土工合成材料在城市生活垃圾處理中的應(yīng)用情況及前景
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染和資源短缺問題日益顯現(xiàn)，尤其是城市大量產(chǎn)生的固體廢棄物已對(duì)人類生存環(huán)境造成了極大的危害。據(jù)世界銀行2005年報(bào)告，中國(guó)最近已超過美國(guó)成為世界上最大的固體廢棄物制造者，2004年城市固體生活垃圾已達(dá)到1.9億噸，工業(yè)固體垃圾達(dá)12億噸，并以每年8.98%的速度增長(zhǎng)，三分之二城市已出現(xiàn)垃圾圍城現(xiàn)象。預(yù)計(jì)到2010年，全國(guó)城市生活垃圾總產(chǎn)量為3.2億噸/年，日均68.7萬(wàn)噸。隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，解決城市固體廢棄物問題日趨重要，基本途徑是減量化，資源化和無(wú)害化。而興建生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)是最有效的方式。現(xiàn)代生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)包括復(fù)合襯墊系統(tǒng)、滲濾液收集和處理系統(tǒng)，氣體收集系統(tǒng)和封蓋系統(tǒng)等幾大部分組成。土工合成材料是發(fā)揮防滲系統(tǒng)功能的必須材料。
一、我國(guó)生活垃圾處理設(shè)施現(xiàn)狀
 圖1 現(xiàn)代衛(wèi)生垃圾填埋場(chǎng)簡(jiǎn)圖 |
目前最常用的處理方法為堆肥、焚燒和填埋。前兩種方法在我國(guó)推廣應(yīng)用廣泛，但是不同程度的存在肥質(zhì)差、成本高以及嚴(yán)重的二次污染，也有很多城鎮(zhèn)采用填埋方法處理生活垃圾，但是由于資金和技術(shù)手段的限制，大多數(shù)填埋場(chǎng)只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的填埋處理，不具備必要的環(huán)境保護(hù)設(shè)施，因此對(duì)環(huán)境仍具有非常惡劣的影響。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視和加大投入，各地政府關(guān)注民生，垃圾處理投入不斷加大，垃圾處理設(shè)施從無(wú)到有，從簡(jiǎn)單到現(xiàn)代化，發(fā)生了可喜的變化。截至2005年底，全國(guó)共有垃圾處理設(shè)施850多座，日處理能力僅有20 多萬(wàn)噸。其中設(shè)計(jì)城市535座，填埋、堆肥、焚燒和其他分別占76.1%、2.7%、12.4%和8.8%？h城315座，填埋、堆肥、焚燒和其他分別占93.6%、0.9%、2.31%和3.21%。但處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足固廢的需要，80%以上的縣城和城市，還沒有處理固廢的要求設(shè)施。
二、今后垃圾處理設(shè)施規(guī)劃、目標(biāo)及任務(wù)
國(guó)家規(guī)劃至“十一五”末期，全國(guó)城市生活垃圾無(wú)害化處理率應(yīng)達(dá)到60%,其中：設(shè)計(jì)城市生活垃圾無(wú)害化處理率達(dá)到70%,縣城生活垃圾無(wú)害化處理率達(dá)到30%。
國(guó)家“十一五”垃圾處理項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃技術(shù)路線：
1.不同處理技術(shù)的選擇原則：
（1）衛(wèi)生填埋處理作為生活垃圾的最終處理方式是每個(gè)地區(qū)必須具備的保證手段，在具備衛(wèi)生填埋場(chǎng)地資源和自然條件適宜的城市，可以作為衛(wèi)生填埋作為生活垃圾處理的基本方案。
（2）焚燒處理可最有效實(shí)現(xiàn)生活垃圾的減容、減量、資源化，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、土地資源緊張，生活垃圾熱值符合條件的城市，可優(yōu)先發(fā)展焚燒處理技術(shù)。
（3）在實(shí)行生活垃圾分類收集，堆肥產(chǎn)品有出路的城市，可發(fā)展適宜的生物處理技術(shù)，但對(duì)未普及生產(chǎn)分類收集的城市，應(yīng)謹(jǐn)慎發(fā)展以產(chǎn)出肥料為目的堆肥處理技術(shù)。
（4）鼓勵(lì)采用對(duì)多種處理技術(shù)進(jìn)行有效集成、合理配置的綜合處理技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)生活垃圾無(wú)害化處理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)垃圾中資源的多效率回收利用。
2.不同經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r地區(qū)的技術(shù)選擇：
（1）東部地區(qū)，垃圾處理應(yīng)以衛(wèi)生填埋場(chǎng)為基礎(chǔ)，在具備條件的城市，鼓勵(lì)使用焚燒或生化處理技術(shù)進(jìn)行前處理。
（2）西南地區(qū)，現(xiàn)階段可以衛(wèi)生填埋處理為主，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，逐步加大焚燒或生化技術(shù)的使用比例。
（3）西北地區(qū)，生活垃圾處理以衛(wèi)生填埋技術(shù)為主。
（4）中部地區(qū)和東北地區(qū)，生活垃圾處理現(xiàn)階段應(yīng)以衛(wèi)生填埋場(chǎng)為主，適度發(fā)展其他處理工藝。
3.規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目。
“十一五”期間規(guī)劃新增生活垃圾無(wú)害化處理能力29.2萬(wàn)噸/日，具體新建處理設(shè)施項(xiàng)目為：東部建95座填埋場(chǎng)，8座焚燒場(chǎng)；中部106座填埋場(chǎng)、6個(gè)焚燒場(chǎng)；東北58座填埋場(chǎng)，4個(gè)焚燒場(chǎng)；西南：30個(gè)填埋場(chǎng)，6個(gè)焚燒場(chǎng)。填埋場(chǎng)總計(jì)建316座。
三、垃圾填埋廠防滲系統(tǒng)必須的土工合成材料及要求。
建設(shè)部《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：垃圾填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)工程中應(yīng)使用的土工合成材料：高密度聚乙烯膜、土工布、GCL、土工復(fù)合排水網(wǎng)等。
1.高密度聚乙烯（HDPE）膜
用于垃圾填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)工程的土工膜除應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GJ/T234的有關(guān)規(guī)定外，還應(yīng)符合下列要求：
（1）厚度不應(yīng)小于1.5mm
（2）膜的幅寬不宜小于6.5m
（3）外觀符合下列要求：
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HDPE膜外觀要求
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2. 土工布
垃圾填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)土工工程中使用的土工布應(yīng)符合下列要求。
（1）應(yīng)結(jié)合防滲系統(tǒng)工程的特點(diǎn)，并應(yīng)適應(yīng)垃圾填埋場(chǎng)的使用環(huán)境。目前：以丙綸短纖土工布、滌綸長(zhǎng)絲土工布、滌綸短纖土工布為主。抗老化丙綸短纖針刺土工布具有耐酸堿、耐沖刷、耐風(fēng)吹，卷曲牢度強(qiáng)等特點(diǎn)，在北京、天津、河北、河南等地廣泛應(yīng)用，效果很好。解決了長(zhǎng)絲紡粘土工布卷曲牢度小，抗風(fēng)抗沖刷能力差，一層層脫落掉毛的缺點(diǎn)。
（2）土工布用作HDPE膜保護(hù)材料時(shí)，規(guī)格不應(yīng)小于600g/m2.
（3）土工布用于盲溝和滲瀝液收集導(dǎo)排層的反濾材料時(shí)，規(guī)格不宜小于150g/m2。
（4）土工布應(yīng)具有良好的抗老化和抗紫外線功能。
3. 鈉基膨潤(rùn)土防水毯（GCL）
垃圾填埋場(chǎng)防滲工程中鈉基膨潤(rùn)土防水毯（GCL）的性能指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。并應(yīng)符合下列要求：
（1）GCL應(yīng)表面平整，厚度均勻，無(wú)破洞，破邊現(xiàn)象。應(yīng)無(wú)殘留斷針。
（2）單位面積質(zhì)量不應(yīng)小于4800g/m2，其中單位面積膨潤(rùn)土質(zhì)量不應(yīng)小于4500g/m2。
（3）膨潤(rùn)土體積膨潤(rùn)度不應(yīng)小于24ml/2g.
（4）抗剝強(qiáng)度不應(yīng)小于65N/10cm.
（5）抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于800N/10cm.
（6）滲透系數(shù)應(yīng)小于5×10-11m/S
（7）抗靜水壓力0.6mPa/1h無(wú)滲漏。
4. 土工復(fù)合排水網(wǎng)
用于防滲系統(tǒng)工程的土工復(fù)合排水網(wǎng)應(yīng)符合下列要求：
（1）土工復(fù)合排水網(wǎng)中土工網(wǎng)和土工布應(yīng)預(yù)先粘合，且粘合強(qiáng)度大于0.17KN/m。
（2）土工復(fù)合排水網(wǎng)宜使用HDPE材質(zhì)，縱向抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于8N/m。橫向抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于3KN/m。
（3）土工復(fù)合排水網(wǎng)的土工布要求不宜小于200g/m2。
（4）土工復(fù)合排水網(wǎng)的導(dǎo)水率選取應(yīng)考慮蠕變折減因素、生物及化學(xué)淤堵折減因素。
四、土工合成材料在衛(wèi)生填埋防滲系統(tǒng)中的應(yīng)用
1.填埋場(chǎng)地基防滲系統(tǒng)
填埋場(chǎng)必須進(jìn)行防滲處理，防止對(duì)地下水和地表水的污染，同時(shí)還應(yīng)防止地下水進(jìn)入填埋區(qū)。人工防滲系統(tǒng)應(yīng)符合下列要求：
（1）人工合成襯里的防滲系統(tǒng)應(yīng)采用復(fù)合襯里防滲系統(tǒng)，位于地下水貧乏的地區(qū)的防滲系統(tǒng)也可采用單層襯里防滲系統(tǒng)，在特殊地質(zhì)和環(huán)境要求非常高的地區(qū)，庫(kù)區(qū)底部采用雙層襯里防滲系統(tǒng)。
（2）復(fù)合襯里應(yīng)按下列結(jié)構(gòu)鋪設(shè)：
a.庫(kù)區(qū)底部復(fù)合襯里結(jié)構(gòu)（圖2a）基礎(chǔ)，地下水導(dǎo)流層，厚度應(yīng)大于30cm，膜下防滲保護(hù)層，粘土厚度應(yīng)大于或等于100cm，滲透系數(shù)不應(yīng)大于1.0×10-7cm/s ,HDPE土工膜，膜下保護(hù)層，滲瀝液導(dǎo)流層，厚度應(yīng)大于或等于30cm,土工織物層。
 圖2a |
b.庫(kù)區(qū)邊坡復(fù)合襯里結(jié)構(gòu)（圖2b）基礎(chǔ)。地下水導(dǎo)流層，厚度應(yīng)大于30cm；膜下防滲保護(hù)層，粘土厚度應(yīng)大于75mm；滲透系數(shù)不應(yīng)大于1.0×10-7cm/s，HDPE土工膜，膜上保護(hù)層，滲瀝液導(dǎo)流與緩沖層。
 圖2b |
（3）單層襯里應(yīng)按下列結(jié)構(gòu)鋪設(shè)。
a.庫(kù)區(qū)底部為層襯里結(jié)構(gòu)（圖3a）；A(chǔ)，地下水導(dǎo)流層，厚度大于30cm，膜下保護(hù)層，粘土厚度應(yīng)大于100cm，HDPE土工膜，膜下保護(hù)層，滲瀝液導(dǎo)流層，厚度應(yīng)大于30cm,土工織物層。
 圖3a |
 圖3b |
（4）特殊情況下可采用鈉基膨潤(rùn)土墊代替膜下防滲保護(hù)層。
2.填埋場(chǎng)封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)
填埋場(chǎng)封場(chǎng)必須建立完整的封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)。封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由垃圾填埋場(chǎng)平頂表面順序應(yīng)為：
排氣層、防滲層、排水層、植被層、如圖4所示：
 圖4 |
（1）排氣層，應(yīng)設(shè)置排氣層，施加于防滲層的氣體壓強(qiáng)不應(yīng)大于0.75Kpa。排氣層應(yīng)采用粒徑為25-50mm，倒排性能好，抗腐蝕的粗粒多孔材料。厚度不應(yīng)小于30cm，氣體導(dǎo)排層宜用與導(dǎo)排性能等效的土工復(fù)合排水網(wǎng)。
（2）防滲層，可由于土工膜和壓實(shí)黏土或GCL組成復(fù)合防滲層。土工膜選擇厚度不應(yīng)小于1mm的高密度聚乙烯（HDPE）或線性低密度聚乙烯土工膜（LLDPE），土工膜上下表面應(yīng)設(shè)置土工布。
（3）排水層頂坡應(yīng)采用粗；蛲凉づ潘W(wǎng)，邊坡應(yīng)采用復(fù)合排水網(wǎng)，材料應(yīng)有足夠的導(dǎo)水性能。
（4）植被層應(yīng)由營(yíng)養(yǎng)植被層和覆蓋支持土層組成。
五、衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)材料選用與設(shè)計(jì)
近年來(lái)，隨著生產(chǎn)垃圾、生活垃圾、商業(yè)垃圾和旅游垃圾等大量固廢的產(chǎn)生，衛(wèi)生填埋場(chǎng)成為城市垃圾最終處理的方式之一。衛(wèi)生填埋場(chǎng)簡(jiǎn)言之就是在鋪設(shè)良好防滲性能襯墊的場(chǎng)地上，將固體廢棄物鋪成一定厚度的薄層，加以機(jī)械壓實(shí)，并分層加土覆蓋消毒。其中防滲系統(tǒng)的處理及材料的選用是填埋場(chǎng)設(shè)計(jì)的主要核心所在。目前國(guó)內(nèi)外采用的防滲襯層效果比較好的主要有以下幾種：
1.高密度聚乙烯土工膜：
高密度聚乙烯（HDPE）土工膜是衛(wèi)生填埋場(chǎng)中最廣泛的土工膜，這是高分子聚乙烯通過吹塑或壓延制成的具有很強(qiáng)耐久性的防滲材料。主要特征：化學(xué)性能穩(wěn)定，垃圾滲濾液不會(huì)對(duì)其構(gòu)成威脅，低滲透性，確保地下水和雨水滲透液不會(huì)滲過襯墊，甲烷氣體不會(huì)溢出排放系統(tǒng)，抗紫外線性能穩(wěn)定。HDPE中的炭黑加強(qiáng)了抗紫外線能力。不含增塑劑，解決了暴露在紫外線下北分解的問題。
HDPE膜分為光面和糙面兩種，光面用于庫(kù)底，糙面增加防滑功能，解決庫(kù)坡掛不住膜和導(dǎo)排層的問題。傳統(tǒng)的糙面土工膜采用氮?dú)獍l(fā)泡技術(shù)，強(qiáng)力損失50%,形成了力學(xué)指標(biāo)和防滑功能的矛盾，目前國(guó)外和國(guó)內(nèi)大廠家發(fā)明了柱點(diǎn)防滑糙面土工膜，力學(xué)指標(biāo)完全等同于光面膜，又加強(qiáng)防滑功能，是理想的庫(kù)坡防滲材料。
封場(chǎng)覆蓋HDPE膜后，形成有效遮蓋，可減少惡臭排放，控制蒼蠅滋生。這種HDPE膜為雙面，其中一面墨綠色（環(huán)保色）外形美觀，視覺效果好，也兼?zhèn)淞丝棺贤饩等功能。
2.超低密度聚乙烯(VLDPE)
超低密度聚乙烯（VLDPE）土工膜是由聚乙烯樹脂壓制而成的具有良好的柔韌特性的襯墊材料，它使用于不平整的填埋場(chǎng)垃圾封場(chǎng)。其特性表現(xiàn)外：多軸拉伸性，它的高延伸率能使之適用于不均勻沉降和不平整的地面。
3.加糙土工膜
加糙土工膜是在土工膜表面加一層粗糙的防滲材料。這種加糙土工膜目前正開始推廣使用。它的主要性能是：加強(qiáng)了與土，無(wú)紡布以及其它合成纖維的表面摩擦，加強(qiáng)了與土，水泥等的親和力，增強(qiáng)了防滑穩(wěn)定性。
加糙土工膜與粘土的最高摩擦系數(shù)：摩擦角29°時(shí)，凝聚力為6.0kpa:與無(wú)紡?fù)凉た椢镒罡吣Σ料禂?shù)；摩擦角32°時(shí)，凝聚力為2.2Kpa。加糙土工膜的厚度一般有1.5mm 2.0mm 和2.5mm三種。
4.膨潤(rùn)土防水毯（GCL）
GCL是膨潤(rùn)土夾在土工織物中間或連接在土工膜上復(fù)合制成的，它是目前國(guó)內(nèi)外填埋場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的防滲材料之一，通常與土工膜配合使用。GCL主要特征是：膨潤(rùn)土容水量＞8%，單位面積質(zhì)量＞4.5g/m2,滲透系數(shù)＜1×10-9cm/s。它的突出特點(diǎn)是利用高性能混土水反應(yīng)時(shí)體積膨脹13-16倍的特性對(duì)損傷部位及3mm體內(nèi)裂紋進(jìn)行自我修補(bǔ)，同時(shí)它具有永久防水效果、高強(qiáng)度、高延伸率，耐腐蝕及耐沖擊性。
5.無(wú)紡?fù)凉た椢?/p>
無(wú)紡?fù)凉た椢锖?jiǎn)稱無(wú)紡布，是衛(wèi)生填埋場(chǎng)防滲設(shè)計(jì)和施工必備材料。按材料類別分為抗老化丙綸短纖針刺土工布、滌綸短纖土工布和長(zhǎng)纖無(wú)紡?fù)凉げ肌Ｐl(wèi)生填埋場(chǎng)考慮到抗風(fēng)吹、抗沖刷、耐酸堿，導(dǎo)排性能等因素，宜采用抗老化聚丙烯無(wú)紡?fù)凉げ肌?/p>
6.復(fù)合排水網(wǎng)
地下水收集導(dǎo)排系統(tǒng)，封場(chǎng)排氣層，排水層頂破應(yīng)采用三維網(wǎng)芯的復(fù)合排水網(wǎng)。
六、垃圾填埋場(chǎng)應(yīng)用土工合成材料存在的問題
1、施工損傷問題。
根據(jù)對(duì)填埋場(chǎng)問題調(diào)查，滲漏問題有97.6%的原因是機(jī)械施工損傷。因此，施工一定要嚴(yán)格遵照規(guī)范，切忌大型機(jī)械碾軋和鏟車底部違章作業(yè)，尤其是膜上作業(yè)，加強(qiáng)保護(hù)措施，嚴(yán)格施工規(guī)范。
2、特殊部位的處理。
對(duì)于山體垂直和角度較大的坡，錨固應(yīng)在隔6-10m，增加一道平臺(tái)，導(dǎo)流層應(yīng)用二層膨潤(rùn)土防水毯或二層土工布。避免懸空吊掛。錨固點(diǎn)應(yīng)做擠壓HDPE膜焊點(diǎn)處理。
3、 庫(kù)底鋪設(shè)土工膜后，膜上導(dǎo)排層不允許機(jī)械施工，但人工又非常慢，多數(shù)工地管理不嚴(yán)，存在機(jī)械施工現(xiàn)象，這是不允許的，一旦破壞膜，后果嚴(yán)重？刹扇≡黾右粚訌(fù)合排水網(wǎng)或一層阻根卷材。復(fù)合排水網(wǎng)要把布加厚到400g以上。減少導(dǎo)排層砂石厚度，或輕型機(jī)械施工并避免違章作業(yè)帶來(lái)的損傷。
總的看來(lái)，土工合成材料在衛(wèi)生垃圾填埋場(chǎng)中發(fā)揮了至關(guān)重要不可代替的作用。但是防機(jī)械損傷、防淤堵、抗沉降、防滑坡以及特殊部位的施工等還有待于開發(fā)更新更高性能的材料。這是擺在土工合成材料科研部門和生產(chǎn)企業(yè)面前的新課題，期待早日解決。
七、結(jié)束語(yǔ)
全國(guó)“十一五期間生活垃圾無(wú)害化處理設(shè)施規(guī)劃總投資754.6億元，其中：生活垃圾處理設(shè)施616.2億元，為土工合成材料領(lǐng)域提供了廣闊發(fā)展空間。做為土工材料科研生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)加大科研力度，創(chuàng)新產(chǎn)品功能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，為國(guó)家固廢處理事業(yè)，為人民生活健康作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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