现代生活垃圾卫生填埋场的研究现状及存在的问题

均采用了帷幕注浆技术进行垂直防渗。
图 2 双层复合防渗系统示意图
图 3 封盖系统结构示意图
2. 3 填埋场的沉降研究 沉降是垃圾填埋场稳定化进程的宏观表现和重
要考察指标, 因此, 垃圾填埋场的沉降规律一直是填 埋场研究中的重要课题。OpLeary 等[ 5] 指出一般填埋 场场地沉降要持续 25 a 以上, 其总沉降量为垃圾初 始填埋高度的 25% ~ 50% , 其中 50% 以上发生在封 场后的第一年。Bleker 等[ 6] 指出垃圾体沉 降的机理 为: ( 1) 机械的原因: 扭曲、弯曲、压碎和重定向; ( 2) 颗 粒混合: 细小颗粒进入较大的孔隙中; ( 3) 物理化学的 原因; ( 4) 生物降解。Wall 等[ 7] 将垃圾填埋场的沉降 分成三部分: 初始压缩沉降; 主压缩沉降和次压缩沉
环境工程
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2005 年 8 月第 23 卷第 4 期
Leabharlann Baidu
现代生活垃圾卫生填埋场的研究现状 及存在的问题
李志斌 徐 超 卢耀如 叶观宝
( 同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092)
摘要 现代生活垃圾卫生填埋场是处理生活垃圾的一个最有效、最安全的方法, 国内外学者针对与垃圾 填埋场相关的 岩土工程问题已经做了大量的研究工作, 但是仍 然有很多问题没有引 起足够的 关注。在此总 结国内外学 者研究现 状 的基础上提出了需要进一步研究的一系列问题, 并在初步研究的基础上提出了一些预防建议。 关键词 生活垃圾卫生填埋场 岩土工程问题 研究现状
( 2)HDPE 膜安装和保护 的问题。HDPE 膜是防 渗系统中最重要的部分, 如果受到损坏, 会对垃圾填 埋场的防渗造成重大的影响, 所以在安装和使用过程 中必须 特别 注意。首先, HDPE 膜的 上下 都要 有垫
1 引言 我国现有城镇居民超过 4 亿, 年产生活垃圾超过
1. 5 亿 t, 目前最 常用的处理方法 为堆肥、焚烧和填 埋。前两种方法在我国应用非常广泛, 但是它们对环 境的污染是非常严重的; 我国也有很多城镇采用填埋 方法处理生活垃圾, 但是 由于资金和技术 手段的限 制, 绝大多数填埋场只是进行简单的填埋处理, 不具 备必要的环境保护设施, 因此对环境仍然具有非常恶 劣的影响。随着人类环保意识的增强, 兴建生活垃圾 卫生填埋场的呼声也越来越高。现代的生活垃圾卫 生填埋场包括复合衬垫系统、渗滤液收集 和处理系 统、气体收集系统和封盖系统等几大组成部分, 可以 有效地隔绝垃圾体和周围环境, 使之对环境的影响降 到最低, 图 1 为现代生活垃圾卫生填埋场简图。
施工过程和垃圾堆填过程的监测可以对施工和 堆填进行指导, 避免出现不良后果。而且垃圾填埋场 的监测可以为研究人员和设计人员提供所需的参数。
垃圾填埋场的监测包括垃圾体的含水量, 衬垫或封盖 系统的不均匀沉降, 垃圾填埋场的水平向倾斜和竖向 倾斜、沉降等几个方面的监测。S. T. S. Yuen 等[ 12] 提 到了含水量监测的 4 种方法: 电磁学的方法; 电或热
生活垃圾的构成极不均匀, 其物理力学性质变化 范围也很大, 这就导致了垃圾体物理力学指标的量测 存在着很大的问题, 具体包括:
( 1) 不同地方的垃圾体成分相差很大, 处理方法 和工艺也有较大的差别, 把其它地方的指标直接用于 当地填埋场的设计和施工欠合理, 因此最好的方法是 对当地的垃圾体进行室内或现场试验测定这些指标。 但是由于资金和技术的限制, 也可以把垃圾体成分相 似地区的垃圾体物理力学性质指标作为设计的参考。
钱学德总结了国外对于垃圾体物理力学性质的 研究成果, 他所总结的各项指标见表 1。
浙江大学的陈云敏、张振营等在杭州天子岭生活 垃圾填埋场进行了 6 个孔位的静力触探试验, 并利用 钻机钻取原状土样 42 桶进行室内试验, 所得到的垃 圾体的物理力学性质指标见表 2。
13 Abbas Zareen, Moghddam Azadeh Partovi, Steenari Britt2Marie. Release of Salts from Municipal Solid Waste Combustion Residues. Waste Management , 2003. 23( 4) : 291~ 305.
封盖系统( 见图 3) 是现代生活垃圾卫生填埋场 的重要组成部分, 主要目的是防止或减小大气降水的 入渗, 从而减小垃圾渗滤液的产量和气体的产量, 并 且可 以阻 止 气体 污 染空 气, 阻 止 风雨 对 垃 圾体 的 侵蚀。
垂直防渗系统是在填埋场一边或四周设置垂直 的防渗工程, 经常应用于坡地型或山谷型填埋场的防 渗系统, 如杭州的天子岭填埋场和南昌的麦园填埋场
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UP b 24~ 41
修正主压 缩系数
修正次压 缩系数
0. 17~ 0. 36 0. 03~ 0. 10
天然重度P kN#m- 3
7. 8~ 13. 4
干重度P kN#m- 3 7. 0~ 8. 4
表 2 杭州天子岭生活垃圾填埋场的垃圾体的物理力学性质指标[3,4]
室内试验
含水量
孔隙比
有机质
密度
从现代生活垃圾卫生填埋场设计施工的角度出 发, 针对垃圾填埋场可能遇到岩土工程问题的几个方 面, 包括垃圾体的物理力学性质、衬垫系统和封盖系 统的设计与施工、填埋场的沉降、稳定性和监测, 在总 结了国内外学者研究现状的基础上, 提出了需要注意 或需要解决的岩土工程问题, 为垃圾填埋场的设计和 相关研究提供了参考。
水平防渗系统是在填埋场底部铺设防渗衬垫, 将 渗滤液封闭于填埋场中进行有控的导出, 防止渗滤液 向周围渗透污染地下水, 同时也有阻止地下水流入填 埋场。现代的生活垃圾卫生填埋场最经常采用的是 双层复合衬垫防渗系统, 其结构如图 2 所示。双层复 合衬垫系统防渗层采用的是复合防渗层, 防渗层之上 为渗滤液收集系统, 下方为地下水收集系统; 通过在 两道防渗层之间设排水层。用于控制和收集从填埋 场中渗出的渗滤液。双层复合衬垫系统综合了复合 衬垫系统和双层衬垫系统的优点: 抗损坏能力强、坚 固性好、防渗效果突出。
( 2) 垃圾体成分极不均匀, 各成分的物理力学性 质离散性较大, 小直径、小尺寸的试验结果难以反映 垃圾体的宏观性质, 试样也难以制作成型, 对结果的 其它影响因素较多, 因此采用单一的试验方法难以合 理反映垃圾体的实际物理力学性质, 可以采用室内试 验和现场试验相结合的方法。
( 3) 垃圾体的物理力学性质随时间而变, 这是因 为其中有机物不断降解和垃圾体的压缩造成的, 因此 不能用某一时刻的指标固定地作为设计的参考, 最好 采用动态的设计方法。 3. 2 衬垫系统和封盖系统的有效性
2. 4 填埋场的稳定性研究 垃圾填埋场和一般岩土体一样也存在稳定性问
题, 近年来, 国内外发生了不少垃圾填埋场因稳定性 不足而造成的破坏。2002 年 6 月 14 日, 重庆沙坪坝 区凉枫垭垃圾场也因暴雨而滑塌[ 1] , 因此, 垃圾填埋 场的稳定性问题应该得到设计人员的重视, 采取必要 的工程措施。垃圾填埋场的稳定性可以从三个方面 进行分析: 衬垫系统和封盖系统的稳定性; 垃圾体的 稳定性和地基的稳定性。
图 1 现代生活垃圾卫生填埋场简图[1]
2 国内外学者的研究现状 2. 1 垃圾体的物理力学性质
垃圾体的物理力学性质是分析垃圾体沉降和稳 定性的前提和基础, 因此关于这方面的研究显得非常 重要。国外的研究工作开展较早, 资料也较多; 而国 内对垃圾体性质的研究起步较晚, 有关垃圾体物理力 学性质指标的资料极其匮乏。
作者通讯处 何品晶 200092 上 海市四平路 1239 号 同 济大学环 境科学与工程学院 电话 ( 021) 65986104P65981383 E2mail solidwaste@ mail. tongji. edu. cn
2004- 11- 15 收稿
天然重度P kN#m- 3
9. 4~ 11. 8
含水量 %
10~ 35
环境工程 2005 年 8 月第 23 卷第 4 期
表 1 发达国家垃圾体的物理力学性质指标[2]
孔隙率
渗透系数P @10- 4m# s- 1
持水率 %
0. 4~ 0. 52 9. 2~ 11. 0 22. 4~ 55. 0
凋蔫湿度 %
8. 4~ 17. 0
cP kPa 0~ 23
14 章骅, 何品晶, 李国建, 武田信生. 生产垃圾 焚烧飞 灰中的 二恶 英 分析. 同济大学学报, 2004. 32. (12) : 1655~ 1659.
15 尹洪刚. 国外生活垃 圾焚烧技 术在我国 的实践. 第 二届全 国环 境 化学学术报告会论文集. 2004. 6245~ 6251.
传导方法; 表面张力法和中子散射法。他们着重分析 了中子散射法的优缺点以及试验室和现场应用, 结果 证明这种方式是监测垃圾填埋场含水量的最理想方 法。Daniel 等[ 11] 在进行试验场地封盖系统的稳定性 试验时提到了对封盖系统进行不均匀沉降监测来检 验其稳定性, 在试验场地封盖系统的两侧分别埋设 5 个沉降监测装置来监测其不均匀沉降。 3 存在的问题与建议 3. 1 垃圾体的物理力学性质
国外学者把目光放在衬垫和封盖系统内部, 他们 通过室内试 验和现场 试验来 分析研 究 GCL 与 相邻 HDPE 膜的接 触面和 GCL 内部膨 润土的 抗剪 强度。 Stark 等[9] 用扭转环剪切仪对采用三种不同工艺制成 的 HDPE 膜与无纺土工织物之间的接触面进行剪切 试验。St ark 等[ 10] 还通过扭转环剪切仪来分析评价针 织的 GCL 中膨润土对 GCL 和 HDPE 膜试样剪切强度 的影响。Danel 等[ 11] 在美 国俄亥俄州辛辛 那提对封 盖系统的稳定性做了 14 块试验场地, 封盖系统采用 GCL 和 HDPE 膜 作为 防 渗系 统, 但 是 14 块 场地 的 GCL 和 HDPE 种类和接触方法不相同。试验结果为: 9 块坡度为 50% 的场地中, 有 3 块发生失稳破坏, 有 4 块出现较大的变形; 而 5 块坡度为 33. 3% 的场地均处 于稳定状态。国内学者的研究重点放在了垃圾体本 身的稳定性分析上, 提出采用摩尔2库仑理论来分析 垃圾体的稳定性, 并提出采用毕肖普条分法进行稳定 性验算[ 1,3] 。 2. 5 岩土工程监测
现代的生活垃圾卫生填埋场要求采用双层复合 衬垫防渗系统和封盖系统, 这些系统在国外已经得到 了广泛的应用, 国内外学者也做了大量的研究, 但是 仍然存在下列几方面的问题:
( 1) 在地下水位很高的地区使用时, 由于地下水 的浮托作用, 水平防渗衬垫很难施工, 即使铺设完成 也极易受到破坏。这个问题可以通过采用垂直与水 平防渗相结合的技术来解决。另一个途径是在填埋 区四周设置降水井点, 控制地下水水头。
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降。初始压缩沉降是外荷载作用下直接产生的, 类似 土的弹性压缩变形; 主压缩沉降是由于孔隙中水和气 体的排出引起的, 是一个类似太沙基固结的过程; 次 压缩沉降是由于垃圾体的蠕变和降解引起的, 是垃圾 填埋场沉降的主要部分。刘疆鹰等[ 8] 推导出计算次 压缩沉降的公式, 利用此公式计算上海市老港垃圾填 埋场的次压缩沉降, 并与实测沉降进行对比, 发现计 算值和实测值非常吻合。
cuP
ccuP
%
含量%
kPa
kPa
60~ 110 1. 0~ 3. 5
20~ 40
2. 0~ 2. 4
8~ 20
6~ 18
静力触探
cP
UP
kPa
b
6. 2~ 15. 5 17. 0~ 17. 5
2. 2 衬垫和封盖系统 位于垃圾填埋场底部和四周的衬垫系统是一种
水力隔离措施, 用来将生活垃圾和周围环境隔开以避 免其污染周围的土地和地下水。为了达到这一目的, 衬垫系统必须具有渗透性低、与所填垃圾长期兼容、 吸附力高和传输系数低的特点。填埋场的衬垫系统 通常包括过滤层、排水层( 包括渗滤液收集系统) 、保 护层和防渗层等。其中防渗层的功能就是通过铺设 渗透性低的材料来防止渗滤液迁移到填埋场之外的 环境中, 同时也防止外部的地下水进入填埋场中。根 据其铺设方向不同, 可将场地防渗分为垂直防渗和水 平防渗两种。