（环境工程专业论文）黄土地区垃圾填埋场设计及替代底衬等效性研究.pdf

a b s t r a c t b o t t o ml i n e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t a i n m e n tf a c i l i t i e sc o n s t r u c t e da tm s wl a n d f i l l s i t et oc u t o f fl e a c h a t ef o rp r e v e n t i o no ft h en e a r b ye n v i r o n m e n tp o l l u t i o n t h e o r e t i c a l l y , b o t t o m l i n e r si nd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n sa r ec o m p e t e n tf o rc o n t r o l l i n gl e a c h a t ep o l l u t i o nt oas a m er e q u i r e d d e g r e e i no t h e rw o r d s ，a l t e r n a t i v eb o t t o ml i n e r sc a l lb ed e s i g n e dt op r o v i d et h es a m ep o l l u t i o n c o n t r o lr e s u l t sa st h a tb yt h el i n e r ss u g g e s t e db yn a t i o n a ls t a n d a r dc o d e t h i st h e s i se s t a b l i s h e st h ep r i n c i p l eo fe q u i v a l e n tp o l l u t i o nc o n t r o lw i t hi l l u s t r a t i o nt oi t s a c a d e m i cm e a n i n g s ，a n dp r o v i d e ss o m er u l e sf o rd e s i g no fa l t e r n a t i v el i n e r sb a s e do nt h i sn e w p r i n c i p l e a sar e s e a r c hp r o t o t y p es i t e ，l i n x i am s w l a n d f i l ls i t ei ng a n s up r o v i n c e ，c h i n ai s i n t r o d u c e di nd e t a i la b o u tt h es i t e i n v e s t i g a t i o na n dg e o t e c h n i c a ld e s i g n t h es t a n d a r dl i n e r a s r e q u i r e db yg o v e r n m e n tc o d ea n dt h ea l t e r n a t i v el i n e rp r o p o s e db yt h ea u t h o ra r ed e s i g n e d ，f o l l o w e d b yah y d r a u l i cs i m p l i f i c a t i o nt oe s t a b l i s hp h y s i c a lm o d e l s m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gi sc o n d u c t e dt o e v a l u a t et h ea t t e n u a t i o no fc o n s e r v a t i v ep o l l u t a n t sc o n t a i n e di nl e a c h a t et h r o u g hv a r i o u sl i n e r sb a s e d o np o r o u sc o n v e c t i o n d i f f u s i o ne q u a t i o n r e s e a r c hr e s u l t ss h o w st h a tt h ea l t e r n a t i v el i n e rw i t h c o m p a c t e dl o e s s s o i ls i g n i f i c a n t l yc u td o w nt h el e a c h a t ec o n c e n t r a t i o na n dc o n t r o l sl e a c h a t e p o l l u t i o na l m o s tt h es a m ea ss t a n d a r dc o m p a c t e dc l a yl i n e rd o e sa l t h o u g hf u r t h e ro p t i m i z a t i o ni s n e e d e di nc o n s i d e r a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o nd e t a i l sa n dl o w e rr a i n f a l li na r i da n ds e m i a r i da r e a e q u i v a l e n tp o l l u t i o nc o n t r o lp r o v i d e sa c a d e m i cb a s i sf o rd e s i g no fa l t e m a t i v el i n e rw i t hb e t t e r f l e x i b i l i t yt os i t es e l e c t i o na n dg e o t e c h n i c a lc o n s t r u c t i o n e q u i v a l e n c ep r i n c i p l ec a nb ed e s c r i b e d t h e o r e t i c a l l yi nt w ow a y s ，d a r c ye q u i v a l e n c e ( d e ) a n dc o n c e n t r a t i o na t t e n u a t i o ne q u i v a l e n c e ( c a e ) p r a c t i c a ld e s i g no fa l t e r n a t i v el i n e rc a nb ec o m p l e t e di nt w os t a g e s f i r s t l y , e s t i m a t et h e s u i t a b l ep a r a m e t e r ss u c ha sp e r m e a b i l i t ya n dd e p t ho fa l t e r n a t i v el i n e rf o l l o w i n gd e , a n ds e c o n d l y , c a l c u l a t et h el e a c h a t ea t t e n u a t i o nt h r o u g hs t a n d a r da n da l t e r n a t i v el i n e r sf o l l o w i n gc a es oa st o v e r i f yo ro p t i m i z et h ea l t e r n a t i v el i n e r s i xc h a p t e r sa r ei n c l u d e di nt h et h e s i s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da b o u tt h es e l e c t i o n o fr e s e a r c ht i t l e ，t h eo b j e c t i v e sa n di m p o r t a n c eo ft h i st o p i c ，a n dr e v i e w i n gt h eu p - t o - d a t er e s u l t si n t h er e l a t i v ea r e a c h a p t e r2a n a l y z e st h em a j o ra s p e c t sw i t hr e s p e c tt ot h et r e a t m e n ta n dd i s p o s a lo f m s w c h a p t e r3p r o v i d e sg e o t e c l m i c a lf e a t u r e so fc o n t a i n m e n t f a c i l i t i e so fm s w l a n d f i l l s c h a p t e r 4i l l u s t r a t e st h es i t ec h a r a c t e r i z a t i o n sa n dg e o t e c h n i c a ld e s i g no fp r o t o t y p el a n d f i l l c h a p t e r5g i v e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n gr e s u l t so nt h eb a s i so fp o r o u sc o n v e c t i o n - d i s p e r s i o nt h e o r y , a n da n a l y z e s t h ee q u i v a l e n c eb e t w e e nt h es t a n d a r da n dt h ea l t e r n a t i v el i n e r s t h em a i nc o n c l u s i o n sd r a w nf r o m t h i sr e s e a r c ha r ep r o v i d e da tt h ee n do ft h et h e s i s k e yw o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ( m s w ) ，s a n i t a r yl a n d f a l l ，b o t t o ml i n e r , p o l l u t i o nc o n t r o l ， e q u i v a l e n c y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 放耸聿娴年1 2 - 月蟛日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) a 砷年眨月哆日 抄7 年，三月哆日 长安大学t 程顾 ：毕业论文 1 1 选题背景与研究意义 第一章综述 城市固体废弃物( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，m s w ) 泛指城市生活垃圾【1 1 。为了控制包 括城市固体废弃物在内的所有固体废弃物造成的环境污染问题，我国先后出台了一系列 的政策和法规。 中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法于1 9 9 5 年首次颁布实施，2 0 0 4 年 重新进行了修订。该法对防治城市垃圾污染环境做出了全面规定，是加强我国城市垃圾 管理的基础。2 0 0 1 年国务院颁布了城市市容和环境卫生管理条例；2 0 0 0 年国家环境 保护总局、科技部、建设部联合颁布了城市生活垃圾处理及污染防治技术政策；许 多城市还制定并颁布了地方性的环境卫生管理条例，作为城市环境卫生管理的法律基础 和依据。目前，我国防止城市固体废弃物污染的基本原则是“减量化、资源化、无害化 。 从技术层面而言，目前形势下，我国城市生活垃圾处理处置的对策依次是“卫生填埋一 焚烧一堆肥。 关于城市生活垃圾的卫生填埋工程，建设部于1 9 8 8 年首次颁布了城市生活垃圾 卫生填埋技术标准( c j j1 7 8 8 ) 1 1 1 ，该标准于2 0 0 1 年再次修订为城市生活垃圾卫生 填埋技术规范( c , j j1 7 2 0 0 1 ) 【2 1 ，于2 0 0 4 年第三次修订为生活垃圾卫生填埋技术规 范( c j j1 7 2 0 0 4 ) 【3 1 。与此相配套，针对填埋场的具体技术细节，2 0 0 3 年颁布了城 市生活垃圾卫生填埋场运行维护技术规程( c j j 9 3 2 0 0 3 ) 1 4 1 ，2 0 0 7 年颁布了生活垃 圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范( c j j1 1 3 2 0 0 7 ) 5 l 和生活垃圾卫生填埋场封场技 术规程( c j j1 1 2 2 0 0 7 ) 【6 l 。 虽然经历了近2 0 年的论证和实践检验，建设部的垃圾卫生填埋技术规范始终停留 在部颁标准的层面上，没有上升为国家标准。最主要的原因可以归纳为如下3 个方面： ( 1 ) 我国各个地区经济发展水平很不均衡，如果制定国家级的强制标准，经济欠 发达地区废弃物处置要达到这个标准，需要承受与当地经济实力不相适应的经济支出， 这种情况反过来制约了经济不发达地区的废弃物管理水平的提高。 ( 2 ) 我国地域辽阔，各地气象、水文、地质等条件差别很大，需要充分考虑各个 地区的自然环境条件差别，需要在积累大量数据的基础上才能制定出符合实际情况的通 用标准。 第一章综述 ( 3 ) 废弃物填埋的实质是，采用土木工程的方法包封废弃物，将污染物的扩散控 制在特定的区域及能够接受的水平之下。从这个意义上讲，包封实施的设计并不具有唯 一性，换言之，不同的设计方案完全可以达到相同的污染控制效果。因此，科学的垃圾 填埋设计规范应当侧重污染控制标准，弱化对包封设施土木工程细节的僵硬要求，容许 在满足污染控制标准的前提下因地制宜，采用非标准之外的“替代方案”。 适宜填埋的生活垃圾主要是指居民生活垃圾、商业垃圾、集市贸易市场垃圾、街道 清扫垃圾、公共场所垃圾、机关学校厂矿等单位的生活垃圾【3 1 。现代设计的垃圾卫生填 埋场被形象地称之为“干坟墓”。吐鲁番等地出土的古代“干尸 ，从另一个方面证实了 当地极端的地下条件完全可以和现代设计的垃圾卫生填埋场相比拟。这也说明，在北方 干旱半干旱地区没有必要完全照搬针对湿润地区的垃圾填埋场设计标准。对于不存在可 用地下含水层、上覆大厚度非饱和黄土层的地区，完全照搬国家标准，无论从成本还是 从环境角度考虑都是不经济的。 本论文从污染控制的角度出发，以甘肃临夏垃圾填埋场为原型，本着污染控制“等 效 的原则，探讨黄土地区“替代底衬 的可行性。本项研究对于开发适合黄土地区自 然条件的等效替代底衬，以及在满足污染控制条件下降低垃圾处置的成本方面，具有重 要的理论意义和使用价值。 1 2 研究目标 本论文以甘肃临夏垃圾填埋场为原型，提出2 种不同构造的底衬方案，定量预测垃 圾渗滤液在不同底衬中的扩散规律，对比分析不同构造的底衬方案对污染物的长期控制 趋势，论证黄土地区“替代底衬”的合理性和可行性。 本论文的研究目标是，从等效性原理这一新理念出发，试图找到科学合理的替代方 案设计思路。替代方案可以就地取材，施工方便，因此能够降低处置工程成本，特别适 合在干旱半干旱地区、蒸发量远远大于降雨量的西部地区及经济欠发达地区推广使用， 具有良好的应用价值。另外，基于等效性原理的替代方案设计思想，不仅是对单一的标 准设计方案的扩展和补充，还从理论上进一步阐明了污染控制工程的科学本质，具有重 要的理论价值。 1 3 研究内容 本论文属于理论探讨和应用研究并重的环境工程研究课题。概括起来，研究内容分 2 k 安人学工程硕：仁毕业论文 为以下4 个方面： ( 1 ) 创建垃圾填埋场污染控制“等效性 原理，阐释其科学涵义； ( 2 ) 应用岩土工程方法评价临夏市生活垃圾填埋场选址的合理性； ( 3 ) 设计并验证“替代”底衬与“标准底衬的“等效性”； ( 4 ) 建立垃圾场“替代 底衬设计方法。 1 4 研究技术路线 本论文研究的技术路线可以归纳为如下5 个步骤。 ( 1 ) 从分析国内外垃圾填埋存在的主要环境问题入手，提出包封设施污染控制“等 效性”的学术思想。 ( 2 ) 遵循岩土工程勘察规范，实际调查甘肃省临夏市生活垃圾填埋场的地质条件、 水文地质条件，结合当地的气象、水文资料进行现场取样、试验测试分析，确立本论文 的实际研究原型。 ( 3 ) 结合临夏市生活垃圾填埋场的具体自然条件，参照国际上关于垃圾填埋场的 最新研究成果，提出“标准底衬与“替代”底衬设计方案。从水力学的角度出发对提 出的设计方案进行必要的简化，建立不同底衬方案的物理模型。 ( 4 ) 基于多孔介质对流弥散方程，建立保守污染物在底衬中扩散的数学模型。进 行数学模拟，计算不同时间穿过底衬的污染物浓度，对比该浓度与入渗之前污染物浓度 的衰减趋势，分析不同结构底衬对污染的控制效果。 ( 5 ) 根据理论分析及模拟计算结果，具体阐明“等效性 的含义。具体提出“替 代方案 设计方法。 1 5 论文拟解决的关键问题及创新点 垃圾填埋场底衬设计的根本目标是污染控制，卫生填埋设计技术标准与规范等只是 实现这一目标的措施与途径。但作者发现，在处置工程的实践中出现明显的本末倒置现 象，即过分强调措施而忽视问题本质，垃圾场设计技术标准与规范等同趋僵化。本论文 旨在提出污染控制“等效性 思想基础上，通过实际原型对其进行理论分析和实际验证， 探讨黄土地区“替代底衬 的可行性。 本论文的主要创新点是：将“等效性”进一步细化为基于流量相等的“达西等效性” 和基于浓度相等的“浓度衰减等效性 两个层次，据此提出“替代底衬的具体设计 方法与步骤。 。 3 第一章综述 1 6 国内外相关研究综述 1 6 1 露天堆放与卫生填埋 1 9 7 6 年美国资源保护与回收法( r c r a ) 颁布，固体废弃物( s o l i dw a s t e ) 才成为 一个环境工程领域的专业词汇。包括居民生活垃圾、商业垃圾、市场垃圾、街道清扫垃 圾、公共场所垃圾等在内的所谓市政固体废弃物( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ) 、一般工业固 体废弃物( n o n h a z a r d o u si n d u s t r i a ls o l i dw a s t e ) 、有害工业固体废弃物( h a z a r d o u s i n d u s t r i a ls o l i dw a s t e ) 、放射性废弃物( r a d i o a c t i v ew a s t e ) 等分类体系被各国所接受 7 1 。 生活垃圾是伴随着人类的产生而出现，并伴随着工业革命的兴起而引发环境问题。 工业革命初期，人们缺乏对垃圾的有效管理对策，主要以露天堆放为主，由此引起了土 壤、地下水、地表水及空气的污染。随着实践经验的不断积累，世界各国逐渐认识到， 行之有效的垃圾综合管理办法主要包括减量( s o u r c er e d u c t i o n ) 、再循环利用( r e c y c l i n g ) 、 焚烧( c o m b u s t i o n ) 和处置( d i s p o s a l ) 7 1 。从处理处置的技术层面而言，填埋、焚烧和 堆肥是目前世界上使用最广泛手段( 表1 1 ) ，其中，卫生填埋是许多国家垃圾必不可少 的最终处置手段，也是现阶段我国垃圾处置的主要方式。 表1 1 主要国家城市垃圾处理方式比例( ) 国家年份焚烧卫生填埋 堆肥其它方式 英国 1 9 8 337 9 4 11 6 6 法国 1 9 7 93 05 0 2 0 日本1 9 8 4 6 5 3 1 9 0 13 美国 1 9 8 389 0 2 西德1 9 8 73 06 7 6 2 4 荷兰1 9 7 93 05 0 2 0 丹麦 1 9 8 0 6 3 3 61 挪威 1 9 8 01 47 97 瑞典 1 9 8 54 12 03 9 瑞士 1 9 8 65 9 71 3 2 4 1 5 比利时 1 9 8 12 96 29 奥地利 1 9 8 32 24 32 1 1 4 4 长安人学t 程硕i ：毕业论文 二十世纪六十年代之前，人们对废弃物处置对环境的有害影响知之甚少。固体废物 主要以回填的方式露天堆放在天然低洼的地方或人工开挖的坑穴中。当时，垃圾处置的 主要目的是防止垃圾气味、吹散、控制昆虫及啮齿动物。二十世纪六、七十年代，美国 土木工程学会( a s c e ) 颁布了垃圾卫生填埋技术规程，利用土木工程的方法包封垃圾。 到了九十年代，现代填埋场理念诞生，以底衬( b o f l o ml i n e r ) 、最终盖层( f i n a lc o v e r ) 、 渗滤液收集系统( 1 e a c h a t ec o l l e c t i o ns y s t e m ) 、填埋气体收集系统( 1 a n d f i l lg a sc o l l e c t i o n s y s t e m ) 为特征的现代包封设施走向应用【8 _ 1 0 1 。 1 6 2 天然衰减与监测天然衰减 历史上垃圾露天堆放引起的严重环境污染问题，使人们对地层的“天然衰减 ( n a t u r a la t t e n u a t i o n ) 失去了信心f 1 1 , 1 2 l 。另一方面，由于工程设计的耐久性及地质作用 的不确定性( 如地震等) ，人们对日趋复杂的处置工程( 包封设施) 的长期可靠性产生 怀疑【1 3 1 ，监测天然衰减( m o n i t o r e dn a t u r a la t t e n u a t i o n ) 又重新引起了人们的高度重视【1 4 1 。 逐渐地以人工包封设施为第一屏障，以天然地层为第二屏障的设计理念，开始进入环境 工程技术人员的视野f 1 5 l 。 1 6 3 标准底衬和替代底衬 作为垃圾填埋场顶部包封设施，最终盖层的替代方案得到了美国资源保护与回收法 d 款( r c r a s u b t i t l ed ) 的鼓励。该条款给实际工程设计方案的选择提供了一定的柔性： 最终盖层在满足标准水力屏障( h y d r a u l i cb a r r i e r ) 要求的基础上可以创新。目前，已经 趋于成熟的替代盖层包括蒸腾屏障( e v a p o t r a n s p i r a t i o nb a r r i e r ，e tb a r r i e r ) 和毛细屏障 ( c a p i l l a r yb a r r i e r ) 1 1 6 , 1 7 】。在替代盖层推广应用的同时，毛细屏障作为替代底衬的研究 也已经取得了长足的进展【1 踟。 世界各国对填埋场底衬的渗透性要求基本相同，即水力传导系数不大于1 1 0 7 c 1 1 1 s 。由于土工膜( g e o m e m b r a n e ) 渗透性极低( 可达1 0 9 _ 1 0 - 1 l c m s 数量级) ，易于 加工等优点，土工膜与压实粘土构成的组合底衬日益成为世界新潮流。对于组合底衬， 各国规范指定的压实粘土及土工膜的渗透系数与厚度均有不同。查阅欧美国家底衬规范 的相关资料，没有发现渗透系数与层厚组合关系的明确证据【1 0 1 。 值得注意的是，日本规范就渗透系数与层厚之间的组合关系给出了理论解释。等效 原则在我国规范中也有所体现( 表1 2 ) 。我国的垃圾处置规范在消化国外经验的基础上 不断改进。现有的城市生活垃圾卫生填埋技术规范对填埋场的天然防渗和人工防渗做出 5 第一章综述 了若干强制性的规定。与c j j1 7 8 8 规范【1 l 相比，c j j1 7 2 0 0 1 规范1 2 j 对填埋场防渗层的 建设作了两个规定：一是天然防渗层的渗透系统必须达到1 1 0 。7 c m s ，厚度2 m ；二是 人工防渗层可采用1 5 m m 厚度的高密度聚乙烯土工膜( h d p e ) ，其渗透系数在1x 1 0 1 1 c m s 以下。也就是说，采用1 5 m m 厚度的h d p e 膜和采用厚度2 m 渗透系数达1x 1 0 。7 c m s 的粘土层防渗效果是等效的。这种多选的防渗方案在c j j1 1 3 2 0 0 7 规范f 6 】中进 一步扩大为4 种。其实，c j j1 7 2 0 0 1 规范1 2 l 开始提出了一个十分重要的“等效原则”( 表 1 2 ) ，它为充分利用天然地层的防渗效果，寻找经济实用的卫生填埋场提供了可能。 表1 2 我国规范对底衬防渗技术要求演变过程 规范编号 主要防渗技术要求 天然衬里系统( 即自然防渗) 的填埋场必须具有下列条件：士衬里的渗透率 不火于1 0 一c i n s ；场底及四肇粘t 衬里厚度大于2 m 。人工衬里必须符合下列条 c u1 7 8 8 件：衬料的渗透率必须小于1 0 7 c m $ ；衬里材料自身必须满足其他性能要求，如 强度、完整性、耐候性、抗蚀性。 粘土类衬里( 自然防渗) 的填埋场，天然粘土类衬里的渗透系数不应大于 1 0 x1 0 - 7 c m s ，场底及四壁衬里厚度不应小于2 m 改良土村里的防渗性能应达 到粘士类防渗性能。当填埋场不具备粘十类衬里或改良+ 衬里防渗要求时采取自 c j j1 7 2 0 0 1 然和人工结合的防渗技术措施。复合衬里应按下列结构铺设：1 ) 防渗结构宜采 用单复合衬里防渗结构；当不能满足防渗性能时，应采用双复合衬里防渗结构。 2 ) 高密度聚乙烯土工膜厚度不应小于1 s m m ，并应具有较大延伸率，膜的焊( 粘) 接处应通过试验、检验。 天然粘土类衬里及改性粘十类衬里的渗透系数不应大于1 0 一c m s ，且场底及 四壁衬里厚度不应小于2 m 。在填埋库区底部及四壁铺设高密度聚乙烯( 皿p e ) c u1 7 - 2 0 0 4 土工膜作为防渗衬里时，膜厚度不应小于1 s m m ，并应符合填埋场防渗的材料 性能和现行国家相关标准的要求。 1 ) h d p e 膜和压实土壤的复合防渗结构：h d p e 膜的厚度不应小于1 s m m ； 压实土壤渗透系数不得大于1x1 0 。一c m s ，厚度不得小于7 5 0 r a m 。 2 ) h d p e 膜和g c l 的复合防渗结构：h d p e 膜的厚度不应小于1 s m m ；g c l 渗透系数不得大于5 l o - 9 c m s ；g c l 下应采用一定厚度的压实十壤作为保护层， 压实土壤渗透系数不得大于1 l f f 5 c m s 。 a 11 1 3 2 0 叩 3 ) 压实土壤单层的防渗结构：压实土壤渗透系数不得大于1x1 0 7 c m s ：压 实土壤厚度不得小于2 m 。 4 ) h d p e 膜单层防渗结构：h d p e 膜的厚度不应小于1 s m m ；h d p e 膜下 应采用压实土壤作为保护层，压实土壤渗透系数不得大于1xl f f 5 c m s ，厚度不 得小于7 5 0 r a m 。 6 长安人学【程硕i j 毕业论文 第二章生活垃圾处理与填埋处置 2 1 城市固体废弃物 城市固体废弃物是指居民生活、商业活动、市政建设与维护、机关办公等过程产生 的固体废弃物。由于经济的不断发展，城市化扩大，居民消费水平日益提高，城市固体 废弃物处置及污染防治已经成为环境保护的突出问题。 2 1 1 城市固体废弃物产生量 随着经济的不断发展，城市规模的扩大，人类生活水平的提高，城市固体废弃物的 产生量不断增加。欧美主要发达国家垃圾年增长率为3 2 4 5 ，发展中国家的平均增 长率为2 一3 。全球每年产生的垃圾量超过1 0 0 亿吨，其中仅美国一个国家的产生量 就达3 0 亿吨【u 。图2 1 【2 1 是美国1 9 6 0 2 0 0 5 年间城市固体废弃物产生总量及人均产生量 的变化曲线图。由于经济的高速发展，城市化水平的不断提高，我国城市固体废弃物的 产生量近几年增长较快，人均垃圾产生量已达4 5 0 k 9 1 3 1 ，全国每年城市垃圾年产生量超 过1 亿吨，年增长率达8 1 0 。 3 o 1 5 0 1 0 0 2 1 2 城市固体废弃物组成 图2 2 t ：t l 列出了美国城市固体废弃物的组成情况。纸类占据了3 4 2 ，成为垃圾中最 主要的成分。而庭院垃圾和餐厨垃圾分列二、三位。庭院垃圾的数量会随着季节的变化 7 第一二章生活坊圾处理0 填埋处置 而不断变化。由于采用各种包装( 纸、塑料、玻璃、金属) 来防止食物变质，所以垃圾 中的食品废物相对减少，但各种包装用品的数量却大大增加。 m 图2 2 美国2 0 0 5 年城市固体废弃物的组成1 2 1 2 1 3 城市固体废弃物的危害 城市固体废弃物如果处理处置不当，会通过各种途径危害人体健康。城市固体废弃 物对环境的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 侵占土地、对农田造成污染：我国许多城市利用郊区来堆放垃圾，造成许多城 市出现“垃圾围城 的现象。据1 9 8 5 年资料调查发现，广州市郊区仅垃圾堆就占地 6 9 0 4 h m 2 。固体废弃物的任意堆放还会污染土壤，其中有害成分经过风化、雨渗、地表 径流的侵蚀很容易渗入土壤中，造成土壤大面积污染。 ( 2 ) 污染水体：城市固体废弃物中含有大量的有害物质，有害物随地表水体进入河 流，或随风飘移落到周围水体中造成地表水体的污染。同时，由于大量渗滤液的产生， 渗滤液渗入填埋体底部使周围的地下水受到污染。 ( 3 ) 污染大气：城市固体废弃物中含有大量有机物，有机物在微生物代谢作用下发 生分解，产生二氧化碳( c 0 2 ) 、甲烷( c h 4 ) 、硫化氢( h 2 s ) 等气体，对填埋体周围的 大气环境造成危害。 8 长安人学t 程硕上毕业论文 ( 4 ) 环境卫生问题：城市固体废弃物中的大量有机物为各种微生物提供了良好的生 存环境，同时也为病菌提供了生存场所。研究发现，人类的二十几种疾病都与垃圾有着 直接的关系。 2 2 城市固体废弃物的管理技术政策 城市固体废弃物给人类的生存环境带来了极大的危害，因此对其进行有效的处理与 处置是世界各国共同关注的重要问题之一。当今世界各个国家采用的主要技术政策有： 减量、回收、焚烧及处置。 ( 1 ) 减量的基本任务是通过适当的方法减少固体废弃物的产生量。减量从固体废弃 物的产生源开始控制，以减轻后续处理与处置的压力。但这种方法所产生的效果并不明 显，所减少的垃圾量非常有限。同时会波及到人类生活的重心便利性【4 1 。 ( 2 ) 对固体废弃物中具有再利用价值的产品和能源进行回收，不仅可以减少垃圾的 数量，同时还能节约大量的资源。 ( 3 ) 对生活垃圾进行焚烧可以最大程度地减少垃圾的体积，同时还能回收燃烧过程 中所产生的热量。在欧美主要发达国家，焚烧作为一种主要的垃圾处理方式曾得到广泛 的应用。 ( 4 ) 固体废弃物处置是指最终处置或安全处置，是固体废弃物污染控制的末端环节， 解决固体废弃物的最终归宿问题i 列。 随着人们对固体废弃物的认识和相关技术的不断发展，固体废弃物的管理技术也在 不断发生变化。由于可用于填埋垃圾的土地越来越难获得、垃圾分类回收的发展等原因， 填埋处置的垃圾量逐渐下降。由于焚烧技术水平的提高和先进设备的开发，曾经被抛弃 的焚烧技术现在又获得了较大的发展。表2 1 列出了美国对垃圾管理政策的变化情况。 表2 1 美国垃圾处理方式的变化( 单位：) 年份 管理政策 1 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 0 32 0 0 42 0 0 5 产生量 1 0 01 0 01 0 0 1 0 01 0 01 0 01 0 0 回收利用 6 46 69 61 4 22 2 22 3 22 3 1 2 3 8 网收堆肥 2 o6 97 98 38 4 总回收量 6 46 69 61 6 2 2 9 13 1 13 1 43 2 1 焚烧处理量 00 31 81 4 51 4 21 4 01 3 8 1 3 6 填埋处置 9 3 69 3 18 8 66 9 35 6 75 4 95 4 85 4 3 9 第二章生活垃圾处理j 填埋处置 2 3 城市固体废弃物的处置 固体废弃物处置是为了最大限度地隔离固体废弃物与生物圈而采取的一系列措施， 对于防止固体废弃物的污染起着至关重要的作用。固体废弃物的处置目标是确保固体废 弃物中的有毒有害物质在现在和将来都不会对人类的生存环境造成不可接受的危害。 用于处置固体废弃物的方法主要有陆地处置和海洋处置两大类。海洋处置是种基 于海洋对固体废弃物采取的一种处置方式。它的理论依据是海洋是一个庞大的污染物接 受体，它对污染物具有极强的稀释能力。海洋处置主要包括深海投弃和远洋焚烧。世界 主要发达国家和地区如欧盟、美国和日本都曾进行过大规模的海洋处置活动。陆地处置 主要包括土地耕作、永久贮存或贮留地贮存、土地填埋、深井灌注和深地层处置等。其 中应用最多的是土地填埋处置。 2 3 1 固体废弃物土地填埋处置进程 早在欧洲罗马时期，当时的城市管理者就已经认识到，必须对城市所产生的固体废 弃物进入集中处置。在我国，据学者考证，在殷商时期就存在一些充填有杂物的地穴， 这些地穴被认为是古代垃圾填埋的设施，它是我国古代对生活垃圾进行填埋处置最早的 证据【6 】。 工业革命以后，城市的规模不断扩大，人口急剧膨胀，生活垃圾数量空前增加。1 9 2 0 年英国开始了现代意义上的垃圾土地填埋处置。当时的土地填埋一般有两种方式，一种 是直接对城市垃圾进行填埋；另一种是在定点焚烧后再填埋1 7 1 。1 9 6 0 - 1 9 7 0 年开始将现 代的土工技术应用到填埋场的建设中。当时的设计理念是，假定渗滤液在通过填埋体下 部的包气带及含水层时，其中的污染物得到充分的衰减，不会对地下水造成污染。 越来越多的研究表明，天然的衰减作用并不足以使污染物的浓度降低到不会对环境 产生危害的程度。事实上，填埋体对环境的污染逐渐成为环境污染控制的一个重点。 2 3 2 城市固体废弃物卫生填埋处置 由于人们对填埋体的不断认识，填埋体的设计理念发生了重要的变化。现代意义上 的卫生填埋体是从传统的堆放和填埋处置发展起来的一项最终处置技术。它已不是单纯 的堆、填、埋，而是一种综合性土工处置技术。它从堆、填、埋向包封、屏障隔离的工 程处置方向发展。 一个现代化的卫生填埋体必须具备良好的水文地质，环境岩土工程条件，并要进行 精心的规划、选址、设计。然后按照严格的技术规范进行填埋操作和封场工作。表2 2 1 0 k 安人学t 程硕上毕业论文 列出现代卫生填埋场的主要组成。 表2 2 现代卫生填埋场的主要组成 组成作 削 底衬系统阻l 卜渗滤液的渗透、减少对地f 水的污染。 渗滤液侦测系统铺设丁底衬系统下部，监测渗滤液渗出情况 铺设丁底衬系统上部，当渗滤液在底部累积时，及时抽出， 渗滤液排出系统 以降低渗滤液的水头。 最终覆盖层防止降水渗透进入填埋体，增加渗滤液的产生量 气体收集排出系统控制填埋体气体的运动和填埋体中气体的浓度 设置于填埋体内部及周边地区，及时监测填埋体对周边环境 渗滤液及气体的监测系统 的影响情况 2 4 填埋体中发生的反应 填埋体中富含大量的有机物，这些有机物在填埋体中发生各种化学及微生物反应， 生成液态或固态污染物。在垃圾降解初期，由于垃圾空隙中存在大量的空气，因此，填 埋体中首先进行的是好氧降解反应，有机物被好氧微生物降解，最终产物有二氧化碳、 水和氨气等。该反应一般可以持续数天。当填埋体中的氧气被耗尽后，填埋体中主要发 生的是厌氧反应。在这个时期垃圾分解的主要产物有甲烷、二氧化碳、水、有机酸以及 铁或锰的硫化物。 2 5 填埋体气体 2 5 1 填埋体气体的产生 城市固体废弃物中含有大量的有机物，在填埋体中发生化学或微生物反应的过程 中，产生大量的气体。甲烷和二氧化碳是填埋体气体的主要组成部分。当城市固体废弃 物中含有大量硫化物时，硫化氢气体也会出现在填埋体气体中。气体的组成取决于在整 个连续反应过程中占主导地位的微生物类型( 图2 3 ) 【7 1 。 第一阶段：在此阶段进行的主要是好氧硝化反应，一般可以持续几个星期。反应过 程中的氧主要来自于填埋垃圾的空隙，同时产生几乎相同体积的c 0 2 及水等副产品。 第二阶段：这个阶段是一个厌氧过程，但是没有甲基化作用发生。在这个阶段，氧 气已经被消耗尽，兼性和厌氧微生物占主导地位。c 0 2 的产量此时达到最高，同时还有 一些有机酸和h 2 产生。 第三阶段：此阶段称为非稳定厌氧甲基化阶段，在此阶段c h 4 的浓度达到了一个相 对稳定的最终值。同时还有其它的一些气体产生，其中很多会排入大气。在此阶段产甲 1 1 第一二章生活垃圾处理1 j 填埋处置 烷菌迅速消耗掉前面反应所产生的h 2 ，同时c 0 2 和n 2 的量也达到了一个最终值。 第四阶段：在此阶段，气体的组成以及它们所占比例都已经很稳定。在这个阶段起 控制作用的是占主导地位的反应条件。 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o -i i v n z 、 ，、 、 、 ! 、 c h 、 ， 一 j 一 、； 7、一一一一一一一一一一一厂一- 一一一一，： o 二 j | 0 2 ， c 0 2 ， ， ，、 一_ jh 2 - i 啦， ：。- - 一 ， ，、r ， 、 ，乞 填埋后时间 图2 3 填埋体气体组成变化 2 5 2 填埋体气体对环境的影响 产生的c h 4 、有毒和难闻的气体会对居住在填埋体周围的居民造成危害。c i - h 在空 气中只要达到很低的浓度( 5 1 5 ) 就会爆炸，它可以通过墙壁上的裂缝进入到房间中 引起爆炸、火灾或人员伤亡【踟。 在填埋体中排出的气体中可以检测到许多有毒、难闻或腐蚀的化合物。有毒有机物 主要包括氯乙烯、各种芳香族、脂肪族化合物及它们的卤代衍生物，还有各种酯、醚等。 气体主要包括：h 2 s 、n h 3 、c o 、n o 、n 0 2 、n o x 、0 3 。b a s s 等指出一些家用废物( 净 化剂、涂料、溶剂、清洁剂) 虽然是按照生活垃圾被扔掉了，但它们都是有毒的。有机 硫化物、h 2 s 及有机酸被认为是填埋体周围难闻气味的主要制造者。 2 6 渗滤液 2 6 1 渗滤液的产生 城市固体废弃物经过压缩和压实处理后，垃圾中溶解大量污染物的水分已经被挤出 1 2 长安人学丁程硕i ：毕业论文 垃圾。垃圾在填埋体中降解过程会产生大量污染物，当降水或地表径流渗入填埋体中后， 最终会使垃圾达到田间持水量，形成渗滤液。当填埋体建在地下水的排水区时，地下水 的侵入也是渗滤液形成的一个重要的原因i 9 。 渗滤液的产生量受到气候的影响。在比较温和的气候条件下，渗滤液的产生量通常 与降雨量接近；而在较冷的气候条件下，它们之间存在较大差别。可能是因为很多的降 水都是以降雪的形式进行的。渗滤液的产生量可以用公式2 1 表示【1 0 1 。 l p j r 一洮一e t a u w( 2 1 ) 式中t 工渗滤液的产生量 尸降水渗透量 尺表面径流 4 魄土壤水分 e t 土壤蒸发量或植物蒸腾量 4 蜥垃圾含水量 2 6 2 渗滤液的组成 当降水渗透进入填埋体中以后，大量有机、无机污染物的溶解使得渗滤液中含有大 量的污染物【1 l 】。表2 3 列出两个不同填埋体的渗滤液的组成。对于填埋体a ，p h 变化范 围较小。而对于填埋体b ，p h 从最低3 7 变化到最高的8 5 。从强酸性变化到碱性。两 个填埋体的渗滤液中的c l 都降低了两个数量级，同时渗滤液的取样深度，垃圾的压缩 比也对渗滤液的组成有重要的影响。 2 6 3 渗滤液的天然衰减 天然衰减是净化填埋体渗滤液的一种方法。这种方法是假定渗滤液在通过填埋体下 部饱和区域时去除了其中的污染成分，而去不掉的污染物将会被地下水充分稀释以达到 一个可接受的水平。消减作用主要有：过滤、吸附、微生物活动、离子交换、沉淀、溶 解等【1 2 1 。 ( 1 ) 过滤和吸附 过滤是利用土壤中随机分布的孔隙结构对渗滤液中的悬浮类或可沉降固体进行的 一种物理截留作用。 ( 2 ) 微生物活动 渗滤液进入填埋体下部饱和与非饱和区域内，可以促使微生物活动强度提高。在该区域 1 3 第二章生活移圾处理与填埋处置 可能完成的或进一步发展的反应有：降解有机废弃物产生c 0 2 和有机酸、消耗0 2 产生 厌氧环境、氧化或还原无机化合物、金属离子的络合、金属的甲基化作用【1 3 】。 表2 3 填埋体a 和填埋体b 的渗滤液组成 填埋