垃圾填埋場襯墊工程性質及其環境影響研究綜述

劉羅基，段隆臣，張濤

（中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

1 引言

隨著經濟不斷發展，城市生活垃圾數量不斷增加，對社會經濟發展和環境保護造成了巨大壓力。目前世界各國處理城市垃圾的主要方法是垃圾填埋，而保證垃圾填埋場平穩運行的最關鍵系統是襯墊系統。傳統垃圾填埋場大多采取垂直防滲系統，進而在內部設置襯墊工程，為堆體提供防滲透屏障。但是由于垃圾的高壓縮性與不均勻性，襯墊材料之間具備較強硬度，所以對襯墊工程性質及其環境影響分析就成為首要問題。

2 垃圾填埋場襯墊工程及其結構形式

垃圾填埋場所產生的污染物主要由填埋廢氣與垃圾滲漏液滲漏所造成，進而垃圾填埋場在設計過程中關鍵內容為防止滲濾液與固體有害物質對環境所造成的影響。一個現代化垃圾填埋場由五部分構成，分別為襯墊工程、處理工程、氣體收集治理工程與滲濾液收集系統。襯墊工程是垃圾填埋場關鍵部分，其由兩部分構成，分別為垃圾填埋場底部與側部，都需要設置防滲襯墊，其主要作用為規避垃圾滲濾液對地下水與周圍土壤所造成的污染，防止地下水由于污染對周圍地區造成橫向遷移。所以，垃圾填埋場襯墊工程設計是否合理，是否具備較高施工質量，對垃圾填埋場能否穩定運行具備關鍵作用。

按照我國《生活垃圾衛生填埋技術規范》內規定，所有垃圾填埋場都必須開展防滲處理，規避垃圾填埋對地表水與地下水所造成的影響。當前，我國垃圾填埋場襯墊工程主要分為兩種類型，分別為垂直防滲帷幕系統與水平防滲系統，其中垂直防滲帷幕系統主要借助垂直帷幕注漿途徑實現垃圾滲濾液滲透，有效減小過水斷面巖層滲透系數，其主要在山谷型垃圾填埋場內應用；水平防滲系統為我國近幾年新建垃圾填埋場所應用的形式。

垃圾填埋場襯墊工程結構型式分為以下幾種，分別為復合襯墊工程、天然壓實粘土襯墊工程、土工膜單層防滲結構襯墊功能。出于各種原因，西方發達國家都采取雙層襯墊功能，我國當前尚未對中間襯墊工程結構形式作出詳細規定。和常規垃圾填埋場底部襯墊工程相比較，雙層襯墊功能主要采取加筋措施，確保垃圾填埋場整體性能。

3 垃圾填埋場防滲襯墊研究進展

3.1 傳統防滲襯墊研究

3.1.1 傳統壓實黏土襯墊

在傳統垃圾填埋場填埋垃圾內，滲濾液會對土壤、地表水等人類生存環境造成顯著影響。傳統壓實黏土在實際填埋過程內雖然可以規避水溶液低張力運動，但是卻非常容易出現有機污染物，讓黏土防滲層出現收縮性裂縫，進而造成襯墊工程喪失阻隔性能。

黏土防滲襯墊破壞主要原因：襯墊工程在建造時，垃圾填埋場土工膜容易刺破，造成黏土成分和滲濾液之間出現化學反應，進而增加滲透系數；所以，傳統黏土防滲襯墊工程的創新也成為我國研究人員主要研究方向。

3.1.2 復合襯墊系統

復合襯墊為兩種防滲材料構成，其主要分為單層復合與雙層復合兩種襯墊防滲結構。由國外垃圾填埋場大量實踐經驗可知，垃圾填埋場在前期建設一直到填埋完畢所出現的生物化學反應都應該十分穩定，甚至能夠儲存上百年時間。原有“兩布一膜”防滲系統在我國普遍應用，但是因為其自身具有一定缺陷，防滲標準過低，逐漸被市場所淘汰。復合襯墊工程由于綜合了水力、物理特點不同的防滲材料優點，進而具備良好防滲效果。而因為不同材料力學特性存在差別，同時襯墊工程各材料之間抗剪強度較低，進而對防滲效果造成影響。

3.2 填埋場防滲襯墊系統水力特性研究進展

為了能夠尋找出符合垃圾填埋場防滲襯墊要求，并且具備較高經濟特性，國內外研究人員做出了大量分析研究，主要針對的是防滲襯墊滲透性與防滲層對污染物的有效攔截。所以也就出現兩種思路：第一，借助有關規范規定，在黏土內添加添加劑構成全新防滲材料，也被稱之為改良型材料；第二，選擇可替代防滲材料替代黏土，也被稱之為替代材料。

3.2.1 國外研究進展

P R Jaffe與J A Smith借助膨潤土對防滲材料改良做出試驗以后發現，膨潤土改良型材料滲透系數為1×10-8cm/s；Bell所帶領的研究團隊借助石灰改良黏土性質，石灰摻量不斷增加時，防滲土體防滲性能也顯著提升；L S Kaita研發出新型CRC黏土，借助試驗表示該黏土可以有效降低污染物對襯墊工程防滲破壞；P J Fox在對GCL與均勻粗礫GCL對比試驗發現，集中荷載在不斷增加時，GCL性能能夠得到有效改善，同時集中載荷快速加載情況下，GCL覆蓋一層土工布以后，可以有效規避膨潤土遷移。

3.2.1 國內研究進展

劉長禮將沙土與膨潤土相互混合，借助復合土材料試驗發現，復合土滲透系數超過1×10-9cm/s；史晶華將膨潤土與石灰相互混合以后，試驗結果顯示，復合土控制阻隔80%污染物質；陳彥君借助有機改良膨潤土，發現了垃圾填埋場反應層；何俊寶將天然黏土與粉煤灰相互混合，試驗研究顯示，粉煤灰占比為25%情況下，復合土滲透系數為1×10-7cm/s。

4 垃圾填埋場襯墊與污染物的相互作用

垃圾填埋場襯墊工程阻隔效果無法保證，就會造成滲濾液擴散與滲漏，對周邊環境造成嚴重影響。在繁瑣的地下環境，垃圾填埋場襯墊工程滲濾液攜帶大量污染物，填埋場防污屏障就非常容易擊穿，特別在襯墊工程薄弱環節上，形成優勢流，同時向地下環境擴散，導致地下環境造成污染。

4.1 垃圾填埋場襯墊土壤材料吸附特性研究

天然黏土是我國襯墊系統目前使用的主要材料，有如下兩方面的作用：第一是阻止污染物的滲漏；第二是對有害物質的吸附作用。陳云敏等根據水和離子在電場、滲流場和濃度場作用下的遷移原理研制了室內動電模擬試驗裝置進行試驗，并詳細闡述了襯墊層黏土對金屬離子與有機物的吸附研究現狀，對污染后黏土土工性質研究現狀進行了全面的概述，分析了在污染物與黏土相互作用機理研究中取得的成果與存在的不足，對今后要開展的研究工作以及研究方案提出了建議。

垃圾填埋場襯墊系統并不能完全有效阻止污染物的擴散，一些學者提出解決這一缺陷的有效手段是提高襯墊土壤材料的吸附能力。有機膨潤土、活性炭和頁巖等具有強吸附能力的物質已經被采用，這些物質的吸附能力比黏土要大4～5個數量級。襯墊系統采用此種方法改良以后，不僅有效抑制了污染物的遷移，還不需要增加襯墊層的厚度，大大節約了建造成本。

4.2 垃圾填埋場污染物在復合襯墊中的運移方式研究

當前，垃圾填埋場主要應用復合型襯墊工程，防滲系統主要由土工復合膨潤土墊、土工膜與壓實粘土層等材料構成。由于施工等原因的影響,復合襯墊中的土工膜上總是存在缺陷。因此,很多學者對復合襯墊缺陷處的滲濾液和污染物運移進行了研究。

這些污染物按其成分可以分為兩類:有機污染物和無機污染物。研究表明，有機污染物雖然濃度較低,但是危害性較大。而且在復合襯墊中污染物的運移方式中無機污染物和有機污染物是不同的。研究表明:GCL(人工合成材料粘土襯墊)復合襯墊以有機污染物在完好復合襯墊中的擴散為主,可以忽略缺陷處污染物的運移;而CCL(壓實黏土襯墊)復合襯墊中兩種運移方式所做的貢獻在同一數量級,需要考慮兩種方式的共同作用。在GCL復合襯墊下鋪設粘土層能有效改善GCL復合襯墊對有機污染物的阻止效果。

5 結語

本文通過對目前國內外文獻中關于垃圾填埋技術的報道，對襯墊系統的工程性質及其造成的環境影響進行整理和總結。對垃圾填埋場襯墊系統的設計與維護具有一定的借鑒意義。初步結論與建議如下：

①本文論述了垃圾填埋場襯墊工程及其結構形式，分析了垃圾填埋場工作時襯墊工程的重要性，提出了水平防滲系統的建設在我國的必要性。

②基于防滲層的研究，國內外的大量研究主要集中在改性材料，尤其是黏土的改性，但是對于替代材料的研究較少。此外，我國幅員遼闊，地質條件多樣，所以應該根據各地的實際情況，盡可能使用當地的防滲材料，不僅可以降低施工成本，而且還可以互相提供借鑒。

③本文論述了垃圾填埋場中襯墊層黏土對金屬離子與有機物的吸附研究現狀，分析了在污染物與粘土相互作用機理研究中取得的成果與存在的不足，對今后要開展的研究工作以及研究方案提出了建議。

④本文對有機污染物在復合襯墊中的兩種運移方式進行了討論,其影響因素是不同的。兩種方式下污染物的運移應從污染物累積量比較。