（环境工程专业论文）碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究.pdf

碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 、 摘要 本文基于填埋场粘土类防渗垫层所关心的防渗性能和对污染物的阻滞、衰减能力 等设计指标，系统地研究了碱厂废渣( 白泥) 及其复合衬层作为填埋场防渗垫层的可 能性，针对各种土料的土工特性与环境土工特性做了以下工作： 1 、分别对白泥和在青岛两个填埋场取回的两种粘土防渗土料( 风化土和亚粘土) 的压实性、抗剪性、渗透性以及收缩性等几个主要的衬层设计指标进行了对比评价， 结果表明，白泥具有较差的压实性，良好的抗剪性和抗干裂性，测得其在最优含水率 及附近含水率下的击实土样的渗透系数均在1 0 7 c m s 数量级范围内； 2 、将白泥与两种粘土防渗土料进行复合，形成两种混合式的复合土料( 白泥+ 风化土和白泥+ 亚粘土) 和两个。夹层结构”复合土科( 白泥风化土和白泥亚粘土) ， 测试其渗透系数：亚粘土添加量为3 0 4 0 的白泥+ 亚粘土混合土料以及两个“夹 层结构”复合土料的防渗性能较好，渗透系数都达了1 0 - 8 c m s 数量级； 3 、选取白泥防渗衬层、风化土防渗衬层、亚粘土防渗衬层、6 0 白泥+ 4 0 亚粘 土“混合式”复合衬层、白泥风化土“夹层结构”复合衬层和白泥亚粘土“夹层 结构”复合衬层6 个衬层在自制击实渗透仪中分别用自来水和渗滤液进行土柱模拟实 验。实验从防渗性能及其稳定性、对污染物的阻滞衰减能力等角度对各土柱的渗透系 数、出水水质( c o d 、n h 4 + n 、c l 、p h ) 进行长期的连续的动态的监测得到：在自来 水和渗滤液长时间淋滤作用下，自泥风化土“夹层结构”复合衬层和白泥亚粘土“夹 层结构”复合衬层的防渗性能、防渗稳定性以及对c o d 和n h 4 + 一n 阻滞去除能力都 很好，可以和风化土防渗衬层、亚粘土防渗衬层相比拟；6 0 白泥+ 4 0 亚粘土“混 合式”复合衬层在自来水长时间淋滤作用下的渗透系数 lx1 0 一c m s ，并且其渗透系数随时间的推移、渗透液的不同以 及实验装置的不同都表现出了很大的差异；白泥防渗衬层和白泥复合衬层的自来水和 渗滤液淋滤出水的p h 值和氯离子浓度都很高。 综合以上分析，只有白泥风化土“夹层结构”复合衬层和白泥亚粘土“夹层 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 结构”复合衬层在防渗性能、防渗稳定性以及对污染物的阻滞去除能力上可以和填埋 场正规的防渗土料比拟，而白泥防渗衬层、6 0 白泥+ 4 0 亚粘土“混合式”复合村 层不适合直接作为填埋场防渗衬层。 关键词：m s w 填埋场；碱厂白泥；白泥复合防渗衬层；防渗性；阻滞衰减能力 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土抖性能的实验研究 as e r ie so fe x p e r i m e n t a ls t u d i e so ns o d i u ms o d ar e s i d u e a si m p e r m e a b l eb a r r i e rm a t e r i a lsi nt h eii n i n gs y s t e mo fm s w i a n d f 1is a b s t r a c t b a s e do ns e v e r a lm a i nd e s i g ni n d e x e so fal i n e r s y s t e m s u c ha s h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t i e s ，a d s o r p t i o na n da t t e n u a t i o ne f f i c i e n c ya g a i n s tc h e m i c a l sa n dr e t a r d a t i o no f c h e m i c a l st r a n s p o r ta n ds oo n t h i st h e s i ss y s t e n t a d c a l l yi n v e s t i g a t e ds o d ar e s i d u ea n di t s c o m p o u n ds o i l sw i t hw e a t h e r i n gc l a ya n ds u b c l a yf o ri t si l s ei nc l a yl i n e ro fl a n d f i l l t h e m a i np o i n t so ft h i st h e s i sa l ea st h ef o l l o w i n g ： 1 、as e r i eo ft e s t sa l e f i r s t l yp e r f o r m e df o rs o d ar e s i d u ea n dt w op r a c t i c a l i m p e r m e a b l ec l a ys p e c i m e n t s ( w e a t h e r i n gc l a ya n ds u b c l a y ) f r o mt w od i f f e r e n tm s w l a n d f i l l so fq i n g d a ot o w h o l e l ye v a l u a t et h r e es o i l s s e v e r a lm a i ni n d e x e so fd e s i g n i n c l u d i n gc o m p a c t i o n ，p e r m e a b i l i t y ，s h e a rs t r e n g t ha n ds h r i n k a g e t e s tr e s u l t ss h o w ：s o d a r e s i d u eh a sp o o r e rc o m p a c t i o n , h i 曲e l s h e a rs t r e n g t ha n dl o w e rs h r i n k a g et h a nt w oc l a y s p e c i m e n t s , a n dm o f e 0 v e ri t sp e r m e a b i l i t yv a l u e sc a nb ea c h i e v e dt h eo r d e ro f1 0 7 c m s w h e nc o m p a c t e du n d e ro p t i m u mo r n e a rt oo p t i m u mw a t e rc o n t e n t s 2 o nt h eb a s eo f a b o v ee x p e r i m e n t s , t h es o d ar e s i d u ei sr e s p e c t i v e l yc o m b i n a t e dw i t h t w oc l a ys p e c i m e n t s ，f o r m i n gt w ot y p e so fm i x t u r ec o m p o u ds o i l s ( s o d ar e s i d u e + w e a t h e r i n g c l a y a n ds o d a r e s i d u e + s u b c l a y ) a n d t w oi n t e r c a l a t i o n c o m p o u n d s o i l s ( s o d a r e s i d u e w e a t h e r i n gc l a ya n ds o d ar e s i d u e s u b c l a y ) ，a n dt h e nt h e i rp e r m e a t i n gc o e f f i c i e n t s a l et e s t e d i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tb o t hi n t e r c a l a t i o nc o m p o u n ds o i l sa n dt h es o d a r e s i d u e + s u b c l a ym i x t u r ec o m p o u ds o i l sw i t h3 0 4 0 s u b c l a yc o n t e n ta l eo b t a i n e dt h e p e r m e a b i l i t yv a l u e sr a n g e di nt h eo r d e ro f1 0 8 c m s 3 、i nt h i sp h a s e , t h es o d ar e s i d u el i n e r , t h ew e a t h e r i n gc l a yl i n 既t h em b c l a yl i n e r , t h e 6 0 s o d ar e s i d u e + 4 0 s u b c l a ym i x t u r ec o m p o u n dl i n e r , t h es o d ar e s i d u e w e a t h e r i n gc l a y i n t e r c a l a t i o nc o m p o u n dl i n e ra n dt h es o d ar e s i d u e s u b c l a yi n t e r c a l a t i o nc o m p o u n dl i n e r w e r es e l e c t e df o rs i m u l a t i v ec o l u m ne x p e r i m e n t sb yt a pw a t e ra n dl e a c h a t ei nt h ei m i t a t e d c o m p a c t i v ep e r m e a m e t e r i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec a p a b i l i t i e sa n ds t a b i l i t i e s o f 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场村层防渗土料性能的实验研究 w a t e r t i g h tc a p a b i l i t i e sa n dt h ea t t e n u a t i o ne f f i c i e n c i e sa g a i n s tp o l l u t a n t so fs i xl i n e r s w e c o n t i n u o u s l ym e n s u r a t es i xl i n e r s d y n a m i cc h a n g e sb yt i m eo fp e r m e a b i l i t yv m u e sa n dt h e p o l l u t a n t s ( c o d 、n i l * 一n 、c i 、p n ) o fp e n e w a t i n gw a t e r a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w ec a nd r a ws o m ec o n d u s i o n sa sf o l l o w s ：r e s p e c t i v e l yu n d e r g o i n ge l u v i a t i o no f t a pw a t e ra n dl e a c h a t e , t h es o d ar e s i d u e w e a t h e r i n gc l a yi n t e r c a l a t i o nc o m p o u n dl i n e ra n d t h es o d ar e s i d u e s u b c l a yi n t e r c a l a t i o nc o m p o u n dl i n e rh a v eg o o d ，s t a b l ea n dl o n g t e l i n w a t e r t i g h tc a p a b i l i t y , a n dv e r yg o o da t t e n u a t i o na b i l i t yo fc o da n dn i - 1 4 + n ，w h i c hc a n c o m eu pt ot h ew e a t h e r i n gc l a yl i n e ra n dt h es u b c l a yl 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 f t h e6 0 s o d ar e s i d u e + 4 0 s u b c l a ym i x t u r ec o m p o u n dl i n e ru n d e r g o i n ge l u v i a t i o no ft a p w a t e ri sl e s st h a n1 1 0 “c m sw h i l el a n g e rt h a n1 1 0 。7 c m sb ye l u v i a t i o no fl e a c h a t e ； r e s p e c t i v e l yu n d e r g o i n ge l u v i a t i o no ft a pw a t e ra n dl e a c h a t e , t h eh y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo f t h es o d ar e s i d u el i n e r 1x1 0 c m s ，w h o s ew a t e r t i g h tc a p a b i l i t yh a so b v i o u sc h a n g eb y t i m ea n dd i f f e r e n te l u v i a t i o nw a t e r ；t h ep e n e t r a t i n gw a t e ro ft h es o d ar e s c u el i n e ra n da l l t h es o d ar e s i d u ec o m p o u n dl i n e r sh a v el a r g en u m b e r so fc fa n dh i g hp hv a l u e s a c c o r d i n gt o a l lt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h e s o d a r e s i d u e w e a t h e r i n gc l a y i n t e r c a l a t i o nc o m p o u n dl i n e ra n dt h es o d ar e s i d u e s u b c l a yi n t e r c a l a d o nc o m p o u n dl i n e r c a nb eu s e da st h el i n i n gs y s t e mo fm s wl a n d f i l l s b e c a u s et h es o d ar e s i d u el i n e ra n dt h e 6 0 s o d ar e s i d u e + 4 0 s u b c l a ym i x t u r ec o m p o u n dl i n e rh a v en o ts t a b l ea n dl o n g - t e r m p e x m e a b i l i t i e s ，t h e yc a nn o tb eu s e da st h el i n i n gs y s t e mo fm s w l a n d f i l l s k e yw o r d s ：m s wi a n d f iii s ：s o d ar e s i d u e ：t h es o d ar e s i d u ec o m p o u n d i t i e r s ； w a t e r t i g h tc a p a b iii t i e s ；a t t e n u a t i o re l f i c i e n e i e sa g a in s tp o ii u t a n t s i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得( 洼! 翅遗查墓丝盂蔓挂别直嘎 的：盔拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签字： 签字日期：年 月日签字日期：枷年，月f o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 第一章绪论 1 1 城市固体废物( m s w ) 填埋技术进展 随着城市建设和经济的发展，我国的城市化水平快速提高，随之而来的是城市生 活垃圾的急剧增加。从首届国际固体废物处理技术与设备展览会( 2 0 0 2 年) 新闻发布 会上获悉，全国1 9 9 0 年城市固体废物产量为6 7 6 6 8 万吨，至2 0 0 2 年城市固体废物清 运量增加到1 4 亿吨左右，年增长率为8 一1 0 9 6 ，基本与g d p 增长同步【l j 。可以预见， 随着经济的发展，我国城市固体废物的产量还会继续提高。 大量城市固体废物如果不能及时得到处理，就会占用大片的耕地，使地下水和地 表水污染，造成耗资、占地、污染环境、浪费资源等问题。 1 1 1m s w 填埋与渗滤液污染危害 填埋( 1 a n d f i l l ) 作为城市固体废物( m s w ) 处置的一种主要方式，诞生于2 0 世纪 3 0 年代，成型于6 0 年代。最初的比较成型垃圾填埋技术是一种在洞穴中无序地堆放 废物的操作过程，它暗含这一种“稀释与扩散”型的填埋方式。通过稀释可以降低污 染物的浓度，但是它不是一种去除污染物的机制。扩散亦是如此，因为它们都没有从 根本上去除污染物的毒性。随着人们对于填埋技术和机理认识的逐渐深化，填埋技术 也逐渐转入了一种“隔离污染物”的思路上来，实行单元填埋的操作方式，对于垃圾 填埋场选址的水文地质以及气候和对周围的环境影响等方面都有了明确的规定，以及 对于垫层的厚度及渗透系数也有了更为严格的要求，这样就逐渐的形成了现代意义的 m s w 填埋场。经过7 0 余年的发展，已经形成一套比较完整的填埋工艺，美国、英国及 德国采用填埋技术处理的m s w 总量已分别占到本国城市m s w 总产量的9 5 、9 0 和7 5 。我国现行的m s w 处理方式包括填埋、焚烧及回收利用等，但最主要的还是 填埋。根据世界各国的m s w 处理经验，特别是现阶段的科学技术发展水平，在未来相 当长的时期内，m s w 处理仍将以“填埋为主、资源化和焚烧为辅”2 l 。 那些采取严格封闭措施，将废弃物与周围环境严密隔离的填埋场地称作现代 m s w 填埋场，图l 是一个典型的m s w 填埋场简图。美国环保局( e p a ) 建议m s w 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 填埋场的主要技术要求是( y o n g ，1 9 8 9 年) ：保证底部和边缘不渗漏，这主要依靠 各种衬垫隔离层；合适的选址；稳定的地基；合适的底部渗滤液收集系统： 合适的终场覆盖层3 1 。这些要求的关键是如何采取有效的隔离措施，保证不发生填埋 场污染物向周围环境迁移扩散。因此对于一个m s w 填埋场来说，无论其具体形式如 何，一般都要包括图中的五个主要组成部分：衬层系统、渗滤液收集系统和排放系统、 气体控制系统以及封顶系统。 彳两l 图卜1 城市生活垃圾g s w 填埋场组成示意图 1 9 9 1 年9 月建设部和科委正式把卫生填埋处置技术确定为我国近期推广的首选 技术后，我国各大中城市陆续兴建了一些大、中型城市垃圾m s w 填埋场，如深圳下 坪生活垃圾填埋场、北京阿苏卫生生活垃圾填埋场、杭州天子岭垃圾填埋场、苏州七 子山生活垃圾填理场、四川绵阳市房楼衬生活垃圾填埋场上海的老港填埋汤等。并且， 建设部在2 0 ( 1 年颁布了城市生活垃圾卫生填埋处理工程项目建设标准和城市 生活垃圾卫生填埋技术规范，这必将促进垃圾卫生填埋在我国的大发展。 渗滤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。渗滤液组分较复杂，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萘、菲等非氯化芳香族化合物、氯化芳香族化 合物、磷酸醋、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 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 产生重金属污染。渗滤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。 渗滤液的来源主要有四个方面：一是自然降水，目前这是垃圾渗滤液的主要来源； 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f 1 0 】。 根据国内外生活垃圾渗滤液的统计情况，渗滤液具有以下的化学特征【“j ： ( 1 ) 渗滤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 ) 渗滤液污染成分浓度很高。对我国太原某城市垃圾填埋场的渗滤液的监测分 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。目前己经发现在渗滤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 某填埋场的渗滤液中检测出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，酯类5 种，醇、酚类6 种，酮、醛类4 种，酰胺类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 l 、s 0 4 2 - 、c a 2 + 、m 【9 2 + 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，会使渗滤液中存在一些 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，渗滤液中的金属元素 c u ，f e ，p b ，z i l ，c d ，m n ，m g 的含量均较低。 ( 6 ) 渗滤液中细菌、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。 1 1 2m s w 填埋场设计理论与应用的研究现状及发展趋势 城市固体废弃物( m u n i c i p a l s o l i d w a s t e 有时简写为m s w ) 卫生填埋领域经历了几 个不同的研究阶段。2 0 世纪7 0 年代形成初步卫生填埋技术，技术重点集中在对填埋 场场地选择的定性分析评价上；2 0 世纪8 0 年代卫生填埋技术着重于渗滤液、沼气等 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场村层防渗土料性能的实验研究 污染物质的控制和利用，场地选择和设计的分析评价由定性走向定量；2 0 世纪9 0 年 代以后卫生填埋技术突出生态工程概念。场地选择和设计除考虑传统的工程地质、水 文地质及环境地质外，开始使用岩土工程理论及安全分析的方法，并积极开发经济性、 环保性的防渗及覆盖材料。同时生物工程和计算机人工智能等高新技术和方法也开始 逐步融合到岩土工程的研究之中。具体内容可归结为以下几方面【4 j 删： ( 1 ) 社会人文环境方面 主要的研究方向包括：填埋场的选址研究及环境影响评估；m s w 填埋场的建设 标准及规范化；配套环保标准及立法；垃圾前处理措施包括垃圾的分类收集制度和垃 圾分选技术；资源回收及垃圾有偿处理办法；填埋场运营管理模式等。其中，m s w 填埋场的建设标准的规范化以及垃圾有偿处置办法是我国当前的讨论热点。我国部分 大城市已开始实行垃圾的分类收集和有偿处理，如北京、上海、广州、重庆等，但垃 圾分类收集执行起来尚有较大困难，这与普通市民的环保意识较薄弱有关，垃圾收集 很难在源头上进行分类，后续处理工作就很难展开。深圳市也已开展了垃圾的分类收 集工作，但同样成效甚微。垃圾有偿处理的听证会正在进行，己引起广大市民的关注 和讨论，预计很快可以实行。m s w 填埋场建设标准的规范化问题已引起建设部的重 视，近年来出台了城市生活垃圾卫生填埋处置工程项耳建设标准，该标准所依赖 实际工程案例较少，许多数据就来自于深圳市下坪固体废弃物m s w 填埋场工程及其 它数量有限的少数工程，因此该标准有待于在实践的基础上丰富和完善。 ( 2 ) 环境工程方面 主要研究方向包括：环境影响评价；填埋场产生的污水、废气的收集处理系统及 大气、地下水的跟踪、监测研究；填埋场蚊、蝇、鼠虫害等传染病源的隔离控制措施； 雨污分流系统和渗滤液回灌研究。除环境影响评价是其持久的热点外，其它的热点有 污水、废气在填埋场环境的迁移运动规律及环境因素作用机理和调控机制研究以及在 线监测技术，这些方面的研究成果也可被应用于环境岩土工程之中。在线监测技术正 在垃圾填埋场及其它领域推广使用，它运用计算机网络对废水、废气等污染物实行实 时监测，发现问题及时处理，从而达到控制污染，保护环境的目的。 ( 3 ) 岩士工程方面 主要研究方向包括：m s w 填埋场设计理论与施工技术的研究；城市固体废弃物 工程特性的研究；防渗材料的选用及防渗构造在使用过程中工作状态的研究；垃圾力 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场村层防渗土料性能的实验研究 学的研究；城市固体废弃物压缩性及填埋场稳定变形研究；填埋场封顶后土地开发和 利用的研究。 整个岩土工程方面的研究，都是现时国内外学者的研究热点，其中尤以填埋场设 计理论与应用、垃圾体的强度特性、变形特性、本构模型、压缩特性以及填埋场快速 稳定等为关键性内容。填埋场中发生的生物降解和有机物分解过程的研究也成为岩土 工程研究人员关注的热点。m s w 填埋场岩土工程的诸多方面，尚未被人们认识清楚。 在我国，工程案例和实践经验相当缺乏，设计和施工的技术规范还很不完善，因而其 理论和应用上尚存在许多值得探讨、研究之处。 1 2m s w 填埋场的防渗技术研究现状 卫生填埋中比较重要的一环是防止渗滤液对地下水的污染，其防渗设计一般采用 “多重屏障”的设计概念，利用天然和人工屏障，尽可能使渗滤液与周围环境隔离，不 仅在末端采用收集、排泄和处理措施，而且在首端也采用控制措施，尽量减少渗滤液的 产生量。填埋场的主要防渗措施有以下几个。 1 2 1 防渗措施 ( 一) 单元覆盖 垃圾的填埋采用“当日填埋当日覆盖”的方法，分层操作，每层垃圾填埋碾压后都 要采取暂时的覆盖保护措施，这样在每两层垃圾间就有一定厚度的夹层，夹层材料可 以是粘土、城市建筑渣土或其他人工合成的材料以及粉煤灰等其他废料。一般每层垃 圾填埋厚度约为2 5 3 o m 。碾压压实后，覆土0 1 5 o 3 0 = 左右或铺薄膜作为2 层 垃圾层问的夹层。夹层的使用可以防止蚊蝇孳生，减少渗滤液的产生量、降低填埋场 在使用过程中对外部环境的影响。使用粘土等渗透系数较小的材料作为夹层还可以延 长渗滤液在各层中的滞留时间，让其充分厌氧降解实现自净作用，从而降低渗滤液的 浓度和减少进入地下水的渗滤液量；使用城市建筑渣土作为夹层材料一方面可以解决 渣土的处置问题，另一方面由于渣土颗粒大、孔隙率大，可以改善填埋场的透气性能， 增大渗出率，防止微生物繁殖堵塞孔隙，使微生物充分发挥好氧降解作用，可以加快填 埋场的稳定过程“2 】人工合成材料主要有聚乙烯和聚氯乙烯2 种，它们具有质轻、适 s 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 应变形能力强、运输量小等优点，作为夹层材料使用更有施工迅速、简便的优点。但价 格比较高。 ( 二) 终场覆盖 填埋场使用完以后，一般要对其进行生态恢复处理，此时要在场地铺设覆盖层。 覆盖层的主要作用是防止地面降水或地表径流入渗，同时也可以阻止填埋场中有害气 体等的释放。目前主要用的覆盖层材料有粘土、电厂灰与胶粘剂的混合物等。对覆盖 层的主要控制指标是渗透系数，一般希望其渗透系数小于l o 7 c m s ，这样才可以有效 控制从地面进入填埋场的水量。对于具有丰富粘土料的地区使用祜土作为覆盖材料具 有价格便宜、取材方便等优点；对于粘土料不车富的地区。可以采用城市污水处理厂 的出厂污泥作为覆盖材料，这样还可以解决污泥处置问题，但是由于污泥本身含有重 金属以及一些难降解的有机物，用其作为覆盖材料是否会加剧填埋场对环境的危害还 有待于进一步的研究；使用电厂灰和胶粘剂混合物作为覆盖层时，只要选择好恰当的 混合比例( 据m u r a t 等i l 驯实验，胶粘剂质量占5 3 0 9 6 ) ，就能使其渗透系数达到所要 求的指标。 由于垃圾层与覆盖层的渗透系数相差较大，因此在这2 层之问往往会形成非饱 和层，非饱和层具有较大的土水势和土水吸力 1 4 j ，从而使通过覆盖层水分的入渗速率 远远大于其设计入渗能力，再加上地表覆盖层很难防止龟裂、人为损伤的发生，因此使 用覆盖层并不能完全阻止地面径流和降雨的入渗。 ( 三) 底部防渗 铺设衬层防渗是耳前填埋场底部和四周防渗设计的主流，衬层的作用是防止未及 时排走的渗滤液的渗漏，虽然底部有排渗层，但不能保证所有的渗滤液都能及时进入 导流管中。衬层是防止渗滤液污染地下水的最后一道屏障，因此衬层的设计和材料的 质量非常重要。衬层可以铺设单层或多层，国外设计实例中最多达4 层。理论上讲， 彻底隔绝渗漏是不可能的，一般双层衬层就能满足防渗要求1 0 1 。衬层可以采用天然防 渗材料，也可以采用人工合成的防渗材料。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lx1 0 。7 c m s 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保证大面积粘土层均一连续性和低渗透 性。为保证粘土层有效性，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。但是粘土存在以下缺点网： 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 ( 1 ) 易受施工条件的影响，要求级配均匀、铺垫平整、压实紧凑，否则易产生裂 缝，要实现大面积粘土层均一连续和低渗透性是极其困难； ( 2 ) 气候变化，冻融交替产生破坏； ( 3 ) 粘性土中的某些成分被渗滤液中的成分溶解从而使渗透系数剧增，并且很难 找到渗透系数小于1x1 0 。7 c m s 的大面积优质的天然枯土层。 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枯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。现在国内外普遍加入填料对天然粘土进行 人工改良，以增进其防渗效果。主要的改良填料有膨润土、石灰、粉煤灰等，主要利 用它们的膨润性、吸附性、与粘土几何外形等方面存在着互补性、促进粘土矿物发生 弥散一凝聚反应( f r e k e l 和g o e r t e n 等认为在碱性的条件下粘土矿中的铝硅酸盐可 以溶出并弥散到其他位置，然后在硬凝反应作用下而发生沉淀的不可逆的过程) 等 b 1 5 1 6 1 性质，使枯土层渗透系数降低并具有自我修复能力。 。 当粘土类衬里或改良粘土衬里不具备填埋场防渗要求时，采取自然和人工结合的 防渗技术措施。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滤液的收集和排放， 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1 0 1 ： ( 1 ) 合成橡胶系 如加硫橡胶系一乙丙橡胶( e p d m ) 、异丁橡胶( 职) ，氯璜化聚乙烯( 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。 ( 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， 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场衬层防渗土科性能的实验研究 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嘲： g c l 柔性好，能较好地适应不均匀沉降； g c l 中的膨润层遇水后厚度增大，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； 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 比士工膜具有较好的界面摩擦特性； 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。 1 2 2 渗滤液在填埋场衬层中的迁移 从填埋场防渗存在的问题不难看出，渗滤液中污染物通过衬垫层的渗漏难以避 免，特别是一在填理场不能有效的实现“防”、“排”等功能的情况下。因此，对污染 物通过衬层的迁移规律进行研究，预测污染物可能对周边环境造成的危害是十分有必 要的。这就涉及到渗滤液中污染物在填理场衬垫中的对流一扩散问题。 渗滤液中污染物在衬垫中的迁移受各种物理、化学和生物反应的影响，是一个复 杂的过程，包括对流、弥散、扩散、吸附、溶解、沉淀、水化、降解等作用，在实际 应用中常将其简化成污染物的对流一扩散问题。目前，对污染物在土中迁移机理的研 究较多见于土壤学和水力学方面，并建立了多种模拟污染物质在土中迁移的数学模 型，其中应用最广泛的是对流一弥散模型。该模型只考虑对流、弥散和扩散引起的溶 质运移，以及在此过程中伴随的溶质被吸附或分解的过程，包含阻滞因子r d ，扩散 系数d 以及渗流速度v 等参数。除粘土衬垫外，还有一些学者对土工膜、g c l 等土 工合成材料中的污染物迁移也进行了研究，这些研究仍是基于传统的污染物迁移的对 流一弥散模型展开进行的，确定了污染物在衬垫中迁移的阻滞因子、扩散系数等参数， 岳 碱厂废渣作为城市固体废物填埋场村层防渗土料性能的实验研究 即可根据对流一弥散模型对污染物在衬垫中的迁移进行模拟。在应用对流一弥散模型 时，模型中各参数的正确测定对研究结果是十分重要的【删。 渗滤液中污染物与粘土衬里的相互作用，一方面是在渗滤液的渗漏过程中，其中 的各种无机和有机的污染物质将与衬垫系统中的衬里材料( 如粘土) 发生各种物理、化 学反应等，表现为粘土对其的吸附阻滞作用，另一方面则通过粘土原有土工性质的改 变来反映。 在有关防渗层对污染物的净化性能研究中，e v a n s ( 1 9 8 9 ) 【4 ”，刘和平等( 1 9 9 7 ) 【4 2 】m o h a m e d 和y o n g ( 1 9 9 5 ) 4 3 1 ，l i 和w u ( 1 9 9 9 ) 等删着重对微量重金属元素在 粘上防渗层中的阻滞机理及影响因素进行了研究，而有关渗滤液中有机物( t o c ， b o d ，c o d ) 在防渗层中的阻滞、转化及运移研究相对较少，且各研究者得出的结 论也不相同。陈岳和张澄溥进行了渗滤液中有机物在模拟土柱中的运移实验，并结 合地下水环境容量得出了运移模型。刘长礼等( 2 0 0 0 ) 【4 6 1 则在忽略枯土中微生物的 生物净化作用基础上就单位重量粘上的截污容量随密度变化的关系进行了系统实验 研究，得出了实验粘上的截污能力与密度无关的结论。李启彬( 2 0 0 1 ) 【4 7 i 在研究传 统填埋场粘土防渗层设计时将防渗层防渗性能、净化性能以及填埋场场址区水文地质 特征、地下水环境容量有机结合进行了综合考虑，但在考虑粘土防渗层的截污能力时 只考虑了渗滤液中的无机物c l ，而对填埋场渗滤液最重要的污染特征有机污染 物并未加以考虑。 在有关渗滤液渗漏引起防渗层土工性质变化的研究中，刘和平等( 1 9 9 7 ) t 4 s j 研究了 铅和镉在粘土衬层中的渗透、迁移和转化，发现离子对溶液通过粘土层的渗透系数有 一定影响，含有离子的混合溶液渗透系数都比纯水时的渗透系数低。任欣等( 1 9 9 4 ) 4 9 1 则指出含大量电解质( 带电离子) 的渗滤液，将破坏填埋场粘土衬层的结构，形成裂隙， 降低或损害其防渗性能。b o w d e r s 和d a n i e l ( 1 9 8 7 ) f 5 0 l ，h e t t i a r a t c h i 等( 1 9 8 8 ) 5 1 1 a c a r 和h a i d e r ( 1 9 9 0 ) 1 5 2 ，g i e s e 等( 1 9 9 1 ) 5 3 】，f e r n a n d e z 和q u i g l e ( 1 9 9 9 ) 【州， l o 等( 1 9 9 7 ) 1 5 5 就渗滤液中的化学物质对防渗层渗透性的影响进行了实验研究，结 果表明在一般城市固体废物m s w 填埋场渗滤液中，化学物质浓度较低时对粘土防渗 层防渗稳定性没有实质性影响。此外，还有许多研究表明，c a 2 + 的存在将对枯土的 强度、渗透性产生明显影响。填埋场的渗滤液中常常含有多种高浓度的污染物质，由 此存在这样的问题：衬里材料在渗滤液的长期作用下，是否能继续满足规范要求? 特 碱厂废渣作为城市周体废物填埋场衬层防渗土料性能的实验研究 别是能否保证衬垫防渗性能的渗透系数，以及衬垫的稳定性问题等。这对于填埋场衬 垫实现其“堵”的功能是十分重要的。 1 2 3 土工参数对防渗层防渗性能影响的研究 防渗层担负着填埋场渗滤液与地下水之间的屏障作用，其性能好坏将直接关系到 填埋场地下水体能否免受污染，各国在制定有关防渗层严格的技术标准的同时也进行 了大量的研究工作。 在有关粘土防渗层的研究中，最深入最完善的应是有关土工参数对防渗层防渗性 能的影响的研究。m i t c h e l l 等( 1 9 6 5 ) 1 7 1 ，g a r c i a - - b e n g o c h e a 等( 1 9 7 9 ) ，e l s b u r y 等( 1 9 8 9 ) 1 9 1 ，d a n i e l 和b e n s o n ( 1 9 9 0 ) 【铡，m u r r a y 和r i x 等( 1 9 9 2 ) 【2 l l ，s h e l l e y 和d a n i e l ( 1 9 9 3 ) 1 2 2 1 ，b e n s o n 和d a n i e l ( 1 9 9 4 ) 1 2 3 ，c l a r k 和d a v i e s ( 1 9 9 7 ) i 矧， l a n g d o n 等( 1 9 9 7 ) 2 5 1 和b e n s o n 等( 1 9 9 4 ) f 冽通过大量研究工作取得了土料组成特 征( 粘粒含量、塑性指数、砾石含量) 、压实含水量、压实干密度、饱和度、防渗层 最小厚度、单层厚度、土块大小、层间接合、碾压方式与碾压次数等土工参数对防渗 层渗透性的影响程度以及有关设计、施工要领。这些研究表明，大量的枯土均能满足 压实后渗透系数l 1 0 7 c m s 的要求，但最重要的是必须首先确保在比最优含水量 更湿的基础上压实防渗层，其次才是压实比和土料有关指数( 液限、塑性指数) ，另 外防渗层越厚也有利于降低其渗透性。 衬层系统的主要设计要求是使污染物在土壤中的迁移程度达到最小，低膨胀收缩 率和具有足够的抗剪强度。为了达到上述要求对于土料首先应该在实验室中进行土料 击实