（环境工程专业论文）卫生垃圾填埋场中膨砂复合土渗透特性研究.pdf

卫生垃圾填埋场中膨一砂复合土渗透特性研究 摘要 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，年增长率为8 1 0 ，基本与g d p 增长同步。众多的城市生活垃圾不仅占用了人类生产、生活的宝贵空 间，而且污染着人们赖以生存的土壤、水、大气等环境，渗滤液会污 染地下水或附近的民用水源，排出的有害气体污染了大气环境，更令 人担忧的是，垃圾堆是一个孽生蚊蝇、招引昆虫和传播有害疾病的巨 大污染源，直接威胁着城市居民的健康安全。如何高效、安全的处理 城市生活垃圾已成为城市发展过程中急需解决的主要环境问题之一。 在日本，对于市政固体垃圾有一整套完善的处理方法。市政固体 垃圾通过分类分时丢弃，可用资源回收循环利用。不能再二次循环利 用的固体废弃物投放到垃圾焚烧厂，进行焚烧减容减量，烧却后的灰 渣再投入到垃圾填埋场卫生进行填埋。卫生填埋场防渗需设置低渗透 率的粘土层，日本粘土资源匮乏。如何在填埋场当地现有土质材料的 基础上，建筑满足标准要求的填埋场防渗系统，成为了研究热点之一。 本文主要研究利用膨润土作为卫生填埋场本地砂土的添加剂，提 高和改善防渗能力，代替压实粘土层，寻找建筑卫生填埋场防渗层的 经济实用材料。首先通过对正在施工使用的宇都宫市板户町垃圾填埋 场底层防渗系统调查，对其使用的填埋场本地砂土中添加膨润土混合 而成的复合土进行土质性质研究。通过实验，确定砂土的基本土质特 性，并按不同添加率的压实膨一砂复合土的进行渗透实验，确定最佳 膨润土添加率。配制不同浓度的钙溶液和实际垃圾渗滤液对最佳膨润 土添加率的压实复合土进行渗透率影响实验。实验结果表明：砂土添 加膨润土的复合土压实后的渗透性能得到极大提高，当添加1 0 的膨 润土，压实复合土能够满足卫生填埋场粘土防渗层要求。钙溶液和垃 圾渗滤液的渗透降低了压实复合土防渗性能，但压实复合土仍能确保 低渗透性能。由于复合土特别是膨润土的吸附能力，对渗滤液中的污 染物质的衰减能力效果良好。膨一砂复合土代替低渗透率的粘土作为 卫生填埋场的防渗层可行。 关键词：膨润土，卫生垃圾填埋场，渗透系数，膨一砂复合土 r e s e a r c ho nb e n t o n i t e s o i lm i x t u r e 7 s p e r m e a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c si ns a n i t a r yl a n d f i l a b s t r a c t w i t hu f b a i lc o n s t n l c t i o na n de c o n o 血cd e v e l o p m e n t ，t h el e v e lo f u r b a n i z a t i o ni nc m n ai n c r e a s e dr a p i d l y ，m s wi ss h a 印i n c r e a s i n gw i t h t h e 锄u a lg r o w t hr a t eo f8 t 01 0 ，w t l i c ht h es a m eg r o w t ho fg d p m a n ym s wp r o d u c t i o nn o t0 1 1 l yt a k eu pv a l u a b l es p a c ei nh u m a nl i f e ， b u ta l s oc o n t a n l i n a t e dt h es o i l ，w a t e r ，a i ra n do t l l e re 1 1 v i r o n m e n t a lw h i c h m r e a tp e o p l e ss u i v a l ，l e a c h a t ew i np o l l u t et h eg r o u n d w a t e ra n dn e a r b y w a t e r s o u r c e s ， l a u l d f i l l se m i th 釉f u l g a s e s p o l l u t e da t m o s p h e r i c e n v i r o r u n e n t h o wt oc o n s t r u c ts a f ed i s p o s a lo ：fm u n i c i p a ls o l i dw a s t eh a s b e c o m eo n eo ft h em a i ne n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nt h eu r b a u l d e v e l o p m e n tp r o c e s st or e s o l v e i nj 印a n ，t h e r ei sas e to fc o i n p r e h e n s i v e 印p r o a c ht od e uw i t hm s w m u n i c i p a ls o l i dw a s t ed i s c a r d e db yt i m e - a n d - u s ec l a s s i f i c a t i o n ，a v a i l a b l e r e s o u r c e sr e c o v e 巧a n du t i l i z a t i o na g a i n 。t h em u n i c i p a lw a s t ew h i c hc a n n o tb er e u s e dc o l l e c t e di su s u a l l yi n c i n e r a t e dt od e c r e a s ei t sv o l u m e t h e a s hg e n e r a t e di ni n c i n e r a t o ri sd i s p o s e di n t ot h ec o n t r o l l e dt y p ew a s t e l a n d f i l l l o wp e n n e a t i o no fc o m p a c t i o ns o i ll i n e ri su s e di ns a n i t a w l a n d f i u t h er e s e 羽c hf o c u s e so nm a b n gl o c a ls o i la y a i l a b l ei nl a n d f i u c o n s t m c t i o na n di ns a i n et i m em e e t i n gt h es t a n d a r d s t l l i sp a p e rs t u d i e su s i j 坞b e n t o n i t e 舔a d d i t i v eo fs a l l i t a r yl 趾d f i l l l o c a ls a n dt oe n h a n c ea n di n l p r o v et h ea b i l i t yo fi n l p e r v i o u s n e s st o r 印1 a c ec o m p a c t e dc l a yl ，e r ，l o o l ( i n gf o rc o n s t m c t i o ns a n i t a 叫l a n d f i n i i n p e 衄e a b l e1 a y 贫o fe c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lm a t 丽a 1 t h e 丘r s t l y s u r v e y e d a n ds m d i e dt h eb o 们m i m p e 皿e a b l es y s t e m u s e di n u t s u n o m i y ac i t yl a n d 6 1 1 t h r o u 曲e x p 甜m e n t st od e t e m i n et h eb a s i c c h a m c t 嘶s t i c so fs a n d ，a 1 1 du s i n gc o m p a c t e dd i 蝴a d d i t i o nr a t eo f b e n t o n i t e - s a i l dm i x t u r et 址汜t op e n e t r a t i o nt e s t s ，t h e nd e t e n n i n e dt h e o p t i m u mr a t eo fa d d i t i o no fb e n t o n i t e ，u s i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no f c 雒c i u ms o l u t i o na n dt h ea c t u a l l a n d 矗nl e a c h a t eo np e n e t i a t i o nt e s to ft h e c o m p a c t e db e n t o n i t e - s a n d 血x t u r e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ： c o m p a c t e dt h es a n da d d e db e n t o l l i t ec o m p o s i t es a l l dg r e a t l yi m p r o v e i m p e r v i o u sp e r f o n n a n c ew h e na d d e dlop e r c e n to fb e n t o n i t e ，c o m p a c t e d c o m p a c t i o n s o i lc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fs a n i t a r yl a n d f i l l i m p e m e a b l ec l a yl a y e r l e a c h a t e 龇l dc a l c i u ms o l u t i o nc a nr e d u c e s i m p e r v i o u sp e 订o 彻彻【c eo fc o n l p a c t e dc o m p o s i t es a n d ，b u ts t i l l e n s u r e t h el o wp e m e a b i l i t yp r o p e r t i e s c o m p o s i t es a n d ，e s p e c i a l l yb e c a u s et h e a d s o 叩t i o nc a p a c i t y o fb e n t o n i t e ， l e a dt h el e a c h a t ec o n t a m i n a t e d m a t e r i a l sa t t e n u a t i o nc 印a b i l i t yw e l l i ti sf e a s i b l et h a tr 印l a c i n gs o i l l i n e w i t hb e n t o n i t e - s a n dm i x t u r ea sl o w h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yo ft h e s a n i t a r yl a n d f i ni m p e n n e a b l el a y e r w o i m s ： b e n t o n i t e ，s a n i t a 巧l a n 瓶l l ，h y d r a u l i cc o n d u c t i v i 吼 b e n t o n i t e s a n dm i x m r e 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：杠乡孑 日期：z 幻孑年月，厂日 东华大学学位论文版权使用授权书 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，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华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，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名： 如专孚 1 口。| 、i r 指导教师签名： 参忡f 钐 夕们f 2 汐 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 城市生活垃圾及其处理方法 1 1 1 城市生活垃圾现状 城市生活垃圾，也称城市固体废弃物( m u n i c i p a ls 0 1 i dw a s t e ，简称m s w ) ， 是指在城市日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产出的固体废物。 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。据资料统计，全国1 9 9 0 年城市生活垃圾产量为6 7 6 6 。8 万吨，至2 0 0 2 年城市生活垃圾清运量增加到1 4 亿吨左右，年增长率为8 1 0 9 6 ， 基本与g d p 增长同步。随着城市化的进程，我国城市生活垃圾的产生量还将进 一步增加。如何高效、安全的处理城市生活垃圾已成为城市发展过程中急需解决 的主要环境问题之一。 我国的城市生活垃圾处理起步较晚，目前尚处于发展阶段，无害化水平很低， 据统计，1 9 9 2 年、1 9 9 3 年和1 9 9 4 年，我国清运垃圾的总量分别为1 1 2 0 5 万吨、1 2 7 6 1 万吨和1 3 0 0 7 万吨乜3 4 1 。然而垃圾处理率不足垃圾总量的三分之一，而真正实现 无害化处理的垃圾只占年产量的6 ，其它大量的城市生活垃圾未经处理，便被运 往郊区采用露天堆放或简易填埋，既占用浪费宝贵的土地资源，又污染地表水和 地下水。据估计，我国城镇周围已积累了城市生活垃圾十几亿吨，并且以每年一 亿多吨的速度增长，目前我国有1 3 的城市面临着被垃圾包围的现象。数量如此 众多的城市生活垃圾不仅占用了人类生产、生活的宝贵空间，而且污染着人们赖 以生存的土壤、水、大气等环境，渗滤液会污染地下水或附近的民用水源，排出 的有害气体污染了大气环境，更令人担忧的是，垃圾堆是一个孽生蚊蝇、招引昆 虫和传播有害疾病的巨大污染源，直接威胁着城市居民的健康安全。 1 1 2 城市生活垃圾处理方法 生活垃圾的处理主要有三种方法：填埋法、焚烧法和堆肥法。目前我国城市 东华大学硕士学位论文 生活垃圾处理的对策是：在具备卫生填埋场地资源和自然条件适宜的城市，以卫 生填埋作为垃圾处理的基本方案；在具备经济条件、垃圾热值条件和缺乏卫生填 埋场地资源的城市，可发展焚烧处理技术：积极发展适宜的生物处理技术，鼓励 采用综合处理方式啼】。 填埋法是垃圾处理必不可少的最终处理手段，也是现阶段我国垃圾处理的主 要方式。从八十年代后期开始，我国一些大中城市相继建立了城市生活垃圾填埋 场，这些填埋场与最初的堆置场相比有了很大的改进，在设计中针对渗滤液和填 埋气体的污染采取了相应的控制措施，如压实粘土衬垫，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。在这些实践的 基础上，借鉴国外发达国家的经验，更多的城市，正在精心设计或建造具有更高 标准的城市生活垃圾填埋场，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量大、适应性强、一次性处理、没有残余物、管理方便 且运行费用合理，加之我国大多数城市未实行垃圾分类投放制度，城市生活垃圾 成分混杂，因此卫生填埋法己成为我国城市生活垃圾处理的主要手段。但是它也 有缺点，即对选址的要求往往较高，一般很难找到各方面条件都满足的场址。同 时也存在着诸多环境问题，填埋过程中产生的诸如填埋气体和渗滤液等二次污染 物，如不妥善处理，会对周围的水、大气和土壤造成严重污染，并对附近地区的 公众健康构成威胁。如何采取有效措施防治城市生活垃圾填埋的二次污染，减少 填埋场对周边环境的影响，促进人口、资源、环境和社会的和谐发展，是我们当 前面临的一个重要课题。 堆肥法阳1 是一种比较古老的生活垃圾处理方法，是在控制生活垃圾的湿度、 含水量、通风量等工艺条件下，使垃圾中的有机质在微生物的作用下进行生物化 学反应，最后形成具有良好稳定性的腐殖土状的有机肥料或土壤改良剂。垃圾堆 肥适用于可生物降解的有机物含量大于4 0 的垃圾。堆肥法包括好氧发酵和厌氧 发酵两种方式，现代堆肥工艺常采用的是好氧发酵工艺，发酵温度6 0 7 0 ，可 以消灭大部分病菌微生物，对有机物的分解较彻底，周期较短。但是，机械化堆 肥处理量小，且我国的城市生活垃圾由于成分复杂，无机物含量较高，其堆肥效 果很低，需要添加氮、磷、钾等营养物质，因此该技术没有广泛推广。目前提出 采用生物堆肥法来处理城市生活垃圾，通过在城市生活垃圾中添加各种生物活性 2 东华大学硕士学位论文 菌，利用活性菌的特殊功能对生活垃圾进行转化，具有很好的处理效果，已受到 农业部的高度重视。 焚烧法是城市生活垃圾中的可燃成分在高温( 8 0 0 1 0 0 0 ) 条件下经过燃 烧反应，使可燃成分充分氧化，最终成为无害、稳定的灰渣，同时利用焚烧产生 的热量进行发电或发热。焚烧要求进炉垃圾平均低位热值高于5 0 0 0 k j k g ，适用 于卫生填埋场地缺乏和经济发达的地区。焚烧法一般可使生活垃圾减量9 0 9 6 ，大 大减少占地面积，并能回收热能用于生活取暖和发电，在减量化和资源化方面具 有独特优势口1 。日本己经将生活垃圾焚烧制能作为开发新能源的一种途径。据不 完全统计，目前世界上约有4 0 0 0 座现代化的垃圾焚烧炉在运行。但由于焚烧法投 资大、管理复杂、处理费用高，易产生有害气体以及国产设备良莠不齐等制约条 件，尤其是焚烧法要求的垃圾热值远高于我国城市生活垃圾的热值，而且生活垃 圾焚烧产生的焚烧灰仍需填埋处理，因此该技术在国内一直没能大范围推广应 用。但是，随着我国经济的增长和焚烧技术的提高，以及城市生活垃圾分类回收 和分检制度的完善，焚烧法也将成为我国城市生活垃圾资源化处理的主要方法之 一6 1 2 垃圾填埋概况 垃圾填埋场作为固体废物最终处理的一种方法很早以前就开始实行。据最 早的记载，在盛兴于公元前3 0 0 0 1 0 0 0 年前的克里特文明时期，人们定期地把固 体废物收集起来掩埋在土坑里，并用泥土覆盖随1 。 填埋场的基本填埋方法至今为止没有本质性的变化，典型的垃圾填埋场的 结构见图卜l 。 东华大学硕士学位论文 图1 1 垃圾填埋场的一般构造 填埋场的填埋存在和产生一系列的问题，当这些问题达到一定水平并不为 人们的生活所接受时，新的措施和技术就会被采纳和实施。初期的垃圾填埋场是 垃圾随意开放堆放，其散发大量有害气体，滋生蚊蝇老鼠，传播疾病，引发了大 量环境和卫生问题。直到2 0 个世纪3 0 年代，在位于美国加利福尼亚的弗雷斯诺首 次提出了分块一覆盖操作的卫生填埋“s a n i t a r y1 a n d f i l l ”概念1 ，要求填埋作 业满足三个条件：每日覆土掩盖：无露天堆放焚烧固体废弃物；作业现场不污染 体表水和地下水。 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。 垃圾填埋场一旦渗滤液泄漏，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。 1 3 卫生填埋场防渗系统 一般来说，卫生填埋场防渗系统的主要功能是排放控制，也就是尽可能的减 少渗滤液和气体对周围环境的影响。气体可以通过适当的防护装置得到较好的控 制，但渗滤液带来的问题相对于气体来说严重得多。渗滤液主要来源于降水，地 表径流，地下水和垃圾含水，通过渗滤液这种介质，有毒有害物质可以迁移到环 境中，从而污染地下水和土壤。为了防止渗滤液毫无节制地向环境中渗漏，必须 4 东华大学硕士学位论文 建造衬里，并对渗滤液进行收集和处理。 初期，卫生填埋场的设计非常简单。通常卫生填埋场只有一层粘土衬里和一 层排泄层。美国在1 9 8 2 年以前，大部分卫生填埋场只有一层粘土衬里，其上铺有 一层埋有管道的砂砾层，用于渗滤液的收集和处理。这种结构并不足以保护地下 水，美国环保局估计现存的卫生填埋场己经有7 0 污染了地下水n 0 i 。 现在卫生填埋场的建造日趋复杂。防渗系统一般包含三个部分：顶部盖层， 侧部防渗层和底部防渗层。顶部盖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水的流入并对渗滤液进行排泄：底部防渗层用于防止 渗滤液渗透，为固体废物提供支撑，并通过过滤，排泄和收集系统防止渗滤液在 卫生填埋场中的积累。 虽然衬里本身有其优缺点，但从长远来看，没有一种衬里是百分之百有效的， 因此尽管建造了防渗系统，一个卫生填埋场也不能说是绝对安全的。所以必须将 卫生填埋场作为一个体系，将选址，防护层的建造和监测体系结合起来，这样才 能最大限度的控制固体废物对环境的影响。 在建造防护层体系中，可采用天然或人工材料，这些材料既可单独用于防渗 又可作为防渗系统组合中的一部分。常用的人工材料及天然材料如下： ( 一) 人工材料 最近几年，越来越多地使用合成材料来提高防渗层的性能，天然防渗层的工 程量较大，人工材料具有工程量小、技术指标高、可靠安全等特点。这些材料包 括土工膜( g e o m e m b r a n e ) ，土工布( g e o t e x t i l e ) ，土工网( g e o g r i d e ) ， 土 工织物膨润土垫g c l 等。它们具有一个填埋场单元的防渗系统所需要的许多功能， 比如：作为衬里、隔离不同物质、排泄作用、过滤作用和加固作用。 人工衬底材料成为国内外研究的热点，其中渗透系数低、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 ) 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 ) 、 5 东华大学硕士学位论文 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，湿润后透 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 也会因膨润土的膨胀迁移而自动愈合。 ( 二) 天然材料 粘性土( c l a ys o il ) 是最常用的天然衬里材料。影响粘土衬里性质的主要因 素有：渗透系数，压实程度，水分含量，粘土组成，场地铺设技术和衬里厚度等。 优质的粘土渗透系数可以达到1 0 c m s 以下，如果其厚度达到要求是经济的衬底 材料。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n ： ( 1 ) 难找到渗透系数小于1 0 c i n s 的大面积天然粘土层； ( 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。 膨润土也是较常用的材料之一。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附污染物的能力。 细砂土被广泛的用于保护人上衬里和增加过滤层的稳定性。 砾石是过滤层和排泄层的主要材料，底部砾石层的有效性取决于空隙度，砾 石的形状和强度，岩性，过滤层的稳定性，排泄层的厚度以及系统整体的工程质 量。 6 东华大学硕士学位论文 1 4 各国防渗层标准 根据填埋场防渗设施( 或材料) 铺设方向的不同，可将填埋场防渗分为垂直 防渗和水平防渗，水平防渗是指防渗层水平方向布置，防止垃圾渗滤液向下渗透 污染地下水；垂直防渗是指防渗层竖向布置，防止垃圾渗滤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n 幻。根据所用防渗材料的来源不同又可将水平防渗进一 步分为自然防渗和人工防渗两种，见图卜2 。 图卜2 防渗系统结构图 根据德国垃圾处理技术指南的要求，从1 9 9 9 年6 月1 日起，所有新建、扩建的 生活垃圾填埋场都应铺设基底、终场防渗系统。并对基底防渗系统做出了具体的 规定n 引：防渗层由柔性膜和粘土层构成，柔性膜采用有许可的、厚度不小于2 5 咖 的h d p e 膜；粘土层厚度为5 0 7 5 c m ，分三层施工，渗透系数不大于5 1 0 。7 c m s 。 其结构如图卜3 所示。 7 东华大学硕士学位论文 e ：三三= 蔫 | | | | |鬟 鏊浚垂蠹囊照臻i l l 垂篱：番崮禹| | i | | 蠡蠹瘩| | | | | 蠹| | | | | | | | | 荔 d l 面n a g el a y 贸 p e 响例【e dd r a i n a g e p i p e m i l l e m ls e a i i i l gl a y 盯 l 锄d 舢f 0 j 1 i l a t i o nl e v e l l 锄娟l lb e a r i n gs u 击 图1 3 德国填埋场防渗系统 美国各州对垃圾卫生填埋场防渗的要求不尽相同，一般都略低于或与安全填 埋场相同。安全填埋场的防渗结构由上下两层中间夹下排水系统构成，具体要求 是n 钔：上防渗层由1 5 或2 o 咖厚的两层h d p e 膜中间夹1 0 0 咖厚的膨润土组成；下 防渗层由1 5 或2 。0 姗厚的h d p e 膜和矿物层组成，矿物层厚度不小于0 9 m ，分六层 压实，渗透系数不大于1 0 啼c m s 。 k 嘉墨二纛蠡；囊；爨；墓嘉囊纛耋墓薹鑫磊潮 图1 4 美国填埋场防渗系统 表卜1 为各国防渗层官方标准要求： ( 跏u l 孑o rg e o s y n t h d i c 出a n 訇ei a y e r ；e a n 鼬r 笥侍：1 0m mt c i s 惝a w 憎m n o d n 氍t e da 缈l r 料 ( o c l ) o re c “v d e r tg d s i j b 旷甜e 东华大学硕士学位论文 表卜1 各国垃圾填埋场防渗层构造n 5 1 国家复合土厚度c m透水系数( c m s )防渗层构造 澳大利亚 6 01 1 0 - 7 土工膜+ 粘土 比利时1 0 01 1 0 - 7土工膜+ 粘土 法国5 0 0l 1 0 - 5土工膜+ 粘土 德国 7 5l 1 0 。8 土工膜+ 粘土 匈牙利 5 01 1 0 - 7 土工膜+ 粘土 意大利 l o o1 1 0 - 7 土工膜+ 粘土 英国 1 0 0 l 1 0 _ 7 土工膜+ 粘土 美国 5 01 1 0 _ 7 2 层土工膜+ 粘土 葡萄牙 5 0l 1 0 _ 7 土工膜+ 粘土 瑞典 8 0l 1 0 - 7 土工膜+ 粘土 在日本，城市生活垃圾收集起来，绝大部分通过垃圾焚烧减容减量。垃圾焚 烧后的灰渣再在卫生填埋场填埋，图卜5 为日本垃圾填埋场简单示意图。 图卜5 日本垃圾填埋场简单示意图 根据厚生劳动省在1 9 9 8 年颁布垃圾填埋场防渗标准：当填埋场底层具有渗透 系数小于1 1 0 一c m s 的粘土层5 m 以上，可以不设置人工防渗衬垫；如果满足不了 以上条件，必须设置以下衬垫结构： 9 励 东华大学硕士学位论文 鋈錾l 耩藕鬻薹薰 燕饔i 黝融黼i 酬畦疆季 兰彗譬譬警譬譬譬譬警鎏譬譬警p r o t e c t i v em a i ( a ) b a rr i e rs 1 1 e e 【 | | | | | | i | | 蓬 | | | | | | | | | | | | | | | | | | i ；| | | | | 毫i 囊舞穗瞅鳅i 淹鳓匪萎蔓 量曩：! ；j ! ：杰! 舞置：曩杰：曩主曩皇曩是i ； 二：二：= i 二= 二二二= i 二：二：二：二：二p r o 【e c t i v em a t 霎爹_ ；誊 j j ：磊茹亨j 鼍蓁 艇二。蒸；i ；意鬈；乏童菇鬟 b a r r j e rs 1 吟e t ( c ) 图卜6 日本垃圾填埋场衬垫结构标准 粘土+ 土工膜( 图卜6 ( a ) ) 粘土层厚度不低于5 0 c m ，且渗透系数须小于1 1 0 吨c m s ； 土工膜厚度不低于1 5 舳； 保护垫和保护覆土须铺设在土工膜之上，且厚度须大于5 0 c m 。 l o 东华大学硕士学位论文 沥青混凝土+ 土工膜( 图卜6 ( b ) ) 沥青混凝土层厚度不低于5 c m ，且渗透系数须小于l 1 0 。7 c m s ； 土工膜厚度不低于1 5 砌； 保护垫和保护覆土须铺设在土工膜之上，且厚度须大于5 0 c m 。 双层土工膜( 图卜6 ( c ) ) 土工膜厚度不低于1 5 咖； 中间须设置保护垫； 保护垫和保护覆土须铺设在土工膜之上，且厚度须大于5 0 c m ； 土工膜下面也应设置保护垫。 位于日本东京青梅的日出垃圾填埋场代表了日本垃圾场建设的科技水平n 6 1 ， 防渗系统采用了2 层t p 0 土工膜，1 层g c l ，最下面是1 层5 0 c m 厚的掺有膨润土的复 合土，严格意义上来说等于是4 道抗渗。最上面一层t p o 破损造成渗漏的情况下， 中间层g c l 中的膨润土遇到渗滤水立即膨胀止水，阻止渗滤液渗入地下水系统。 g c l 这个产品由于是2 层无纺布中间夹了干燥的膨润土，在施工过程中特别是在 边坡上铺设，很容易造成膨润土分布不均匀，从而影响防渗效果，所以在g c l 的下面又设置了一层t p o 和掺膨润土的复合土，真正做到了万无一失。 中华人民共和国国家标准生活垃圾填埋污染控制标准n 刀( g b l 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 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n 羽( g j j l 7 2 0 0 1 ) 规定：天然 粘土衬层渗透系数小于1 0 c m s ，厚度要求达到2 m 以上；人工衬层渗透系数小于 l o q 2 c m s ，厚度不得小于1 5 咖。 发展中国家在设计填埋场的衬垫系统方面仍处于起步阶段。作为发展中国 家，是否应该采取和适应严格的填埋规章和环保法规引起了广泛争论。有人认为 为了等待建设一批具有与发达国家相同标准的垃圾填埋场，而不是利用本国本地 东华大学硕士学位论文 可利用的资源和材料所花费的时间里，将产生更多环境污染问题n 啦。有报告指出， 利用本地的建筑材料建设的垃圾填埋场能够达到可以接受的性能，并且是一个经 济可行的方法踟。然后，本国没有完善的环保法律法规建设技术标准，对别国现 行的法律法规技术标准等借鉴须持谨慎态度妇u 。本国必须从国情出发，依据本国 特有的环境条件和特殊国情，选择适宜的填埋场设计。 1 5 垃圾填埋场防渗层研究现状 国内外垃圾填埋场防渗层的研究和开发主要集中在新材料的开发应用，在原 有天然防渗层的基础上作出改进，对原有材料进行改性等等。 1 添加粉煤灰对粘土进行改性。d i g i o i a ，g h o s h 矧，何俊宝这方面进行 了研究。何俊宝( 1 9 9 8 ) 利用天津市及其郊区广泛存在的某些廉价材料( 主要是粉 煤灰和粉质粘土) 进行复合防渗技术试验研究。试验研究表明：当复合土容重为 1 8 9 c m 3 ，粉煤灰在复合土中的最佳配比为2 5 ，含水量控制范围是1 5 2 5 时， 复合土的渗透系数达到1 0 m s 数量级，基本符合部颁标准要求，该项复合防渗技 术既可节省大量的优质粘土，又可消纳相当数量的工业废渣，并且降低了工程建 设费用，因而具有明显的经济效益和环境保护效益。 2 在粘土衬里中添加石灰，以改进粘土衬里性能也是最近研究的一个方向。 b e l l 瞵1 用最常见的粘土矿物：高岭石、蒙脱石、石英进行了测试并说明通过添加 石灰提高粘土衬里的稳定性和工程性质这一作用。测试结果表明这种粘土矿物与 石灰的混合物性质取决粘土的性质。塑限增加的顺序是：蒙脱石与石灰的混合物、 高岭石与石灰的混合物，石英与石灰的混合物几乎没有变化( 塑限指的是土从半 固体状态转变为塑性状态时的含水量，这时土中的强结合水达到最大汹1 。塑限是 工程上土质分类的指标，从砂土至粉土、粘土、有机质粘土塑限逐渐增加1 ，透 系数也逐渐降低) ，但石英与石灰混合物的强度有明显的增加，b e l l 得出最佳的 强度增量是添加4 6 的石灰，另外强度的增加受含水量、反应时间、温度的影 响。在国内，史锦华嘲1 对底部防渗层中粘性土衬里( 粉质粘性土+ 膨润土) 和改性 的粘性土衬里( 粉质粘性土+ 膨润土+ 石灰) 两种防渗材料进行对比研究，结果发现 用石灰改性的粘性土衬里可以作为一种防渗性能良好的衬里，其防渗性能优于天 1 2 东华大学硕士学位论文 然的粘性土衬里。并且天然粘性土衬里对c o d 的平均衰减百分比为3 6 ，而改性的 粘性土衬里对c 叻的平均衰减百分比为4 5 。 3 采用有机处理的粘土也能使衬里有效的去除有机污染物并控制渗滤液的 渗透。i r e n e 啪1 提出这种观点，并进行了一系列的实验。实验表明这种经过季胺 ( q u a t e r n a r ya 咖o n i u ) 处理的有机粘土的液限为6 1 ，塑性指数为2 0 ( 一般液 限为2 0 ，塑性指数大于7 的土壤适合于衬里的建造( b e n s o n 等) ，并且这种 粘土对酚有很强的吸附性能。这种有机粘土在有效压力为7 0 k g m 3 下的渗透系数 为7 1 0 q c m s ( 自来水) 、1 6 l 呐c m s ( 渗滤液) 、1 1 l o 。7 c m s ( 合成渗滤液) ， 所有这些都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 硼e s 和p e t e r m l 也报道了有机处理的膨润土具有l o 嘈c m s 数量级的水力传导系数 和比常规衬里大的多的苯吸附容量。l a u r a 嘲1 也提出了一种新型的c r c 粘土 ( c o n t 硼i n a n tr e s i s t a n tc l a y ) 即能抵抗污染质的破坏，也可以解决污染质对 膨润土衬里的破坏问题。通过一系列的测试，如美国石油局( a p i ) 液体损失实验， 固定渗透层水力传导实验和一种新型的顶部荷载滤压测试，对这种新型的c r c 粘 土的有效性进行了评估。这一系列的综合测试表明在g c l s ( g e o s y n t h e t i cc l a y l i n e r s ) 地质合成粘土衬里中使用的膨润土易受某些污染质的影响，性能下降， 而这种新型的c r c 粘土对污染质有抵抗作用，能在与污染质接触的情况下，保持 良好的性能。 4 j e a nf r a n k 和w a g n e r ，提出了一个新概念基底矿物的衬里。这种双层 矿物基底衬里山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 ( a c t i v e1 a y e r ) ，其目的是从渗滤液中尽可能多的去除污染质，这层主要山富含 绿松石和方解石的天然粘土组成，这种材料具有很大的比表面积，容易发生吸附 作用且吸附容量非常大。下部是“惰性 层( i n a c t i v el a y e r ) ，将渗滤液尽可能 的阻滞在填埋场内，一般山空隙极小的矿物组成，如天然高岭石粘土或用高岭石 提纯的粘土。常规防渗材料( 如粘土或聚乙烯类) 虽然渗透系数达到要求，但它们 容易受有机和无机污染质影响，使其防渗性能减弱。与这些材料不同，双层矿物 基底衬里一方面能确保尽可能多的去除有害物质，另一方面又能确保对渗滤液长 期的稳定的低渗透性。 东华大学硕士学位论文 1 6 课题目的和意义 通过交流项目，本人在日本获得此课题，并在日本全部完成课题实验研究。 在自然资源极其匮乏的日本，城市固体废物有一套相当完善、成熟的循环回收机 制。在垃圾源头就采取分类分时废弃，规定普通民众在不同时间把垃圾按照瓶、 罐、纸类、粗大垃圾等分类废弃，使得资源回收循环利用来得现实可行。不能再 二次循环利用的固体废弃物投放到垃圾焚烧厂，进行焚烧减容减量，烧却后的灰 渣再投入到垃圾填埋场卫生进行填埋。 垃圾填埋场最底层的防渗层使用粘土层，由于日本粘土资源缺乏，如何在填 埋场当地现有土质材料的基础上，建筑满足标准要求的填埋场防渗系统，成为了 研究热点之一。 本课题是通过对正在施工使用的宇都宫市板户町垃圾填埋场底层防渗系统 调查，对其使用的填埋场本地砂土中添加膨润土混合而成的复合土进行土质性质 研究。通过在实验室条件下，对压实膨一砂复合土的进行渗透实验，获得膨润土 的最佳添加比例，再者通过使用不同渗透液渗透实验，获知压实膨一砂复合土的 渗透特性。 1 4 东华大学硕士学位论文 2 - 1 膨润土概况 第二章渗透机理以及膨润土的应用 1 9 4 5 年，美国学者亨德里克斯利用x 射线衍射分析研究了膨润土的矿物组 成，认为蒙脱石是组成膨润土的主要矿物。1 9 7 2 年，a i p e a 会议上将膨润土定义 为“以蒙脱石类矿物为只要组分的岩石 。之后，众多研究证明，膨润土的主要 矿物成分是二八面体的蒙脱石一贝得石系列矿物。因此，蒙脱石的特性决定了膨 润土的基本性质汹1 。 膨润土的主要矿物组成为蒙脱石，其次有少量的碎屑矿物长石、石英和碳酸 盐等。造成膨润土的各项物理化学性质主要是由蒙脱石的层状结构以及元素在结 构中的类型和分布决定。因此膨润土中蒙脱石的含量越高，其质量也越好。 我国膨润土的发展现状：我国膨润土的储量仅次于美国，居世界第二位，现 开采量为2 0 0 万吨，主要集中在东北和东部沿海各省。我国已经发现的大小矿床 和矿点4 0 0 多处，探明的储量2 3 3 亿吨，预计资源量在7 5 亿吨以上。 但是国膨润土开发利用的程度很低，累计开采量不足已探明储量的1 。在 国际市场上是一种“低出高进 的局面，即出口低级产品( 原矿、铸造用、钻井 用、低档活性白土等) ，进口高级产品( 洗衣粉柔顺剂、高档有机土、膨润土防 水毯等) 。据不完全统计，中国目前膨润土产品年产销量约2 7 0 万吨，其中用于 铸造型砂1 0 0 1 1 0 万吨，用于钻井泥浆7 0 吨，用于冶金球团4 5 万吨，用于油 脂脱色( 活性白土) 2 0 万吨，用于其他2 0 3 0 万吨。行业特点是企业规模小( 年 产万吨以上的企业屈指可数) 、技术水平低、由于是资源型行业而竞争不是很剧 烈、产销量与价格均逐年上升。 2 2 蒙脱石的晶体结构 蒙脱石晶体结构为单斜晶系，a o ：0 5 1 7 n m ，b 。= 0 8 9 4 n m ，c o _ 1 5 2 舳，b = 9 0 。； z = 2 。 蒙脱石的晶体结构是由两层硅氧四面体片中间夹一层铝( 镁) 氧八面体片构 成的2 ：1 型层状硅酸盐。硅氧四面体片是由硅氧四面体共角顶连接形成位于同 东华大学硕士学位论文 一平面的近似流放网状的硅氧片，如图2 1 所示。铝( 镁) 氧八面体片是由两层 相对的硅氧四面体片提供4 个氧原子和两个由处于同一平面的羟基提供的氧原 子所构成的八面体共棱连接形成了八面体片，如图2 2 所示。 o 瓤硅 图2 一l 硅氧四面体片结构 。氢氧囝铝 图2 2 铝氧八面体片结构 2 3 膨润土的主要物化特性 2 3 1 吸水膨胀性 膨润土具有吸湿性，能吸附8 1 5 倍于自己体积的水量。吸水后能膨胀，膨 胀倍数是自身原体积的二三十倍。 膨润土的主要成分蒙脱石为2 ：l 层状硅酸盐。其中的a l ”和s i 4 + 可被m 矿+ 、 c a 2 + 或f e 2 + 置换，可交换的阳离子骨架有剩余负电荷，加上蒙脱石晶层间结合力 较弱，可吸附阳离子和极性水分子。根据阳离子种类及相对湿度，层问能吸附一 层或两层水分子。另外，在蒙脱石晶胞表面也吸附了一定水分子。因此，晶层间 1 6 东华大学硕士学位论文 的这种晶格沿a 轴、b 方向延伸，顺c 轴方向重叠。c 轴长度不固定。王鸿禧阐 指出，无水时c 。为0 9 6 唧，随着层间吸附不同的水化阳离子，