新型土-有机土墙防污屏障长期服役性能演变机理及监测

Contamination of subsurface water and soils is a key problem that our government strives to solve. Vertical cutoff wall is one of the most effective measures in subsurface contaminant containment, which has been widely adopted in municipal solid waste landfills. Challenges arise for the popular soil-bentonite cutoff wall when facing the long-term performance requirement of hazardous waste landfills, due to its limited adsorbing ability, possibility of large mass flux due to diffusion, poor chemical compatibility induced increment in hydraulic conductivity, and the preferential flow channels and the stability issues caused by the compression of electrical double layer surrounding the clay particles. Due to their high adsorbing capacity, low compressibility and high strength and stiffness, the emerging organically modified clays (organoclays) are ideal substitutes for bentonite in a soil-bentonite cutoff wall. This study aims at revealing the limiting factors on the long-term serviceability of soil-organoclay cutoff wall by tests on laboratory specimen-scale, centrifuge model-scale and pilot field-scale, followed by analytical methods and numerical simulations. This study also aims at verifying the feasibility of using shear wave velocity as a means of monitoring the performance of soil-organoclay cutoff wall directly, given the fact that shear wave velocity is sensitive to the adsorbed ions on clay surfaces. The success of this study will result in new cutting edge barrier materials and monitoring methods for soil-organoclay vertical cutoff walls, and relieve the severity of the contamination of subsurface water and soils.

我国地下水土污染严重的问题得到了国务院的高度重视。而竖向防污屏障是控制地下水土污染源扩散最有效的措施之一，但面对不规范危险废物填埋场的长期服役性能的要求，目前常用的土-膨润土墙防污屏障面临吸附性能有限、扩散导致大量污染物迁移、化学兼容性差引起的渗透系数增加和双电层压缩导致的优势流通道产生以及失稳破坏等挑战。而新兴的有机物改性土（有机土）具有强吸附性、低压缩性和较高的刚度及强度，是土-膨润土墙防污屏障中膨润土的优良替代品。本项目从室内单元体实验、离心机模型试验和现场试验段三方面着手，结合解析方法和数值模拟，拟揭示新型土-有机土墙防污屏障长期服役性能演变规律及服役性能失效机理。并针对剪切波速对粘土颗粒表面吸附离子敏感的特性，本项目拟验证剪切波速作为直接监测土-有机土墙服役性能的可行性。研究成果会产生新的国际领先的危险废物阻滞材料及竖向防污屏障监测方法，并缓解地下水土污染严重的问题。

我国地下水土污染问题得到了国务院的高度重视。而竖向防污屏障是控制地下水土污染源最有效的措施之一。目前常用的土-膨润土墙防污屏障面临吸附性能有限、扩散导致大量污染物迁移、化学兼容性差引起的渗透系数增加和双电层压缩导致的优势流通道产生以及失稳破坏等挑战。新兴的有机物改性土能良好的解决上述问题。本项目的主要研究内容为：1）揭示土-有机土墙防污屏障对危险废物渗滤液阻滞性能的演变机制；2）监测土-有机土墙长期力学性能演变的可行性研究；3）拟应用于现场试验段。上述研究内容依照项目任务书执行。本项目取得的主要研究进展、重要成果和关键数据概述如下：1）调研发现固体废弃物堆体场地常见污染物包括化学需氧量（chemical oxidation demand，简称COD）、氨氮、重金属等五类，并总结凝练了去除每类污染物的屏障材料。据此筛选出氨氮、铅、铁和COD等典型污染物以及有机土、沸石、生物炭等高效或新兴屏障材料作为新型土-有机土墙长期服役性能研究的主要污染物及屏障材料。通过击穿、弯曲元、电镜、压汞、频谱激发极化法等实验方法，分析监测了上述污染物-屏障材料相互作用对污染物赋存形态、屏障服役性能演化的作用机制和影响规律；2）研发固结-击穿-弯曲元实验柱（CBB柱）；3）实验发现污染物击穿过程对屏障力学特性的影响规律，成果在安徽淮南某填埋场示范性应用；4）根据污染物击穿曲线实验，比选4种数值方法计算防污屏障的阻滞因子；5）研发出聚合物改性膨润土屏障材料，具有低渗及良好的化学相容性，渗透系数低至10-12m/s量级，并且在50 mM的铜离子溶液中保持渗透系数低于1x10-11m/s；6）污染物-屏障材料相互作用机理研究及实验验证；7）离散元方法预测屏障材料服役性能初探。.科学意义：本研究从科学层面阐明了污染物-屏障材料的作用机理，实时监控了屏障渗透系数、刚度（一种防塌陷变形能力指标）及吸附饱和量，并计算得到污染物阻滞能力，最终获得了低渗透性能、良好化学相容性的聚合物改性膨润土材料。