談城市垃圾填埋終場封頂覆蓋層

王 嵩

(昌黎縣建設局，河北秦皇島 066600)

0 引言

城市固體廢棄物(Municipal Solid Waste，簡稱MSW)指城市居民日常生活中所產生的固體廢棄物，也稱城市垃圾[1]。集中填埋是我國城市垃圾處理的主要方式之一，目前我國城市垃圾年產量以每年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，而填埋法是我國目前以及將來較長時期內處理城市固體廢棄物垃圾的主要手段。

現代典型的城市固體廢棄物衛生填埋場剖面見圖1，其主要包括以下部分:襯墊系統、滲濾液收集與導排系統、填埋氣收集與利用系統、封頂覆蓋系統等。其中封頂覆蓋層位于填埋場表層最頂部，它是填埋場封頂覆蓋的最后一道屏障，就像填埋場的“皮膚”，其性能直接影響堆場內填埋體狀態、環境污染和填埋場運營成本。

其具有以下功能:

1)減少、避免降雨或其他水源(地表水等)入滲進填埋場，導致填埋體內水位壅高，滲濾液產量顯著增加而誘發填埋體失穩和加劇污染物的擴散。

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

3)切斷病源的傳播媒介以減輕對填埋場附近居民生活的影響。

4)上覆耕植土提供植物生長所需基質和場所，進行填埋場生態修復。

圖1 衛生填埋場典型結構圖[1]

1 覆蓋層發展歷程

垃圾填埋場終場覆蓋層已有30多年發展歷史，其經歷了簡易覆土→壓實粘土覆蓋層→復合覆蓋層(由土工膜和壓實粘土組成)→基于水分儲存—釋放原理的土質覆蓋層的發展階段[2]。從發展歷程看最初的簡單覆土出現于1975年，嚴格來說不算終場覆蓋層，總結起來覆蓋層的發展實質分為三個大的階段:

1)壓實粘土覆蓋層。

利用壓實粘土滲透性較低的性質而減少降雨入滲。

2)復合覆蓋層。

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

3)騰發覆蓋層。

基于水分儲存—釋放原理的騰發型土質覆蓋層-Evapotrans Pirative cover(ET cover)騰發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，降雨時上部細粒土存儲進入覆蓋層的水分;非降雨時段通過種植植物的蒸騰作用與土體蒸發作用(合稱騰發作用)釋放水分以恢復覆蓋層儲水能力。目前經建設部頒布的國家標準CJJ 17-2004城市生活垃圾衛生填埋技術規范[3]中建議采用的覆蓋層屬于第一、二個發展階段，其中規定封場覆蓋可采用壓實粘土覆蓋結構或添加土工材料的復合覆蓋層。

2 壓實粘土覆蓋層

1975年，西方發達國家開始應用壓實粘土覆蓋層作為填埋場的終場封頂系統，起初形式為一簡單的覆土，之后為達到綠化效果開始在覆土上增設30 cm～50 cm的植被層并達到保護壓實粘土的目的。其利用粘性土滲透性低(Ks＜1.0×10－7cm/s)來構成降雨屏障作用，減小、阻隔或降低雨水入滲，典型的壓實粘土覆蓋層結構見圖2。

壓實粘土覆蓋層在世界各國已有廣泛應用，如歐洲和美國等。其中美國國家環保局USEPA的Resource Conservation and Recove Art(RCRA40CFR258.6oa)SubtitleD[5]規定的城市生活垃圾(MSW)填埋場終場覆蓋層最低要求結構為:不小于10 cm的表層植被層(保護層)，下覆壓實粘土層(核心防水功能層)厚度不小于45 cm且飽和滲透系數小于1.0×10－5cm/s的見圖3。

建設部2004年CJJ 17-2004規范也做了相應的規定:填埋場終封場覆蓋可選用粘土覆蓋層和包含人工材料組成的復合覆蓋結構。粘土覆蓋結構中植被層采用營養耕植土，厚度不應小于15 cm(如圖4所示)。采用粗粒或者多孔材料作排氣層，厚度應不小于30 cm;防滲粘土層的厚度應為20 cm～30 cm，滲透系數不應大于1.0×10－9m/s，排水層的厚度建議值為 20 cm ～30 cm，采用粗粒或多孔材料。

圖2 壓實粘土覆蓋層結構

圖3 美國填埋終場壓實粘土覆蓋層

填埋場實際運營結果表明:壓實粘土早期的滲透性較低，但長時服役后粘土層經歷干濕交替作用后防滲效果銳減，滲透系數比初始建造時的高達3個數量級。如美國緬因州垃圾整治與管理局對Cumberland，Vassalboro等垃圾填埋場壓實粘土覆蓋系統在服役過程中防滲性能的逐步劣化和失效過程做了長期評估報告。Cumberland垃圾填埋場覆蓋系統上覆15 cm厚的植被表土層，下覆45 cm厚的壓實粉質粘土作核心屏障防水層，1992年建造時，測得粘土屏障層水力傳導度為5×10－8cm/s;而1994年實驗室測得該屏障層水力傳導度為2×10－7cm/s，現場測得水力傳導度為1×10－6cm/s，經過試驗監測得出壓實粘土易發生開裂且這種開裂不可自我修復(見圖5)。

3 復合覆蓋層

為改善壓實粘土在服役過程中因開裂而防滲性能逐漸降低的情況，隨后采用“堵排結合”的思想在壓實粘土覆蓋層中添加土工織物、土工膜等人造土工復合材料而出現了基于多層復合防滲設計的復合覆蓋層。

其防滲原理如下:用壓實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定性加入了部分土工織物，這樣在覆蓋層中構建了以粘土層和土工膜為核心的多層防滲體系，典型的復合覆蓋層結構如圖6所示。

目前復合覆蓋層應用較廣泛，歐美各國以及我國均有應用。復合型覆蓋層相對粘土覆蓋層防滲效果要好，但其工程造價較高且不同材料之間的界面失穩問題嚴重。由美國國家環保局(PEA)管理的40CFR(Code of Federal Regulation)條款中，子章D對城市固體廢棄物(MSW)填埋場的封頂覆蓋做了明確要求，EPA建議的封頂覆蓋層結構由下到上主要包括隔水層、排水層和防侵蝕保護層，三部分見圖7。建設部2004年CJJ 17-2004規范中人工材料覆蓋結構如圖8所示。其對于人工材料覆蓋結構規定:復合覆蓋層包括排氣層，排水層以及核心隔水層等。

對復合覆蓋層長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失穩問題凸顯，且工程成本增加明顯、造價相對較高。Stefan Melchior，Volker Sokollek 等人[7]對復合覆蓋層做了長時的監測試驗，試驗結果表明1988年～1991年，1991年～1997年和1999年～2005年三個時間段年覆蓋層防滲效果均較好，在18年的長時監測過程中僅有6 mm的滲漏量，但文章也指出對于復合覆蓋層內土工膜—土等不同界面間失穩老化問題、添加的人工材料與覆蓋層長期性能有待實踐檢驗。錢學德，郭志平等[1]指出封頂系統復合覆蓋層不同材料間的穩定問題可參照無限長斜坡穩定分析法。

4 土質騰發覆蓋層

壓實粘土與復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境以達到綠化效果。Nyhan等研究覆蓋層植草條件下填埋場水量平衡時發現草皮蒸騰耗水強度遠大于裸土蒸發強度，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覆蓋層的概念，目前騰發性土質覆蓋層英文中一般稱為Evapotrans Pirative cover(ET cover)或Altemative Earthen Final Covers(AEFCs)等。

圖9為一典型的騰發型土質覆蓋層，與傳統覆蓋層相比，其沒有防水屏障層而主要由植被層和儲水能力較好的細粒土等天然土料組成。其防滲核心理念是利用細粒土體作為一個水庫，允許降雨入滲土體后將降水儲存，之后通過騰發作用耗散水分。其中細粒土在降雨時段利用自身良好的儲水能力作為“動態水庫”儲蓄自然降水，而非降雨時段植被則利用其騰發作用抽空排干細粒土中的儲水。通過合理設計，能夠在旱—雨季交替變化中實現存儲—釋放水量平衡循環過程，從而減少水分透過覆蓋層進入填埋體的滲漏量，土質騰發覆蓋層的造價相對較經濟。

土質騰發覆蓋層在西方已有大量研究開始逐步應用。Benson[9]針對美國各氣候區的封頂系統進行了數值模擬并與現場實測數據進行對比驗證了數值計算的準確性，得出騰發作用是其主要的水分散發途徑。Kristopher D，Dary F等[10]采用大型蒸滲儀在美國俄亥俄州進行了為期一年的騰發覆蓋層監測試驗，得出植被宜選用當地成熟的灌木和草本植物混種，灌木在草類植被凋零季節(如冬季)也能發揮較強的蒸騰作用，植物更適合當地氣候。Stefan Melchior等[7]對德國Testingof填埋場進行了18年的現場監測，在1988年～1991年間累計降雨808 mm，騰發作用蒸散量485 mm，覆蓋層未發生滲漏，1992年 ～1998年間累計降雨894 mm，騰發作用量達503 mm，滲漏量僅約16 mm，防滲效果較好。截止目前國內鮮有關于土質騰發性覆蓋層實際應用情況方面的報道，基本集中于研究試驗階段。劉川順[11]、王康[12]以地表流量邊界，用數值方法研究了騰發覆蓋層在武漢地區的尺寸等。詹良通、張文杰等[13]分析了1年內填埋場騰發式覆蓋系統中水分運移和分布情況，陸海軍，欒茂田等[14]對騰發覆蓋層的系統水量平衡情況進行了數值分析并與傳統壓實粘土和復合覆蓋層做了對比，其水量分配與傳統阻隔型覆蓋層有著明顯的優勢。他們的研究結果顯示騰發型土質覆蓋層具有良好的應用前景。

5 結語

封頂覆蓋層位于垃圾填埋場頂部，與填埋場其他結構層相比厚度較小，但與周邊大氣環境等具有復雜的相互作用。一方面封頂覆蓋層自身水氣運移復雜;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覆蓋層也會產生不利影響而削弱覆蓋層防滲效果。作為填埋場的最后一道屏障，其就像填埋體的皮膚，防滲性能直接影響MSW堆場內填埋體狀態、環境污染和填埋場運營成本，因此要求封頂覆蓋層必須要具備良好防滲功能的同時必須又要具有優良的耐久性以保證其長期服役。在眾多填埋場覆蓋層中，土質騰發覆蓋層的造價和防滲效果以及耐久性等方面顯示出了極好的性能，是垃圾填埋場覆蓋層發展的重點方向。

[1]錢學德，郭志平，施建勇，等.現代衛生填埋場的設計與施工[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.

[2]賈官偉.固廢堆場終場土質覆蓋層中水分運移規律及調控方法研究[D].杭州:浙江大學，2010.

[3]CJJ 17-2004，城市生活垃圾衛生填埋技術規范[S].

[4]CJJ 176-2011，生活垃圾衛生填埋場巖土工程技術規范[S].

[5]EPA，Subtitle D Clarification，in 40 CFR 257 ＆ 258[S].1992:28626-28632.

[6]Melchior S.In situ studies of the performance of landfill caps(compacted soil liners，geomembranes，geosynthetic clay liners，capillary barriers)[J].Land Contamination ＆ Reclamation，1997，5(3):209-216.

[7]Stefan Melchior，Volker Sokollek，Klaus Berger，et al.Results from 18 Years of In Situ Performance Testing of Landfill Cover Systems in Germany.Journal of environmental engineering，2010:815-823.

[8]Hauser V L，Weand B L，Gill M D.Natural covers for landfills and buried waste[J].Journal of Environmental Engineering，2001(127):768-775.

[9]Benson C H.Modeling Unsaturated Flow and Atmospheric Interactions.Theoretical and Numerical Unsaturated Soil Mechanics，Springer Berlin Heidelberg，2007:187-202.

[10]Kristopher D.Barnswell，Dary F.Dwyer.Assessing the Performance of Evapotrans piration Covers for Municipal Solid Waste Landfills in Northwestern Ohio Journal of environmental engineering，2011:301-306.

[11]劉川順，趙 慧，羅繼武.垃圾填埋騰發覆蓋系統滲瀝控制試驗和數值模擬[J].環境科學，2009，30(1):289-296.

[12]王 康，劉川順，王富慶，等.騰發覆蓋垃圾填埋場覆蓋層機理試驗研究及結構分析[J].環境科學，2007，28(10):2307-2314.

[13]張文杰，邱戰洪，朱成仁，等.長三角地區填埋場ET封頂系統的性能評價[J].巖土工程學報，2009，31(3):384-389.

[14]陸海軍，欒茂田，張金利.垃圾填埋場ET封頂的系統水量平衡數值分析[J].大連理工大學學報，2009，49(6):913-918.