Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne gruntów

KAZIMIERZ GARBULEWSKI, JOANNA FRONCZYK
Katedra Geoinżynierii, SGGW w Warszawie
Department of Geotechnical Engineering, Warsaw Agricultural University – SGGW
Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne
gruntów
Effect of liquid waste on soil permeability
Wstęp
Bezpieczeństwo budowli inżynierskich i/lub ich elementów konstrukcyjnych zależy od występowania w podłożu gruntów o parametrach hydraulicznych, wytrzymałościowych i odkształceniowych zgodnych z przyjętymi w
projekcie. Jednakże, w czasie eksploatacji obiektów, w tym zwłaszcza związanych z ochroną środowiska (składowiska i hałdy odpadów, osadniki, oczyszczalnie ścieków, itp.), właściwości gruntów ulegają korzystnym lub niekorzystnym zmianom w wyniku takich procesów jak przyciąganie molekularne, sorpcja i wymiana jonów. Interakcja pomiędzy substancjami chemicznymi a cząstkami gruntu jest uwarunkowana charakterem substancji, które dostają się do
podłoża (kwasy, zasady, związki polarne i niepolarne) oraz mikrostrukturą
fizyczną i chemiczną gruntu (szkielet
gruntowy, podwójna warstwa dyfuzyjna
- DDL). Poznanie mechanizmów interakcji pozwala uwzględnić dynamiczną
zmianę parametrów gruntowych na eta-
pie projektowania, co powinno zmniejszyć ryzyko wystąpienia awarii budowli.
W artykule zostaną przedstawione
wyniki badań wpływu płynnych zanieczyszczeń: odcieków ze składowisk
odpadów i substancji ropopochodnych,
na parametry hydrauliczne gruntów
drobno- i gruboziarnistych. W badaniach zastosowano aparaty wykonane w
Katedrze Geoinżynierii SGGW, przystosowane do badań z użyciem substancji chemicznych. Wyniki badań wskazują na wystąpienie pod wpływem płynnych zanieczyszczeń istotnych zmian
parametrów filtracyjnych badanych
gruntów; tendencje tych zmian zależą od
rodzaju płynnego zanieczyszczenia.
Płynne zanieczyszczenia – źródła i właściwości
Do zanieczyszczeń płynnych zalicza
się ciekłe odpady przemysłowe, w tym
produkty uboczne powstałe w rafineriach i zakładach chemicznych oraz
innych zakładach przemysłowych, ście-
Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne gruntów
157
ki miejskie oraz odcieki ze składowisk
odpadów komunalnych i przemysłowych. Klasyfikację płynnych zanieczyszczeń podano na rys. 1. W przypadku awarii urządzeń technologicznych
lub
nieprawidłowego postępowania
(brak zabezpieczeń), zanieczyszczenia
płynne przedostają się do warstw wodonośnych zagrażając zanieczyszczeniem
ujęcia wody pitnej.
Jednym z groźnych dla środowiska
źródeł płynnych zanieczyszczeń są skła-
dowiska odpadów. Przy braku właściwych zabezpieczeń oraz w niekorzystnym układzie hydrogeologicznym, odcieki rozprzestrzeniają się w głębsze
warstwy podłoża i zanieczyszczają wody podziemne. Skład chemiczny odcieków (tabela 1) jest bardzo zróżnicowany
i zależy od wielu czynników, przy czym
największe znaczenie mają: wiek składowiska, stopień zagęszczenia i rodzaj
Odpady płynne (np. odcieki)
Waste Liquids (e.g., leachates)
Ciecze mieszającesię z wodą
Aqueous liquids
Mieszanina cieczy
(dwie fazy płynne)
Mixed Liquids (two
separate liquid
Związki nieorganiczne
Inorganic Chemicals
Hydrofobowe
związki organiczne/
hydrophobic organic
compounds
Roztwory zasad
(np. NaOH)
Base solutions
(e.g., NaOH)
Roztwory
kwasów (np.
HCl)
Acid solutions
(e.g., HCl)
Lekka faza ciekła nie
mieszająca się z wodą
(benzen, ksylen)/
LAPL- (Light NonAqueous Phase Liquids
(e.g., bnzene, xylene)
Hydrofilne związki
organiczne
Hydrophilic organic
compounds
Roztwory soli
(np. NaCl)
Salt solutions
(e.g., NaCl)
Organiczne
kwasy (np.
kwas octowy)
/Organic acids
(e.g., acetic
acid)
Ciecze nie mieszające
się z wodą
Non-Aqueous Liquids
Ciężka faza ciekła nie
mieszająca się z wodą
(trichloroetylen)
DNAPL- (Dense NonAqueous Phase Liquids
(e.g., trichloroethylene)
Organiczne zasady
(np. anilina)
Organic Bases
(e.g., aniline)
Związki niepolarne
(np. ketony, alkohole)
Neultral polar compounds
(e.g., ketones, alcohols)
RYSUNEK 1. Klasyfikacja płynnych zanieczyszczeń (Shackelford 1994)
FIGURE 1. Classification of waste liquids (Shackelford 1994)
158
Kazimierz Garbulewski, Joanna Fronczyk
TABELA 1. Skład chemiczny odcieków ze
składowisk odpadów komunalnych (Ehrig 1989,
Andreottola i in. 1990)
TABLE 1. Characteristics of municipal solid
waste leachates (Ehrig 1989; Andreottola et al.
1990)
Parametr
Parameter
COD (utlenialność)
BOD5 (biochemiczne
zapotrzebowanie tlenu)
pH
Alkaliczność/alkalinity
Twardość/hardness
NH4
Norg
Ntot
NO3
NO2
Ptot
PO4
Ca
Mg
Na
K
SO4
Cl
Fe
Zn
Mn
CN
AOX (Adsorbowany
organiczny halogen)
Fenol
As
Cd
Co
Ni
Pb
Cr
Cu
Hg
Zakres wartości
Value Range
[mg/l]
150 – 100 000
100 – 90 000
5,3 – 8,5
300 – 11 500
500 – 8 900
1 – 1 500
1 – 2000
50 – 5 000
0,1 – 50
0 – 25
0,1 – 30
0,3 – 25
10 – 2 500
50 - 1 150
50 – 4 000
10 – 2 500
30 – 4 000
30 – 4 000
0,4 – 2 200
0,05 – 170
0,4 – 50
0,04 – 90
µg/l
320 – 3 500
0,04 – 44
5 – 1 600
0,5 – 140
4 – 950
20 – 2 050
8 - 1020
30 - 1600
4 – 1 400
0,2 - 50
składowanych odpadów, podatność na
biodegradację oraz ilość i skład wody
infiltrującej.
W odciekach składowiskowych występuje cały szereg zanieczyszczeń jo-
nowych: Cl-, NO3-, SO42-, PO43-, HNO3-,
Fe2+, Mn2+, Ca2+, Na+, K+, a także substancje organiczne. Stężenie każdej z
wymienionych substancji kilkakrotnie
przewyższa stężenia dopuszczalne.
Najmniej, bo ok. 200%, przekroczone
jest zwykle stężenie fosforanów, zaś
najwięcej stężenie azotu amonowego,
dla którego wartość dopuszczalna wynosi 6 mg NH4/l a odcieki ze składowisk zawierają ponad 2000 mg NH4/l.
W odciekach ze składowisk stężenia
makroskładników są na ogół znacznie
wyższe niż w typowych ściekach komunalnych, zwłaszcza stężenia metali
ciężkich, np. Pb – ok. 0,2 mg/l, Zn – 30
mg/l, Cd – 0,030 mg/l, Hg – 0,010 mg/l.
Drugim najczęściej występującym i
najgroźniejszym
zanieczyszczeniem
środowiska wodno-gruntowego są substancje ropopochodne, które dostają się
do gruntu na skutek awarii cystern i
rurociągów oraz nieprawidłowego zabezpieczenia terenów magazynowania i
przeładunku tych substancji. Należą do
nich głównie substancje organiczne:
rozpuszczone, nie mieszające się z wodą ciecze cięższe lub lżejsze od wody
(odpowiednio DNAPL i LNAPL) i substancje lotne (VOC). Na charakter i
zasięg oddziaływania tych zanieczyszczeń wpływ mają ich właściwości: gęstość, ciśnienie par, hydrofobowość.
Najważniejsze grupy zanieczyszczeń organicznych mogących powodować skażenie podłoża gruntowego stanowią (Zadroga i Olańczuk-Neyman
2001):
• węglowodory i ich pochodne: BTEX
(benzen, toluen, etylobenzen, ksylen),
wielopierścieniowe
węglowodory
aromatyczne WWA (antracen, benzo(a)piren), fenole,
Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne gruntów
159
• olej kreozotowy (m-krezol, o-krezol),
• halogenowe węglowodory alifatyczne
(tetrachloroeten, trichloroeten),
• halogenowe węglowodory aromatyczne (chlorobenzen, dichlorobenzen),
• polichlorowane bifenyle (PCB).
Podstawowym składnikiem substan
cji ropopochodnych są węglowodory
aromatyczne z grupy BTEX, które są
związkami silnie toksycznymi. Do
związków o dużej trwałości i toksyczności należą również PCB, które ulegają
biologicznej akumulacji w łańcuchu
pokarmowym, przechodząc na wyższe
poziomy troficzne. Pozostałe węglowodory również stanowią poważne zagrożenie dla ludzi i środowiska ze względu
na swoje właściwości rakotwórcze.
Warunki badań z zastosowaniem płynnych zanieczyszczeń
Badania wpływu płynnych zanieczyszczeń na przepuszczalność hydrauliczną ośrodka porowatego, nazywane
badaniami zgodności lub zdolności do
wspólnego występowania (z ang. compatibility test), powinny być przeprowadzane w specjalnie przystosowanych
aparatach, odpornych na działanie substancji chemicznych. Do badań zgodności gruntów spoistych o nienaruszonej
strukturze stosuje się aparaty o sztywnych ściankach, np. cylinder próbnika
Shelby lub Nesgi, natomiast gruntów
zagęszczonych cylinder aparatu Proctora. Jednakże, mogą okazać się one nie-
160
odpowiednie z powodu powstania przecieków wywołanych skurczeniem się
próbki gruntu. W komorze aparatu trójosiowego ściskania można badać zarówno
próbki o nienaruszonej strukturze wycięte z próbnika, jak i próbki zagęszczane
wycięte z cylindra aparatu Proctora
(Evans i Fang 1986). Próbki w aparacie
są osłonięte membraną i uszczelnione Oringami, co izoluje je od wody w komorze. Komora połączona jest z układem
wymuszania i kontroli ciśnień wody w
komorze, ciśnień wody w próbce do jej
pełnego nasycania techniką ciśnienia
wyrównawczego (back pressure) i wymuszania gradientu ciśnień. W celu
oddzielenia układów hydraulicznych
wypełnionych wodą i przewodów z substancją chemiczną stosowane są akumulatory przeponowe (rys. 2). Membrana w
badaniach zgodności musi być odporna
na działanie czynników chemicznych lub
specjalnie zabezpieczona, np. przez
osłonięcie powierzchni próbki taśmą
teflonową o grubości ok. 0,1 mm. Jak
wykazały obserwacje różnych membran
(Rad i Acar 1984), zarówno lateksowych
jak i polipropylenowych, te pierwsze
okazały się zupełnie nieprzydatne w
przypadku stosowania cieczy organicznych charakteryzujących się stałą dielektryczną mniejszą od ok. 7. Zaletą badań
w konsolidometrach jest możliwość obciążania próbek gruntu, co umożliwia
modelowanie stanu naprężenia in situ.
Poza tym, w obciążonej próbce boczne
naciski na powierzchnię cylindra zmniejszają możliwość powstania przecieków.
Kazimierz Garbulewski, Joanna Fronczyk
Tablica pomiarowa/measurment panel
Komora
badawcza
Test cell
Akumulatory przeponowe
Blader accumulators
wane powierzchnie płytkowych cząstek
iłów tworząc tzw. podwójną warstwę
dyfuzyjną. Grubość tej warstwy wpływa
na zdolność gruntu do przepuszczania
wody i innych ciekłych substancji. Według Gouy-Chapmana (Mitchell 1976)
grubość elektrycznej warstwy (T) wokół
ilastych cząstek wynosi:
T=
RYSUNEK 2. Zestaw do badań przepuszczalności hydraulicznej z zastosowaniem substancji
chemicznych i odcieków
FIGURE 2. Configuration of devices for compatibility tests
Części wszystkich aparatów stosowanych w badaniach zgodności powinny być wykonane z materiałów odpornych na korozję, np. z wysokiej klasy
stali nierdzewnej. Niektóre elementy
aparatów mogą być wykonane ze szkła,
jeżeli zachodzi podejrzenie, że mogą
występować reakcje chemiczne pomiędzy materiałem aparatu i organicznymi
roztworami. Przewody i zawory są
zwykle wykonywane z teflonu. W badaniach przepuszczalności hydraulicznej ośrodków porowatych stosowana
jest odpowiednio odpowietrzona woda,
substancje chemiczne lub płynne odpady. Woda zawiera zwykle ok. 8 mg/l
rozpuszczonego powietrza, natomiast
odpowietrzenie powinno być na tyle
skuteczne, aby zawartość powietrza nie
była większa niż 1–2 mg/l. Elektrolity
zawarte w wodzie mogą wpływać na
przepuszczalność hydrauliczną gruntów, w tym zwłaszcza iłów o płytkowej
strukturze. Kationy zawarte w wodzie
są przyciągane przez ujemnie nałado-
D
n oυ2
(1)
gdzie:
D - stała dielektryczna cieczy w porach gruntu;
no - stężenie elektrolitów (zasolenie);
υ - wartościowość kationów.
Zwiększenie stężenia elektrolitów
lub wartościowości kationów może
wpłynąć na zmniejszenie przepuszczalności hydraulicznej. Ciecze zawierające
jednowartościowe kationy (np. Na+, K+)
powodują zwykle zmniejszenie przepuszczalności hydraulicznej gruntów,
natomiast jeżeli w składzie cieczy znajdują się wielowartościowe kationy (np.
Ca++, Mg++) można zaobserwować tendencję do zwiększenia zdolności gruntu
do przepuszczania wody. Roztwory
silnie zasolone (duża wartość no) powodują zwiększenie przepuszczalności
hydraulicznej gruntów ilastych. Woda
destylowana (no = 0) powoduje bardzo
małe wartości przepuszczalności i poza
specjalnymi przypadkami, nie powinna
być stosowana w badaniach przepuszczalności hydraulicznej.
W przypadku zastosowania jako
cieczy substancji chemicznych należy
przestrzegać następujących warunków
badań (Daniel 1994, Garbulewski
2003):
Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne gruntów
161
POP =
Q⋅t
k ⋅i⋅ t v ⋅ t
=
=
ne ⋅A ⋅L ne ⋅L
L
(2)
gdzie:
Q – przepływ [m3/s];
t - sumowany czas [sekundy];
ne - porowatość efektywna [-];
A, L - powierzchnia przekroju i długość
próbki gruntu [m];
v - prędkość przepływu [m/s];
k – przepuszczalność hydrauliczna
[m/s].
• Przepuszczanie cieczy powinno być
kontynuowane tak długo, aby składy
chemiczne cieczy wpływającej i wypływającej były jednakowe. W celu
zaobserwowania kierunków zmian wartości przepuszczalności hydraulicznej
należy wyniki badań opracować jako
zależności stężenia cieczy i przepuszczalności hydraulicznej od porowej
objętości przepływu (POP).
162
Wpływ odcieków ze składowisk
odpadów
Badania przeprowadzono dla próbek
gliny zwałowej z podłoża składowiska
Łuków (Rukść 1993; Garbulewski i
Wiencław 1992) i próbek zagęszczonego
bentonitu sodowego (Borowa 1999,
Borowa i Garbulewski 2000).
Glina zwałowa
Wyniki badań uziarnienia (rys. 3)
pozwoliły sklasyfikować glinę zwałową
jako glinę piaszczystą (Gp), a wyniki
badań plastyczności zaliczyć ją do grupy
gruntów drobnoziarnistych typu „CL”
(wg. USCS). Frakcja iłowa stanowi 1418% uziarnienia gliny piaszczystej. W
składzie mineralnym frakcji iłowej
dominuje illit z niewielką domieszką
smektytu.
Frakcje/Fraction
Iłowa
clay
Pyłowa
silt
Piaskowa
sand
Żwirowa
gravel
100
90
80
Zawartość ziaren o średnicy < "d" [%]
percent passing
• Przepuszczanie substancji przez próbkę gruntu powinno trwać tak długo, aby
przepływ substancji wystąpił w co najmniej 2 objętościach porów (2xPOP),
co uznawane jest (Bowders i in. 1986)
za wystarczające do całkowitej wymiany wody w porach gruntu na badaną
ciecz. Porowa objętość przepływu
(POP) jest sumową ilością przepływu w
stosunku do objętości porów gruntowych zdolnych do przepuszczania cieczy, co można wyrazić w następującej
postaci:
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
0,01
0,1
1
Średnica zastępcza ziaren - d [mm] / Particle size [mm]
RYSUNEK 3. Krzywa
piaszczystej z Łukowa
uziarnienia
10
gliny
FIGURE 3. Grain-size distribution curve for
clay sandy clay from Łuków
Obliczona efektywna porowatość glin
piaszczystych wynosi ne=0.28. W stanie
naturalnym glina charakteryzuje się
ciężarem objętościowym γ = 21,6 – 22,5
kN/m3 i ciężarem właściwym szkieletu
gruntowego γs wynoszącym 26,5 kN/m3.
Badania przepuszczalności hydraulicznej w terenie wykazały, że glina
Kazimierz Garbulewski, Joanna Fronczyk
h1
h-2
▼
▼
-
h1
h-2
h1
h2
▼
▼
--------
-
▼
▼
Tablica
pomiarowa
Measurement
panel
Próbka gruntu
Soil specimen
170 mm
7mm
Odpływ
Outlet
▼
▼
60 mm
▼
RYSUNEK 4. Schemat badań przepuszczalności
w cylinderkach Borrosa
FIGURE 4. Scheme of hydraulic conductivity
tests using Borro’s cylinder
2870
600
stężenie/ concentration [mg/l]
piaszczysta charakteryzuje się współczynnikami
przepuszczalności k w
zakresie 3,3 · 10-7 - 2,3 · 10-9 m/s
(Garbulewski i Wiencław 1994). Z
uwagi jednakże na występowanie
licznych soczewek i przewarstwień
piaszczystych, warstwa glin zwałowych
może odznaczać się w rzeczywistości
większą zdolnością do przewodzenia
wody, niż wynika to z badań.
Maksymalna
prędkość
przepływu
(przesączania) wody poprzez gliny,
obliczona przy założeniu zgodności
przepływu z prawem Darcy’ego, wynosi
1,3 · 10-7 m/s (Wiencław i Garbulewski
1993).
Badania wpływu zanieczyszczeń
płynnych pochodzących ze składowisk
odpadów na przepuszczalność hydrauliczną przeprowadzono wykorzystując
próbki gliny o nienaruszonej strukturze
pobrane z podłoża składowiska w
Łukowie w cylinderki Borrosa (średnica
– 60 mm, wysokość – 170 mm).
Cylinderki zostały uszczelnione i
podłączone nieodkształcalnym przewodem z tablicą pomiarową (rys. 4). W
badaniach metodą zmiennych gradientów zastosowano zanieczyszczoną wodę
pobraną ze studni i odcieki ze
składowiska odpadów w Radiowie.
Skład chemiczny obu substancji
przedstawiono na rys. 5.
Stosując zanieczyszczoną wodę
uzyskano współczynnik przepuszczalności k = 1,3·10-8 m/s, natomiast odcieki z
Radiowa k = (2,3-4,0) ·10-9 m/s.
Przyjmując uzyskaną w badaniach
terenowych przy zastosowaniu czystej
wody maksymalną wartość współczynnika przepuszczalności kw = 1.3·10-7 m/s
jako referencyjną, współczynniki kz/kw
odcieki z
Radiowa/leachate
from Radiowo
500
woda z Łukowa /
contaminated water
from Łuków
400
300
200
100
0
Co
K
Na
Cu
Fe
Cd
Cr
RYSUNEK 5. Skład chemiczny zanieczyszczonej
wody z Łukowa i odcieków z Radiowa
FIGURE
5.
Chemical
composition
of
contaminated water from well at Łuków landfill
and leachate from Radiowo landfill
(kz – przepuszczalność przy zastosowaniu zanieczyszczeń) wynoszą 0,02-0,03 i
0,1 odpowiednio dla odcieków z
Radiowa i zanieczyszczonej wody z
Łukowa.
Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne gruntów
163
Wyraźne zmniejszenie wartości
współczynników przepuszczalności gliny piaszczystej wynikać może ze zmiany
grubości podwójnej warstwy dyfuzyjnej.
Jeżeli zwiększa się stężenie elektrolitów
lub wymiennych kationów, grubość
podwójnej warstwy dyfuzyjnej zmienia
się, co powoduje zmniejszenie przepuszczalności hydraulicznej (Yong, Mohamed i Warkentin 1992).
Bentonit
Badania przeprowadzono dla sproszkowanego bentonitu, który stosowany
jest do produkcji mat bentonitowych (z
ang. GCL). Bentonit o masie 400 g
zagęszczano w pierścieniu edometrycznym i nasączano następującymi
płynami:
• wodą destylowaną,
• 10%
wodorotlenkiem
sodowym
(NaOH),
• 10% kwasem azotowym (HNO3),
• odciekami ze składowiska w Radiowie
(Rys. 5).
Po
obciążeniu
próbek
o
początkowych wymiarach: średnica- 60
mm, miąższość-10 mm, wymuszono
stosując metodę zmiennego gradientu
przepływ płynów w edometrach od
dolnej powierzchni próbki w kierunku
powierzchni górnej (Rys. 6). Próbki były
pod obciążeniem 12,5 i 50,0 kPa.
Wyniki badań (tabela 3 i 4)
pozwalają stwierdzić, że w przypadku
zastosowania kwasów i zasad o dużym
stężeniu wartość współczynnika przepuszczalności hydraulicznej bentonitu
zwiększa się w stosunku do wartości
współczynnika uzyskanego przy zastosowaniu wody, co można uzasadnić
zmianą struktury bentonitu.
W przypadku zastosowania odcieków ze składowiska w Radiowie stwier164
a
k = 2,3
A
al
h
lg 1
A∆t h
obciążenie
loading
filtr/filter
próbka/specimen
Q
l
filtr/filter
RYSUNEK 6. Schemat badania przepuszczalności
hydraulicznej bentonitu w edometrach
FIGURE 6. Scheme of oedometer used for the
hydraulic conductivity tests of bentonite
dzono wyraźne, o dwa rzędy wartości,
zmniejszenie się współczynników przepuszczalności hydraulicznej k. Małe
wartości k wynikają prawdopodobnie z
kolmatacji porów stałymi cząstkami
znajdującymi się w odciekach.
TABELA 3. Przepuszczalność hydrauliczna (k)
bentonitu w m/s
TABLE 3. Hydraulic conductivity (k) of bentonite
in m/s
Roztwór
filtrujący
Permeants
H2O
10%NaOH
10% HNO3
Odcieki ze
składowiska
w Radiowie
Leachate
from
Radiowo
landfill
k przy
obciążeniu
12.5kPa
k under
loading of
12,5 kPa
k przy
obciążeniu
50kPa
k under
loading
50 kPa
6,8E-10
6,3E-07
4,5E-08
2,1E-10
2,1E-07
9,3E-06
3,3E-11
1,9E-11
Kazimierz Garbulewski, Joanna Fronczyk
Roztwór
filtrujący
Permeants
10% NaOH
10% HNO3
Odcieki ze
składowiska
w Radiowie
Leachate
from
Radiowo
landfill
kz/kw przy
obciążeniu
12,5 kPa
kz/kw under
loading of
12,5 kPa
926
66
kz/kw przy
obciązeniu
50 kPa
kz/kw under
loading
0,05
0,09
50 kPa
1000
44285
Wpływ substancji ropopochodnych
Badania zostały przeprowadzone dla
zawiesinowego materiału uszczelniającego CS2 (Garbulewski 1998, 2000),
składającego się z „uzdatnionego” iłu
(3%) i piasku (97%) (zaproponowanego
i opatentowanego przez amerykańską
firmę Reclamation Technology Inc.-RTI,
Athens GA) (Rys. 7).
Fakcje/Fraction
100
Pyłowa
silt
Piaskowa
sand
Żwirowa
gravel
Kamienna
cobble
W badaniach przepuszczalności
hydraulicznej próbek zawiesiny CS2
zastosowano
metodę
zmiennego
gradientu stosując cylinderki Borrosa z
rurkami piezometrycznymi (rys. 4). W
warunkach laboratoryjnych doprowadzono mieszaninę iłu i piasku do
wilgotności optymalnej (12-13%) i
zagęszczono bezpośrednio w cylinderkach Borrosa, w celu wyeliminowania
przecieków na styku pomiędzy zawiesiną a ściankami cylinderka. W ten
sposób przygotowano 4 próbki o
wysokości 50 mm i średnicy 60 mm.
Pomiary współczynnika przepuszczalności z zastosowaniem jako cieczy
filtrującej wody przeprowadzono w 3
seriach w temperaturze otoczenia (1820ºC). Następnie przeprowadzono 15
serii pomiarów z zastosowaniem jako
cieczy filtrującej oleju napędowego.
Wyniki badań przedstawiono na rys. 8 i
9 (na rysunku 9 podano skrajne
wartości).
Przepuszczalność hydrauliczna
Hydraulic conductivity k [m/s]
TABELA 4. Współczynniki kz/kw (kz- płynne
zanieczyszczenie, kw- woda)
TABLE 4. Relations kz/kw (kz- liquid waste, kwwater)
90
80
Czas/Time [h]
Zawartość ziaren o średnicy < "d" [%]
Percent passing
70
60
50
RYSUNEK 8. Wyniki badań przepuszczalności
zawiesiny CS2 z zastosowaniem wody
FIGURE 8. Results of hydraulic conductivity tests
for CS2 slurry with water permeant
40
30
20
10
0
0,01
0,1
1
Średnica zastępcza ziaren - d [mm] / Particle size [mm]
10
100
RYSUNEK 7. Krzywe uziarnienia zawiesinyCS2
FIGURE 7. Grain-size distribution curve of CS2
slurry
Wyniki badań wskazują na wyraźny
wpływ oleju napędowego na wartości
Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne gruntów
165
Przepuszczalność hydrauliczna
Hydraulic conductivity k [m/s]
współczynników przepuszczalności. Stosunek wartości współczynnika przepusz-
Czas/Time [h]
RYSUNEK 9. Wyniki badań przepuszczalności
zawiesiny CS2 z zastosowaniem oleju
napędowego
FIGURE 9. Results of hydraulic conductivity tests
for CS2 slurry with fuel oil as permeant
czalności otrzymanej w badaniach z
zastosowaniem
oleju
napędowego
(kz=4.12·10-8 m/s) jako cieczy filtrującej
do wartości współczynnika przepuszczalności otrzymanej dla wody (kw =
1,79 · 10-8 m./s) wynosi ≈ 23.
Wnioski
Badania wpływu płynnych zanieczyszczeń na przepuszczalność hydrauliczną gruntów przeprowadzane są
zwykle dla próbek nasyconych płynem i
stosując przepływ przez próbkę gruntu
tego samego płynu, lub dla próbek
nasyconych wodą stosując przepływ
mieszaniny wody i płynu zanieczyszczającego. W drugim przypadku
należy doprowadzić do sytuacji, aby
przepływ płynnych zanieczyszczeń
wystąpił w co najmniej dwóch objętościach porów (POP). Pomimo, że na
podstawie wyników badań trudno opracować jednoznaczne wnioski, nastę-
166
pujące można uznać za wystarczająco
udokumentowane:
1. Płynne zanieczyszczenia, w tym
odcieki ze składowisk odpadów i
substancje ropopochodne (węglowodory) wpływają radykalnie na
przepuszczalność hydrauliczną gruntów drobno- i gruboziarnistych, zwiększając lub zmniejszając wartości
współczynników k zależnie od rodzaju
zanieczyszczenia. W związku z tym na
potrzeby oceny bezpieczeństwa budowli należy prowadzić ciągłe obserwacje nie tylko położenia zwierciadła
wód podziemnych, ale także badania
ich jakości.
2. Odcieki ze składowisk odpadów
komunalnych w Radiowie i Łukowie
spowodowały zmniejszenie współczynnika przepuszczalności glin piaszczystych i bentonitu stosowanego w
produkcji mat bentonitowych w stosunku do przepuszczalności określonej
przy zastosowaniu wody. Współczynniki kz/kw (kz, kw – przepuszczalności
określone odpowiednio przy stosowaniu zanieczyszczeń i wody) wynoszą
dla glin piaszczystych od 0,1 do 0,03,
natomiast dla bentonitu 0,05 przy
obciążeniu 12,5 kPa i 0,09 przy
obciążeniu 50,0 kPa.
3. Kwasy i zasady o dużych stężeniach
( ≥ 10%) zwiększają wielokrotnie
wartości przepuszczalności hydraulicznej maty bentonitowej, co należy
wziąć
pod
uwagę
projektując
uszczelnienia osadników z płynnymi
odciekami przemysłowymi.
4. Wpływ substancji ropopochodnych na
przepuszczalność hydrauliczną zależy
w dużej mierze od metodyki badań i
stanu nasycenia badanych materiałów.
Kazimierz Garbulewski, Joanna Fronczyk
W przypadku zastosowania płynów
organicznych jako cieczy filtrującej
przez próbki nasycone wodą uzyskano
zwiększenie przepuszczalności mieszaniny CS2; współczynnik kz/kw
wynosił ponad 20.
Literatura
ANDREOTTOLA G., CANNAS P., COSSU R.,
1990: Overview on landfill leachate quality.
CISA, Environmental Sanitary Engineering
Centre, Technical Note No. 3
BOROWA M., 1999: Analiza efektywności
zastosowania
wykładzin
geotekstylnoiłowych (GCL) w uszczelnieniach składowisk odpadów komunalnych. Praca magisterska. SGGW, Wydział Inżynierii i
Kształtowania Środowiska, Warszawa.
BOROWA M., GARBULEWSKI K., 2000:
Wykładziny bentonitowe (GCL) jako element uszczelnienia składowisk odpadów.
Gospodarka Wodna, Część I. 7/2000: 270275; Część II 8/2000: 305-309
BOWDERS J., DANIEL D.E., 1986: Hydraulic
conductivity of compacted clay to dilute organic compounds. J. of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 113, No. 12, pp. 14321448.
DANIEL D. E., 1994: State-of-the art.: Laboratory hydraulic conductivity tests for saturated soils. Hydraulic conductivity and
waste contaminant transport in soils.
ASTM STP 1142 (D.E. Daniel and S.
Trautwein, eds.), ASTM, Philadelphia,
pp.30-78.
EHRIG H.J., 1989: Leachate quality. In: Sanitary Landfilling: Proces, Technology and
Environmental Impact, ed. T.H. Christensen, R. CossU & R. Stegman. Academic
Press, London.
EVANS J.C., FANG H.Y., 1986: Traxial equipment for permeability testing with hazardous and toxic permeants. Geotechnical Testing J., ASCE 9 (2), pp.126-132.
GARBULEWSKI K., WIENCŁAW E., 1994:
Warstwa glin zwałowych jako naturalne
uszczelnienie składowiska odpadów komunalnych w Łukowie. Inżynieria Morska i
Geotechnika 3: 132-139.
GARBULEWSKI K., 1998: Wstępne badania
przewodności hydraulicznej zawiesinowego
systemu uszczelniającego CS2 – sprawozdanie. Katedra Geotechniki SGGW. Warszawa.
GARBULEWSKI K., 2000: Dobór i badania
gruntowych uszczelnień składowisk odpadów komunalnych. Wydawnictwo SGGW,
169 str.
GARBULEWSKI K., 2003: Studium badań
właściwości filtracyjnych zawiesin twardniejących.Opracowanie w ramach grantu
Instytutu Zaopatrzenia w Wodę i Budownictwa Wodnego PW, Warszawa
GARBULEWSKI K., WIENCŁAW E., 1992:
Ocena przydatności warstwy glin do wykonania uszczelnienia projektowanego składowiska odpadów komunalnych w Łukowie.
Opracowanie Zespołu Rzeczoznawców
SITWM NOT, Warszawa.
MITCHELL J.K., 1976: Fundamentals of soil
behavior. John Wiley and Sons, New York,
422 p.
PIĘTKA K.A., 2000: Analiza efektywności metod oczyszczania gruntów zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi. Praca
magisterska. SGGW, Wydział Inżynierii i
Kształtowania Środowiska, Warszawa.
RAD N.S., ACAR Y.B., 1984: A study on membrane-permeant compatibility. Geotechnical
Testing Journal, ASTM, Vol.7, No.2, pp.
104-106.
RUKŚĆ S., 1993: Projekt składowiska odpadów
komunalnych z uwzględnieniem zaleceń
EWG. Praca magisterska. SGGW, Wydział
Inżynierii i Kształtowania Środowiska,
Warszawa.
SHACKELFORD Ch.D., 1994: Waste – soil
interaction that alter hydraulic conductivity.
Hydraulic Conductivity and Waste Containment Transport in Soil. ASTM STP
1142, D.E. Daniel and S. J. Trautwein, eds.,
American Society for Testing and Materials,
Philadelphia, pp. 111-168.
WIENCŁAW E., GARBULEWSKI K., 1993:
Ocena zanieczyszczenia wód i gruntów w
podłożu składowiska odpadów w Łukowie.
Archiwum Ochrony Środowiska, 3-4:203220.
YONG R.N., MOHAMED A.M.O., WALKENTIN B.P., 1992: Principles of contaminant
transport in soils. Developments in Geo-
Wpływ płynnych zanieczyszczeń na właściwości filtracyjne gruntów
167
technical Engineering, 73. Elsevier Science
Publisher B.V.
ZADROGA B., OLAŃCZUK-NEYMAN K.,
2001:Ochrona i rekultywacja podłoża gruntowego. Wyd. Politechniki Gdańskiej,
Gdańsk, 20-27.
Summary
Effect of liquid waste on soil permeability. In order to determine the influence of liquid waste on the permeability of soils at the Department of Geotechnical Engineering, Warsaw Agricultural
University, the laboratory tests were performed using rigid-wall and flexible-wall
permeameters adapted to the compatibility tests. In this paper, a review of testing
conditions that are required for compatibility test, test results for undisturbed and
compacted fine and coarse grained soils,
mechanisms and factors contributed to an
change in the hydraulic conductivity of
soils are discussed. The test results indicated that permeability of soils can be
significantly affected by the permeant fluids, depending on their concentration and
test method.
Autor’s address:
Kazimierz Garbulewski, Joanna Fronczyk
Katedra Geoinżynierii
Wydział Inżynierii i Kształtowania Środowiska
SGGW
02-776 Warszawa, ul. Nowoursynowska
159
Poland
168
Kazimierz Garbulewski, Joanna Fronczyk