固体废弃物填埋场中土工膜衬垫系统的发展与应用

2008-7-15 10:13:40  作者:王协群  来源:艾普网  【 查看评论
基金项目:水利部科技推广中心资助项目(00437201000081)
  作者简介:王协群(1971—),女,江苏省杨州人,博士研究生.
  ·固废处置与处理·
  固体废弃物填埋场中土工膜衬垫系统的发展与应用
  Development and Application ofGeomembrane Liner System in Solid Waste Landfills
  王协群1王俊奇2(1.武汉理工大学土木与建筑学院武汉430070;2.武汉大学土建学院武汉430072)
  摘要:固体废弃物填埋场中产生的渗滤液污染土壤和地下水,在填埋场正确设置防渗的衬垫系统是非常重要的。
  本文对国外土工膜衬垫系统在填埋场中的发展应用进行介绍和评价,分析了土工膜的选用原则,有助于我国合理和有效的进行土工膜衬垫的设置。
  关键词:土工膜衬垫渗滤液填埋场
  Abstract Enormous amounts of solid waste placed in landfills interact with moisture to form 
leachate which is a main resource of groundwater pollution.It is important to have proper liners for 
leachate collection and removal.This paper analyzes the foreign application of geomembrane liner 
system and it is useful for landfill construction in China.
  Key wordsGeomembraneLinerLeachateLandfill
  1引言
  人类每天都产生大量工业和生活固体废弃物,目前这些废弃物的处理主要有堆填法、焚烧法、堆肥法、热解气化法等。其中堆填法仍是最为经济的处置方式,特别是对于有空地可用的国家。但这种方法如果没有适当的防渗措施,废弃物中有害成分很容易经过风化、雨雪淋溶、地表径流的侵蚀,产生高温和有毒渗滤液污染土壤和地下水。因此在填埋场正确设置防渗的衬垫系统是非常重要的。
  过去我国许多填埋场采用传统材料——粘土压实或防渗灌浆帷幕来阻截,如广州大田山垃圾填埋场、杭州天子岭垃圾填埋场〔1〕等。粘土衬垫的水力渗透系数为10-7cm/sec或更小,而土工膜水力渗透系数范围在10-12cm/sec~10-13cm/sec,几乎不透水,效果更好。土工膜(GM)定义为“由一种或几种合成材料薄膜组成的基本上不透水土工合成材料”(ASTMD4439-00)。最常见的形式是高密度聚乙烯(HDPE)、超低密度聚乙烯(VLDPE)、聚氯乙烯(PVC)和加筋氯磺化聚乙烯(CSPE)。水分通过其中的运移是以扩散的方式而非流体流动的方式。正确设计的士工膜衬垫系统有望达到几百年的服务期限。本又分析介绍了国外在这方面的应用。在环保日益受到重视的今天,我国在填埋场建设中也将越来越多采用这些新技术,要求也越来越严格。
  2典型的土工合成材料衬垫系统及其演变
  2.1典型填埋场土工膜衬垫系统
  早期各国填埋场采用的衬垫材料主要为粘土。1982年,美国环保局(EPA)颁布了单层土工膜衬垫系统如图1。土工膜设置在天然地基土上,其上铺一层砾石层,砾石层中埋设有多孔管,用于渗滤液的收集和转移。在砾石层和固体废弃物之间还有一层土作为过滤层。在这个单层衬垫系统填埋场中,没有设置渗漏检测系统。 
  图1单层土工膜衬垫系统剖面图
  利用衬垫防止渗沥液渗漏扩散是设计中的关键要求。由于环保的极端重要性,仅此尚不能确保,因为万一衬垫有不同程度的破坏,仍然会造成污染,故提出了检漏问题。为了检漏,在单层衬垫的条件下,只有在废料场下游设置观测井,定期取样化验,判定衬垫是否有泄漏,为了比较,上游亦需设井,如果同时取样对比,若水质相同,表明无渗漏现象,否则说明衬垫出现问题,但这样的检漏方法毕竟太不理想,故废料场系统由原先的单一集液层发展到现在的集液层和检漏层的双层系统。1984年后,国外大多数用于堆填固体和有害废弃物的填埋场都采用双层衬垫系统。两层衬垫由上层主要衬垫和下部第二层衬垫组成,在上层衬垫系统之上是一层主要的渗沥液收集和排走系统,它要能维持渗沥液水头在03m以内,在两层衬垫系统之间设有检测渗沥液渗漏、收集和排出的系统,按照这些标准可以设计出较典型的双层衬垫系统。
  在(a)中,主要的渗沥液收集系统由粒状材料中间埋设多孔管以及上覆过滤层组成。上层主要的衬垫采用土工膜,检测系统由土工网组成。第二层衬垫则是一种复合衬垫,由土工膜和下面
压实粘土(CCL)组成。图2(b)中主要的渗沥液收集系统与图2(a)中相似,第一层和第二层衬垫系统都是复合衬垫(土工膜一粘土)。检测系统由土工网(GN)和其上一层土工织物(GT)组成,
这层土工织物起反滤和隔离的作用。
  2.2典型断面的发展和原因
  在1982年以前,美国采用衬垫系统为粘土衬垫,当时对粘土层的厚度和渗透性均未作规定。1982年制订标准后,将粘土层改变为土工膜(GM)。1983年认识到检漏的必要性,故增加了副土工膜的第二层衬垫。主土工膜以上的部分称集液层(和排液层,渗沥液通过集液管和另设的排液管排出),主膜与副膜之间为检漏层(可从中抽取液体供检测),亦作防渗的第二道防线。其后的变化是在副土工膜下又恢复了CCL层,副土工膜和CCL层组合成复合衬垫;再后发现土工膜与天然土一起施工困难,特别是在坡面上将用于排水的天然土铺在土工膜上,土的稳定性会出现问题,从而开始用土工网建检漏层,并可省去原排水层中的带孔排水管;其后为了解决垃圾由于固结会挤出水来的问题,在主土工膜下,以土工合成材料粘土垫(GCL)代替原来的粘土层,更改善了防渗效果,同时节省了垃圾堆放空间。经过多次改进的衬垫系统发展见表1。从整个的演变看出,土工合成材料在填埋场建设中逐步地获得全面应用:防渗粘土层可被土工膜和GCL替代;粒料排水层和带孔排水管被土工网或土工管替代;粒料反滤层被土工织物替代;垃圾场的顶部封盖还可用土工网垫覆盖,形成绿色植被,美化环境。
 表1衬垫系统发展过程
  衬垫系统类型应用时间渗滤液收集系统第一层衬垫渗沥液检测系统第二层衬垫〖BHDG9,WK12ZQ*9,WK8,WK10,WK7。3W〗单层CCL单层GM 双层GM单层GM,单层复合体单层GM,单层复合体双层复合体双层复合体双层复合体1982年前1982198319841985198719891993土层/管道土层/管道土层/管道土层/管道土层/管道土层/管道土层/管道GT/GCCCLGMGMGMGMGM/CCLGM/CCLGM/CCL无无土层/管道土层/管道GNGT/GNGT/GNGT/GN无无GMGM/CCLGM/CCLGM/CCLGM/CCLGM/CCL
  3衬垫土工膜及其选择
  衬垫材料的可靠性是集液和检漏系统发挥预期功能的要素,更是填埋场成败的关键。土工膜力学性能的降低可以有以下原因:①由于变形导致的拉应力;②高温;③氧化;④化学侵蚀;⑤塑料的挥发。正确选择衬垫用土工膜应注意分析垃圾成分,因它们与土工膜间可能有不同的相互作用。城市生活垃圾基本上是无机物质,一般材料的土工膜均可采用。对于含有有机溶剂和有腐蚀性化学剂的情况,特别是含毒性物质和成分复杂的垃圾,常用的为聚乙烯土工膜。渗沥液浓度和腐蚀性越大,要求聚乙烯的密度越高,因此HDPE(高密度聚乙烯)和LDPE(低密度聚乙烯)应用最广。
  至于土工膜的要求厚度,美国EPA规定最小的为0.75mm(30mil),对于HDPE膜最小厚度为l.5mm(60mil)。联邦德国规范要求HDPE膜最小厚度为2mm(80mil),并且只能用HDPE。实际工程中大多数采用1.8mm~2.54mm的厚度。
  如果填埋场中采用主、副双层土工膜,则其材料与厚度应该相同。当垃圾堆填厚度较大时,将产生较大压力,有资料报道,曾用厚度为075mm~1375mm的几种土工膜,作用压力为400kPa,放在带棱角的砂中,发现有明显破坏,在颗粒接触点,膜厚度减小到原厚度的l/4;置于砾石中,厚度达125mm的膜也遭到破坏。所以要注意土工膜的保护,用土工织物作保护层相当有效。生产和施工过程中要防止对GM的机械损伤,须建立多级质量保证体系。
 4衬垫系统的稳定问题
  衬垫系统不论是单层的或双层的土工膜,当其延伸至地面时,都要求在坡顶挖沟锚固,锚沟用土回填,一般不用混凝土,故土工膜沿坡面滑动的情况较少出现。由于沉降和变形会在GM中产生拉应力,缓坡垫层不会产生大的拉力,但陡坡垫层会在GM界面产生剪应力,可采用加筋格栅作为加筋。衬垫土工膜的失稳可能以强度不足被拉断,或因拉力过大而被拔出的形式出现。
衬垫系统稳定分析比较复杂,因其结构形式多样,可将土工合成材料作为无意识加筋情况。
  填埋场土工膜衬垫系统设计需包括这些参数和性能:土工膜厚度,单位面积质量,水气化传输量,抗拉性能,抗撕裂能力,抗压能力,抗刺入能力,化学稳定性,热学性能,缝合性能。
  5结论
  土工膜衬垫系统可有效地防止渗沥液入土。现今已有多种单层和双层衬垫系统应用于填埋场中,可根据工程条件、经济情况选择典型的衬垫断面。衬垫土工膜的选择要满足厚度、力学性能、化学稳定性等要求。
 参考文献
  1.城市垃圾处理技术推广项目.国家科委社会发展科技司,建设部科技发展司.北京:中国建筑工业出版社.1992.
  2.Bwa M.Ds.Principles of Geotchnical Englneering.5thBrooks/Cole.2002.
  3.王钊.国外土工合成材料应用调研.现代知识出版社.香港:2002.
  4.Bonaparte R,Giroud J P,Gross B A.Rates of leakage through landfill liners.Proceedings of 
Geosynthetics'89.Vol1.IFAL.San Diego.USA.1989.
  5.刘大齐,黄小林等.环境保护.北京:化学工业出版社,2000.
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