談城市垃圾填埋終場(chǎng)封頂覆蓋層

王 嵩

(昌黎縣建設(shè)局，河北秦皇島 066600)

0 引言

城市固體廢棄物(Municipal Solid Waste，簡(jiǎn)稱MSW)指城市居民日常生活中所產(chǎn)生的固體廢棄物，也稱城市垃圾[1]。集中填埋是我國(guó)城市垃圾處理的主要方式之一，目前我國(guó)城市垃圾年產(chǎn)量以每年8%～10%的速度在遞增[2]。城市垃圾(MSW)的處理方法主要分為填埋法、焚燒法和堆肥法，而填埋法是我國(guó)目前以及將來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)處理城市固體廢棄物垃圾的主要手段。

現(xiàn)代典型的城市固體廢棄物衛(wèi)生填埋場(chǎng)剖面見(jiàn)圖1，其主要包括以下部分:襯墊系統(tǒng)、滲濾液收集與導(dǎo)排系統(tǒng)、填埋氣收集與利用系統(tǒng)、封頂覆蓋系統(tǒng)等。其中封頂覆蓋層位于填埋場(chǎng)表層最頂部，它是填埋場(chǎng)封頂覆蓋的最后一道屏障，就像填埋場(chǎng)的“皮膚”，其性能直接影響堆場(chǎng)內(nèi)填埋體狀態(tài)、環(huán)境污染和填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)成本。

其具有以下功能:

1)減少、避免降雨或其他水源(地表水等)入滲進(jìn)填埋場(chǎng)，導(dǎo)致填埋體內(nèi)水位壅高，滲濾液產(chǎn)量顯著增加而誘發(fā)填埋體失穩(wěn)和加劇污染物的擴(kuò)散。

2)減少、消耗或收集甲烷等有害氣體，避免填埋氣無(wú)組織釋放，提高填埋氣收集系統(tǒng)氣體收集效率。

3)切斷病源的傳播媒介以減輕對(duì)填埋場(chǎng)附近居民生活的影響。

4)上覆耕植土提供植物生長(zhǎng)所需基質(zhì)和場(chǎng)所，進(jìn)行填埋場(chǎng)生態(tài)修復(fù)。

圖1 衛(wèi)生填埋場(chǎng)典型結(jié)構(gòu)圖[1]

1 覆蓋層發(fā)展歷程

垃圾填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋層已有30多年發(fā)展歷史，其經(jīng)歷了簡(jiǎn)易覆土→壓實(shí)粘土覆蓋層→復(fù)合覆蓋層(由土工膜和壓實(shí)粘土組成)→基于水分儲(chǔ)存—釋放原理的土質(zhì)覆蓋層的發(fā)展階段[2]。從發(fā)展歷程看最初的簡(jiǎn)單覆土出現(xiàn)于1975年，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)不算終場(chǎng)覆蓋層，總結(jié)起來(lái)覆蓋層的發(fā)展實(shí)質(zhì)分為三個(gè)大的階段:

1)壓實(shí)粘土覆蓋層。

利用壓實(shí)粘土滲透性較低的性質(zhì)而減少降雨入滲。

2)復(fù)合覆蓋層。

在多層復(fù)合覆蓋層中添加土工膜、GCL等土工復(fù)合材料以降低覆蓋層滲透性取得較好效果。

3)騰發(fā)覆蓋層。

基于水分儲(chǔ)存—釋放原理的騰發(fā)型土質(zhì)覆蓋層-Evapotrans Pirative cover(ET cover)騰發(fā)覆蓋層的概念最早由Hauser于1994年提出。其工作原理與吸水海綿類似，降雨時(shí)上部細(xì)粒土存儲(chǔ)進(jìn)入覆蓋層的水分;非降雨時(shí)段通過(guò)種植植物的蒸騰作用與土體蒸發(fā)作用(合稱騰發(fā)作用)釋放水分以恢復(fù)覆蓋層儲(chǔ)水能力。目前經(jīng)建設(shè)部頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CJJ 17-2004城市生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范[3]中建議采用的覆蓋層屬于第一、二個(gè)發(fā)展階段，其中規(guī)定封場(chǎng)覆蓋可采用壓實(shí)粘土覆蓋結(jié)構(gòu)或添加土工材料的復(fù)合覆蓋層。

2 壓實(shí)粘土覆蓋層

1975年，西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始應(yīng)用壓實(shí)粘土覆蓋層作為填埋場(chǎng)的終場(chǎng)封頂系統(tǒng)，起初形式為一簡(jiǎn)單的覆土，之后為達(dá)到綠化效果開(kāi)始在覆土上增設(shè)30 cm～50 cm的植被層并達(dá)到保護(hù)壓實(shí)粘土的目的。其利用粘性土滲透性低(Ks＜1.0×10－7cm/s)來(lái)構(gòu)成降雨屏障作用，減小、阻隔或降低雨水入滲，典型的壓實(shí)粘土覆蓋層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

壓實(shí)粘土覆蓋層在世界各國(guó)已有廣泛應(yīng)用，如歐洲和美國(guó)等。其中美國(guó)國(guó)家環(huán)保局USEPA的Resource Conservation and Recove Art(RCRA40CFR258.6oa)SubtitleD[5]規(guī)定的城市生活垃圾(MSW)填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋層最低要求結(jié)構(gòu)為:不小于10 cm的表層植被層(保護(hù)層)，下覆壓實(shí)粘土層(核心防水功能層)厚度不小于45 cm且飽和滲透系數(shù)小于1.0×10－5cm/s的見(jiàn)圖3。

建設(shè)部2004年CJJ 17-2004規(guī)范也做了相應(yīng)的規(guī)定:填埋場(chǎng)終封場(chǎng)覆蓋可選用粘土覆蓋層和包含人工材料組成的復(fù)合覆蓋結(jié)構(gòu)。粘土覆蓋結(jié)構(gòu)中植被層采用營(yíng)養(yǎng)耕植土，厚度不應(yīng)小于15 cm(如圖4所示)。采用粗?；蛘叨嗫撞牧献髋艢鈱?，厚度應(yīng)不小于30 cm;防滲粘土層的厚度應(yīng)為20 cm～30 cm，滲透系數(shù)不應(yīng)大于1.0×10－9m/s，排水層的厚度建議值為 20 cm ～30 cm，采用粗?；蚨嗫撞牧稀?/p>

圖2 壓實(shí)粘土覆蓋層結(jié)構(gòu)

圖3 美國(guó)填埋終場(chǎng)壓實(shí)粘土覆蓋層

填埋場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)結(jié)果表明:壓實(shí)粘土早期的滲透性較低，但長(zhǎng)時(shí)服役后粘土層經(jīng)歷干濕交替作用后防滲效果銳減，滲透系數(shù)比初始建造時(shí)的高達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)。如美國(guó)緬因州垃圾整治與管理局對(duì)Cumberland，Vassalboro等垃圾填埋場(chǎng)壓實(shí)粘土覆蓋系統(tǒng)在服役過(guò)程中防滲性能的逐步劣化和失效過(guò)程做了長(zhǎng)期評(píng)估報(bào)告。Cumberland垃圾填埋場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)上覆15 cm厚的植被表土層，下覆45 cm厚的壓實(shí)粉質(zhì)粘土作核心屏障防水層，1992年建造時(shí)，測(cè)得粘土屏障層水力傳導(dǎo)度為5×10－8cm/s;而1994年實(shí)驗(yàn)室測(cè)得該屏障層水力傳導(dǎo)度為2×10－7cm/s，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得水力傳導(dǎo)度為1×10－6cm/s，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得出壓實(shí)粘土易發(fā)生開(kāi)裂且這種開(kāi)裂不可自我修復(fù)(見(jiàn)圖5)。

3 復(fù)合覆蓋層

為改善壓實(shí)粘土在服役過(guò)程中因開(kāi)裂而防滲性能逐漸降低的情況，隨后采用“堵排結(jié)合”的思想在壓實(shí)粘土覆蓋層中添加土工織物、土工膜等人造土工復(fù)合材料而出現(xiàn)了基于多層復(fù)合防滲設(shè)計(jì)的復(fù)合覆蓋層。

其防滲原理如下:用壓實(shí)粘土和土工膜等不透水材料共同形成核心防水屏障，為抵抗底部垃圾的不均勻沉降以及增加土工膜與土層之間的穩(wěn)定性加入了部分土工織物，這樣在覆蓋層中構(gòu)建了以粘土層和土工膜為核心的多層防滲體系，典型的復(fù)合覆蓋層結(jié)構(gòu)如圖6所示。

目前復(fù)合覆蓋層應(yīng)用較廣泛，歐美各國(guó)以及我國(guó)均有應(yīng)用。復(fù)合型覆蓋層相對(duì)粘土覆蓋層防滲效果要好，但其工程造價(jià)較高且不同材料之間的界面失穩(wěn)問(wèn)題嚴(yán)重。由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局(PEA)管理的40CFR(Code of Federal Regulation)條款中，子章D對(duì)城市固體廢棄物(MSW)填埋場(chǎng)的封頂覆蓋做了明確要求，EPA建議的封頂覆蓋層結(jié)構(gòu)由下到上主要包括隔水層、排水層和防侵蝕保護(hù)層，三部分見(jiàn)圖7。建設(shè)部2004年CJJ 17-2004規(guī)范中人工材料覆蓋結(jié)構(gòu)如圖8所示。其對(duì)于人工材料覆蓋結(jié)構(gòu)規(guī)定:復(fù)合覆蓋層包括排氣層，排水層以及核心隔水層等。

對(duì)復(fù)合覆蓋層長(zhǎng)期性能的研究表明防滲效果較好，但添加的多層人工材料之間存在界面軟弱滑動(dòng)失穩(wěn)問(wèn)題凸顯，且工程成本增加明顯、造價(jià)相對(duì)較高。Stefan Melchior，Volker Sokollek 等人[7]對(duì)復(fù)合覆蓋層做了長(zhǎng)時(shí)的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明1988年～1991年，1991年～1997年和1999年～2005年三個(gè)時(shí)間段年覆蓋層防滲效果均較好，在18年的長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中僅有6 mm的滲漏量，但文章也指出對(duì)于復(fù)合覆蓋層內(nèi)土工膜—土等不同界面間失穩(wěn)老化問(wèn)題、添加的人工材料與覆蓋層長(zhǎng)期性能有待實(shí)踐檢驗(yàn)。錢學(xué)德，郭志平等[1]指出封頂系統(tǒng)復(fù)合覆蓋層不同材料間的穩(wěn)定問(wèn)題可參照無(wú)限長(zhǎng)斜坡穩(wěn)定分析法。

4 土質(zhì)騰發(fā)覆蓋層

壓實(shí)粘土與復(fù)合覆蓋層均在表層種植了植被，目的是為防止雨水沖蝕覆蓋層核心功能層土壤和改善環(huán)境以達(dá)到綠化效果。Nyhan等研究覆蓋層植草條件下填埋場(chǎng)水量平衡時(shí)發(fā)現(xiàn)草皮蒸騰耗水強(qiáng)度遠(yuǎn)大于裸土蒸發(fā)強(qiáng)度，之后Hauser等[8]探討了影響植物蒸騰因素和意義并最早提出騰發(fā)覆蓋層的概念，目前騰發(fā)性土質(zhì)覆蓋層英文中一般稱為Evapotrans Pirative cover(ET cover)或Altemative Earthen Final Covers(AEFCs)等。

圖9為一典型的騰發(fā)型土質(zhì)覆蓋層，與傳統(tǒng)覆蓋層相比，其沒(méi)有防水屏障層而主要由植被層和儲(chǔ)水能力較好的細(xì)粒土等天然土料組成。其防滲核心理念是利用細(xì)粒土體作為一個(gè)水庫(kù)，允許降雨入滲土體后將降水儲(chǔ)存，之后通過(guò)騰發(fā)作用耗散水分。其中細(xì)粒土在降雨時(shí)段利用自身良好的儲(chǔ)水能力作為“動(dòng)態(tài)水庫(kù)”儲(chǔ)蓄自然降水，而非降雨時(shí)段植被則利用其騰發(fā)作用抽空排干細(xì)粒土中的儲(chǔ)水。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，能夠在旱—雨季交替變化中實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)—釋放水量平衡循環(huán)過(guò)程，從而減少水分透過(guò)覆蓋層進(jìn)入填埋體的滲漏量，土質(zhì)騰發(fā)覆蓋層的造價(jià)相對(duì)較經(jīng)濟(jì)。

土質(zhì)騰發(fā)覆蓋層在西方已有大量研究開(kāi)始逐步應(yīng)用。Benson[9]針對(duì)美國(guó)各氣候區(qū)的封頂系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，得出騰發(fā)作用是其主要的水分散發(fā)途徑。Kristopher D，Dary F等[10]采用大型蒸滲儀在美國(guó)俄亥俄州進(jìn)行了為期一年的騰發(fā)覆蓋層監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得出植被宜選用當(dāng)?shù)爻墒斓墓嗄竞筒荼局参锘旆N，灌木在草類植被凋零季節(jié)(如冬季)也能發(fā)揮較強(qiáng)的蒸騰作用，植物更適合當(dāng)?shù)貧夂?。Stefan Melchior等[7]對(duì)德國(guó)Testingof填埋場(chǎng)進(jìn)行了18年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在1988年～1991年間累計(jì)降雨808 mm，騰發(fā)作用蒸散量485 mm，覆蓋層未發(fā)生滲漏，1992年 ～1998年間累計(jì)降雨894 mm，騰發(fā)作用量達(dá)503 mm，滲漏量?jī)H約16 mm，防滲效果較好。截止目前國(guó)內(nèi)鮮有關(guān)于土質(zhì)騰發(fā)性覆蓋層實(shí)際應(yīng)用情況方面的報(bào)道，基本集中于研究試驗(yàn)階段。劉川順[11]、王康[12]以地表流量邊界，用數(shù)值方法研究了騰發(fā)覆蓋層在武漢地區(qū)的尺寸等。詹良通、張文杰等[13]分析了1年內(nèi)填埋場(chǎng)騰發(fā)式覆蓋系統(tǒng)中水分運(yùn)移和分布情況，陸海軍，欒茂田等[14]對(duì)騰發(fā)覆蓋層的系統(tǒng)水量平衡情況進(jìn)行了數(shù)值分析并與傳統(tǒng)壓實(shí)粘土和復(fù)合覆蓋層做了對(duì)比，其水量分配與傳統(tǒng)阻隔型覆蓋層有著明顯的優(yōu)勢(shì)。他們的研究結(jié)果顯示騰發(fā)型土質(zhì)覆蓋層具有良好的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語(yǔ)

封頂覆蓋層位于垃圾填埋場(chǎng)頂部，與填埋場(chǎng)其他結(jié)構(gòu)層相比厚度較小，但與周邊大氣環(huán)境等具有復(fù)雜的相互作用。一方面封頂覆蓋層自身水氣運(yùn)移復(fù)雜;另一方面覆蓋層底部填埋體不均勻沉降以及填埋氣氣壓分布不均對(duì)覆蓋層也會(huì)產(chǎn)生不利影響而削弱覆蓋層防滲效果。作為填埋場(chǎng)的最后一道屏障，其就像填埋體的皮膚，防滲性能直接影響MSW堆場(chǎng)內(nèi)填埋體狀態(tài)、環(huán)境污染和填埋場(chǎng)運(yùn)營(yíng)成本，因此要求封頂覆蓋層必須要具備良好防滲功能的同時(shí)必須又要具有優(yōu)良的耐久性以保證其長(zhǎng)期服役。在眾多填埋場(chǎng)覆蓋層中，土質(zhì)騰發(fā)覆蓋層的造價(jià)和防滲效果以及耐久性等方面顯示出了極好的性能，是垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層發(fā)展的重點(diǎn)方向。

[1]錢學(xué)德，郭志平，施建勇，等.現(xiàn)代衛(wèi)生填埋場(chǎng)的設(shè)計(jì)與施工[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[2]賈官偉.固廢堆場(chǎng)終場(chǎng)土質(zhì)覆蓋層中水分運(yùn)移規(guī)律及調(diào)控方法研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2010.

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[4]CJJ 176-2011，生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范[S].

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[12]王 康，劉川順，王富慶，等.騰發(fā)覆蓋垃圾填埋場(chǎng)覆蓋層機(jī)理試驗(yàn)研究及結(jié)構(gòu)分析[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28(10):2307-2314.

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