GEOTECHNICAL EVALUATION OF CLAYEY SOIL CONTAMINATED WITH INDUSTRIAL WASTEWATER

摘要

The impacts of industrial wastewater contamination on the geotechnical properties of clayey soil have been studied in the research presented in this paper. The contaminant in question is industrial wastewater released from Thi-Qar oil refinery as a by-product of production, and the soil samples obtained from Thi-Qar oil refinery plant in Al-Nassyriah (a city located in the south of Iraq). The geotechnical properties of contaminated soil samples were compared with those of intact soil to measure the effects of such a contaminant. The soil samples were obtained from three locations in the study area; representing the highly contaminated area, the slightly contaminated area, and the intact area used as a reference for comparison of test results. The results of the tests showed that the contaminant causes an increase of natural moisture content, field unit weight, Atterberg's limits, and maximum dry unit weight, as well as an increase of the compression index and the coefficient of vertical consolidation. Also, the contaminant causes a decrease in specific gravity, the optimum moisture content initial void ratio, the swelling index, the coefficient of permeability, and cohesion between soil particles.%Niniejsza praca została poświęcona badaniu wpływów zanieczyszczeń ściekami na właściwości geotechniczne próbek gleby gliniastej. Czynnikiem zanieczyszczającym są ścieki przemysłowe, uwalniane z rafinerii Thi-Qar jako produkty uboczne produkcji i wyrzucane bezpośrednio na glebę, powodując jej zanieczyszczenie. Ten produkt uboczny będzie dalej określany jako węglowodory ropopochodne (THP), w celu uniknięcia złożoności omawianych wpływów poszczególnych składników ścieków przemysłowych na właściwości geotechniczne gleby. Próbki gleby zostały pobrane z rafinerii Thi-Qar w mieście Al.-Nassyriah, położonym na południu Iraku, o współrzędnych geograficznych (N 305916.2, E 0461332.8). Zanieczyszczone i nierozłożone próbki gleby zostały pobrane w trzech miejscach na badanym obszarze oraz na trzech głębokościach w każdym z tych miejsc. W celu zbadania wpływu różnych stężeń węglowodorów ropopochodnych na właściwości geotechniczne gleby, przeprowadzono badanie trzech lokalizacji o bardzo zanieczyszczonym obszarze (NA1), nieznacznie zanieczyszczonym obszarze (NA2) oraz nienaruszonym obszarze (NA3). Próbki gleby można sklasyfikować zgodnie z USCS, jako glinę mulistą lub muł gliniasty, a konsystencja gleby jest średnia lub sztywna (w przypadku próbek nienaruszonej gleby) oraz miękka lub bardzo miękka (w przypadku próbek zanieczyszczonej gleby). Ponadto, w celu zbadania odchylenia takiego zanieczyszczenia pod kątem głębokości, pobrano trzy próbki gleby z każdego obszaru, a ich głębokości (0.0, 1.0 i 2.0 m) zostały zmierzone od istniejącego poziomu gruntu. Próbki gleby zostały umieszczone w hermetycznych plastikowych torebkach i oznakowane, a następnie przewiezione do laboratorium mechaniki gleby w celu zbadania wpływu zanieczyszczenia na ich właściwości geotechniczne. Obszar badania i lokalizacje próbek gleby zostały przedstawione na Rys. I. Właściwości geotechniczne próbek zanieczyszczonej gleby zostały porównane z właściwościami geotechnicznymi próbek nienaruszonej gleby, celem przeprowadzenia pomiarów wpływu takiego czynnika zanieczyszczającego na właściwości geotechniczne. Zbadane właściwości geotechniczne próbek gleby obejmują właściwości chemiczne, właściwości fizyczne i właściwości mechaniczne. Właściwości chemiczne obejmują zawartość siarczanów, zawartość chlorków, zdolność wymiany kationów, gips, pH i TSS. Przeprowadzono również badania dyfrakcji rentgenowskiej, w celu oddzielenia minerałów ilastych i minerałów nieilastych. Właściwości fizyczne próbek gleby obejmują rozkład wielkości cząsteczek, ciężar właściwy, przepuszczalność, zagęszczenie i granice Atterberga. Właściwości mechaniczne próbek obejmują jednowymiarową próbę konsolidacji, wytrzymałość na ściskanie w jednej osi oraz nieskonsolidowany nierozcieńczony test triaksalny. Badania mechaniczne zostały przeprowadzone na próbkach gleby nienaruszonej, lecz próbki nalewanej gleby zostały wykorzystane w celu pomiaru tych właściwości próbek zanieczyszczonej gleby ze względu na trudności w uzyskaniu niezakłóconych próbek gleby w zanieczyszczonych strefach. Zanieczyszczenie gleby THP ma różne skutki dla fizycznych, chemicznych i mechanicznych właściwości próbek gleby. Efekty zależą głównie od stężenia czynnika zanieczyszczającego w glebie i od rodzaju gleby, w której właściwości geotechniczne próbek zanieczyszczonej gleby miały znaczący wpływ wraz ze zwiększeniem stężenia czynnika zanieczyszczającego. Na badanym obszarze, stężenie THP jest zmienne wraz z lokalizacją i głębokością, a zatem badaniu poddano kilka próbek gleby. Wyniki badań chemicznych i dyftakcj i rentgenowskiej wykazały, że stężenie CI-1, OM, TSS i pH wzrosło wraz ze wzrostem zawartości THP w próbkach gleby, podczas gdy stężenie S03, CEC i gipsu zmalało wraz ze wzrostem zawartości THP w próbkach gleby. Również ilość niegliniastych cząsteczek próbki gleby wzrosła wraz ze wzrostem zawartości THP. THP ma zmienny wpływ na właściwości fizyczne próbek gleby. Cząsteczki próbek zanieczyszczonej gleby są bardziej szorstkie niż cząsteczki próbek nienaruszonej gleby, co jest spowodowane powlekaniem cząsteczek gleby solami czynnika zanieczyszczającego [8, 14, 15]. Również spadek zawartości może wynikać z faktu, że ropa wpływa na fizykochemiczny charakter frakcji gliny w glebie [16]. Wzrost wilgotności próbek zanieczyszczonej gleby prowadzi do zmniejszenia ciężaru właściwego i całkowitej gęstości próbek. Jest to spowodowane niską gęstością czynnika zanieczyszczającego obecnego w próbkach gleby [8, 11]. TPH ma lepkość większą niż woda; fakt ten w połączeniu z napięciem powierzchniowym wspiera zatrzymywanie TPH między cząsteczkami gleby. Woda jest czynnikiem wiążącym dla minerałów glebowych, a jej skupienie wokół minerału glinowego zapewnia plastyczność, mimo, że nie dojdzie do tego, jeśli minerały te są otoczone węglowodorem. Inni autorzy również donosili o tych wynikach, np. [6, 7, 8, 11]. Kilka badań z kolei wykazało zmniejszenie granic cieczy i plastiku w zanieczyszczonej glebie, spowodowane produktami ropopochodnymi [3, 4, 6, 13, 17]. Kształt krzywej zagęszczenia zmienia się wraz ze wzrostem ilości czynników zanieczyszczających w próbkach. Krzywe zagęszczenia wykazują spadek optymalnej zawartości wilgoci oraz wzrost maksymalnej suchej gęstości wraz ze wzrostem stężenia TPH w próbkach. Spadek zawartości optymalnej wilgoci stanowi odzwierciedlenie efektów smarowania TPH, co ułatwia proces zagęszczania i zmniejsza zawartość wody potrzebnej do osiągnięcia maksymalnej gęstości. Węglowodór posiada bardzo niską rozpuszczalność w wodzie i nie zmienia właściwości wody destylowanej wykorzystywanej w teście przepuszczalności, dlatego też do pomiaru przepuszczalności zanieczyszczonej gleby wykorzystano standardowe procedury stosowane podczas pomiaru przepuszczalności. Wyniki testów konsolidacyjnych wykazały zauważalny spadek współczynnika pustki i indeksu pęcznienia, wraz ze wzrostem stężenia THP w próbkach. W rezultacie wskaźnik sprężania wzrasta. Fakt ten można przypisać do przesuwania się cząsteczek gleby w wyniku wycieku ropy do ubytków gleby, pełniących rolę środka poślizgowego. Początkowy wzrost qu dla próbki NA20 można przypisać przegrupowaniu cząsteczek pseudoprocesowych, które zwiększają wiązanie między cząsteczkami, a tym samym zwiększają oporność na obciążenie. THP posiada lepszą lepkość niż woda, co powoduje obniżenie parametrów wytrzymałości na ścinanie próbek gleby, gdzie THP pokrywa cząsteczki gleby i pozostawia warstwę wokół cząsteczek gleby. Ponadto, THP powoduje zwiększenie szans na poślizg między cząsteczkami, co wpływa na zmniejszenie wytrzymał.