Hỗn hợp đất và ben-tô-nít được áp dụng làm lớp chống thấm cho bãi chôn lấp ở nhiều nước trên thế giới vì những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế. Có rất nhiều thí nghiệm đã được thực hiện nhằm xác định sự thay đổi của hệ số thấm theo hàm lượng ben-tô-nít và dung trọng đầm chặt của hỗn hợp trên thế giới.
Trang 1XỬ LÝ ĐẤT VỚI BEN-TÔ-NÍT VÀ TRO BAY SỬ DỤNG CHO LỚP CHỐNG THẤM CỦA BÃI CHÔN LẤP
RÁC THẢI Ở HÀ NỘI
NGUYỄN CHÂU LÂN * , CHU LONG HẢI **
Using soil mixed with bentonite and fly-ash as materials for anti-permeable layers in solid waste burrial fields of Hanoi
Abstract: The paper presents studies on phisico-mechanical properties of
soils mixed with bentonite and fly-ash for anti-permeable layers of solid waste burrial fields of Hanoi From study results it can conclude that permeability coefficient of soil with 15% bentonite and fly-ash is less than
10 -9 m/s and can be used rationaly as materials for anti-permeable layers
of solid waste burrial fields
Hiện nay, theo thống kê, khối lượng chất
thải rắn của Hà Nội là khoảng 6400 tấn/ngày
Khối lượng chất thải rắn này được xử lý chủ
yếu ở các bãi chôn lấp ở trong trung tâm và các
bãi xử lý rác cấp quận; và chỉ có 1/3 số lượng
bãi chôn lấp rác thải hợp vệ sinh trên địa bàn
toàn thành phố Bãi chôn lấp lớn nhất ở Hà Nội
là bãi chôn lấp Nam Sơn (Hình 1) – nơi nhận
và tiến hành xử lý xấp xỉ 3800 đến 4200 tấn rác
thải hàng ngày Tại đây hoặc một số bãi chôn
lấp quy mô như bãi chôn lấp Xuân Sơn/nhà
máy xử lý rác thải Kiêu Kỵ, chất thải rắn được
nén chặt và đốt trước khi chôn lấp, còn nước
thải được gom tập trung lại tại hồ chứa và xử lý
theo quy định Tuy nhiên, với các bãi chôn lấp
không hợp vệ sinh (phần lớn là các bãi rác tạm,
lộ thiên, không có hệ thống thu gom, xử lý
*
Khoa Công trình - Đ i h c Giao thông Vận tải
03 Cầu Giấy-Láng Th ợng-Đ ng Đa-Hà Nội
Email: nguyenchaulan@utc.edu.vn
**
Khoa Đào t o u c tế - Đ i h c Giao thông Vận tải
03 Cầu Giấy-Láng Th ợng-Đ ng Đa-Hà Nội
Email: longhaichuutc@gmail.com
nước rỉ rác), nước rỉ từ rác thải không được xử
lý hoặc xử lý đơn giản thông qua đầm phá tự nhiên đã gây ô nhiễm nặng nề tới môi trường, đặc biệt là nguồn nước ngầm
Hỗn hợp đất và ben-tô-nít được áp dụng làm lớp chống thấm cho bãi chôn lấp ở nhiều nước trên thế giới vì những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế Có rất nhiều thí nghiệm đã được thực hiện nhằm xác định sự thay đổi của hệ số thấm theo hàm lượng ben-tô-nít và dung trọng đầm chặt của hỗn hợp trên thế giới Báo cáo của Won và các cộng sự, (2002) cho thấy rằng với hỗn hợp có dung trọng khô 1,6 Mg/m3, hệ số thấm giảm nhanh chóng khi tăng hàm lượng ben-tô-nít và sẽ nhỏ hơn 10-9m/s khi hàm lượng ben-tô-nít trong hỗn hợp lớn hơn 10% theo khối lượng Omer Muhie Eldeen Taha, (2015) cũng nhận thấy rằng hệ số thấm của hỗn hợp giảm khi tăng hàm lượng ben-tô-nít, trong khi Dixon & Gray (1985) chỉ ra rằng việc trộn thêm (lên đến 50%) cát vào ben-tô-nít làm giảm hệ số thấm của mẫu hỗn hợp đã được đầm chặt Theo Charles D Shackelford và các cộng sự, (2015),
sự sụt giảm đáng kể của hệ số thấm k xảy ra khi
Trang 2tăng hàm lượng ben-tô-nít trong hỗn hợp đất và
ben-tô-nít, đặc biệt hỗn hợp có thể đạt được giá
trị hệ số thấm rất thấp (≤10-10
m/s) khi hàm lượng ben-tô-nít trong hỗn hợp ≥ 10% Bên
cạnh đó, đất khi trộn với hỗn hợp tro bay và
ben-tô-nít sau khi được đầm chặt cũng có thể sử
dụng làm lớp chống thấm cho bãi chôn lấp rác
thải Những nghiên cứu trước đó đã cho thấy
rằng chỉ số dẻo, hệ số thấm và tính trương nở
của mẫu đất trộn với tro bay giảm trong khi
dung trọng khô và cường độ tăng với sự gia tăng
của hàm lượng tro bay trong hỗn hợp (Kumar
and Sharma, 2004) Hơn nữa, nghiên cứu của
Kumar (2004) cũng cho thấy rằng hàm lượng
ben-tô-nít trong hỗn hợp ben-tô-nít và tro bay
khi chiếm tới 20% có thể được sử dụng để cải
thiện tính chất địa kỹ thuật của tro bay
Theo xu hướng phát triển bền vững hiện nay,
Hà Nội cần đảm bảo sự hài hòa giữa tăng trưởng
kinh tế và bảo vệ môi trường, đặc biệt là trong
việc tăng cường hiệu quả xử lý chất thải rắn
nhằm đáp ứng yêu cầu trong công tác bảo vệ
môi trường theo tinh thần Luật bảo vệ Môi
trường 38/2015/QH13 và Nghị định
38/2015/NĐ-CP về quản lý chất thải và phế liệu
Như vậy, việc nghiên cứu chống thấm cho bãi
rác thải là điều rất cần thiết đối với Hà Nội –
định hướng đô thị vệ tinh giảm thiểu tối đa tác
động tới môi trường Thông thường, tầng chống
thấm cho các bãi chôn lấp sẽ là các lớp vật liệu
địa kỹ thuật tổng hợp như HDPE (High Density
Polyethylen) hoặc GCL (Geosynthetic Clay
Liners) Theo tiêu chuẩn Việt Nam, tầng chống
thấm sử dụng cho bãi chôn lấp rác thải phải có
hệ số thấm nhỏ hơn 10-9 m/s và chiều dày lớp
đất sét đầm chặt lớn hơn 0,6m Nhưng, các liệu
này khá đắt và yêu cầu công tác thi công và quản
lý chất lượng tương đối khó khăn Như vậy, việc
thay thế bằng lớp sét đầm chặt để chống thấm có
thể giảm được chi phí; và vì vậy nghiên cứu nhằm đánh giá tác dụng chống thấm của lớp sét này có ý nghĩa lớn đến định hướng phát triển bền vững của Việt Nam
Hình 1 Bãi chôn lấp Nam Sơn
A - Các ô đang tiếp nhận rác thải
B - Các ô đang trong quá trình chôn lấp với lớp phủ HDPE phía trên
Tuy nhiên, những nghiên cứu về sử dụng hỗn hợp đất và ben-tô-nít, hoặc đất và tro bay, ben-tô-nít cho lớp chống thấm của bãi chôn lấp rác thải ở Hà Nội vẫn còn hạn chế Vậy nên, nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng sử dụng hỗn hợp tro bay và ben-tô-nít khi trộn vào đất như một loại vật liệu chống thấm phù hợp để đáp ứng các yêu cầu
đã nhắc đến trước đó
Trang 32 VẬT LIỆU- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Vật liệu
Những mẫu đất nguyên trạng được lấy từ các
hố khoan trên địa bàn quận Thanh Xuân, Hà
Nội, Việt Nam Những mẫu đất này được bọc lại
bảo quản trong các ống nhựa để tránh làm thay đổi độ ẩm Sau đó, mẫu đất được chuyển tới phòng thí nghiệm để xác định các chỉ tiêu cơ lý
cơ bản cũng như hệ số thấm, và cấu trúc vi mô
Bảng 1: Tính chất và thành phần của Tro bay
nghiệm
Chỉ số hoạt động cường độ so với mẫu
Thành phần hoá học của tro bay
SiO2
%
53,88
TCVN 7131:2002
Tro bay đã tuyển Vũng Áng loại F có các tính
chất cơ bản và thành phần chính được liệt kê
như trong Bảng 1 Ben-tô-nít được sản xuất và
phân phối bởi công ty cổ phần An Phát, Thanh
Hóa, Việt Nam với một số đặc tính cơ bản như
tỷ trọng, độ nhớt, độ tách nước, độ ổn định và lực cắt tĩnh được phân tích theo tiêu chuẩn của TCVN 9395:2012 như trong Bảng 2
Bảng 2: Tính chất cơ bản của Ben-tô-nít
30 ÷ 90 36 ÷ 40 Phễu 1500/1000ml
20 ÷ 30 mg/cm2
27 Lực kế cắt tĩnh
10 phút: 50 ÷ 100 mg/cm2
55
Trang 4Phương pháp nghiên cứu
Trong bài báo này các chỉ tiêu cơ lý của mẫu
đất trước và sau khi trộn hỗn hợp tro bay –
ben-tô-nít được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM và
được liệt kê như ở Bảng 3
Trong nghiên cứu này, thí nghiệm đầm chặt
tự động được tiến hành Mẫu đất được chia làm
3 lớp và đầm chặt tự động với 25 lần đầm cho
một lớp tương tự như phương pháp thí nghiệm
Proctor tiêu chuẩn (ASTM D 698)
Thí nghiệm thấm cho đất trước và sau khi
trộn với ben-tô-nít và tro bay theo các tỉ lệ khác
nhau: 03, 05, 07, 10, 12% ben-tô-nít; 05, 10,
15% tro bay; 5, 10, 15% hỗn hợp tro bay và
ben-tô-nít (ben-ben-tô-nít luôn chiếm 20% hỗn hợp tro
bay-ben-tô-nít theo khối lượng) Trong thí
nghiệm thấm này, các mẫu đất được đầm chặt và
ngâm bão hoà trước khi thí nghiệm thấm với cột
nước giảm dần theo tiêu chuẩn ASTM
(D5084-10) Bộ dụng cụ sử dụng cho thí nghiệm thấm
được thể hiện trong Hình 2 Hệ số thấm có thể
được tính toán theo biểu thức dưới đây:
0 1
h aL
k = ln
(1) Trong đó:
k: hệ số thấm
ho: mực nước ban đầu trong ống đo áp (cm) a: diện tích của ống đo áp (3,462 cm2
)
h1: chiều cao mực nước khi kết thúc thí nghiệm = ho - Δh
L: chiều dài mẫu đất (4 cm) t: thời gian để mẫu thấm, giảm 1 đoạn Δh A: diện tích mẫu đất (33,166 cm2
) Ngoài ra, nghiên cứu này còn thực hiện phân tích thành phần hóa học cho mẫu đất trước và sau khi trộn thông qua thí nghiệm nhiễu xạ tia X (XRD – X-ray Diffraction) và thực hiện quan sát cấu trúc vi mô của mẫu đất thông qua thí nghiệm SEM/EDX (SEM – Scanning Electronic Microscopy/kính hiển vi điện tử quét, EDX – Energy Dispersive X-ray Spectroscopy/phổ tán sắc năng lượng tia X)
Bảng 3: Các tiêu chuẩn thí nghiệm theo ASTM
Trang 5Hình 2 Bộ dụng cụ thí nghiệm thấm
3 KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
3.1 Kết quả thí nghiệm cơ lý
Hình 3 Đ ng cong phân b kích th ớc h t đất
Kết quả phân tích thành phần hạt của mẫu đất
nguyên trạng được chỉ ra ở Hình 3 Đây là loại
đất sét Các thông số cơ bản như độ ẩm, giới hạn
chảy, giới hạn dẻo được cho ở dưới:
Độ ẩm tự nhiên: 25,16%
Giới hạn dẻo (PL): 19,21%
Giới hạn chảy (LL): 27,28%
Kết quả thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn
Kết quả thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn của mẫu đất nguyên trạng được cho ở Hình 4 Độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô lớn nhất lần lượt
là 16,4% và 1,737 g/cm3 Các kết quả của thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn của mẫu đất trộn với ben-tô-nít và tro bay theo các tỉ lệ khác nhau: 03,
05, 07, 10, 12% ben-tô-nít; 05, 10, 15% tro bay; 5,
10, 15% hỗn hợp tro bay và ben-tô-nít (ben-tô-nít luôn chiếm 20% hỗn hợp tro bay-ben-tô-nít theo khối lượng) được so sánh với nhau và với kết quả của mẫu đất nguyên trạng như trong hình 5
Hình 4 Kết quả thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn của mẫu đất nguyên tr ng
Trang 6Hình 5 Kết quả thí nghiệm đầm chặt tiêu chuẩn của các mẫu hỗn hợp
3.2 Kết quả thí nghiệm thấm
Hình 6 thể hiện sự so sánh kết quả thí
nghiệm thấm của mẫu đất nguyên trạng và mẫu
hỗn hợp gồm đất và các chất trộn thêm Mẫu đất
nguyên trạng có hệ số thấm 4,69.10-9
không đạt yêu cầu (lớn hơn giá trị hệ số thấm cho phép
cho lớp chống thấm của bãi chôn lấp 10-9) Kết
quả cho thấy khi trộn thêm ben-tô-níte và hỗn
hợp tro bay-ben-tô-nít, hệ số thấm của mẫu đất
ban đầu giảm nhanh; trong khi đó, hệ số thấm của mẫu đất trộn tro bay có xu hướng tăng dần Mặc dù mẫu đất trộn ben-tô-nít với hàm lượng ben-tô-nít 10% và 12% có giá trị hệ số thấm lần lượt là 9,02.19-10
và 5,33.10-10 nhưng xu hướng giảm không ổn định Khi tăng hàm lượng hỗn hợp tro bay và ben-tô-nít trộn với đất, giá trị hệ
số thấm giảm dần đều, và có giá trị 8,97.10-10
với 15% hỗn hợp chất trộn thêm
Hình 6 Kết quả thí nghiệm thấm của các mẫu hỗn hợp
3.3 Kết quả thí nghiệm XRD
Trang 7Hình 7 Kết quả phân tích các mẫu đất bằng ph ơng pháp nhiễu x tia X trên cùng 1 giản đồ
Thí nghiệm nhiễu xạ tia X được thực hiện
trên mẫu đất thường, mẫu đất trộn với 5, 12%
ben-tô-nít; 5, 15% tro bay; và 5, 15% hỗn hợp
(gồm 80% tro bay và 20% ben-tô-nít) có kết
quả như trong hình 7 Các phổ nhiễu xạ cho
thấy các pha tinh thể chủ yếu tồn tại trong các
mẫu đất gồm có: thạch anh (quartz, SiO2),
Phillipsit - KCa(Si5Al3)O16.6H2O và đa tinh
thể Potassium Magnesium Aluminum Silicate
Hydroxide - K(Mg,Al)2.4 (Si3.34AlO66) O10
(OH)2 (còn có tên gọi khác là phlogopite)
Phần trăm theo khối lượng của ba tinh thể này
thay đổi theo từng mẫu đất, tuy nhiên sự thay
đổi không nhiều Chủ yếu các đỉnh nhiễu xạ
được phát hiện là thạch anh (chiếm 75% -
85% khối lượng), và các đỉnh này có vị trí
bước sóng và góc phản xạ tương đồng trên các
mẫu đất được thí nghiệm Bên cạnh đó, các
mẫu có cường độ tạp chất không cao
3.4 Kết quả thí nghiệm SEM/EDX
Sau đó, nghiên cứu sử dụng kính hiển vi
điện tử quét để khảo sát hình thái và cấu trúc
hạt của mẫu đất trước và sau khi trộn thêm
với tro bay và ben-tô-nít Ảnh SEM ở hình 8
với độ phóng đại 2500 lần cho thấy các hạt
có kích thước không đồng đều Phần lớn các
hạt có kích thước nhỏ hơn 10μm, và liên kết
với nhau tạo thành các khối hạt có tính đặc
chắc cao Hình ảnh quan sát được trên mẫu
đất trộn với tro bay tương đồng với kết quả được công bố với nhóm tác giả Engr Joenel
G Galupino và Dr Jonathan R Dungca (2015) Tương tự, hình ảnh quan sát và bảng phổ của mẫu đất trộn ben-tô-nít cũng trùng khớp với kết quả của tác giả A J M S Lim (2016) Khi sử dụng hình ảnh chụp với độ phóng đại 5000 lần và phổ nguyên tử từ thí nghiệm EDX ở hình 9, có thể thấy rõ ràng rằng các đơn và đa tinh thể gắn kết chặt chẽ với nhau tạo thành những liên kết màng Mặc
dù nguyên tố Fe có thể quan sát được từ các phổ tán sắc năng lượng trong hình 9 nhưng không phát hiện các tinh thể hợp thành trên phổ XRD; điều này có thể lí giải do phần trăm nguyên tố Fe có trong các mẫu phân tích không nhiều và phân bố không đồng đều
3.5 Thảo luận
Giá trị hệ số thấm của đất tự nhiên lớn hơn
10-9 m/s, do đó không thoả mãn điều kiện làm tầng chống thấm tại đáy bãi chôn lấp rác thải theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCXDVN 261:2001) và theo hướng dẫn của tiêu chuẩn châu Âu (1993/31/EC) Ngoài ra, từ kết quả của thí nghiệm XRD, cho thấy, ở mẫu đất nguyên trạng, có sự xuất hiện của tinh thể muscovit (H2KAl3 (SiO4)3) và kaolinit (Al2Si2O5 (OH)4); trong khi đó, đa tinh thể lại không được tìm thấy Tuy nhiên, hai đơn tinh
Trang 8thể này không còn quan sát thấy trên phổ nhiễu
xạ của mẫu đất sau khi trộn; điều này chứng tỏ
các đơn tinh thể này đã kết hợp với các tinh thể
pha tạp từ tro bay và ben-tô-nít tạo thành đa
tinh thể phức tạp phlogopite Đa tinh thể
phlogopite thuộc lớp silicat, nhóm mica, có độ
cứng 2,5 - 3; và có khả năng cách điện, cách
nhiệt cũng như chống nước (theo Mineral
Gallery) Theo kết quả từ phổ XRD, phần trăm
phlogopite tăng cùng với sự giảm hệ số thấm
của các mẫu đất Điều này chứng tỏ sự giảm hệ
số thấm, ngoài do ảnh hưởng của đầm chặt đến
dung trọng khô của mẫu, còn chịu sự tác động
của đa tinh thể phlogopite
Việc trộn đất với ben-tô-nít và tro bay
nhằm mục đích điều chỉnh hệ số thấm của loại
đất trên đạt đến hệ số thấm (k) đảm bảo yêu
cầu làm tầng lót đáy theo tiêu chuẩn, đồng
thời tận dụng được tro bay - vật liệu phế thải của các nhà máy nhiệt điện, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững đặt ra Kết quả thí nghiệm chỉ ra, hệ số thấm k giảm khi hàm lượng ben-tô-nít tăng Kết quả này cũng tương
tự kết quả của nhiều nghiên cứu trên thế giới [3, 5, 6] Lý do là ben-tô-nít có tính trương nở
và có kích cỡ hạt nhỏ hơn đất nên có thể lấp đầy các khe rỗng, dẫn đến hệ số thấm giảm đi Tuy nhiên, hệ số thấm k lại tăng khi tăng hàm lượng tro bay, và kết quả này cũng tương đồng với kết quả được trình bày trong báo cáo của Prashanth (2011) và Engr Joenel (2015) Tổng hợp lại, các kết quả này cho thấy khi trộn với hỗn hợp ben-tô-níte và tro bay thì hàm lượng tối ưu đối với loại đất này khoảng 15% hỗn hợp (gồm 80% tro bay và 20% ben-tô-nít)
Hình 8 Hình ảnh quan sát cấu trúc vi mô các mẫu đất chụp từ máy hiển vi điện tử quét
với độ phóng đ i 2500 lần
Trang 9Hình 9 Kết quả phân tích nguyên t của các mẫu đất theo ph ơng pháp
phổ tán sắc năng l ợng tia X
4 KẾT LUẬN
Từ kết quả thí nghiệm đất trộn ben-tô-nít, với
tro bay và với hỗn hợp ben-tô-nít-trobay theo
các hàm lƣợng khác nhau, có thể rút ra các kết
luận sau đây:
Hệ số thấm của đất trộn với ben-tô-nít sẽ
giảm nhanh khi tăng hàm lƣợng ben-tô-nít
Hệ số thấm của đất khi trộn với tro bay
tăng khi tăng hàm lƣợng tro bay
Hệ số thấm của đất trộn với hỗn hợp
ben-tô-níte và tro bay sẽ giảm khi tăng hàm lƣợng ben-tô-nít-tro bay (với 20% ben-tô-nít trong các hỗn hợp này)
Hàm lƣợng tối ƣu 15% ben-tô-nít-tro bay
có thể đƣợc dùng làm tầng chống thấm cho bãi rác ở khu vực nghiên cứu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 ASTM D5084 - 2010 Standard Test
Trang 10Methods for Measurement of Hydraulic
Conductivity of Saturated Porous Materials
Using a Flexible Wall Permeameter (2010)
2 ASTM D698-2012 Standard Test Methods
for Laboratory Compaction Characteristics of
Soil Using Standard Effort (2012)
3 Brooks, R et al (2011) „Geotechnical
Properties of Problem Soils Stabilized with Fly
Ash and Limestone Dust in Philadelphia‟,
Journal of Materials in Civil Engineering, 17(5),
pp 711–717
doi:
10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000214
4 Cho, W J (2002) „Hydraulic Conductivity
of Compacted Soil Bentonite Mixture for A
Liner Material in Landfill Facilities‟,
Environment Engineering Resources, 7, pp
121–127
5 Das, S K (2005) „Geotechnical
characterization of some indian fly ashes‟,
Journal of Materials in Civil Engineering, 17(5),
pp 544–553
6 Das, S K (2006) „Geotechnical Properties
of Low Calcium and High Calcium Fly Ash‟,
Geotechnical and Geological Engineering,
24(2), pp 249–263
doi: 10.1007/s10706-004-5722-y
7 Meier, A J and Shackelford, C D (2017)
„Membrane behavior of compacted sand–
bentonite mixture‟, Canadian Geotechnical
Journal, 54(9), pp 1284–1299
doi: 10.1139/cgj-2016-0708
8 Muhunthan, B., Taha, R and Said, J (2004)
„Geotechnical engineering properties of incinerator ash mixes.‟, Journal of the Air Waste Management Association 1995, 54(8), pp 985–991 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15373366
9 Thanh, N P and Matsui, Y (2011)
„Municipal solid waste management in VietNam: Status and the strategic actions‟, International Journal of Environmental Research, 5(2), pp 285–296 doi: 10.7508/isih.2016.29.003
10 Prashanth J., Sivapullaiah P and Sridharan A (2001) „Pozzolanic fly ash as a hydraulic barrier in landfills.‟, Engineering Geology, 60, pp 245-252
11 Engr Joenel G Galupino and Jonathan
R Dungca (2015) „Permeability characteristics
of soil-fly ash mix.‟, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 10(5), pp 6440–6447
12 Engr Joenel G Galupino and Dr Jonathan R Dungca (2015) „Horizontal permeability of soil-fly ash mix.‟, Proceedings
of the De La Salle University Research Congress 2015
13 A.J.M.S Lim, R.N Syazwani and D.C Wijeyesekera (2016) „Impact of oriented clay particles on x-ray spectroscopy analysis.‟, Series: Materials Science and Engineering, Soft Soil Engineering International Conference 2015 doi:10.1088/1757-899X/136/1/012012