（环境工程专业论文）凝灰岩对垃圾渗滤液的预处理研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nc o m p u t e rs o f t w a r ea n d t h e o r y r e s e a r c ho nt h ep r e t r e a t m e n to f l e a c h a t e w i t ht u f f b yg o n gp i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh ux i a o m i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 2 0 0 8 年7 月 j1 气 叶 l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 孝礴 ， e t 期： 纫售、o - 7 、汐乙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年日一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 叻9 。 导师签名： 签字日期： 级 k 之7 哆小仁d 砌沙坪以 旁妙 厂 o 盯 一 东北大擘硕士论文摘要 凝灰岩对垃圾渗滤液的预处理研究 手两要 垃圾渗滤液中有害物质浓度是一般生活污水的几十倍甚至数百倍，非常难处理，而 且垃圾渗滤液通过周边环境及地下水体发生迁移及释放已形成一系列的环境污染问题， 对公众的健康和安全造成威胁。这都已经成为制约社会和经济发展的重要因素，引起了 世界各国的广泛关注。 凝灰岩在自然界分布非常广泛，呈紫灰色，孔隙比较大，比重较小，土质均匀，主 要成分是凝灰岩火山灰风化的粘土矿物。不仅是一种较好的建筑材料，而且也是一种良 好的吸附剂、脱色剂、填料、及制模材料等。 本实验采用改性凝灰岩对垃圾渗滤液进行吸附预处理，降低垃圾渗滤液中的c o d 和氨氮，给后续处理提供良好条件。 本实验对凝灰岩的改性试验、改性凝灰岩对垃圾渗滤液的预处理静态实验作了深入 研究，并对改性凝灰岩对垃圾渗滤液的预处理动态实验和改性凝灰岩的再生作了简单的 研究，得出了最佳实验条件。 凝灰岩改性实验的最佳实验条件为：浸泡酸浓度1 0 、浸泡时间6 0 r a i n 、焙烧温度 2 0 0 、焙烧时间3 0 m i r a 吸附处理实验最佳实验条件为：垃圾渗滤液的p h 为7 5 左右、 反应时间为3 0 m i n 、吸附剂投加量为1 2 0 9 l 、反应温度1 5 ( 2 、搅拌转速为1 5 0 r p m 、稀 释倍数0 倍；动态实验的最佳实验参数为：垃圾渗滤液的p h 为7 5 左右、反应停留时 间为4 5 r a i n 、吸附剂投加量为1 2 0 9 l 、吸附反应的反应温度1 5 、稀释倍数0 倍；改 性凝灰岩采用在2 0 0 ( 2 条件下焙烧再生，然后用l m o l l 的稀硫酸浸泡再生的方法。 凝灰岩作为吸附填料对垃圾渗滤液进行预处理，不仅为垃圾渗滤液的预处理提供了 一种可行的方法，也为垃圾渗滤液的预处理提供一种廉价、丰厚的原料，因此这种方法 对于我国垃圾渗滤液处理具有非常重要的意义。 关键词：凝灰岩：改性；垃圾渗滤液；吸附；再生；c o d ；氨氮 ，r， 一 东北大学硕士论文 r e s e a r c ho nt h ep r e t r e a t m e n to fl e a c h a t ew i t ht l l f f a bs t r a c t 1 1 地c o n c e n t r a t i o no fh a r m f u ls u b s t a n c e si nt h el e a c h a t ei ss e v e r a lt i m e so re v e nh u n d r e d t i m e si ng e n e r a ll i f es e w a g e , v e r yd i f f i c u l tt ot r e a t a n dl e a c h a t eh a sp r o d u c tas e r i e so f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m st h r o u g hl i b e r a t i o na n dm i g r a t i o nt o t h es u r r o u n d i n g e n v i r o n m e n t , a n dh a st h r e a t e nt h ep u b l i ch e a l t ha n ds a f e t y a l lo ft h a th a sb e c o m ei m p o r t a n t f a c t o r sc o n s t r a i ns o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t , a n di th a sa r o u s e dw i d e s p r e a dc o n p t n a r o u n dt h ew o r l d t u f fd i s t r i b u t ei nn a t u r ev e r yw i d e l y , t h ec o l o ri sp u r p l e 争a xg a l o r ec r a c k s ，s m a l l p r o p o r t i o n , w e l lm i x e ds o i l ，t h em a j o rc o m p o n e n t si sv o l c a n i ct u f fo fw e a t h e r i n gc l a y m i n e r a l s i ti sn o to n l yab e t t e rb u i l d i n gm a t e r i a l ，b u ta l s oag o o da b s o r b e n t ，d e c o l o r a n t ，f i l l e r , a n dm o l d i n gm a t e r i a l sa n ds oo n t h i ss t u d yu s e dt h em o d i f i e dt u f ft om a k ea d s o r p t i o np r e t r e a t m e n to fl e a c h a t e ，r e d u c e c o da n da m m o n i a c a ln i t r o g e ni nl e a c h a t e ，t op r o v i d eag o o dc o n d i t i o nf o rt h ef o l l o w i n g t r e a t m e n t t h i se x p e r i m e n tm a k e si n - d e p t hs t u d yt ot h et u f fm o d i f i e dt e s t , t h em o d i f i e dt l l 行f o r l e a c h a t ep r e t r e a t m e n ts t a t i ce x p e r i m e n t , a n dm a k e sas i m p l es t u d yt om o d i f i e dt u f ff o r l e a c h a t ep r e t r e a t m e n td y n a m i ce x p e r i m e n ta n dr e n e w a b l eo fm o d i f i e dt u f f , a n dg e tt h eb e s t e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so ft h et u 行m o d i f i e dt e s ta r e ：i m m e r s i o na c i d c o n c e n t r a t i o ni s1 0 ，i m m e r s i o nt i m ei s6 0 m i n ，r o a s t i n gt e m p e r a t u r ei s2 0 0 ( 2 ，r o a s t i n gt i m e i s3 0m i n ；1 1 1 eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so fa d s o r p t i o ne x p e r i m e n ta r e l e a c h a t ep hi s7 5 ， r e a c t i o nt i m ei s3 0r a i n , a d s o r b e n td o s a g ei s12 0 9 l ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s15 。c ，r o t a t i o n a l s p e e di s15 0 r p m , d i l u t i o nm u l t i p l i e ri so ；t h eb e s te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so fd y n a m i c e x p e r i m e n ta r e ：l e a c h a t ep hi s7 5 ，s t a yt i m ei s4 5 池a d s o r b e n td o s a g ei s12 0 9 l , r e a c t i o n t e r n p c t a t u r ei s15 ( 2 ，d i l u t i o nm u l t i p l i e ri s0 ；r o a s t i n gr e n e w a b l eo f m o d i f i e dt u f fi su n d e rt h e c o n d i t i o n so f2 0 0 。i m m e r s i o nr e n e w a b l eo fm o d i f i e dt u f fi su n d e rt h ec o n d i t i o n so fs u l f a t e a c i dc o n c e n t r a t i o ni sl m o l l t u f fu s e dt ob eak i n do f a d s o r p t i o nf i l l e ri nl e a c h a t ep r e t r e a t m e n t , n o to n l yp r o v i d ea f e a s i b l em e t h o d b u ta l s op r o v i d eac h e a pa n dl i b e r a lm a t e r i a lt ol e a c h a t ep r e t r e a t m e n t , s ot h i s i i i r i v 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要】 i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 垃圾渗滤液的形成、组成、特点及危害l 1 1 1 垃圾渗滤液的形成及组成1 1 1 2 垃圾渗滤液的特点1 1 1 3 垃圾渗滤液的危害2 1 2 垃圾渗滤液的处理现状3 1 2 1 国内外研究现状、发展动态3 1 2 2 垃圾渗滤液的处理方式5 1 3 凝灰岩简介6 1 3 1 地质简况7 1 3 2 凝炭岩物相及化学成分特征7 1 3 3 凝灰岩物理化学性质8 1 3 4 我国凝灰岩的开发利用及前景。1 0 1 4 本课题研究目的、理论意义和实际应用价值1 3 1 4 1 课题研究目的1 3 1 4 2 理论意义和实际应用价值1 3 第2 章实验方法1 4 2 1 实验原料及药品1 4 2 1 1 实验主要原料。1 4 2 1 2 实验药品15 2 2 实验设备1 6 2 3 实验方法1 6 2 3 1 实验技术路线1 6 2 3 2 相关参数的测定1 7 第3 章凝灰岩的改性实验。2 0 3 1 凝灰岩的表面改性概述2 0 3 1 1 凝灰岩改性方法。2 0 3 1 2 凝灰岩改性原理2 0 3 2 凝灰岩改性影响条件实验2 1 3 2 1 实验方法2 1 3 2 2 酸浓度对改性效果的影响2 2 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 3 浸泡时间对改性效果的影响2 3 3 2 4 焙烧温度对改性效果的影响2 5 3 2 5 焙烧时间对改性效果的影响。2 6 3 3 小结2 8 第4 章垃圾渗滤液吸附处理实验研究。3 0 4 1 吸附的概述3 0 4 1 1 吸附法3 0 4 1 2 吸附的原理3 0 4 1 3 吸附的类型3 0 4 1 4 影响吸附的因素。3 l 4 2 吸附影响因素实验3 2 4 2 1 垃圾渗滤液p h 对吸附效果的影响3 2 4 2 2 反应时间对吸附实验的影响3 3 4 2 3 吸附剂投加量对吸附效果的影响3 5 4 2 4 反应温度对吸效果的影响3 6 。 4 2 5 搅拌转速对吸附效果的影响3 7 4 2 6 垃圾渗滤液浓度对吸附效果的影响3 9 4 3 改性凝灰岩处理垃圾渗滤液动态实验4 0 4 4 ，j 、结4 3 第5 章吸附机理及吸附剂的再生4 4 5 1 改性凝灰岩吸附机理分析4 4 5 1 1 改性机理分析4 4 5 1 2 扫描电镜( s e m ) 分析4 4 5 1 3 比表面积( b e t ) 分析4 6 5 2 再生概论4 6 5 3 再生方法4 6 5 4 再生实验步骤4 6 5 5 ，j 、结4 7 第6 章结论及建议4 8 6 1 结论4 8 6 2 建议4 9 参考文献5 0 致谢5 2 v 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 垃圾渗滤液的形成、组成、特点及危害 环境与发展是当今世界的两大主题。在世界经济快速增长的同时，全球环境问题也 变得日益突出。水是人类赖以生存的最基本的环境要素，要构建和谐社会，必须保护好 水资源。然而，垃圾渗滤液通过周边环境及地下水体发生迁移及释放已形成一系列的环 境污染问题，并且对公众的健康和安全造成威胁，这都已经成为制约社会和经济发展的 重要因素，引起了世界各国的广泛关注【1 1 。 1 1 1 垃圾渗滤液的形成及组成 目前，在我国乃至全球范围内对城市生活垃圾进行处置的方式仍以卫生填埋为主 【2 1 。渗滤液主要来源于垃圾本身含有的水分以及进入填埋场的雨雪水和其他水分，当这 些水分扣除垃圾、覆土层的饱和持水量以及填埋场的表面蒸发量，并经历垃圾层和覆土 层而形成的一种高浓度有机废水【3 1 。 渗滤液通过垃圾时，通过淋溶、吸附解析等方式带下垃圾中的各类化合物，从而形 成形态各异的垃圾渗滤液。从垃圾渗滤液的形成过程可以看出，垃圾渗滤液中的污染物 来源复杂，污染物主要有以下三种： 1 垃圾本身含有的大量可溶性有机物和无机物； 2 垃圾通过生物、化学、物理作用产生的可溶性物质； 3 覆土和周围土壤进入渗滤液的可溶性物质，成份非常复杂。由于污染物种类繁 多，因此一般用种粮指标来反应其污染状况。p h 值一般在4 9 之间，c o d e r 在2 0 0 0 - 6 2 0 0 0 m g l 范围内，b o d s 从6 0 - 4 5 0 0 0 m g l ，重金属浓度和市政污水 中重金属浓度基本一致【4 1 。 1 1 2 垃圾渗滤液的特点 1 渗滤液水质水量随时间变化大。 2 渗滤液成份复杂，一般而言，渗滤液中的有机物可分为三类：低分子量的脂肪 酸类、腐殖质类高分子的碳水化合物及中等分子量的灰黄霉酸类物质。虽然渗 滤中某一特定污染物的浓度均很低，但由于污染物种类繁多，因此其总量巨大。 东北大学项士学位论文 第1 章绪论 3 c o d 和b o d 浓度都很高，c o d 高达几万，b o d 也达到几千，但是随着填埋 时间的延长，b o d c o d 值甚至低于0 1 ，说明稳定期和老龄渗滤液的可生化 性较差。尤其是老龄渗滤液，其中对c o d 有贡献的部分主要是分子量小于5 0 0 0 的小分子类物质，主要包含腐殖酸、富里酸和一部分亲水性小分子物质，这几 类物质用传统的生物处理很难得到好的去除效果。 4 氨氮含量高，老港填埋场的新鲜渗滤液氨氮浓度高达3 0 0 0 多m g l ，且渗滤液中 的氮主要以氨氮的形式存在。试验证明，渗滤液中的氨氮主要存在于分子量小 于1 0 0 0 的可溶性部分。氨氮浓度随时间变化不大，高浓度的氨氮对后续生物处 理有抑制作用。 5 金属离子含量高。试验证明，垃圾中的金属离子含量远高于渗滤液中的金属离 子含量。这是由于垃圾本身对金属离子的吸附等一些作用造成的。但渗滤液中 仍有数1 0 种金属离子，如铜、锌、铅、镍、铬、镉、钙、镁、钾和钠。其中铁 浓度可高达2 0 5 m g l ，铅的浓度可达1 2 3 m g l ，锌的浓度可达1 3 0 m g l ，钙的浓 度可达4 3 m g l ，均超过一般的排放标准，有待进一步处理。 6 色度高，有臭味。新鲜渗滤液为深黑色，老龄渗滤液颜色为黄褐色【5 1 。 1 1 3 垃圾渗滤液的危害 作为一种含高浓度的污染物废水，渗滤液由于其成分复杂、组成多变、持续时间长 等特点，其对周围环境及人类有着严重的影响。特别是国内外众多填埋场、堆场，由于 资金、技术等原因，在场址建设过程中并没有采取严格的防渗措施，这样一来，这些填 埋场就成为一个持续的污染源，不断释放的渗滤液很容易与周围环境进行物质、能量交 换，从而引发污染面积巨大、不可逆的污染事故，给周围居民和生态环境造成巨大的、 甚至是永久的危害【6 】。 1 1 3 1 垃圾渗滤液对人类健康的影响 毒物质和各类病原菌、病毒等很容易通过地下水或地表水进入食物链。当被污染的 动植物食品和饮水进入人体后，就可能使人体罹患癌症或其他疾病。那些难降解的有毒 物质，能在其迁移途径中在人体内不断积累，使人体发病率增加。很多有毒物质具有“三 致力作用，是人体发生畸变、癌变的直接元凶【刀。有毒有机物及铅、汞、镉、铬、铜、 镍等重金属类，经过呼吸道、消化系统、皮肤等途径被人或动物所吸收，有些与体内黏 液中的有机分子结合成络合物附着在体壁上，阻碍氧和二氧化碳的交换，抑制细胞的生 长发育，破坏细胞内含物，降低酶类活性，引起急慢性中毒，致使细胞畸变，或引发癌 东北大学项士学位论文 第1 章绪论 变，以致死亡。有些重金属，当饮用水中含量达到一定数量级时，会对物质代谢起催化 作用，使肝、肺、心脏等发生病变【s 】。 1 1 3 2 垃圾渗滤液对周围环境的影响 固体废物甚至是有毒的危险品在填埋过程产生的渗滤液含有大量有毒有害物质渗 滤液长向地下渗漏1 9 1 ，如不妥善处理，会对周边的环境成严重污染。垃圾渗滤液中重金属 对环境产生严重不良影响，某些地区的土层中重金属影响的深度已达到地面以下2 0 - 2 5 米。在这个深度内，铅、汞、镉、铬、铜、镍等浓度均大量增高【埘。 h a l l b o u r g 等【l l 】对美国佛罗里达中北部的垃圾填埋场的地下水和地表水的研究结 果表明：水体中存在着大量芳香族有机组分及固体废物中未被分解的优先控制有机污染 物。美国大约有1 8 5 0 0 个垃圾填埋场，几乎有一半对水体都产生污染。莱茵河地区因垃 圾堆渗滤水污染地下水，使很多自来水厂关闭。目前我国有近9 0 垃圾填埋场没有隔水 层，长期以来，垃圾填埋场渗透出的污水大部分渗入到地下水中。国土资源部1 9 8 1 1 9 8 4 年和2 0 0 0 - 2 0 0 2 年两轮全国地下水资源评价结果表明：我国地下水污染范围日益扩大， 全国2 3 城市地下水水质普遍下降，3 0 0 多个城市由于地下水污染造成供水紧张，不仅 地下水污染物的成分越来越复杂，而且污染程度和深度也在不断地增加，有些地区深层 地下水中已有污染物检出。我国兰州雁滩、马滩水源地部分水井因渗滤液污染而废弃。 垃圾渗滤液渗入土壤中对生态环境也会造成长期的不可低估的影响。残留毒害物质 不仅在土壤里难以挥发消解，而且能杀死土壤中的微生物，改变土壤的性质和结构，阻 碍植物根系的生长和发育，并在植物体内蓄积【1 2 】。 1 2 垃圾渗滤液的处理现状 1 2 1 国内外研究现状、发展动态 国内现状及发展动态 目前，随着城市的建设与发展，垃圾填埋场无论在数量还是在规模上都在不断增加。 根据我国现状，卫生填埋还将是国内大部分城市的首选方法，而对这方面的研究国内起 步较晚，垃圾填埋渗滤液对周围水源的污染事件也时有报道，这将制约我国环境保护策 略的实施【1 3 1 。因此，我国在建立垃圾填埋场时，应注意寻找一项经济、合理的渗滤液处 理系统，以达到经济、社会、环境效益的统一。城市固体废弃物处理的首要问题是防止 垃圾渗滤液污染填埋场附近的地下水及地表水，为此应对填埋场底部根据场址的工程地 质和水文地质情况进行防渗处理。防渗系统不仅要求防渗材料、防渗方式等满足其机理， - 3 - 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 而且还应该通过排水网管、集水池等将渗滤液进行有效的收集，经过净化处理后排放到 周围环境中去。垃圾渗滤液的净化处理是填埋场正常、有效管理与运行必不可少的重要 环节之一，其处理方案主要有：直接排入城市污水厂进行合并处理；渗滤液向填埋场的 循环喷洒处理；经过必要的预处理后汇入城市污水厂合并处理；填埋场建设污水处理站 进行单独处理。由于现行使用的垃圾填埋场一般距城市污水处理场较远，且受城市污水 处理总量等的限制，我国一般采用对垃圾渗滤液的单独处理。由于受诸多因素的制约， 填埋场渗滤液的形成、数量及其成分具有高度的不稳定性，存在许多难以生物降解的萘、 菲等非氯化芳香族化合物、苯胺类化合物等有机物及大量氨氮，从而使得现有技术对该 废水的处理有相当大的难度实验证明，渗滤液的可处理性主要取决其本身的组成及其所 含有机物的性质，因此，合理的渗滤液处理策略将取决于所收集的渗滤液的特性【1 4 l 。 目前，对垃圾场渗滤液的处理主要有物理化学法、生物处理法和回灌法，国内大多 采用生物处理法。预处理一合并处理是基于减轻进行直接混合处理时，渗滤液中有害的毒 物对城市污水处理厂的冲击危害，而采取的一种场内、外联合处理的方案。渗滤液首先 通过设于填埋场内的预处理设施进行处理，以去除渗滤液中的重金属离子、氨氮、色度 以及s s 等污染物物质，或通过厌氧处理以改善其可生化性、降低负荷，为合并处理正常 运行创造良好的条件。由于城市垃圾填埋场通常位于离城市较远的偏远山谷地带，但是， 当城市污水处理厂离填埋场较远时，采用城市污水处理厂合并处理的方案，往往因渗滤 液远距离输送的费用较高而不经济，此时，建设场内独立的完全处理系统便成为一种选 择的方案。但由于渗滤液的污染负荷很高，尤其是有毒有害物质含量较高，因而处理工艺 系统为多种处理方法的有机组合，目前多采用预处理一生物处理一后处理的工艺流程 【1 5 】 o 国外现状及发展动态【1 6 】 由于垃圾渗滤液含有高浓度的有机物和有毒物质，对环境的污染较大，处理不当会 对环境造成更严重的二次污染，而且垃圾渗滤液的性质随着垃圾的组成、年份、地理和 气候环境而变化，因此垃圾渗滤液的处理技术一直是目前的研究热点和难点之一。经过 多年的研究，涌现出各种工艺，其中生物处理工艺相对物理和化学工艺具有成本低，处 理效率高和对环境的二次污染小等优点，但是单一的生物处理工艺并不能完美地解决垃 圾渗滤液的环境污染问题，特别是对可生化性较低的“中老年 填埋场的渗滤液。因此， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 重要方向，也是近年来国际上环境保护领域面向2 1 世纪的研究热点之一。特别对于经 济不发达、污染源分散和渗滤液量小的地区，更易采用成本低和操作简单的处理系统， 因而污泥产量低，耗能小和维护运行简便的新型处理系统，具有广泛的应用前景。 膜技术能够有效的截留各种污染物，获得纯度较高的出水，在国外得到广泛的应用， 其中反渗透技术( r o ) 的应用最广，但是膜组件的成本较高，新型低成本膜的开发与 应用将带来水污染处理领域的全新革命；膜污染的物理清洗仅能恢复膜通量约7 0 ，而 化学清洗能恢复膜通量约9 0 以上，但是化学清洗耗能高，且易造成二次污染，而生物 清洗技术利用微生物自身的生物代谢机理实现膜的清洗，可以解决膜清洗困难和二次污 染的难题。 1 2 2 垃圾渗滤液的处理方式 由前文可知，垃圾渗滤液是一种高浓度的有机废水，若不加处理而直接排入环境水 体，将造成严重的水污染事故而危害生态环境。所以，必须对渗滤液进行行之有效的处 理使之达标排放，杜绝和避免它对自然环境的污染危害。垃圾渗滤液的处理技术因渗滤 液的自身特点有其极为显著的特殊性，常用的处理方案有以下四种m ： 输送合并处理方案直接引入城市污水合并处理 。 渗滤液与规模适当的城市污水处理厂合并处理是最为简单的处理方案，它不仅可以 节省单独建设渗滤液处理系统的大额费用，还可以降低处理成本，但这并非是普遍适用 的方法。一方面，由于垃圾填埋场往往远离城市污水处理厂，渗滤液的输送将造成较大 的经济负担；另一方面，由于渗滤液所特有的水质及其变化特点，在采用此种方案时， 如不加控制，则易造成对城市污水处理厂的冲击负荷，影响甚至破坏城市污水处理厂的 正常运行。 渗滤液循环喷洒方案用渗滤液向填埋场作循环喷洒处理 渗滤液的循环喷洒是一种较为有效的处理方案。通过回喷可提高垃圾层的含水率， 由2 0 - 2 5 提高到6 0 7 0 ，增加垃圾的湿度，增强垃圾中微生物的活性，加速产甲烷 的速率、垃圾中污染物溶出及有机物的分解；还可以因喷洒过程中挥发等作用而减少渗 滤液的产生量，对水量和水质起稳定化的作用，有利于废水处理系统的运行，节省费用； 此外，能加速垃圾中有机物的分解，缩短填埋垃圾的稳定化进程，可使原需1 5 - 2 0 年的 稳定过程缩短至2 - 3 年。 预处理后合并方案经预处理过的渗滤液与城市污水合并 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 预处理一合并处理是基于减轻进行直接混合处理时渗滤液中有害的毒物对城市污水 处理厂的冲击危害而采取的一种场内外联合处理方案。渗滤液首先通过设于填埋场内的 预处理设施进行处理，以去除渗滤液中的重金属离子、氨氮、色度以及s s 等污染物质 或通过厌氧处理以改善其可生化性、降低负荷，为合并处理正常运行创造良好的条件。 单独系统处理方案建设独立的场内完全处理系统 垃圾渗滤液具有不同于一般城市污水的特点：b o d 5 和c o d c r 浓度高、金属含量较 高、水质水量变化大、氨氮的含量较高，微生物营养元素比例失调等。在渗滤液的处理 方法中，在填埋场建设污水处理厂是将渗滤液彻底处理的最有效的方法。另外，在场内 建设完全独立的处理系统，能够完全地消除渗滤液，将渗滤液的危害全部消除，是最彻 底的渗滤液处理方法。由于渗滤液的污染负荷很高，尤其是有毒有害物含量较高，因而其 处理工艺系统须为多种处理方法的有机组合。目前多采用预处理一生物处理一后处理的 工艺流程。 1 3 凝灰岩简介 凝灰岩是火山碎屑岩的一种，是介于熔岩和沉积岩之间的过渡类型岩石，呈现一系 列过渡种属。近2 0 年来随着火山学和沉积学的快速发展，凝灰岩的研究趋向成熟，分类 和成因研究得到了深化，逐渐向火山沉积作用和火山喷发物理作用方向发展【l 引。s p a r k s 等人对其分类和成因做了深入的研究，得n t 比较系统的结论f 1 9 1 。 凝灰岩的分类 凝灰岩主要可分为晶屑玻屑凝灰岩、熔结凝灰岩、流纹质凝灰岩等几种： 1 晶屑玻屑凝灰岩：颜色以灰白色为主，凝灰结构，块状构造。晶屑玻屑含量小 于1 0 ，晶屑以石英、长石及少量暗色矿物组成。玻屑含量3 1 0 ，属玻璃质。 凝灰质胶结，块状构造，岩石坚硬，厚层一巨厚层状。产于距离火山口较远地带。 2 熔结凝灰岩：晶屑玻屑含量小于1 0 ，晶屑以石英、长石及少量暗色矿物组成， 灰一深灰色，熔岩结构，块状构造，胶结物为熔岩胶结，岩石致密坚硬。 3 流纹质凝灰岩：晶屑玻屑含量小于1 0 ，晶屑以石英、长石及少量暗色矿物组 成，灰一深灰色，流纹条带( 黑白相间) 清晰，流纹结构，块状构造，熔岩质胶 结，产于距离火山口较近地带，岩石致密坚硬。 凝灰岩的成因 凝灰岩是一种分布最广泛、最常见的细粒火山碎屑岩碎屑，主要表现为岩屑、晶屑、 玻屑和火山灰，其碎屑粒径一般小于2 0 r a m 。它是由火山爆发而抛入空中的火山物质经 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 长距离的搬运，散落于盆地，再经压结和水化学胶结固结成岩刚。 凝灰岩的用途 凝灰岩不仅是一种较好的建筑材料，而且也是一种良好的吸附剂、脱色剂、填料、 制模材料等【2 1 1 。目前，凝灰岩的研究还比较薄弱，凝灰岩的开发应用在我国尚未引起重视， 迄今还未形成产业。丰富的凝灰岩资源如能得到开发应用，它将成为一种新型和重要的 非金属矿产资源，不但在国民经济中发挥重要的作用，而且还大大有利于非金属矿产资 源的可持续开发与利用【2 2 1 。 1 3 1 地质简况 我国凝灰岩主要分布于中国东部，尤其是东南沿海地区的中生代火山岩带中，为环 太平洋火山带的一部分，主要产于上侏罗统南园组、磨石山群，中白垩统帽石山群；华北 板块北缘中生代凝灰岩分布也较为广泛，岩层主要产于上侏罗统后城组、张家口组和下 白垩统义县组；新生代酸性凝灰岩在我国仅有零星分布，如湘北凝灰岩，产于第四系下更 新统。我国凝灰岩以酸性凝灰岩最为典型，多以流纹质和流纹英安质为主，属钙碱性系列 火山岩f 2 3 1 。 1 3 2 凝炭岩物相及化学成分特征 凝灰岩具有凝灰或沉凝灰等结构。岩石主要由晶屑、玻屑、岩屑、角砾和火山灰等 火山物质组成，晶玻屑常具多种形态，如火焰状、鸡骨状、撕裂状和弧面状等。据计算， 我国东南沿海含叶蜡石凝灰岩建造的c i p w 标准矿物含量，主要由石英、钾长石和钠长 石等矿物组成，其含量( ) 分别为3 8 5 5 、2 7 3 9 、2 2 6 3 ，三者之和一般大于9 0 ，另外还 含有少量钙长石，平均3 5 6 ；其它矿物，尤其是铁镁矿物含量很少。此外，凝灰岩常不 同程度地伴生有沸石、蒙脱石、伊利石或高岭石、埃洛石等蚀变矿物。由表1 1 2 0 可知 我国凝灰岩化学成分主要为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、k 2 0 和n a 2 0 等，次要成分为c a o 、m g o 、f e o 和f e 2 0 3 等。酸性凝灰岩s i 0 2 、a 1 2 0 3 一般分别 7 0 和 13 ；k 2 0 + n a 2 0 通常 5 ，且 k 2 0 一般 n a 2 0 ：f e 2 0 3 、f e o 一般分别 o 1 7 和 o 1 9 ，且f e 0 通常 f e = 2 0 3 ，二者之和 一般 3 8 0 ；其它成分均很低。由此可知酸性凝灰岩化学成分具有高硅、富铝、丰碱和 贫铁等特征，属钙碱系列、铝过饱和岩石。我国部分凝灰岩的化学成分见表1 1 1 2 4 1 。 东北大学硕士学位论文第1 章、绪论 表1 1 我国部分凝灰岩的化学成分( ) t a b1 1c o m p o s i t i o no fs o m et u f f i nc h i n a ( ) 产地地层岩性s i 0 2 a 1 2 0 3f e 2 0 3 f e o t i 0 2m g o c a o n a 2 0k 2 0 1 3 3 凝灰岩物理化学性质 充分认识凝灰岩的物理化学性质是开发利用凝灰岩的前提条件，由于对其开发利用 价值认识不够，我国在这方面的研究成果还比较少。通过专题研究和综合前人的研究成 ； 东北欠擘硕士学住论文、笫1 章绪论 与火山灰质材料、粉煤灰等的化学活性相类似，将凝灰岩磨细成粉，与石灰或石灰 与石膏混合后，在常温下发生化学作用，生成具有凝胶性的水化物，具化学活性的混合材 料，往往是在低温和压力骤然释放条件下形成的固体非晶态物质。在常温下这些非晶态 物质不稳定，极易向熵增加的方向转化，而显示出化学活性。凝灰岩正是在这种条件下形 成的，其物相包括了大量的非晶态的火山玻璃，从而显示出异常高的化学活性。 1 3 3 3 多孔性 凝灰岩的孔隙度主要由粒内和粒间两类孔隙组成。前者主要取决于火山碎屑自身的 性质、颗粒形状、大小及其堆积方式、粒径均一度、岩石的压结和蚀变程度等因素，在 承受一定压力的自然状态下，颗粒的刚性程度越高、形状越复杂、粒度宽度越窄、粒径 越均一、堆积越松散、压结程度越低，粒问孔隙度就越大；而后者主要有两种成因，一种 为火山气孔，属原生孔隙，而另一种为淋滤孔，属后生孔隙。原生火山气孔形态较为规则， 多呈空心球状、椭球状、弧面状、盘状及圆窝状等结构形态；而受淋滤作用形成的孔隙， 以不规则柱状和颗粒表面的蜂窝状、网格状孔隙居多，部分为侵蚀凹坑。凝灰岩孔隙的 大小、分布特征、比表面积以及其孔隙率、吸水率、导热系数是当前亟待研究的问题。 经过对湘北玻屑凝灰岩的孔隙研究表明，其孔隙度为4 6 1 4 6 7 4 9 ，平均为5 5 4 6 ，干 容重略小于1 1 0 0 9 c m 3 ，粒内孔隙多以淋滤孔为主，孔径一般为0 0 2 x 1 0 6 m 平均为： 0 3 8 x1 0 6 m 。这说明在原生孔隙较为缺乏的情况下，后期地质改造作用( 如淋滤、水化作 用等) 对凝灰岩的成孔是非常重要的。 。 ： 1 3 3 4 膨胀性 与珍珠岩相似，酸性的凝灰岩玻璃质在高温瞬时灼烧下体积膨胀数倍至几十倍。其 膨胀主要是由于玻璃质中的结合水，在高温时汽化，使玻璃质膨胀所致。决定膨胀倍数 k ( v 2 v i ) 的因素主要是有效含水量和适宜的加工粒度。参考珍珠岩实验研究结果，最佳 膨胀效果的有效含水量一般为2 - 4 ，加工粒度待工业用途所需膨胀倍数而定。由于不 同酸性凝灰岩具有不同的结合水和玻璃质含量，故开发应用其膨胀特性时，应选择好适 宜的原料，方能获得最佳效果。 1 3 3 5 复矿性 在自然界中，由于凝灰岩的不稳定性，使其容易发生蚀变，在水介质中，经水解脱玻， 向沸石类、蒙脱石类矿物或高岭土、埃洛石类矿物转化而发生矿化。部分蚀变的凝灰岩 往往包含有一种或几种这类蚀变矿物；如果岩层发生整体蚀变则会形成具工业意义的矿 产，如我国东南沿海的含叶蜡石凝灰岩建造，华北板块北缘及东南沿海的含膨润土凝灰 岩建造等；一些凝灰岩在沉积成岩过程中伴生一些外来矿物质( 包括有机质) ，如炭质凝 灰岩等。这就决定了凝灰岩是一种天然的矿物复合质原料。凝灰岩的这种性质赋予其自 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 身不具有的一些特殊性质。如含蒙脱石水化流纹质玻屑凝灰岩其离子交换量等都要大于 正常的凝灰岩而小于膨润土，而且随着凝灰岩层层位的变化和蒙脱石含量的增减，凝灰 岩的这种离子交换性能和膨润性能也显示出相应的增减；由于凝灰岩熔剂总量( 即 f e 2 0 3 、t i 0 2 、m g o 、c a o 、n a 2 0 、k 2 0 等熔剂组分之和) 一般为6 1 3 ，平均为9 5 ， 决定了其具有高的烧成收缩和低的耐火度和烧结温度等特征对于含蒙脱石水化统纹质 玻屑凝灰岩，由于具有高的熔剂总量( 平均为7 ) ，其线收缩率最高可达到2 4 ，体积收 缩率最高可达5 6 ，而耐火度低于1 4 0 0 ，烧结温度范围较窄为1 1 6 0 - 1 1 8 0 。再如含伊 利石凝灰岩，其钾来源于伊利石和凝灰岩，故钾的含量颇可观。可用于工业提钾或作为混 肥的有效组分之一。凝灰岩其它的一些物化性质如力学性能、粒度效应等尚待研究。所 选择的凝灰岩以哪些物理化学性质为主，则决于其所属凝灰岩的种类、成岩条件及后期 的地质改造等多种因素。 1 3 4 我国凝灰岩的开发利用及前景 我国对于凝灰岩的开发利用研究尚还处在初级阶段，这方面的成果报导尚不多见。 由表1 2 t z o j 可知，当前凝灰岩的开发研究主要集中在利用其化学成分特性、化学活性、 多孔性等物理化学特性方面，而膨胀性和复矿性等物化特性则鲜见开发研究和报导。从 凝灰岩的一些有待开发应用方向来看，今后凝灰岩将会在建材、农业、精细化工、食品、 环保等行业和领域大有作为。可以预料，随着凝灰岩开发利用研究的深入，其应用领域将 会不断地被拓展，其潜在的资源优势最终将得以发挥；再者，我国凝灰岩层常和与其有成 因关系的沸石、膨润土、高岭土等蚀变矿床呈层状、互层状或夹层状产出，在开采这些 蚀变矿产的同时如能回收或开采与其相伴生的凝灰岩，则无论是从经济还是从资源可持 续利用的角度考虑，都具有非常重要的意义，主要开发研究及应用方向见表1 2 。 此外，天然矿物是一类资源丰富、价格低廉、对能源消耗最少、与环境协调性最佳 的材料。一些天然矿物还具有净化环境和修复环境的功能，是理想的环境材料。 类似于有机界生物处理方法，利用无机界天然矿物治理污染的方法是建立在充分利 用自然规律的基础之上的，体现了天然自净化作用的特色。更为有利的是，要采用的部 分天然矿物往往来源于矿山废弃物，以废治废、污染控制与废弃物资源化并行，具有“零 排放 、兼有“零废料 的环保意义。显然，矿物处理设备简单、成本低、效果好且不 出现二次污染等优势，理应成为发展中国家寻求成本低廉的环保技术、实现环保与生产 的协调发展以及确保社会与经济的持续发展而要优先开展的重点研究方向之一瞄。 东北大学硕士学位论文第