（安全技术及工程专业论文）卫生填埋场防渗层改性研究.pdf

东北大学硕士学 位论文 abs t r act a s t u d y o n mo d i f i c a t i o n o f c l a y e y s o i l a s l a n d f i l l l i n e r ma t e r i a l ab s t r a c t t h e l a n d f i l l l i n e r i s t h e k e y p a rt o f a l a n d fi l l . b as i n g o n t h e a c t u a l it y o f l a o h u c h o n g l a n d f i l l i n s h e n y a n g , t a k in g f a c t o r s s u c h a s s e c u ri t y a n d c o s t i n t o c o n s i d e r a t i o n , t h i s p a p e r u s e d c l a y e y s o i l as t h e l a n d f i l l l i n e r , w h i c h w as p a d d e d w i t h t h e c a - b e n t o n i t e . f i r s t , t h e e ff e c t s o f d ry d e n s i t y , b e n t o n i t e p e r c e n t a g e a n d b e n t o n i t e g r a i n d i s t r ib u t i o n o n i t s p e r m e a b i l i t y w e r e s tu d i e d . s e c o n d , t h e q u a l i t y o f t h e l a n d f i l l li n e r s u c h as c h e m i c e n d u ri n g , c u t i n t e n s i t y , e x p a n d i n g v o l u m e ,fr o s t i n g v o l u m e w e r e e x a m i n e d . a n d a t l as t , b y t h e a c t u a l t e s t s , t h e e ff e c t s o f s o i l s gra i n d i s t r i b u t i o n , m i x e d d e gr e e a n d r o a d r o l l e r s o n i t s p e r m e a b i l i ty w e r e a n a l y s e d . a c c o r d i n g t o t h e r e s u lt s , i t i s d e t e c t e d t h a t t h e e ff e c t o f t h e m o d i fi e d c l a y e y s o i l i s t h e s a m e as t h e o n e w h o s e p l y i s 2 m a n d p e r m e a b i li t y c o e f f i c i e n t i s 1 - o x 1 0 c m / s w h i l e t h e m o d i f i e d o n e i s 3 0 - 5 0 c m a n d 1 0 -8 c m / s - 1 0 -9 c m / s , r e s p e c t i v e ly . t h e p r o p o s e d p r o c e s s h as s u c h a d v a n t a g e a s s i m p l i c i t y i n o p e r a t i o n , g o o d e ff e c t a n d l o w c o s t . a t t h e s a m e t i m e , i t i s a l s o d e t e c t e d t h a t d ry d e n s i t y i s t h e m a i n f a c t o r a ff e c t i n g t h e q u a l i t y o f t h e l a n d f i l l l i n e r . k e y w o r d s l a n d f i l l , b e n t o n i t e , l i n e r m a t e r i a l , d r y d e n s i t y , c l a y e y s o i l m 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 : 。、介 晓 房 日期 :2- , -o . 不多 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。本人授权东北大学可以 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。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : , q 寿 签字日 期:勺 娜乡 、 / 、 亏 导 师 签 名 : p l,二 签字日 期: a,- r -0 c 珍 ， . r 2峥 i 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 卫生填埋场的防渗 1 . 1 . 1 卫生填埋概况 卫生填埋是指能对渗沥液和填埋气体进行控制的填埋方式。早期的垃圾填埋 处理由于未控制其对环境的污染，造成了严重的后果。直到2 0 世纪3 0 年代，在 美国的加利福尼亚才首次提出了 “ 卫生填埋 ( l a n d f i l l )” 的概念。由于垃圾产量大 大增加，而且含有有毒有害物质，因此造成环境污染的可能性也大大增加，所以 人们对垃圾填埋场的环境影响越来越重视，垃圾填埋场的操作管理也越来越严格 1 1 在垃圾填埋场设计、建设和运行过程中，填埋场基底的防渗效果最为关键。 垃圾填埋场一旦渗沥液泄漏，必然会对地下水或地表水水体造成污染，其危害往 往要延续很长时间，少则几年，多则十几年，且无法采用任何治理措施消除这种 污染。由 此可见，垃圾填埋场防渗层的质量是至关重要的。 填埋场防渗系统， 主要是防止渗沥液污染地下水以及防止地下水涌入填埋场。 通常的防渗设计可采用天然防渗层或人工防渗层。同时按防渗处理类型可采用水 平防渗和垂直防渗两种方式。水平防渗是指防渗层水平方向布置，防止垃圾渗沥 液向 下渗透污染地下水;垂直防渗是指防渗层竖向布置，防止垃圾渗沥液向四周 横向渗透而污染地下水或地表水。填埋场防渗处理通常要运用各种防渗衬垫将水 平防 渗 和 垂 直 防 渗 两 种 方 式 结 合 考 虑 2 1 1 . 1 . 2渗沥液性质 渗沥液是指垃圾在堆放和填埋过程中由于发酵、雨水淋刷和地表水、 地下水 的 浸泡而滤出 来的污水。 渗沥液组分较复杂， 对地面水的 污染以b o d , c o d和氮、 磷污染为主，渗滤液中含有难以 生物降 解的蔡、 菲等非氯化芳香族化合物、 氯化芳 香族化合物、磷酸酷、邻苯二甲酸醋、酚类化合物和苯胺类化合物等污染物。 危 险废物还可产生重金属污染。 渗沥液通过下渗对地下水也会造成严重污染， 主要表 现在地下水混浊， 有臭味，c o d 、三氮含量高， 油、酚污染严重， 细菌、大肠菌超标。 渗沥液的来源主要有四个方面:一是自 然降水，目 前这是垃圾渗沥液的主要 来源; 二是垃圾分解产生; 三是地表水的渗入， 这部分水的产生受到土壤渗透率、 覆盖物的种类、地面地形坡度等因素的影响;四是地下水的渗入。 1 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 卫生填埋场的防渗 1 . 1 . 1 卫生填埋概况 卫生填埋是指能对渗沥液和填埋气体进行控制的填埋方式。早期的垃圾填埋 处理由于未控制其对环境的污染，造成了严重的后果。直到2 0 世纪3 0 年代，在 美国的加利福尼亚才首次提出了 “ 卫生填埋 ( l a n d f i l l )” 的概念。由于垃圾产量大 大增加，而且含有有毒有害物质，因此造成环境污染的可能性也大大增加，所以 人们对垃圾填埋场的环境影响越来越重视，垃圾填埋场的操作管理也越来越严格 1 1 在垃圾填埋场设计、建设和运行过程中，填埋场基底的防渗效果最为关键。 垃圾填埋场一旦渗沥液泄漏，必然会对地下水或地表水水体造成污染，其危害往 往要延续很长时间，少则几年，多则十几年，且无法采用任何治理措施消除这种 污染。由 此可见，垃圾填埋场防渗层的质量是至关重要的。 填埋场防渗系统， 主要是防止渗沥液污染地下水以及防止地下水涌入填埋场。 通常的防渗设计可采用天然防渗层或人工防渗层。同时按防渗处理类型可采用水 平防渗和垂直防渗两种方式。水平防渗是指防渗层水平方向布置，防止垃圾渗沥 液向 下渗透污染地下水;垂直防渗是指防渗层竖向布置，防止垃圾渗沥液向四周 横向渗透而污染地下水或地表水。填埋场防渗处理通常要运用各种防渗衬垫将水 平防 渗 和 垂 直 防 渗 两 种 方 式 结 合 考 虑 2 1 1 . 1 . 2渗沥液性质 渗沥液是指垃圾在堆放和填埋过程中由于发酵、雨水淋刷和地表水、 地下水 的 浸泡而滤出 来的污水。 渗沥液组分较复杂， 对地面水的 污染以b o d , c o d和氮、 磷污染为主，渗滤液中含有难以 生物降 解的蔡、 菲等非氯化芳香族化合物、 氯化芳 香族化合物、磷酸酷、邻苯二甲酸醋、酚类化合物和苯胺类化合物等污染物。 危 险废物还可产生重金属污染。 渗沥液通过下渗对地下水也会造成严重污染， 主要表 现在地下水混浊， 有臭味，c o d 、三氮含量高， 油、酚污染严重， 细菌、大肠菌超标。 渗沥液的来源主要有四个方面:一是自 然降水，目 前这是垃圾渗沥液的主要 来源; 二是垃圾分解产生; 三是地表水的渗入， 这部分水的产生受到土壤渗透率、 覆盖物的种类、地面地形坡度等因素的影响;四是地下水的渗入。 1 东 北大学硕士学位论文第一章 绪论 根据国内外生活垃圾渗沥液的统计情况，渗沥液具有以下的化学特征: ( i ) 渗沥液的化学成分极为复杂，既有有机成分，又有无机成分，还含有 受一些微量重金属污染成分，表现出很强的综合污染特征。 ( 2 ) 渗沥液污染成分浓度很高。对我国太原某城市垃圾填埋场的渗沥液的 监测分析表明，除少数几个指标未超过国 家标准外，其余指标均严重超标，其中 c o d , b o d , 氨氮、 总磷、 砷分别超标1 0 0 , 1 2 0 , 5 4 7 , 9 0 , 1 2 0 倍 。由 于垃圾 填埋场污染的严重性和复杂性， 有人曾经提出 对填埋场污水排放的 标准加以 修改。 ( 3 ) 有机物含量高，成份复杂。目 前已经发现在渗沥液中可能 存在的有机 物超过1 0 0 种，其中， 主要是低分子的脂肪酸、 腐殖酸类和高分子的 灰黄酸类物 质。从广州某填埋场的渗沥液中检测出7 7 种有机物，其中芳烃类2 9 种， 烷烃烯 烃类1 8 种，酸类8 种，酷类5 种，醇、酚类6 种， 酮、醛类4 种， 酞胺类2 种， 其他5 种，存在相当 数量的 致癌物和有毒物。 ( 4 ) 无机污染物成分复杂，其种类和浓度在很大程度上受垃圾成分和淋滤 时 间 的 影 响 。 主 要以c r , s o 4 2 , c a z + , m 扩 + 等 离 子 的 形 式 反 应出 来。 ( 5 ) 由 于生活垃圾中 含有一定量的重金属经淋滤作用后， 会使渗沥液中 存 在一些重金属元素。 我国的生活垃圾中金属物质的含量较发达国家少， 渗沥液中 的 金 属 元素c u , f e , p b , z n , c d , m , m g 的 含 量 均较 低。 ( 6 )渗沥液中细菌、 大肠杆菌的 含量也很高， 如每克生活垃圾中含2 5 .6 万 个细菌， 大肠杆菌总数超过2 5 . 8 万个p l 1 .2卫生填埋垃圾防渗层建设标准及要求 1 . 2 . 1防渗层建设标准 中 华人民 共和国 国 家 标准 生 活垃 圾 填埋 污 染 控 制 标准 e 1 ( g b 1 6 8 8 9 - 1 9 9 7 ) 规定: 生活垃圾填埋场设计应包含防渗工程， 垃圾渗滤液输导、 收集和处理系统。 生活垃圾填埋场的防渗层的渗透系数k , 1 0 - 7 c m / s 。 防渗工程应采用水平防渗和垂 直防渗相结合的工艺。 填埋场基底为抗压的平稳层，不应因垃圾分解沉陷而使场 底变形。 建设 部标 准 城市 生活 垃 圾 填埋技术 规范 17 7 ( g j j 1 7 - 2 0 0 1 ) 规定: 天然 粘 土衬 层渗透系 数小 于 1 0 - 7 c m / s ， 厚 度要求达到2 m以 上; 人 工衬层渗 透系 数小 于 1 0 l z c m / s ，厚度不得小于1 . 5 m m . 国外卫生填埋设计标准也有相关的规定，如德国 有关卫生填埋场衬垫设计的 标准中 规定防 渗层的 渗透系数k 5 x 1 0 s c m / s ， 防 渗层厚度至少5 0 0 m m . 2 东 北大学硕士学位论文第一章 绪论 根据国内外生活垃圾渗沥液的统计情况，渗沥液具有以下的化学特征: ( i ) 渗沥液的化学成分极为复杂，既有有机成分，又有无机成分，还含有 受一些微量重金属污染成分，表现出很强的综合污染特征。 ( 2 ) 渗沥液污染成分浓度很高。对我国太原某城市垃圾填埋场的渗沥液的 监测分析表明，除少数几个指标未超过国 家标准外，其余指标均严重超标，其中 c o d , b o d , 氨氮、 总磷、 砷分别超标1 0 0 , 1 2 0 , 5 4 7 , 9 0 , 1 2 0 倍 。由 于垃圾 填埋场污染的严重性和复杂性， 有人曾经提出 对填埋场污水排放的 标准加以 修改。 ( 3 ) 有机物含量高，成份复杂。目 前已经发现在渗沥液中可能 存在的有机 物超过1 0 0 种，其中， 主要是低分子的脂肪酸、 腐殖酸类和高分子的 灰黄酸类物 质。从广州某填埋场的渗沥液中检测出7 7 种有机物，其中芳烃类2 9 种， 烷烃烯 烃类1 8 种，酸类8 种，酷类5 种，醇、酚类6 种， 酮、醛类4 种， 酞胺类2 种， 其他5 种，存在相当 数量的 致癌物和有毒物。 ( 4 ) 无机污染物成分复杂，其种类和浓度在很大程度上受垃圾成分和淋滤 时 间 的 影 响 。 主 要以c r , s o 4 2 , c a z + , m 扩 + 等 离 子 的 形 式 反 应出 来。 ( 5 ) 由 于生活垃圾中 含有一定量的重金属经淋滤作用后， 会使渗沥液中 存 在一些重金属元素。 我国的生活垃圾中金属物质的含量较发达国家少， 渗沥液中 的 金 属 元素c u , f e , p b , z n , c d , m , m g 的 含 量 均较 低。 ( 6 )渗沥液中细菌、 大肠杆菌的 含量也很高， 如每克生活垃圾中含2 5 .6 万 个细菌， 大肠杆菌总数超过2 5 . 8 万个p l 1 .2卫生填埋垃圾防渗层建设标准及要求 1 . 2 . 1防渗层建设标准 中 华人民 共和国 国 家 标准 生 活垃 圾 填埋 污 染 控 制 标准 e 1 ( g b 1 6 8 8 9 - 1 9 9 7 ) 规定: 生活垃圾填埋场设计应包含防渗工程， 垃圾渗滤液输导、 收集和处理系统。 生活垃圾填埋场的防渗层的渗透系数k , 1 0 - 7 c m / s 。 防渗工程应采用水平防渗和垂 直防渗相结合的工艺。 填埋场基底为抗压的平稳层，不应因垃圾分解沉陷而使场 底变形。 建设 部标 准 城市 生活 垃 圾 填埋技术 规范 17 7 ( g j j 1 7 - 2 0 0 1 ) 规定: 天然 粘 土衬 层渗透系 数小 于 1 0 - 7 c m / s ， 厚 度要求达到2 m以 上; 人 工衬层渗 透系 数小 于 1 0 l z c m / s ，厚度不得小于1 . 5 m m . 国外卫生填埋设计标准也有相关的规定，如德国 有关卫生填埋场衬垫设计的 标准中 规定防 渗层的 渗透系数k 5 x 1 0 s c m / s ， 防 渗层厚度至少5 0 0 m m . 2 东 北大学硕士学位论文第一章 绪论 根据国内外生活垃圾渗沥液的统计情况，渗沥液具有以下的化学特征: ( i ) 渗沥液的化学成分极为复杂，既有有机成分，又有无机成分，还含有 受一些微量重金属污染成分，表现出很强的综合污染特征。 ( 2 ) 渗沥液污染成分浓度很高。对我国太原某城市垃圾填埋场的渗沥液的 监测分析表明，除少数几个指标未超过国 家标准外，其余指标均严重超标，其中 c o d , b o d , 氨氮、 总磷、 砷分别超标1 0 0 , 1 2 0 , 5 4 7 , 9 0 , 1 2 0 倍 。由 于垃圾 填埋场污染的严重性和复杂性， 有人曾经提出 对填埋场污水排放的 标准加以 修改。 ( 3 ) 有机物含量高，成份复杂。目 前已经发现在渗沥液中可能 存在的有机 物超过1 0 0 种，其中， 主要是低分子的脂肪酸、 腐殖酸类和高分子的 灰黄酸类物 质。从广州某填埋场的渗沥液中检测出7 7 种有机物，其中芳烃类2 9 种， 烷烃烯 烃类1 8 种，酸类8 种，酷类5 种，醇、酚类6 种， 酮、醛类4 种， 酞胺类2 种， 其他5 种，存在相当 数量的 致癌物和有毒物。 ( 4 ) 无机污染物成分复杂，其种类和浓度在很大程度上受垃圾成分和淋滤 时 间 的 影 响 。 主 要以c r , s o 4 2 , c a z + , m 扩 + 等 离 子 的 形 式 反 应出 来。 ( 5 ) 由 于生活垃圾中 含有一定量的重金属经淋滤作用后， 会使渗沥液中 存 在一些重金属元素。 我国的生活垃圾中金属物质的含量较发达国家少， 渗沥液中 的 金 属 元素c u , f e , p b , z n , c d , m , m g 的 含 量 均较 低。 ( 6 )渗沥液中细菌、 大肠杆菌的 含量也很高， 如每克生活垃圾中含2 5 .6 万 个细菌， 大肠杆菌总数超过2 5 . 8 万个p l 1 .2卫生填埋垃圾防渗层建设标准及要求 1 . 2 . 1防渗层建设标准 中 华人民 共和国 国 家 标准 生 活垃 圾 填埋 污 染 控 制 标准 e 1 ( g b 1 6 8 8 9 - 1 9 9 7 ) 规定: 生活垃圾填埋场设计应包含防渗工程， 垃圾渗滤液输导、 收集和处理系统。 生活垃圾填埋场的防渗层的渗透系数k , 1 0 - 7 c m / s 。 防渗工程应采用水平防渗和垂 直防渗相结合的工艺。 填埋场基底为抗压的平稳层，不应因垃圾分解沉陷而使场 底变形。 建设 部标 准 城市 生活 垃 圾 填埋技术 规范 17 7 ( g j j 1 7 - 2 0 0 1 ) 规定: 天然 粘 土衬 层渗透系 数小 于 1 0 - 7 c m / s ， 厚 度要求达到2 m以 上; 人 工衬层渗 透系 数小 于 1 0 l z c m / s ，厚度不得小于1 . 5 m m . 国外卫生填埋设计标准也有相关的规定，如德国 有关卫生填埋场衬垫设计的 标准中 规定防 渗层的 渗透系数k 5 x 1 0 s c m / s ， 防 渗层厚度至少5 0 0 m m . 2 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 由 上可见，不仅各国的防渗层标准宽严不一，即便是国内的标准，也尚未统 一。由于防渗层的施工标准不仅关系到填埋场的安全，而且与填埋场的建造成本 和施工难度有关。因此， 制定一个的合理的垃圾填埋场的防渗层施工标准，同样 是一项刻不容缓的任务。 1 . 2 .2抗老化要求 城市生活垃圾成分复杂，其中含有很多对防渗材料具有腐蚀性的物质。填埋 后降 解速度缓慢， 有时需要几十年甚至近百年才能完成3 1 。 所以， 沉淀系统应该 在相当长的时间能保持低渗透性。而不少填埋场选择的防渗材料开始的时候渗透 系数小 于 1 0 - 7 r m l s ， 但一段时间后开始渗漏，原因就是防渗层的耐久性达不到要 求。国外技术先进国家都要求对人工防渗层进行抗百年老化试验。在我国这方面 尚未作明确的规定， 但应在选材时考虑此因素，以保证防渗层的长期安全可靠， 避免由于选材不当造成的社会和经济两方面的损失。 1 .3防渗层的种类和特点 1 . 3 . 1天然粘土衬层 粘土是广泛应用于填埋场防渗衬层的自 然材料。优质的粘土渗透系数可以达 到1 0 l c m / : 以 下， 如果 其厚 度达到要 求是经济的 衬底材料。 选择天然粘土衬 层的 主要因素是测定其连续性和渗透率。为保证其有效性，要求自 然衬层必须密实连 续，避免有重大的水利缺陷，如裂缝、洞眼等。但是其存在以下缺点: ( 1 ) 难找到渗透系数小于1 0 -7 c m / s 的大面积天然粘土层; c 2 ) 气候变化，冻融交替产生破环; ( 3 ) 查明大面 积粘土层是否均一 连续和低渗透性是极其困难的1 4 ) 由于天然粘土层很难达到防渗标准， 可对天然粘土层进行改性提高防渗能力。 人工改造粘土层是由 天然粘土经人工改性压实而成，改性压实的目 的是将松 散、 不匀的 粘土层压实成均匀分布、 低渗透性的土层。 现在国内 外对天然粘土进 行人工改造时普遍加入填料对粘土层改性，以 增进其防渗效果。主要的改造填料 有添加膨润土、 石灰、 粉煤灰等具有吸湿膨胀性的 材料， 使粘土层渗透系数降低 并具有自 我修复能力。 膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土矿物， 具有吸湿膨胀性、 低渗透性、 高吸附性以及良 好的自 我封闭性能。 钠基膨润土吸水后体积膨胀可达原土的1 0 - 3 0 倍， 且有很大的阳离子交换容量 ( 8 0 0 -1 0 0 0 m e q / k g ) ，比 其他种类的粘土高很 多倍，因此在土壤中添加膨润土不但可以减少土壤的空隙，而且可以提高衬层吸 3 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 由 上可见，不仅各国的防渗层标准宽严不一，即便是国内的标准，也尚未统 一。由于防渗层的施工标准不仅关系到填埋场的安全，而且与填埋场的建造成本 和施工难度有关。因此， 制定一个的合理的垃圾填埋场的防渗层施工标准，同样 是一项刻不容缓的任务。 1 . 2 .2抗老化要求 城市生活垃圾成分复杂，其中含有很多对防渗材料具有腐蚀性的物质。填埋 后降 解速度缓慢， 有时需要几十年甚至近百年才能完成3 1 。 所以， 沉淀系统应该 在相当长的时间能保持低渗透性。而不少填埋场选择的防渗材料开始的时候渗透 系数小 于 1 0 - 7 r m l s ， 但一段时间后开始渗漏，原因就是防渗层的耐久性达不到要 求。国外技术先进国家都要求对人工防渗层进行抗百年老化试验。在我国这方面 尚未作明确的规定， 但应在选材时考虑此因素，以保证防渗层的长期安全可靠， 避免由于选材不当造成的社会和经济两方面的损失。 1 .3防渗层的种类和特点 1 . 3 . 1天然粘土衬层 粘土是广泛应用于填埋场防渗衬层的自 然材料。优质的粘土渗透系数可以达 到1 0 l c m / : 以 下， 如果 其厚 度达到要 求是经济的 衬底材料。 选择天然粘土衬 层的 主要因素是测定其连续性和渗透率。为保证其有效性，要求自 然衬层必须密实连 续，避免有重大的水利缺陷，如裂缝、洞眼等。但是其存在以下缺点: ( 1 ) 难找到渗透系数小于1 0 -7 c m / s 的大面积天然粘土层; c 2 ) 气候变化，冻融交替产生破环; ( 3 ) 查明大面 积粘土层是否均一 连续和低渗透性是极其困难的1 4 ) 由于天然粘土层很难达到防渗标准， 可对天然粘土层进行改性提高防渗能力。 人工改造粘土层是由 天然粘土经人工改性压实而成，改性压实的目 的是将松 散、 不匀的 粘土层压实成均匀分布、 低渗透性的土层。 现在国内 外对天然粘土进 行人工改造时普遍加入填料对粘土层改性，以 增进其防渗效果。主要的改造填料 有添加膨润土、 石灰、 粉煤灰等具有吸湿膨胀性的 材料， 使粘土层渗透系数降低 并具有自 我修复能力。 膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土矿物， 具有吸湿膨胀性、 低渗透性、 高吸附性以及良 好的自 我封闭性能。 钠基膨润土吸水后体积膨胀可达原土的1 0 - 3 0 倍， 且有很大的阳离子交换容量 ( 8 0 0 -1 0 0 0 m e q / k g ) ，比 其他种类的粘土高很 多倍，因此在土壤中添加膨润土不但可以减少土壤的空隙，而且可以提高衬层吸 3 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 由 上可见，不仅各国的防渗层标准宽严不一，即便是国内的标准，也尚未统 一。由于防渗层的施工标准不仅关系到填埋场的安全，而且与填埋场的建造成本 和施工难度有关。因此， 制定一个的合理的垃圾填埋场的防渗层施工标准，同样 是一项刻不容缓的任务。 1 . 2 .2抗老化要求 城市生活垃圾成分复杂，其中含有很多对防渗材料具有腐蚀性的物质。填埋 后降 解速度缓慢， 有时需要几十年甚至近百年才能完成3 1 。 所以， 沉淀系统应该 在相当长的时间能保持低渗透性。而不少填埋场选择的防渗材料开始的时候渗透 系数小 于 1 0 - 7 r m l s ， 但一段时间后开始渗漏，原因就是防渗层的耐久性达不到要 求。国外技术先进国家都要求对人工防渗层进行抗百年老化试验。在我国这方面 尚未作明确的规定， 但应在选材时考虑此因素，以保证防渗层的长期安全可靠， 避免由于选材不当造成的社会和经济两方面的损失。 1 .3防渗层的种类和特点 1 . 3 . 1天然粘土衬层 粘土是广泛应用于填埋场防渗衬层的自 然材料。优质的粘土渗透系数可以达 到1 0 l c m / : 以 下， 如果 其厚 度达到要 求是经济的 衬底材料。 选择天然粘土衬 层的 主要因素是测定其连续性和渗透率。为保证其有效性，要求自 然衬层必须密实连 续，避免有重大的水利缺陷，如裂缝、洞眼等。但是其存在以下缺点: ( 1 ) 难找到渗透系数小于1 0 -7 c m / s 的大面积天然粘土层; c 2 ) 气候变化，冻融交替产生破环; ( 3 ) 查明大面 积粘土层是否均一 连续和低渗透性是极其困难的1 4 ) 由于天然粘土层很难达到防渗标准， 可对天然粘土层进行改性提高防渗能力。 人工改造粘土层是由 天然粘土经人工改性压实而成，改性压实的目 的是将松 散、 不匀的 粘土层压实成均匀分布、 低渗透性的土层。 现在国内 外对天然粘土进 行人工改造时普遍加入填料对粘土层改性，以 增进其防渗效果。主要的改造填料 有添加膨润土、 石灰、 粉煤灰等具有吸湿膨胀性的 材料， 使粘土层渗透系数降低 并具有自 我修复能力。 膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土矿物， 具有吸湿膨胀性、 低渗透性、 高吸附性以及良 好的自 我封闭性能。 钠基膨润土吸水后体积膨胀可达原土的1 0 - 3 0 倍， 且有很大的阳离子交换容量 ( 8 0 0 -1 0 0 0 m e q / k g ) ，比 其他种类的粘土高很 多倍，因此在土壤中添加膨润土不但可以减少土壤的空隙，而且可以提高衬层吸 3 东北大学 硕士学 位论文第一章 绪论 附污染物的能力，我国膨润土资源十分丰富，蕴藏量排世界第二位。国内的研究 主要集中在膨润土对天然粘士层的改性，这些研究主要采用性能好，价格高的钠 基膨润土，防渗层基底改造投资甚至达到6 0 -8 0 元/ m 2 ，施工量也较大s 7 ， 影响 了实际采用。 石灰和粉煤灰也可用于对天然粘土层的改造， 石灰与粘土混合后，可以改变 粘土颗粒的表面电价，使粘土颗粒更为紧密的吸附在一起，形成絮凝体增强了复 合土的强度，降 低了 渗透系数。 粉煤灰具有凝胶作用和致密作用， 添加到粘土层 后也可起到减小土壤空隙，降低土壤渗透系数的作用。 1 . 3 . 2人工衬层 当 填埋场不具备粘土类衬里或改良 土衬里防渗要求时采取自 然和人工结合的 防渗技术措施，且天然防渗层的工程量较大。人工防渗层是以 极低渗水性的 化学 合成材料，如高密聚乙烯膜 ( h d p e )为核心，组成全封闭的非透水隔离层。在 隔离层上面进行垃圾渗沥液的收集和排放， 在其下面进行地下水的有效排除，防 止地下水位的上升而造成隔离层的失效。 人工衬底材料成为国内外研究的热点， 一般采用渗透系数低、机械强度大、 抗腐蚀能力强、抗老化的复合材料膜，如沥青、合成材料等。主要有以下几类: ( i )合成橡胶系 如加硫橡胶系 一乙丙橡胶( e p d m) , 异丁 橡胶 ( h r ) , 氯演化聚乙 烯 ( c s m ) ( 2 ) 合成树脂系 如氯乙 烯系一聚氯乙 烯树脂 ( p v c ) ,聚乙 烯树脂 ( p e ) ,氯化聚乙烯树脂 ( c p e ) 、乙基乙 烯醋酸脂树脂 ( e v a) ,高密聚乙烯 ( h d p e ) ( 3 )沥青系 如沥青喷涂布、 沥青浸布 人工衬层主要参数见表1 . 1 : 表 1 . 1 中的 人工衬层由 于都是一层较薄的 膜， 在实际 应用中， 一旦被刺破， 无自 我修复能力。其中单层h d p e 膜的铺设价格为3 0 4 0 元/ m 2 a ( 4 ) 土工织物膨润土垫g c l g c l是由两层或多层的土工织物中间加一层膨润土粉末而成的一种复合材 料，其主要组成部分是膨润土粉末层，它具有高膨胀性和高吸水能力， 湿润时透 水率很低， 外层的土工膜主要起保护和加固作用， 使g c l具有一定的整体抗剪强 度。与其他的人工衬层相比，其遇水后厚度增大，不易被刺穿，即使出现漏水点 4 东北大学 硕士学 位论文第一章 绪论 附污染物的能力，我国膨润土资源十分丰富，蕴藏量排世界第二位。国内的研究 主要集中在膨润土对天然粘士层的改性，这些研究主要采用性能好，价格高的钠 基膨润土，防渗层基底改造投资甚至达到6 0 -8 0 元/ m 2 ，施工量也较大s 7 ， 影响 了实际采用。 石灰和粉煤灰也可用于对天然粘土层的改造， 石灰与粘土混合后，可以改变 粘土颗粒的表面电价，使粘土颗粒更为紧密的吸附在一起，形成絮凝体增强了复 合土的强度，降 低了 渗透系数。 粉煤灰具有凝胶作用和致密作用， 添加到粘土层 后也可起到减小土壤空隙，降低土壤渗透系数的作用。 1 . 3 . 2人工衬层 当 填埋场不具备粘土类衬里或改良 土衬里防渗要求时采取自 然和人工结合的 防渗技术措施，且天然防渗层的工程量较大。人工防渗层是以 极低渗水性的 化学 合成材料，如高密聚乙烯膜 ( h d p e )为核心，组成全封闭的非透水隔离层。在 隔离层上面进行垃圾渗沥液的收集和排放， 在其下面进行地下水的有效排除，防 止地下水位的上升而造成隔离层的失效。 人工衬底材料成为国内外研究的热点， 一般采用渗透系数低、机械强度大、 抗腐蚀能力强、抗老化的复合材料膜，如沥青、合成材料等。主要有以下几类: ( i )合成橡胶系 如加硫橡胶系 一乙丙橡胶( e p d m) , 异丁 橡胶 ( h r ) , 氯演化聚乙 烯 ( c s m ) ( 2 ) 合成树脂系 如氯乙 烯系一聚氯乙 烯树脂 ( p v c ) ,聚乙 烯树脂 ( p e ) ,氯化聚乙烯树脂 ( c p e ) 、乙基乙 烯醋酸脂树脂 ( e v a) ,高密聚乙烯 ( h d p e ) ( 3 )沥青系 如沥青喷涂布、 沥青浸布 人工衬层主要参数见表1 . 1 : 表 1 . 1 中的 人工衬层由 于都是一层较薄的 膜， 在实际 应用中， 一旦被刺破， 无自 我修复能力。其中单层h d p e 膜的铺设价格为3 0 4 0 元/ m 2 a ( 4 ) 土工织物膨润土垫g c l g c l是由两层或多层的土工织物中间加一层膨润土粉末而成的一种复合材 料，其主要组成部分是膨润土粉末层，它具有高膨胀性和高吸水能力， 湿润时透 水率很低， 外层的土工膜主要起保护和加固作用， 使g c l具有一定的整体抗剪强 度。与其他的人工衬层相比，其遇水后厚度增大，不易被刺穿，即使出现漏水点 4 东 北大学 硕士学位论文第一章 绪论 也会因膨润土的膨胀迁移而自 动愈合。 与粘土密封相比，g c l的优越性主要表现在:体积小、重量轻、施工简单， 并且具有较高的强度。 与土工 膜相比， g c l 的 优越性主要表现在如下几个方面吼 g c l 柔性好，能较好地适应不均匀沉降; o g c l 中的 膨润土层遇水后厚度增大， 并且受外部土工织物的保护， 因 此不 易被顶破或刺破失效，对铺设场地条件的要求比土工膜低; o g c l的连接，尤其是g c l 与管道或建筑物周边连接时，比土工膜简便， 并且接缝处的密封性也容易得到保证; g c l比 土工膜具有较好的界面摩擦特性; 0 5 g c l易于运输和安装，其防渗性能不会因干湿和冻融反复循环而降低; 可能出现的漏水点会因膨润土的迁移而自动愈合。 表1 . 1 人工防渗衬层材料性质 t a b l e 1 . 1 t h e c h a r a c t e r o f ma n u a l l i n e r m- ri a l 物性改 性 沥青 喷 涂 沥青 10一35 竺300缨3 40-70一80-100-50-7q 哪600一600750一80-110-85- eva一眺竺80-竺600-竺50-生70- )vc一3-万一00-00一00-00-压00一5- p-11一力引-妇引一别创-刘 hdi一0.94嘶一170-330一狐600一50- csm一阵兰60-竺500-竺40- 法六恿六 比重 妙 拉伸强度 切断时延伸 率，% 拉裂强度 工 n0 、7 150一85-100 义一55-75 40-55-65 45-65-75 k g f / c m 肖 氏硬 度 ( v , 7 a) ， 度 5 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 耐热性， 1 0 01 0 5 - 1 2 0 1 2 05 0 - 1 0 0 6 0 - 8 0 8 05 0 - 1 0 0 8 01 5 0 耐寒性， 一 4 0 - 6 0 4 0 - 6 0 4 06 02 07 57 0以 下 2 55 0 热 传 导 率 k c a l / m h c 0 . 1 1 - 0 . 2 0 0 . 2 0 - 0 . 2 6 0 . 2 5 - 0 . 3 0 0 . 2 7 - 0 . 3 0 0 . 1 3 - 0 . 1 5 0 . 1 9 - 0 . 2 4 0 . 1 2 - 0 . 1 5 0 . 1 3 热 膨 胀 率 1 0 - b c m / m c 1 3 - 1 2 0 2 0 - 1 3 0 5 0 - 2 5 0 1 1 0 - 1 3 0 7 5 - 2 0 0 1 8 0 - 2 2 0 1 0 - 2 5 3 0 - 6 0 6 0 - 7 0 水蒸气透过 率g / m d 0 . 1 - 0 . 3 0 . 0 41 . 0 - 2 . 4 1 . 5 - 2 . 5 0 . 2 - 0 . 4 9 - 1 4 0 .0 4以下 吸水性 wi l l . ! d 0 . 2 - 0 . 4 0 . 2 - 0 . 8 2 . 60 . 3 - 1 .0 0 . 5 - 1 . 5 0 . 5 - 0 名 1 . 0 - 2 . 0 0 . 0 30 . 5 - 1 . 0 耐氧化性 adabbb abb 耐候性 ad abccba a 耐 碱 性 ， p h 1 0 以 上 a aaaaaaa a 耐 酸 性 ， p h 4 以 下 bbbb bcbaa 耐油性， dda abdbdd 1 .3 .3高密聚乙烯 ( h d p e ) 简介 高密度聚乙 烯 ( h d p e ) 膜是人工合成材料中最常用的防渗材料，它能有效 阻止渗滤液的渗漏。目 前，美国 大多数垃圾卫生填埋场都采用了h d p e膜防渗。 我国2 0 世纪9 0 年代初开始采用h d p e 膜作为垃圾填埋场基底防渗层的主要材料， 由于国内城市垃圾处理的主要方式是填埋，h d p e膜防渗技术在国内 垃圾填埋场 的应用具有非常广阔的发展前景。 h d p e 膜具有优良 的 机械强度、 耐热性和良 好的 弹性， 随着厚度的增加( 一般 范围 在 0 .7 5 - 2 . 5 0 m m ) ， 其断裂点强度、屈服点强度、 抗撕裂强度、抗穿刺强度 逐渐增强，例如:抗拉伸强度可以达到 2 2 -4 5 mp a ，断裂伸长率可达到 2 0 0 % 一 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 耐热性， 1 0 01 0 5 - 1 2 0 1 2 05 0 - 1 0 0 6 0 - 8 0 8 05 0 - 1 0 0 8 01 5 0 耐寒性， 一 4 0 - 6 0 4 0 - 6 0 4 06 02 07 57 0以 下 2 55 0 热 传 导 率 k c a l / m h c 0 . 1 1 - 0 . 2 0 0 . 2 0 - 0 . 2 6 0 . 2 5 - 0 . 3 0 0 . 2 7 - 0 . 3 0 0 . 1 3 - 0 . 1 5 0 . 1 9 - 0 . 2 4 0 . 1 2 - 0 . 1 5 0 . 1 3 热 膨 胀 率 1 0 - b c m / m c 1 3 - 1 2 0 2 0 - 1 3 0 5 0 - 2 5 0 1 1 0 - 1 3 0 7 5 - 2 0 0 1 8 0 - 2 2 0 1 0 - 2 5 3 0 - 6 0 6 0 - 7 0 水蒸气透过 率g / m d 0 . 1 - 0 . 3 0 . 0 41 . 0 - 2 . 4 1 . 5 - 2 . 5 0 . 2 - 0 . 4 9 - 1 4 0 .0 4以下 吸水性 wi l l . ! d 0 . 2 - 0 . 4 0 . 2 - 0 . 8 2 . 60 . 3 - 1 .0 0 . 5 - 1 . 5 0 . 5 - 0 名 1 . 0 - 2 . 0 0 . 0 30 . 5 - 1 . 0 耐氧化性 adabbb abb 耐候性 ad abccba a 耐 碱 性 ， p h 1 0 以 上 a aaaaaaa a 耐 酸 性 ， p h 4 以 下 bbbb bcbaa 耐油性， dda abdbdd 1 .3 .3高密聚乙烯 ( h d p e ) 简介 高密度聚乙 烯 ( h d p e ) 膜是人工合成材料中最常用的防渗材料，它能有效 阻止渗滤液的渗漏。目 前，美国 大多数垃圾卫生填埋场都采用了h d p e膜防渗。 我国2 0 世纪9 0 年代初开始采用h d p e 膜作为垃圾填埋场基底防渗层的主要材料， 由于国内城市垃圾处理的主要方式是填埋，h d p e膜防渗技术在国内 垃圾填埋场 的应用具有非常广阔的发展前景。 h d p e 膜具有优良 的 机械强度、 耐热性和良 好的 弹性， 随着厚度的增加( 一般 范围 在 0 .7 5 - 2 . 5 0 m m ) ， 其断裂点强度、屈服点强度、 抗撕裂强度、抗穿刺强度 逐渐增强，例如:抗拉伸强度可以达到 2 2 -4 5 mp a ，断裂伸长率可达到 2 0 0 % 一 东北大学硕士学位论文 第一章 绪论 9 0 0 11/ 0 ,熔融温度为 1 2 6- 1 3 6 0c;其次，h d p e膜防渗性能良好， 渗透系数k 1 0 u c m / s ， 大 大优于其它防渗 材料2 1 . h d p e 膜含有一定量的 炭黑， 使其具有极 好的 抗紫外线能力; h d p e膜含有一定比例的抗氧化剂，故它具有很好的抗臭氧 氧化及抵抗环境应力龟裂性能。 1 .4国内 外填埋场防渗层应用及研究现状 我国各地根据实际情况，对城市垃圾填埋场的防渗处理技术进行了有益的探 索。 北京安定及北神树垃圾场采用添加膨润土的改性粘土作为防渗层; 深圳下坪、 北京六里屯垃圾填埋场防渗衬层是单层h d p e膜。 其结构大都按照 城市生活垃 圾填埋技术规范 ( g j j 1 7 - 2 0 0 1 ) 所规定的标准设计。沈阳市老虎冲垃圾填埋 场部分区域防渗层材料采用了单层h d p e 膜。 国内对天然改性防渗层的研究较多， 刘长礼等研究了用膨润土沙土混合材料 作为填埋场防渗层的抗渗性能和对垃圾污染物的阻隔作用。在不同粒度的沙中 加 入膨润土， 当含量达到5 % 时， 渗透系数可达1 0 9 c m / s ， 且城市垃圾渗透液中的污 染物对混合材料防渗性能的影响不大，已达到城市卫生垃圾填埋场对防渗层性能 的要求。另外，膨润土改性防渗层对重金属离子的吸附性能可用于控制重金属离 子对土壤的 污染8 ) 史敬华等研究了 一种了复合土防渗层，改性填料为石灰和膨润土，在防渗性 能 方面 看复合土防 渗 层渗 透系数 在1 0 -9 1 0 - s c m / s 之间， 复 合土防 渗层对垃圾渗沥 液中 的 无机 物、 有机 物都 有较强的 衰减能力， 衰减比 例达到8 0 %