（环境工程专业论文）粉煤灰改性黄土作为垃圾填埋场垫层的试验研究.pdf

兰州大学硕l 二学位论文 摘要 随着人民生活水平的不断提高，生活垃圾排放量与日俱增，垃圾填埋技术作 为一种最终处置垃圾的方法，得到了广泛应用。垃圾填埋过程中产生的渗滤液成 分复杂，污染物浓度高，对垃圾填埋场周围的环境造成了严重危害。防渗垫层是 垃圾填埋场防止渗滤液渗漏污染地下水的重要手段。由于天然防渗材料很难满足 规范要求，目前黄土地区填埋场建设中大部分采用人工防渗达到防渗的目的。为 了寻求符合规范要求的天然防渗挚层，许多学者对天然材料进行了改性研究，目 前，关于防渗层的研究主要集中在粘土的改性研究上，针对黄土地区特有的基础 层马兰黄土作为填埋场垫层的研究几乎没有。 本文从工程实际出发，采用兰州市垃圾填埋场渗滤液作为渗透液体，用粉煤 灰对马兰黄土进行改性，通过击实试验和渗透试验，测定土样在最大干密度下的 渗透系数，重点探讨了渗滤液在天然黄土、击实黄土及粉煤灰改性黄土中的渗透 系数变化规律，初步分析了天然黄土和粉煤灰改性黄土作为垃圾填埋场垫层的可 行性及其最佳配比。 试验结果表明，渗滤液在天然马兰黄土中的渗透系数小于l x l 0 巧c m s ，但由 于其压实度不能达到要求而不能作为垃圾填埋场的保护层，更不能作为防渗层； 渗滤液在击实马兰黄土中的渗透系数介于l x l 0 5 c m s l x l 0 - 7 c m s 之间，只能作为 垃圾填埋场的保护层；渗滤液在粉煤灰掺量1 0 的改性压实土中的渗透系数小于 l x l 0 - t c m s ，可以作为垃圾填埋场的防渗层。 土样的渗透系数受土样的孔隙比、级配、粉煤灰掺量、渗透液体及土样与渗 透液体之间的相互作用等多种因素的影响。 试验过程中，对渗滤液中的主要污染物c o d 、n h 3 n 进行了测定，结果表 明，土样对c o d 、n h 3 n 有一定的去除作用。 关键词：粉煤灰改性黄土挚层；渗滤液；击实试验；渗透试验；渗透系数 兰州大学硕：l 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d t h ee m i s s i o no fm u n i c i p a ls o l i d w a s t ei si n c r e a s i n gw i t he a c hp a s s i n gd a y h e n c e ，t h es a n i t a r yl a n d f i l l st e c h n o l o g ya s am e t h o do ff i n a ld i s p o s a lo fw a s t eh a sb e e nw i d e l yu s e d l e a c h a t eo fl a n d f i l lh a s h i g l lc o n c e n t r a t i o na n dc o m p l i c a t e dc o m p o s i t i o n ，w h i c hc a u s e ds e r i o u sh a r mt o s u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n to fl a n d f i l ls i t ea sw e l la su n d e r w a t e r t h el i n e rs y s t e mp l a y s a l li m p o r t a n tr o l eo np r o t e c t i n gt h eu n d e r w a t e r a tp r e s e n t ，s y n t h e t i cm a t e r i a l sa r e m o s t l yu s e df o rl a n d f i l li no r d e rt om e e tt h el i n e rr e q u i r e m e n ti nl o e s sa r e aa st h e n a t u r a lo n e sc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t al o to fr e s e a r c h e rm o d i f i e dt h en a t u r a l m a t e r i a lt os e e k i n gs o m e t h i n gw h i c ha r ea c c o r dw i t ht h es t a n d a r dr e q u i r e m e n t a tt h e p r e s e n tt i m e ，s t u d i e so nl i n e ra r em a i n l yf o c u s e do nm o d i f i c a t i o no fc l a y , t h e r ea r e a l m o s tn o tr e s e a r c h e st h a tb a s e do nt h em al a nl o e s sw h i c hi ss p e c i a li nl o e s sa r e a f o u n d a t i o nl a y e ra st h eb e d d i n gc o u r s e b a s e do nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，t h i sp a p e rm o d i f i e dm al a nl o e s sw i t hf l y a s h a n da d o p t e dl a n d f i l ll e a c h a t ef r o ml a n d f i l lo fl a n z h o ua st h ep e r m e a b l el i q u i d t h r o u g hc o m p a c t i o nt e s ta n dp e r m e a b i l i t yt e s t ，t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fl o e s s u n d e rt h em a x i m u md r yd e n s i t yw a sd e t e r m i n e d s i m u l t a n e i t y , t h ec h a n g i n g r e g u l a r i t yo fh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yi nn a t u r a ll o e s s c o m p a c t e dl o e s sa n df l y a s h m o d i f i e dl o e s sw e r em a i n l yd i s c u s s e da n dt h ef e a s i b i l i t yo fl o e s sa n df l y a s hm o d i f i e d l o e s su s e da st h el i n e ro fl a n d f i l la n dt h eo p t i m a lp r o p o r t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e m w e r ep r i m a r ya n a l y z e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo ft h en a t u r a ll o e s s w i t hl e a c h a t ei sl e s st h a n1 0 1 0 。c r n s b u ti tc a n n o tb eu s e da st h ep r o t e c t i o nl a y e ro f l a n d f i l l e v e nm o r et ob et h el i n e ro fl a n d f i l la si t sc o m p a c t n e s sc a n n o tm e e tt h en e e d o fr e q u i r e m e n t ；t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo ft h ec o m p a c t e dl o e s sw i t hl e a c h a t ei s b e t w e e n1 0x1 0 一c m sa n d l 0 1 0 一c m s i tc a nb eu s e do n l ya st h ep r o t e c t i o nl a y e l t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fc o m p o u n ds o i l ，i nw h i c ht h ec o n t e n to ff l ya s hi s1 0 ， c o u l db el e s st h a n1 0 1 0 c m s i tc a nb eu s e da st h el a n d f i l ll i n e r t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo fs o i ls a m p l e sa r ea f f e c t e db ym a n yk i n d so ff a c t o r s s u c ha sv o i d r a t i o n ，g r a d a t i o n ，t h em i x i n ga m o u n to ff l ya s h ，p e r m e a b i l i t yl i q u i da n d t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl e a c h a t ea n dl o e s se ta 1 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sf r o mt h ed e t e r m i n a t i o no ft h em a j o r p o l l u t a n ti nl e a c h a t e s u c ha sc o d 、n h 3 - ns h o wt h a tt h es o i ls a m p l e sh a v ec e r t a i nr e m o v a le f f e c to nc o d a n dn h 3 - n k e yw o r d ：h y - a s hm o d i f i e dl o e s sl i n e r ；l e a c h a t e ；c o m p a c t i o nt e s t ；p e r m e a b i l i t y t e s t ；h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t y 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨壶趁 日期：么笾笸：垩 关于学位论文使用授权的声明 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 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：为壶毖导师签名：重垒茸 日期：五丝! 垒 兰州大学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 国内外生活垃圾填埋技术的发展及应用 1 1 1 国外生活垃圾填埋技术的发展及应用 生活垃圾是人类在城市日常生活及为城市日常生活提供服务的活动中产生 的固体废物。自有人类以来，生活垃圾就随之产生，随着城市规模的不断扩大和 人民生活水平的不断提高，生活垃圾排放量与日俱增，对人类的生存环境造成了 极大污染和危害。 全球每年产生的垃圾约为5 x1 0 1 0 t ，其中美国每年产生的生活垃圾量约为2 x1 0 8 t ，居世界首位。日本年产垃圾1xl o a t ，德国人均年产垃圾约为8 0 0 k g ，为 世界人均之最【l l ；我国年产垃圾量约为1 5x1 0 h ，人均日产量约为0 9 - 1 2 k g ， 平均年增长约9 ，已超世界平均增长速度( 8 ) 。据相关数据显示1 2 】，我国历 年堆存的垃圾量高达6 1 0 9 , - - , 7 1 0 9 t ，侵占6 0 0 k m 2 土地，严重危害城市环境卫 生，恶化生活条件。生活垃圾的污染和危害已成为全球性的环境问题。 垃圾填埋技术作为固体废物最终处置的一种方法很早就开始使用了。据记 载，早在公元前3 0 0 0 年前- - 一1 0 0 0 年古希腊米诺斯文明时期，克里特岛的首府就 开始把垃圾填入低凹的大坑中，并进行分层覆土【3 1 。土地填埋作为固体废物的处 理处置方法，开始于本世纪初，第一个城市垃圾填埋场于1 9 0 4 年在美国伊利诺 易斯州的香潘市建成，其后( 1 9 0 6 年) 俄亥俄州的丹顿、伊阿华州的达文波特 等地也相继建成并运行了城市垃圾填埋场。这些垃圾填埋场的建成和运行奠定了 土地填埋处置的最早技术基础。其经验证明，将垃圾埋入地下能大大减少因垃圾 敞开堆放所带来的滋生害虫、散发臭气等问题。但是，这种早期的土地处理方式 也引起了一些其它环境问题，如由于降雨及地下水的浸入，垃圾中的有害物质溶 出并污染地表水和地下水；垃圾中的有机物在厌氧微生物的作用下产生了以c h 4 为主的可燃性气体，从而引发填埋场火灾或爆炸等问题。 生活垃圾卫生填埋技术起步于2 0 世纪3 0 年代，经过多年的研究和发展，各 国在卫生填埋技术方面积累了丰富的经验。 填埋是大量消纳生活垃圾最有效的也是最终的处理方法，以其成本低廉、适 兰州大学顾十学位论文 用范围广、处置彻底、方便等优点，得到世界各国的普遍采用。由于技术、经济 和国土面积等方面的差异，填埋处理法在每个国家的废物处理巾占有不阕的比 例。但对于所有国家，包括那些人口密度极大的工业发达国家，填埋仍是废物处 理的主要方法。部分国家生活垃圾处理方法比例的统计数据觅表1 1 一l l 射。 表1 1 - 1部分国家城市垃圾处理方法比例的统计数据 由表1 1 1 可知：除极少数国家( 日本、丹麦、瑞士) 有一半以上的垃圾是 用焚烧处理外，其它各国有一半以上的垃圾均采用了卫生填埋处理。 从国外多年的经验看，垃圾填埋场可以大批地处理生活垃圾，是各种生活垃 圾的最终处理场所，也是现今各种固体废物处理工艺不能完全替代的。在日本等 囡家，生活垃圾大部分采用焚烧处理，填埋垃圾随之减少，但在这些国家，填埋 发展成为其它处理王艺的辅助方法，成为一切不能再利用物质的最终消纳场。 因此，填埋技术作为生活垃圾处理方法还将长期采用。 1 1 2 国内填埋技术的发展及应用 我国生活垃圾卫生填埋始于2 0 世纪8 0 年代末期 粥。之前，得不到无害化处 理的垃圾经常被运到城市的郊区或城乡结合处随便堆放或简易填埋，以至于我国 三分之二的大中城市已处于垃圾的包围之中。这些垃圾不仅占用了大量的良田或 可供开发利用的国土资源，而且污染着人们赖以生存的土壤、大气、水体等环境， 2 兰州人学硕上学位论文 此外，它还是一个孳生蚊蝇、招引昆虫和传播有害疾病的巨大污染源。 填埋法是最先在我国各大中城市得到应用和推广的垃圾处理方法。填埋技术 是环卫部门将所收集的生活垃圾运输到卫生填埋场，将垃圾以每层2 5 , - 一3 米的 厚度在日填埋区域内加以摊铺，然后进行机械压密，最终在垃圾上铺以1 5 一- - 3 0 c m 的覆土并再次压实，形成一个完整的同填埋垃圾土层单元，一个完整的卫生填埋 场由几个到几十个这种日填埋层组成。 从八十年代后期开始，上海、广州、深圳、杭州等地相继建立了生活垃圾填 埋场。这些填埋场与最初的简易堆置场相比有了很大的改进，在设计中针对垃圾 渗滤液和填埋气体的污染采取了相应的控制措施，如压实粘土衬层，渗滤液导排， 填埋气体疏导等；在施工管理方面，实行分区填埋，分层压实，定期覆土等。1 9 8 9 年建设部颁布的城市生活垃圾卫生填埋技术标准( c j j1 7 8 8 ) y g 各地的填埋场 设计提供了基本依据。1 9 9 5 年1 0 月，我国通过了第一部固体废物污染环境防 治法，随后，我国陆续颁布了生活垃圾填埋场污染控制标准、生活垃圾 填埋场防渗系统工程技术规范等规范，生活垃圾填埋处理技术逐步走向规范化。 在实践基础上，借鉴国外发达国家的经验，我国更多的城市如昆明、桂林、 泉州、湖州、保定等，建设了具有更高标准的垃圾卫生填埋场，力求在底部防渗 和渗滤液控制等方面取得更好的效果。由于卫生填埋法处理垃圾量大，垃圾适应 性强，一次性处理，没有残余物，管理方便且运行费用较低，加之我国大多数城 市未实行垃圾分类投放制度，垃圾成分混杂。因此，填埋处理已成为我国城市生 活垃圾处理的主要手段。 据建设部统计资料【酬，我国6 6 4 个城市建有各种垃圾填埋场7 4 0 座，年垃圾处 理量为7 8 4 1 0 7 t 。9 0 以上的生活垃圾采用填埋处理。根据我国部分城市垃圾 成分的特征1 7 】( 表1 1 2 ) 和目前的经济发展水平，在今后较长一段时间内我国 城市生活垃圾处理宜采用以卫生填埋为主，其它治理方法为辅的策略方针。而且 国家环保总局向社会公布的处理城市垃圾的国家行动方案表明1 8 l ，今后我国城市 的大部分生活垃圾将进行卫生填埋处理。在我国，卫生填埋法还将继续广泛应用。 3 j h i 位论文 i 1 3 卫生填埋场污染控制系统世存在的问题 1 131 ：卫乍填埋场污染控制系统组成 p 生填埋场污染控制系统结构如图l1 1 1 9 1 。 iirili & # 4 嚏 坩蝴 ”气鲁 i 蕾 * 一m * 一村奠* t = 婚末簟 * = 村矗基 t 曩目 t 图1 1 - l 卫生填埋场污染控制系统结构 由图11 1 知，卫生填埋场污染控制系统土耍山以下几部分组成：覆盖和封 场系统、气体收集系统、渗滤液收集和排放系统、防渗系统等。 ( 1 ) 覆盖和封场系统 当一座垃圾填埋场填满l l 后，需要对其进行封场覆盖。从工程设计角度来 讲，填埋场封场的目的是对填埋场进行封闭，减少地表径流和地面降水渗八填 = | = 早场，使场内产t k 的渗滤液最降至最小。从f 态环境保护的角度，覆盖系统应 考虑到覆土厚度对植物tk 的影响和设置集2 t 层以收集和排出垃城分解产生 的废气。建造时要考虑的凼素包括覆盖的位置、使_ e i 士工合成材料以改善覆盖 系统舫渗性能的有效程度、稳定边坡的限制高度咀殷填埋场封闭后地面如何使 兰州大学硕士学位论文 用等。 ( 2 ) 气体收集系统 生活垃圾中的有机物在微生物作用下发生分解，会产生大量气体，气体的主 要成分是二氧化碳和甲烷，还有一些微量气体。微量气体虽然数量很少，但有的 有剧毒，会对公众健康带来危害。 最初，填埋场中气体的分布和大气是一样的，随着填埋时间的增加，填埋场 中的微生物开始分解有机物，氧气逐渐减少，二氧化碳逐渐增加，需氧环境转变 为厌氧环境。因此，一开始填埋气体中甲烷含量很少，随着时间增加，其含量愈 来愈高，二氧化碳的含量反而略有减少。经过较长时间，填埋场中的有机材料消 耗完后，以甲烷和二氧化碳为主的混合气体的生成才会中止。 设置气体收集与排放系统是为了有控制地疏导填埋气体，避免填埋气体在场 内淤积或向场外横向迁移，发生沼气爆炸。还可以利用回收的沼气进行发电，实 现填埋气体的资源化利用。在避免有害成分向空气中释放的同时，提高填埋场的 经济效益。 ( 3 ) 渗滤液收集与排放系统 渗滤液是一种高浓度的有机污水，主要来源于降水，地表径流，地下水和 垃圾含水，如未经处理直接排入土壤或地下水中，有毒有害物质会迁移到环境中， 严重污染土壤和地下水。 设置渗滤液收集和排放系统是为了将填埋场内产生的渗滤液收集起来，并通 过污水管或调蓄池输送至污水处理站进行处理。 渗滤液收集系统由排水层、集水槽、多孔集水管、集水坑、提升管、潜水泵 和调蓄池等组成。所有这些组成部分都要按填埋场运用初期较大的渗滤液产出量 设计，保证该系统长期流通不发生障碍。 ( 4 ) 防渗系统 垃圾填埋场防渗系统的主要功能是隔断填埋场内外水力联系，阻止渗滤液进 入地下水和外界水进入填埋场内。避免垃圾渗滤液污染周围土壤和地下水。 防渗系统一般包含三个部分：顶部防渗层，侧部防渗层和底部防渗层。项 部防渗层主要是防止气体的散发，通过防渗和排泄以减少雨水的渗入，并为上部 植被和其他防渗控制措施提供支撑；侧部防渗层主要是防止渗滤液的渗漏和外部 5 兰州大学硕士学位论文 水的流入并对渗滤液进行排放；底部防渗层用于防止渗滤液渗透，为填埋体提供 支撑，并通过过滤、排放和收集系统，防止渗滤液在卫生填埋场内积累和渗漏。 防渗系统常用的衬里材料主要有人工材料和天然材料。常用的人工材料和天 然材料主要有： 人工材料 最近几年，填埋场建设中越来越多地使用合成材料来提高防渗层的性能，这 些人工材料主要有地质隔膜，合成纤维，高密度聚乙烯膜，土工膜，土工复合排 水网，钠基膨润土防水毯等。这些人工合成有机材料通常有极低的渗透性，其渗 透系数均可达1 0 - 1 1 c m s 。其中，高密度聚乙烯的渗透系数达到1 0 d 2 c m s t l o l ，甚至 更低。 天然材料 粘土是最常用的天然衬里材料，无论是从其它地方运来的还是场地本身的粘 土，都要进行详细的勘查，采用适当的方法，按一定的设计参数合理建设，以确 保衬里能正常发挥作用。影响粘土衬里性质的主要因素有：渗透系数、压实程度、 含水率、颗粒组成等。 膨润土也是较常用的材料之一。膨润土在湿润之后，体积是它们干重体积的 1 0 - 3 0 倍。在缺乏天然粘土的地方，膨润土和砂土的混合物可以构成低渗透的 衬里。 细砂土被广泛的用于保护人工衬里和增加过滤层的稳定性。 砾石是过滤层的主要材料，底部砾石层的有效性取决于孔隙比、砾石的形状 和强度、岩性等。 我国标准【1 1 l 规定卫生填埋场必须设防渗系统，无论是自然防渗还是人工防 渗，其水平、垂直两个方向的渗透系数均不大于l x l o c m s ，抗压强度必须大于 0 6m p a 。绝大多数填埋场天然地理环境和自然地质条件很难满足自然防渗的要 求，需要采用人工防渗措施达到防渗目的。填埋场人工防渗措施一般有垂直防渗、 水平防渗以及两者相结合三种，具体防渗措施的选择主要取决于填埋场的工程地 质、水文地质及当地经济条件等因素。 垂直防渗适用于山谷地形，因其沟谷为独立完整的水文地质单元，垂直防渗 比较经济，施工简便，经济欠发达地区比较适合使用。由于地质条件能够满足要 6 兰州大学硕七学位论文 求，南昌麦园、杭州市天子岭垃圾填埋场一期工程和福州市红庙岭垃圾填埋场都 采用此方法进行场底防渗【1 2 】，大大地降低了填埋场的工程成本。 水平防渗通常是采用天然或人工衬里材料，在需要进行防渗的区域内全面积 铺设，适用于防渗标准要求较高或缺乏天然隔水层的填埋场工程。 由于我国目前的填埋场底部防渗技术仍不成熟，规范【1 1 】要求填埋场防渗工程 应采用水平防渗和垂直防渗相结合的工艺。 1 1 3 2 垃圾填埋场防渗存在的问题 在垃圾长期填埋过程中，由于压实、降雨和微生物作用以及其他生物化学反 应等，垃圾会产生渗滤液并从填埋场内渗出。渗滤液对土壤、地表水、地下水、 大气、动植物及人类生存环境都会产生严重危害。尤其对地下水产生了不可修复 的污染。 卫生填埋过程中，虽然可以使用防渗系统和封场覆盖系统，设置气体导排系 统和底部排水系统等措施来减轻垃圾渗滤液对环境、大气和地下水的污染，降低 填埋场气体爆炸事故的发生【1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 】。但是，随着时间的推移，填埋场可能会出 现以下问题：渗滤液的收集和排放系统被腐蚀而导致渗滤液渗漏；渗漏的某些污 染质，尤其是有机物会使防渗衬垫的防渗性能下降，产生收缩裂缝，失去阻隔能 力【1 7 1 ；或者防渗衬里由于机械、自然等的作用而被破坏，导致渗滤液渗漏污染 地下水。 渗滤液对地下水和土壤的污染屡见不鲜，美国1 9 9 7 年的调查表明，在已使 用的1 8 5 0 0 座垃圾填埋场中，有近一半的填埋场对地下水体造成了不同程度的污 染f 1 8 l 。1 9 9 7 年，英国4 0 0 0 个填埋场中对水体环境造成污染的比例已达到3 3 【1 9 1 。 有学者f 2 0 】对北京几个大型垃圾填埋场的渗漏检测证实，这些垃圾填埋场均已发 生了明显的渗漏。某些垃圾填埋场渗漏污染已造成周围十几平方公里范围内的地 下水不能饮用。 垃圾渗滤液一旦渗漏，必然会对地下水体造成污染，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，防渗系 统随时都有可能破坏，垃圾渗滤液对周围土壤、地表水和地下水造成污染的可能 性是永远存在的。因此，在垃圾填埋场设计、建成和运行过程中，防渗系统最为 关键。 7 2 各旧垃圾填埋场防渗技术及研究进展 1 2 1 荚闻对垃圾填埋场防渗结构的要求 美国环保署颁布的城市同体废物填埋场标准t p 对胁渗结构的具体规定i 有：填埋场防渗结构由复合衬崖系统和渗滤液收集系缆组成，渗滤液收集系统的 设计必须能保证衬层卜的渗滤液深度不超过3 0 c m ：复合衬层系统包括 | 合成秉 性膜构成的上层衬层和m 粘土层构成的下层衬层，上层的柔性膜厚度不得小于 o7 5 m m ，下层的粘土层厚度不得小于4 0 e r a ，渗透系数应小于l x l f f t c m s 。如粜 柔性膜为h d p e 膜，则厚度至少为1 s m m 。美国单层复合衬层系统和双层复合 衬层系统结构见围1 2 i 。 美国各个州的规范与城市固体废物填埋场标准的要求不尽相同，但均小 低于国家标准。 鞠藿蕊瀚勰 单层复台衬层系统 双层复台计层系统 l 吲体废物；2 砂砾排水平保护层；3 - 人t 膜村层：4 压宴粘士村层5 底土6 - k2 j l 纵物反 渗层；十i 用排水层 图1 2 1美国垃圾填埋场典型防渗结构示意图 1 2 2 德国生活垃圾填埋场防渗结构的要求 德l _ 4 的城市同体废弃物技术条例将填埋场分为两级( 】级和i i 级) ，其 中l j 缴填埋场为生活垃圾填埋场，其防渗结构的捌定1 2 2 2 3 i 有：要求采用由人工膜 衬层和耥土衬层组成的复合防渗结构。在人工膜衬层 铺设排水层和保护层，总 厚度不能小r3 0 c m ，其中人工膜衬层如果是h d p e 膜，要求最小厚度为25 r a m ： 粘士肪渗层厚度不小丁0 7 5 r n ( 至少3 层1 ，渗透系数k l x l 08 c n l s 。结构见图 l2 2 。 一一一一 醯磁誓蕊鞠黝蕊蕊蕊疆 i 一体胜物：2 一排小腻：3 保护层，舡人i 畦 f 按5 第崖j k 宴粘p 计培6 - 第。培胍实粘 十利层7 一第- ；zj t 实料j 1 十壕；8 - 地草 圈l2 - 2 德国卫生填埋场防渗结构示意图 1 2 3 欧盟关于生活垃圾填埋场防渗结构的要求 欧性r1 9 9 9 年通过垃圾填埋指令全面反映了欧盟对于垃圾管理的耍求 和 标。它将填埋场分为二类：危险废物填埤场、乍活垃圾填埋场和惰性废物填 埋场。对_ j 生活垃圾填_ 1 1 场防渗结构的n 体土兕定见表1 2 一l 表1 2 1 欧盟生活垃圾填埋防渗结构 其他些国家的填埋场防渗结构的构造以及村料性能要；忙盘表l2 2 1 。 表1 2 - 2 各国垃圾填埋场肪渗层构造 国家 复台t 厚度c m 渗透系数( c u r s l 防穆层构造 澳人利弧 6 0l x l o 7 脯+ 枯十衬层 比利时 1 0 0l x l f f 人l 膜+ 牯十衬层 法国5 0l x l 0 5 人i 。膜+ 牯十村层 匈爿利 5 0 i x l 0 7 i 膜+ 粘 村层 意人利lool x l 0 7 l 膜+ 粘十衬层 英稠1 0 0 i x l 0 7 人i 脾+ 粘i 衬层 葡萄牙 5 0 i x l 0 7 人i 塍+ 粘 衬层 瑞媳 8 0l x l 0 。 j 膛+ 枯十衬层 1 24 日本的垃圾填埋场防渗系统 n 。本，城市q 一活垃圾收集起米，绝大i i b 分通过 t 圾焚烧减容、减量，垃圾焚 烧届的扶渣i i i 在u 生填埋场进行填墀。根据1 9 9 8 年颁巾的垃圾填埋场标准：当 填埋场底层其有渗透系数d 、于l x l 05 c m s 的粘上层5 m 以l ，町以不醴置人工防 渗衬挚如果满足不了以i 条件，必须设霞以下衬毕结构( ”i ： ( i ) 粘上+ 上l 膜：柚上层厚度小低于5 c r n ，且渗透系数须小于l x l o6 c m s ：士 奠厚度不小于1 5 r a m ：保护鹅和j _ ! | 护覆 须铺设在十工h # 之hh 厚度颁大于 5 0 c m 。见图12 - 3 。 ( 2 ) 洳青混凝h 十一l 膜：沥青混凝r 层厚度不小1 ：5 c m ，儿渗透系数颁小于 l x l 07 c m s ；上r 膜厚度不小于1 5 m m ；保护垫和保护糙十须铺设在土。膜之上， 日厚度须人j 15 0 c m 。见同12 - 3 。 ( 3 ) 双层t 工膜：土工膜厚度币，j , j - 1 5 m m ；中问须改簧慊护挚：保护垫和保 护覆土颓铺设在土工膜之上，且厚度领大于5 0 c m ；l ：工膜r 面也应设置保护垫。 见图l2 3 。 熏熏| | | | | 雾 ：露蚕嚣翳_ 霜菡f i 蕾 霞篮霆圈1 兰= 二兰兰兰i ；二= 圈曩。 l 一保护覆十；2 保护挚；3 士i 膜4 - 粘十或澌青混凝r 5 地摹 图1 2 - 3 日本垃圾填埋场防渗结构 1 2 5 我国的生活垃圾填埋场肪渗结构标准 我陶现行的国家标准生活埔城填埋场污染控制标准( g b l 6 8 8 9 2 0 0 8 ) 第缸部分中规定生活垃城填埋场设汁应包括防渗工程，防渗工程包括水平防渗和 垂直防渗相结合的工艺，并且防渗层的渗透系数小得大于l x l f f t c m s 。 我国建设部颁巾的乍活垃城填埋场防渗系统l ：程技术规范【2 7 i ( c j j l l 3 - 2 0 0 7 ) 巾将各种防港层概括为两大类，即堆屡防湾结构和取层防渗结 构。就起防渗作用的材料向，、i ，防渗材料可以足一层防渗材料形成的单层防渗层， 或者几层紧密接触的防渗材料形成的复合防渗层。牡层防渗结构的层次从上至r 为：渗澌液收集导排系统、防涪层( 台防渗材料及保护材料) 、基础层、地f 水 收集导排系统。 我嘲对防渗层的规定如r ：女i 粜防渗层采川h d p e 膜和脏实土壤复合防渗 结构，则h d p e 膜上应采h j 非织造lr 。巾作为保护从，规格小j ： 小于6 0 0 9 m 2 ， 兰州大学硕上学位论文 h d p e 膜厚度不应小于1 5 m m ，压实土壤渗透系数不得大于l x l f f 5 c m s ，厚度不 得小于7 5 0 m m ；如果防渗层采用h d p e 膜和g c l 复合防渗结构，则g c l 下铺 设的一定厚度的压实土壤保护层的渗透系数不得大于l x l f f 5 c m s ；如果防渗层采 用压实土壤单层防渗结构，则压实土壤的渗透系数不得大于l x l 0 - 7 c m s ，且压实 土壤厚度不得小于2 m ；若采用h d p e 膜单层防渗结构，则膜下采用厚度不得小 于7 5 0 m m 的压实土壤保护层，压实土壤的渗透系数不得大于l x l 0 巧c m s 。而双 层防渗结构是在单层防渗结构基础上又增加了一个防渗层和一个渗漏检测层。其 主防渗层和次防渗层分别可以是单层防渗层或复合防渗层。双层防渗结构防渗等 级高，造价也相对较高，在我国实际工程中使用较少。 1 2 6 防渗层的抗老化要求 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【2 8 1 。所以，防渗系统应 该能在相当长的时间内保持低渗透性。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 c m 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。目前，我国 还没有这方面的明确规定，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渗滤液渗漏。 1 2 7 防渗层的研究进展 填埋场的衬里材料，目前国内多采用天然材料或经工程处理达到防渗要求的 天然材料。粘土是广泛应用于填埋场的天然防渗材料，因为优质粘土的渗透系数 可以达到1 0 - 7 c m s 以下，如果其厚度能达到要求，是经济的衬里材料。但实际工 程中很难找到符合要求的天然粘土，而且一座填埋场所需要的粘土量非常大。对 于优质粘土储量少，交通不方便的地区使用大量粘土作为防渗材料是很难实现 的。同时，天然粘土在吸附过程中，渗透系数会增大，常常只能有效地阻止水或 其它低张力渗滤液的迁移，在高浓度的有机渗滤液、油类产品或者纯有机液体作 用下，粘土会产生絮凝和收缩，吸附有机污染物的能力迅速下降，使渗透系数提 高2 - - 3 个数量级，从而失去阻隔能力1 1 7 l ，无法达到规范的防渗要求。 为了寻求经济上合理并长期有效的衬里，解决天然材料防渗能力问题，国内 外对防渗层进行了大量的研究。目前，国内外关于防渗层的研究主要集中在新材 兰州人学硕士学位论文 料的开发，在原有天然粘土防渗层的基础上作出改进，对原有材料进行改性等方 面例2 9 。现有的研究结果主要包括： 1 、膨润土改性。国内外研究成果和工程应用实践证明膨润土改性粘土在填 埋场工程中有很大的发展前途。膨润土优于其它无机添加剂，主要在于它具有吸 水膨胀和巨大的阳离子交换容量。一般膨润土吸水后，可形成低渗透性纤维，其 体积膨胀可达一倍。因此，在粘土中添加膨润土，不仅可以减少粘土孑l 隙，使其 渗透性降低，而且可以提高衬里吸附污染物的能力，同时也使粘土衬里的力学强 度大幅度提高。刘阳生1 3 0 j 等把膨润土加入华北黄土和华南红土中，用渗滤液作渗 透液体，利用加压法进行研究得到，在黄土中加入6 糊的膨润土时其防渗性 能较好，对于红土则是加入8 膨润土时，其渗透系数最小。 2 、石灰改性。在粘土衬里中添加石灰，以改进粘土衬里性能是最近研究的 一个方向。b e l l 3 1 】用最常见的粘土矿物高岭石、蒙脱石等进行了测试，表明通过 添加石灰能提高粘土衬里的稳定性和工程性质。同时，得到最佳的强度增量是添 j 1 1 4 6 的石灰。史敬华等1 3 2 1 利用石灰对粘土进行改性研究的结果：在垃圾渗滤 液做渗透液体的条件下，粘土+ 膨润土+ 石灰的复合衬里能满足填埋场的防渗要 求；t s a u d o n 和a 锄e 【3 3 l 也提出利用石灰在粘土中的硬凝反应，添加一定比例 的石灰以增加天然衬里的防渗性能。 3 、粉煤灰改性。粉煤灰也是很好的改性材料。国内外进行了大量的研究。 d i g i o i a l 弘! ，g h o s h t 3 5 】的研究表明，在粘土中添加粉煤灰后，防渗层的抗渗性能得 到很大幅度的增强。何俊宝掣3 6 j 对粉煤灰和粉质粘土构成的复合土进行研究，发 现当复合土容重为1 8 9 c m 3 时，粉煤灰在复合土中最佳配比为2 5 ，含水量控制 范围在1 5 - 2 5 时，复合土渗透系数达到1 0 。7 c m s 数量级，基本符合衬里系统 标准；张波等【3 7 j 对伊利土和粉煤狄复合土进行研究，结果表明复合土的压实干密 度为1 5 9 c i i l 3 眠j ，粉煤灰在复合土中最佳配比为2 0 3 0 时，可获得5 4 x l f f 8 c m s 的低渗透系数。 4 、有机物改性。d a n i e l d e 1 3 s l ，q u i g l e y r m 【3 引，r e s c h k e a e 【柏l t t 姐k a l l u r v g 4 1 l 等研究了在砂土中添加有机膨润土作为防渗层材料的有效性。s m i t h 和j a 肌【4 2 】的 研究指出，含有机膨润土的土层与传统土层或其它类型的土壤相比能显著地阻止 苯的运移，与未改性的天然膨润土相比，苯穿透防渗材料的时间从4 年推迟至2 7 5 1 2 兰州大学硕士学位论文 一年，同时它还能有效地防止水和有机溶液的对流迁移。 i r e n e l 4 3 】提出利用十六烷基三甲基溴化铵有机处理的粘土衬里，能有效的去除 有机污染物并控制渗滤液的渗透。通过一系列实验，结果表明这种有机粘土的渗 透系数为7 1 0 9 e r a s ( 自来水) 、1 6 x l o 。8 c i i l s ( 渗滤液) 。同时证明有机粘土衬里具有 阻滞污染质迁移和减少渗滤液渗透的作用。j a m e s 和p e t e r i 叫的研究表明，有机处 理的膨润土具有1 0 c m s 数量级的水力传导系数和比常规衬里大得多的苯吸附容 量。h u m l 4 5 j 提出了一种新型的c r c 粘土，既能抵抗污染质的破坏，也能解决污 染质对膨润土衬里的破坏问题。通过一系列的测试，对这种新型的c r c 粘土的有 效性进行了评估。结果表明，与污染质接触时，这种新型的粘土能保持良好的防 渗性能。陈延君等【4 6 1 研究发现膨润土有机改性后，可明显延缓苯酚的破坏，可以 考虑将这种材料用在单一有机污染质的处理上，而且有机膨润土完全可以作为反 应型防渗层适用的一种材料。宋宝华等【4 7 】用十六烷基三甲基溴化铵对膨润土进行 改性，得到改性剂的最佳浓度为5 ，且改性后有机膨润土吸附有机污染物的能 力大大提高。 5 、对防渗层设计的改进研究。j e a nf r a n k 和w a 舯e r 【删提出了一个新概念基 底矿物衬里，这种矿物衬里由两层分开的矿物层组成。上部基层是具有高度反应 性的一层，其目的是从渗滤液中尽可能多的去除污染质；下层是“惰性层，可 以把渗滤液尽可能的阻滞在填埋场内。这种双层矿物基底衬里一方面能够尽可能 多的去除有害物质，另一方面又能确保对渗滤液长期稳定的低渗透性。 钱学德等1 4 9 】从压实粘土衬垫土料，含水量和干密度关系，土块对粘土压实 影响，压实功能，压实层界面处理等方面研究了粘土衬垫的设计和施工；刘长礼 等【删基于土层一衬垫材料( 粘性土、砂土、膨润土、风化煤、褐煤、泥炭层等) 对垃圾污染质具有截污作用的理论基础，归纳了粘性土层衬垫系统、砂质土一土 工膜、风化煤，褐煤土层衬垫系统、泥炭层衬垫系统等几类适合我国国情的衬 垫系统。董军掣5 1 】在粘土中加入沸石进行改性，用渗滤液做渗透液体研究得出沸 石的最佳配比为6 。 1 3 兰州大学硕l 二学位论文 1 3 选题背景及意义 1 3 1 选题符合我国黄土地区垃圾填埋场建设的需要 1 3 1 1 黄土的分布及特征 黄土又称大孔性土，是第四纪形成的陆相黄色粉砂质土状堆积物，具有一系 列内部物质成分和外部形态的特征，它不同于同期的其他沉积物。 黄土在地理分布上也有一定的规律性。黄土主要分布于北半球中纬度干旱和 半干旱地区，全世界黄土分布的总面积大约有1 3 0 0 万平方公里，占全球大陆面 积的9 3 以上。我国的黄土分布，西起甘肃祁连山脉的东端，东至山西、河南、 河北交接处的太行山脉，南抵陕西秦岭，北到长城，包括陕西、山西、宁夏、甘 肃、青海等五个省区的2 2 0 多个县市，面积达5 4 万平方公里，占全国土地面积 的6 1 5 2 】。 黄土一般具有以下特征： ( 1 ) 颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色，它是一种特殊的粘性土， 粉土颗粒含量较高，遇水易冲蚀、崩解和湿陷。 ( 2 ) 富含碳酸盐类，疏松，多孔隙，垂直节理发育，极易渗水，含有大量 可溶性物质，很容易被流水侵蚀。 ( 3 ) 颗粒组成以0 0 5 一0 0 0 5 m m 为主，含量一般在6 0 以上，颗粒粒径大于 0 2 5 m m 的较少。 ( 4 ) 有肉眼可见的大孑l 隙，较大孔隙，一般在1 0 m m 左右。 黄土的现存结构状态，是它整个历史形成过程中的综合产物。它决定着黄土 结构本身在新的条件下的变化倾向。例如湿陷性黄土的特征是低含水量、高孔隙 度和碳酸盐含量高的粉质土壤，因之遇水有崩解湿陷的特性。根据双目显微镜下 观察表明，黄土有其特殊的显微结构。它由结构单元( 单矿物、集合体和凝块) 、 胶结物( 粘粒、有机质、c a c 0 3 ) 和孔隙( 大孔隙、架空孔隙和粒问孔隙等) 三 部分组成。黄土以粗粉粒( 0 0 5 , - - - 0 o t m m ) 为主体。较大砂颗粒( o 0 5 r a m ) 含 量较少，粗粉粒构成黄土的骨架，而细粉砂、粘土和腐殖质等胶