝作用而富集于活动层底部。 a a l e k s e e v 等【1 6 】在西伯利亚东北部的科累马河低地研究元素在冻土中的迁移，发 现冻土活动层与永久冻土层的交界面上钎铁矿的含量最高，说明永久冻土层具有良好 的隔绝作用，可以将污染元素隔绝于永久冻土层之上。 在初步了解和掌握了冻土区污染物迁移规律及其影响因素之后，各国学者开始利 用冻土及冻土环境特性处理冻土区的废弃物。 gl m a g e e 等【 1 利用冻土的回冻特征，以废弃物的隔绝密封和回冻为设计目标， 采用热模型分析填埋场的热状况，确保新设计的填埋场不会引起冻土的永久融化，确 保填埋后的废弃物能重新冻结，降低废弃物的分解速率。 加拿大北部冻土区的很多矿场将放射性尾矿用密封罐装好，填埋于永久冻土层中 使其处于冻结状态，利用永久冻土层的天然隔绝作用阻止放射物的外泄【1 8 】。 丹麦学者c u r tk y h n 1 9 】等将酸性尾矿废水挖坑填埋于永久冻土中，然后在表层覆 盖一层惰性物质，使填埋场内的酸性尾矿废水的温度终年保持在零度或零下状态，阻 止含硫物质的氧化。 冻融循环可改变物质的结构和组成，冻结作用可驱使土壤中污染物质的结晶和析 出，如利用冻土环境或冻土特征破坏污泥和尾矿的结构组成，使其达到脱水、杀菌的 目的。p j p a r k e r 等【2 0 】利用冻融循环过程对纸浆厂的活性污泥进行脱水，a h e d s t r o m 等 2 1 1 利用冻融循环过程对腐败污泥进行杀菌，r p s t a h l 2 2 1 利用冻融循环过程加速尾 矿的粉碎，改变尾矿结构并使其达到重组。 我国在冻土地区废弃物处理方面的研究进行的很少，而在冻土中元素迁移方面的 研究进行的较多。 郑冬梅等【2 3 1 选取吉林省长岭县十三泡地区湖滩地研究冻融期湿地的水盐运移，研 究发现，在土体冻结期，未冻层中盐分随毛管水向上迁移并凝结于冻结锋面；在整个 冻结期，随着冻结厚度的增加，冻结过渡层不断向下迁移，盐分自表层向下依次减少； 在土体融冻期，土体中的盐分重新分配，融化层盐分一部分随毛管水向上迁移，在土 体表层蒸发、累积，部分在重力作用下滞留于融化过渡层，未冻层中的水分、盐分 在温度梯度影响下继续向冻层迁移，直到冻结层融通。 赵由才等【2 4 】针对寒区特点，通过填埋场的小型模拟试验，研究负温和低温下生活 垃圾的降解行为，发现温度是控制有机质分解速率的主导因素，垃圾的降解速率、渗 滤液和气体的产生量均随着温度的增高而增加。 4 第一章绪论 金会军等【2 5 1 认为冻结作用可使有害废弃物脱水，整体块状冻结可固定污染物质 ( 如冻结核废料处理) 和驱使土壤中污染物析出。 冻土地区恶劣、寒冷的气候特征，冻土的冻融循环过程以及永久冻土层的隔绝作 用等，是进行废弃物处理的有利条件。寒冷的气候条件可杀死腐败污泥中的病菌、冻 融循环可破坏污泥内部结构使污泥脱水、季节回冻可将废弃物冻结在永久冻土中使其 无法泄漏、永久冻土层的隔绝作用可将放射性核废弃物隔绝使其不能危害周围环境。 国外在冻土区废弃物处理方面的研究较多，研究方向也较广泛，并已经取得了一定的 成果。我国在这方面的研究相对较为落后，因此，随着我国寒区经济的发展，需要在 借鉴已有技术和成果的基础上，逐步开展冻土区废弃物处理及污染物迁移方面的研 究。 1 3 本文的研究思路及试验设备 目前，我国在冻土区污染物迁移方面的研究进行的较少，研究方法和技术还不成 熟。国外关于冻土区废弃物处理及污染物迁移方面的研究主要集中在野外，通常直接 在废弃物填埋区或废弃的采矿区进行取样，检测样品中待测物质或元素的含量，然后 对废弃物填埋区或矿区的整体污染情况进行分析，得出一些结论。本文所做的所有研 究都是围绕污染物在冻融活动层与融土中的迁移，以室内模拟试验的形式进行。试验 均采用比较常规的仪器和方法，从定性的方面进行描述。 生活垃圾和矿渣在冻融活动层和融土中的填埋对比试验分别在室内融土和冻土 工程国家重点实验室的大型冻土试验模型箱中进行，试验模型箱如图1 1 所示。在冻 土试验模型箱中，通过调节箱温、人工降水来模拟青藏高原中部风火山地区的冻土环 境，进行矿渣和生活垃圾的填埋试验，4 个冻融循环( 模拟4 年) 后，在填埋场的不 同位置处进行取样，检测土样中待测物质的含量并进行分析。填埋试验的周期比为l ： 2 5 ( 即一个周期为1 5 天) ，降水量之比为l ：2 5 。 重金属元素镉和铅在冻融循环过程中的迁移试验在冻土工程国家重点实验室的 x t 5 4 0 4 型冻融循环试验箱内进行，将土柱放置在可控温的保温箱内，试样顶板、底 板和环境温度均采用低温循环冷浴控温并利用热敏电阻测试温度变化。冻融循环试验 所用仪器如图1 2 所示。试验结束后，分层测定土柱中各层的含水量、镉和铅的含量， 并进行分析讨论。 三璺盐兰坚兰：竺耋量兰些篁兰三至圣垫! ；垒竺兰窒星呈些丝呈型兰兰竺些彗 削1 2 冻融循环试验所用仪嚣 ax t 5 4 0 4 型珠融循环试验箱 b 补液马氏瓶c 操作台dd t 5 0 0 数采仪 f i gl 一2 a p p a r a t u so f t h e f r o z e n m e l tc y c l i n ge x p e r i m e n t ax t - 5 4 0 4 f r e e z i n g - t h a w i n g c y c l i n ；e x p e r i m e n t a lb o x 1 3 b o t t l e f o rs u p p l y i n gs o l u t i o n co p e r a t i n g d e s kdd t 5 0 0d a t ae o l l e c t i n na p p a r a t u s 第二章生活垃圾填在在冻融活动层与融土中的填埋试验 第二章生活垃圾在冻融活动层与融土中的填埋试验 2 1 概述 随着冻土地区工程建设活动的进行，生活垃圾等废弃物的产生量也越来越大。早 期对冻土区的废弃物主要采用原始堆放或简单填埋的处理办法【2 6 1 。生活垃圾的填埋与 堆放不仅需要占用大量土地，还需要铲除植被、开挖一定的土方量。垃圾腐烂、降解 所释放出的热还会融化填埋场和堆放区周围及其下卧的冻土层，引起冻土的退化。生 活垃圾中的有机质和盐分等污染物也会渐渐进入冻融活动层，随着其含量的增加而污 染水体和土壤，破坏原本就很脆弱的冻土环境。随着冻融循环的进行，土壤中的盐分 和有机质等污染物不断向活动层底部迁移，最终富集于多年冻土上限附近，使得冻土 的冻结温度下降，多年冻土上限不断下降，引起多年冻土的退化。近年来，随着寒区 经济的不断发展，研究者逐渐开始注意到废弃物处理对于冻土环境的影响。 本章室内模拟了生活垃圾在冻融活动层和融土中的填埋试验，试验结束后，取样 检测填埋场不同位置处土样中水分、盐分和有机质的含量，对比分析水分、盐分和有 机质在冻融活动层和融土中的迁移及降解，得出其迁移规律，为冻土地区生活垃圾的 填埋处理提供一些数据和参考。 2 2 试验方案 2 2 1 试验装置 试验装置由3 部分组成：冻土试验模型箱、控温系统和观测系统。 试验模型箱尺寸为8 x 1 8 4 9 x 2 7 m ，周围采用1 0 c m 厚的冷库保温板保温，箱体用 槽钢加固，提高其抗侧向和垂向挤压的能力。控温系统由7 5 k w 的s a n y o 双头压缩 机组、电脑控温器( 分辨率o 1 ，精度o 3 c ) 、氟利昂液体循环的管道、蒸发器及 温度传感器组成。氟利昂经过压缩机制冷后经由管道直接传送到蒸发器，以降低箱体 中的温度。控温系统经人工设定后，由电脑控温器自动控制，系统控温范围为6 0 - 5 0 。观测系统由热敏电阻温度传感器( 精度0 0 5 ) 、d t 5 0 0 型数采仪及计算机组 7 中国科学院硕士研究生学位论文一污染物在冻融活动层中迁移的初步试验研究 成。数据采集频率为1 次2 0 m i n 。 2 2 2 试验条件 冻融活动层模拟的温度控制条件参 考其它类似试验确定【2 7 】，即根据多年冻 土地区年均气温低于o c 的条件及青藏 高原风火山北侧北麓河地区的气候特 点，模拟试验的环境温度采用周期性波 动的温度，其变化函数为： 丁= 一3 5 + 1 2 s i n l 等( f + 6 7 9 ) i ，平均温 i1 5 、 7 l 度为3 5 ，一个周期为1 5 d ( 冻结期 8 9 d ；融化期6 1 d ) 。试验从负温开始， 向正温发展，每隔6 h 调一次温度，调温 曲线如图2 1 。 实际试验过程中冻融活动层与融土 的实测环境温度如图2 2 所示，其中冻 融活动层中模拟试验的环境温度基本达 到了控温设计要求，在1 5 5 8 5 间变 化，融土环境温度与当时的室内气温一 致。 2 2 3 试验步骤 1 0 5 5 0 薹一5 - 1 0 - 1 5 。、 一 2 5 2 0 1 5 一1 0 p5 毯0 赠一5 - 1 0 1 5 - 2 0 f i g 2 - 1c o n t r o lc u r v eo fe n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r ei nf r o z e ns o i l 一一一一一一一一一一融二 磊丕噍，贮堂嘿： 弧一- a _ - a 一a _ 浏掣；进毡； 融 动层 时间( h ) 图2 2 模拟试验中实测环境温度曲线 f i g 2 - 2a c t u a le n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ec u r v e ( 1 ) 土体配置。为增加试验用土的渗透性，按3 ：1 的比例将细砂与兰卅i 黄土拌 匀，将混合土的含水量配成1 2 ，该值是结合黄土与细砂各自的饱和含水量 确定的【2 踟。混合均匀后测得土壤的平均p h 为7 2 6 ，土壤呈中性。 ( 2 ) 生活垃圾配制。本次试验主要针对生活垃圾中的有机质、盐分等污染物进 行研究，加之试验历时较短，因此，在配制垃圾时，参照城市生活垃圾各种 第二章生活垃圾填在在冻融活动层与融土中的填埋试验 成分的相关含量【2 9 3 1 1 ，针对本次试验要求对生活垃圾中各组分进行了调整， 降低了难溶、难降解物质的比例，增大了易降解物质的比例。生活垃圾各组 分的百分含量如表2 1 所示。 表2 - 1 生活垃圾各组分的百分含量( ) t a b l e 2 1i n g r e d i e n tc o n t e n to fm u n i c i p a lw a s t e ( ) _ _ 一m _ 木屑破布废纸果皮菜叶煤灰污泥塑料合计 5 4 05 02 3 02 o1 0 0 l 卜j 皿严蛘轧嘶且叫哗丑哑斗叫i 图2 3 温度探头和取样点位置分布图( 长度单位：m m ) f i g 2 - 3d e p l o y m e n to ft e m p e r a t u r ep r o b e sa n ds a m p l es i t e s ( m m ) ( 3 ) 试验样品安装及监测点布设。确定模型箱中温度探头和取样点的位置，取 样点在探头附近5 e m 左右( 避免取样过程中破坏温度探头) 。受试验条件的限 制，在填埋场底部模拟多年冻土层上限( 即隔水层) ，用塑料膜覆盖一低缓 的斜坡，阻止水分的下渗。温度探头在垂直方向上按照两个断面布设，如图 2 3 所示，分别位于废弃物填埋区的正中以及其左侧3 0 c m 处。装样过程中， 当土体厚度达8 0 c m 时，将高为5 0 c m 、半径为2 0 c m 的圆筒放置于模型箱中， 将预先配好的生活垃圾置入筒中，继续填土，当土表与筒顶齐平时，抽出圆 柱筒，继续填土直至土表距箱底高为1 4 0 c m 为止。 ( 4 ) 试验过程。恒温两天后，于2 0 0 5 年1 2 月1 6 日中午1 2 ：0 0 开始按照试验设计 温度曲线进行调温，试验共分四个周期进行。分别在第二、三、四周期环境 温度为正时模拟降水，每个周期的降水量随机地分三次进行，每次1 2 5 l 。 9 十一冒_十j嗣_十嗣上d鼍十鲁1銎一 中国科学院硕士研究生学位论文一污染物在冻融活动层中迁移的初步试验研究 降水量按照l ：2 5 的比例进行，采用青藏高原中部空间平均降水量4 5 2 2 m m 来计算【3 2 1 。 ( 5 ) 数据采集及样品检测分析。2 0 0 6 年2 月1 3 日停止调温，试验结束，整理温度 数据，开始开挖取样，土样中各离子的检测方法见表2 2 。 表2 2 盐离子的检测方法 t a b l e 2 - 2t e s tm e t h o d so fs a l ti o n s 离子种类测定方法 c o a 2 - 和h c o 3 双指示剂中和滴定法 c 1 硝酸汞容量法 c a 2 + 和m 9 2 + e d t a 滴定法 s 0 2 - 4 e d t a 间接滴定法 n a + 和k +火焰光度计法 2 3 试验结果分析 2 3 1 冻融活动层与融土中温度的变化 g v 越 聪 将中心断面的温度监测数据按照深度和时间绘制成温度场发展图( 图2 4 、2 5 ) 。 时间( x 1 0 h ) 图2 4 冻融活动层的中心剖面上土体温度随深度和时间的变化( 单位：) f i g 2 - 4t e m p e r a t u r ec h a n g e sw i t hs o i ld e p t ha n dt i m ei nt h ea c t i v el a y e r ( ) 如图2 4 显示，在第一周期的前期，即0 - - 一3 0 0 h ，中心剖面上深为2 0 - - - 7 0 c m 处( 即 生活垃圾填埋处) 存在一个高温区，其原因在于土温的降低相对于气温有一定时间的 1 0 第二章生活垃圾填在在冻融活动层与融土中的填埋试验 滞后，同时生活垃圾中有机质的腐败、分解产生的热量也可使生活垃圾及其周围土体 的温度升高。结合图2 2 环境温度可知，冻土填埋区气温在1 5 5 8 5 之间按正弦曲 线周期性变化，且冻结期大于融化期，而融土填埋区气温在1 0 - 2 0 间变化，且随着 时间的推移逐渐增加。从第一周期末开始，在冻土填埋区深度为2 0 - - 4 0 c m 范围内开 始出现冻结区，最大冻结深度约为4 0 c m ：试验进行了约5 0 0 h 时，土体表层( o 1 0 c m ) 出现短期的融化状态，之后又开始冻结；从第6 0 0 h 到试验结束这段时间里，0 c m 1 4 0 c m 的整个区域几乎全部处于冻结状态。 对于融土填埋区，如图2 - 5 所示，第一周期在深度为2 0 - - 7 0 c m 处，土体中出现 一个高温区，之后至整个试验结束这段时间里，土体温度随深度的变化不大，随时间 的推进有缓慢增加。 时间( x 1 0 h ) ，、 g v 越 醚 图2 5 融土中心剖面上土体温度随深度和时间的变化( 单位： 1 2 ) f i g 2 - 5t e m p e r a t u r ec h a n g e sw i t hs o i ld e p t ha n dt i m ei nu n f r o z e ns o i l ( ) 将第l 、2 和3 号温度探头所测得的温度数据按照时间的发展绘制成温度图2 - 6 。 如图2 3 所示，温度探头1 、2 、3 测得的分别是地表以下深度为1 3 5 c m 、9 0 c m 和4 5 c m 处填埋区周围土体的温度。由图2 - 6 可知，融土中整个填埋场温度随深度的变化很小， 随着时间的推移有缓慢增加；而冻融活动层中，土体温度随深度的增加而增加，3 号 探头位置受气温波动的影响而有周期性的变化，且自第一周期末开始在负温下波动， 而l 号和2 号探头位置温度比较稳定，随时间的推移而缓慢降低，且在第二周期末降 为负温。 中国科学院硕士研究生学位论文一污染物在冻融活动层中迁移的初步试验研究 2 0 1 5 p1 0 蓄s 0 - 5 冻土