工程案例
業務范圍
城市垃圾衛生填埋場垂直防滲技術研究
發布時間：2014-08-09
針對城市垃圾衛生填埋場滲濾液成分復雜、濃度高、污染性強的特點，分析了在衛生填埋場中構筑防滲系統的功能要求，根據粘土固化漿液的組成特征和固化機理，研究了粘土固化注漿帷幕對滲濾液的抗滲性能和對污染物質的吸附特性，通過粘土固化注漿帷幕在衛生填埋場防滲工程中的應用情況，從施工質量檢測、防滲效果監測和技術經濟角度，證明了這種垂直防滲技術應用在填埋場中的可靠性和經濟性。 關 鍵 詞：填埋場；滲濾液；垂直防滲；粘土固化注漿帷幕；滲透性；吸附性
0 引 言
隨著國民經濟的快速發展，我國城市垃圾衛生填埋場建設進入高速發展階段，滲濾液控制是填埋場建設中最為關鍵的問題之一。對滲濾液最直接最有效的防治與控制措施就是建立防滲系統，將滲濾液及其有害污染物控制在一定范圍之內，同時建立滲濾液處理設施進行處理，使其達到相關污水排放標準再進行排放。
目前在填埋場中建立防滲系統有水平防滲襯層和垂直注漿帷幕兩種。以粘土墊層及土工膜防滲設施等建立的水平防滲技術有其自身的優勢，如施工透明度高、易于質量監控等，但這種水平防滲系統一旦投入使用則不具有修復性，并且其高造價對于一般城市填埋場建設的實施將具有一定的難度。而利用帷幕注漿在填埋場中建立垂直防滲系統，應用在工程中具有低成本、投資少及易修復等特點，對于像我國這樣的發展中國家具有明顯的優勢。
粘土固化注漿帷幕因具有較低的滲透性能和良好的化學相容性，已應用于礦山尾礦壩堵水工程[1]和填埋場防滲工程[2]，并取得了良好的社會經濟效益。本文介紹了粘土固化漿液的組成和固化機理；研究了粘土固化注漿帷幕對滲濾液的防滲阻滯特性，及其在垃圾衛生填埋場中的應用情況；通過施工檢測和運營中防滲效果監測，表明粘土固化注漿帷幕應用在城市垃圾填埋場中安全可靠、經濟合理，所得出的結論可為礦山、填埋場等特殊地下水環境防滲工程的設計、施工和管理提供借鑒。
1 填埋場防滲要求
1.1 滲濾液特征
滲濾液是由垃圾中有機物降解生成的新物質以及生活垃圾的溶解物質與雨水和地下水混合而成的，由于垃圾組份的多樣性和復雜性，導致滲濾液的化學成分十分復雜，污染物濃度變化范圍很大，見表1[3]。
表1 典型的填埋場滲濾液水質 ρ/(mg.L-1)
參量 變化范圍 參量 變化范圍
顏色 黃-灰黑色 BOD5 80~336
嗅覺 惡臭 NH3-N 20~740
pH值 3.8~8.5 NO2-N 0.6~19
總殘值 2360~35700 有機酸 50~250
CODCr 40~89500 Cu 0.10~1.0
Pb 0.1~2.0 Cd 0.03~1.0
As 0.1~0.5 Hg 0~0.03
Cr 0.01~2.6
從上表可以看出，填埋場垃圾滲濾液一般具有以下化學特征：
（1）滲濾液的化學成分極為復雜，有機污染物、無機污染物和重金屬離子等多種污染組份共存，表現出很強的綜合污染特征。
（2）滲濾液污染成分濃度很高，如CODcr最高可達105 mg/L以上，為工業污染允許排放標準的100倍以上， NH3-N的濃度可高達700 mg/L以上，是糞便的3～4倍。由此可見，滲濾液污染性極強，是一種嚴重的污染源。
（3）COD和BOD指標表明有機物含量高，成分復雜。目前已經發現在滲濾液中可能存在的有機物超過100種。
（4）滲濾液中無機污染物的組份也十分復雜，其成分和濃度在很大程度上與填埋垃圾的成分和時間有關，主要以Cl－、SO42－、Ca2＋、Mg2＋等離子來表征。
（5）生活垃圾中的金屬物質，經淋濾和各種酸化作用后進入滲濾液，使滲濾液中重金屬離子含量遠遠超過工業水排放標準和生活水飲用標準。
1.2 防滲系統的功能要求
對這種成分極其復雜、污染性極強的滲濾液進行控制，最有效的措施就是建立防滲系統。在填埋場中建立的防滲系統是否有效達到防滲目的，一方面取決于防滲系統是否能有效阻止滲濾液外泄，另一方面取決于防滲系統是否能有效阻止污染物向外遷移，同時還要盡量阻止地下徑流進入填埋場，防止產生更多滲濾液。
一般來說，一個良好的填埋場防滲系統應具有以下功能[4]：
（1）盡量封閉滲濾液于填埋場中，使其進入滲濾液收集系統，防止其滲透流出填埋場之外，造成對周圍土壤、地下水及地表水的污染；
（2）防止地下徑流進入填埋場，避免產生過多滲濾液，使處理量增加；
（3）避免填埋場內產生的氣體向外遷移，使之得到有控釋放，提高收集效率；
（4）與滲濾液有很好的化學相容性，能抵抗滲濾液的侵蝕，能有效阻滯滲濾液中的有害污染物質；
（5）具有足夠的強度和耐久性，保證填埋工作壽命之內防滲系統的安全性；
（6）具有較好的環境效應，本身不會對環境產生負面影響和破壞。
2 粘土固化注漿帷幕的防滲阻滯特性
2.1 漿液的組成及固化機理
粘土固化漿液由主成分、結構劑、添加劑和水組成。主成分為高嶺土，過80 μm孔篩；結構劑為425普通硅酸鹽水泥；添加劑為水玻璃，模數3.2，波美度40 Be。最佳固液比1∶3~1∶2，粘土含量占總固相的60%~80%(質量分數,下同)，添加劑含量為1%~2%。
以粘土為主要成分的這種注漿材料，可以根據工程需要調整其結構劑和添加劑，獲得性能各異的漿液，采用不同的注漿工藝即可實現不同工程的防滲堵水要求。
一般情況下，通過添加結構劑和輔助添加劑來調整其結構形成過程。這種漿液體系的固化過程具有較明顯的三個階段[5]：水泥熟料礦物的開始水化階段、強力水化階段、體系結構強度的緩慢增長和抗滲性的增長階段。通過改變結構劑、添加劑的類型和加量，可以有效地控制三個階段的長短，以適應不同地質條件的變化和確定合理的注漿工藝流程，確保注漿堵水效果。
2.2 粘土固化注漿帷幕的抗滲性能
由于粘土固化漿液的組成成分主要以細顆粒的粘土為主，同時水泥和水玻璃的加入改善了漿液的固化過程，使得帷幕的抗滲性能大大提高。通過試驗研究[6]，粘土固化注漿帷幕對滲濾液的抗滲具有如下特征：
（1）粘土固化注漿帷幕的滲透系數與水泥和粘土加量關系密切，而水玻璃的主要作用是提高早期強度，對滲透系數的影響并不明顯。
（2）粘土固化注漿帷幕對滲濾液的阻滲效果與滲透歷時有關。隨著滲透歷時的延長其滲透系數逐漸下降并趨于某一特定值后達到穩定滲流。
（3）粘土固化注漿帷幕對滲濾液的阻滲效果與滲濾液的性質有關。試驗條件下：重金屬離子>有機物>蒸餾水。
（4）滲濾液中污染物在粘土固化注漿帷幕中的遷移速度受到污染物自身濃度的制約和限制。
（5）粘土固化注漿帷幕對滲濾液的阻滲作用與滲濾液的pH值有關，酸性條件下重金屬離子易遷移，堿性環境有利于對污染物的阻滯。
2.3 粘土固化注漿帷幕的吸附性能
在垃圾衛生填埋場建設中，通過建立合理的防滲帷幕(環境介質)來改變水動力條件，從而可以控制污染物質從污染源向周圍環境擴散的速率和數量，達到保護地質環境的目的。
對去污功能取決定作用的影響因素是吸附，粘土固化注漿帷幕具有較大的比表面積（SBET）和陽離子交換容量（CEC），見表2，因此對污染物質具有較強的吸附能力。
表2 粘土固化注漿帷幕的SBET和CEC值
試樣編號 原土 X34 X24 X14 X23 X22
SBET/m2.g-1 85.4 28.7 35.8 48.7 38.9 34.8
CEC/mmol.kg-1 39.6 526.9 520.6 366.3 503.5 453.2
試驗研究表明[7]粘土固化注漿帷幕對重金屬離子和有機物均有較好的吸附效果。粘土固化注漿帷幕對Pb2＋和Cd2＋的吸附能力與漿液配比密切相關，在室溫和pH5.0條件下漿液組分中水泥與粘土之比為2∶4時吸附能力最強。試驗條件下Pb2＋的吸附量大于Cd2＋，在Pb2＋和Cd2＋之間存在競爭吸附，Pb2＋的競爭吸附系數大于Cd2＋，且Pb2＋的吸附速率大于Cd2＋。研究表明，粘土固化注漿帷幕對重金屬離子和有機物的吸附過程符合Freundlich等溫吸附曲線模型，相關系數在93%以上。
進一步研究表明[6]，以粘土固化漿液在填埋場建立的垂直防滲體系，對污染物具有較強的吸附作用，在pH＝6.0的條件下其吸附率可以達到80%以上，帷幕的組成以粘土∶水泥=2∶1為宜，而不同季節帷幕對滲濾液的凈化能力變化不大，相對來說寒冷的冬季比炎熱的夏季其阻滯凈化能力要好，但枯水季節其阻滯能力有所下降。
3 粘土固化注漿帷幕在填埋場防滲工程中的應用[6,8]
3.1 工程概況
南昌市麥園生活垃圾衛生填埋場是南昌市的重要環保工程，位于昌北麥園(新建縣望城鄉)，占地面積2.09 km2，總體庫容約1790m3，由基本壩、副壩、截洪溝、邊溝、排水管及污水處理設施等組成。填埋場的設計使用年限為31年。
3.2 工程地質和水文地質條件
該場區上部地層主要為第四系全新沖洪積粉質粘土和含粘土粉細砂層，下部地層為厚度18m左右的砂礫石層，下臥側裂隙較發育，其中北西、北北兩組為導水隙。區內鄰近分水嶺、地表水系不發育，場區地下水分布主要有第四系松散層孔隙及基巖風化裂隙水和構造裂隙水兩種類型。基本壩的東部由于斷層的存在該區的裂隙連通性好、滲透性相對較強，其余部位覆蓋層為壤土、滲透性為極弱一微弱。下伏基巖的滲透性各處不一，在不同的風化層及同一風化層的水位有一定的差異，滲透系數變化區間為10-3~10-6cm/s。
3.3 粘土固化注漿帷幕設計
為實現對場區內滲濾液進行有效封堵，防止場區對周圍環境帶來不良影響，需對基本壩及左右壩肩至80m標高截洪溝這些地段進行防滲處理。經多方案比較和對該工程水文地質的詳細研究，決定采用垂直防滲方案，即在地下水匯集的出口處構筑防滲帷幕，采用粘土固化注漿技術將地下水出口處的巖石裂隙充填封閉，使上游受污染的地下水阻集于帷幕后的調節池。注漿帷幕設計軸線位于壩前調節池以東南100m，在滲透性大的地區采用雙帷幕注漿，滲透性小的地方采用單帷幕注漿。雙帷幕區注漿孔距為3.00m，梅花狀布置，單帷幕區孔距為2.50m，注漿孔深為23~30m，具體孔深由防滲標準ω=0.01L/(min.m.m)控制確定。注漿段長據壓水試驗值的大小來確定，一般為5~10m。注漿壓力按設計壓力0.4~0.6MPa的要求，并根據地層情況適當調整，較完整基巖段注漿壓力為0.4~0.7MPa；接觸帶及第四系地層注漿時，為避免地表冒漿，壓力宜適當減小，并適當延長注漿時間。
3.4 粘土固化注漿帷幕的防滲效果
一般來說，帷幕的防滲等級越高，其耐久性能越好，因此確保防滲效果的取得是工程成敗的關鍵。在施工過程中采用檢查孔對施工效果進行了測試。從整個工程的27個檢查孔的測試結果來看，粘土固化注漿在該工程中所取得的防滲效果是明顯的，所有的帷幕區基巖段ω值均小于0.01L/(min.m.m)，平均防滲效果提高了50～100倍。這種高標準的防滲帷幕，為實現對場區內有害物質的封堵，創造了有利條件，并提供了可靠保證。
2003年6月，在帷幕投入運行三年后對監測孔地下水和調節池內滲濾液進行了取樣檢測，檢測結果表明帷幕對污染物的阻滯作用明顯，地下水未出現污染情況，達到了理想的阻滯效果。檢測結果見表3。
表3 滲濾液監測結果 ρ/(mg.L-1)
檢測點位置 檢測項目
NH3-N CODcr BOD5 Cd Pb
調節池 358.0 3800 191 0.18 0.79
帷幕下游 0.37 71 3.50 <0.05 <0.02
調節池東側 0.06 59 5.80 <0.05 <0.02
調節池西側 0.11 39 7.50 <0.05 <0.02
3.5 工程技術經濟評估
按最初的方案設計，該工程選用水平襯墊方案，其預算投資高達5174.1～7855.4萬元，而以粘土固化注漿構建的垂直防滲系統，則僅為297.62萬元(19995年單價)，也就是說，從防滲工程子項來看，注漿帷幕防滲方案僅為人工水平防滲方案投資的1/20。這也使得麥園填埋場總投資從可行性研究報告采用水平襯墊方案的1.6億元降為初步設計中采用垂直防滲方案的8700萬元，節省工程投資近7000萬元，使單位投資降低到4.49元/m3，從而使該填埋場的建設成為可能。
從帷幕防滲系統的施工效果來看，粘土固化注漿技術的采用受到監理、業主及主管部門的一致認可，并因此取消了在帷幕上游調節池鋪設高密度聚乙烯(HDPE)覆蓋膜的計劃，使工程建設投資進一步減少。這足以說明，在場區內地質條件許可的前提下，以粘土固化注漿技術構筑填埋場中的垂直防滲系統，具有良好的社會環境經濟效益。對于向我國這樣的發展中國家，既要防治城市生活垃圾對環境的污染，又缺乏足夠資金建設填埋場的城市來說，只要場地條件適宜，這種工程量小、投資少的防滲措施將大有可為。
4 結 論
（1）在填埋場中建立的防滲系統，一方面需要有效阻止地下水向外滲漏，另一方面需要有效阻止滲濾液中的污染物質向外遷移，同時還要盡量阻止地下徑流進入填埋場，防止產生更多滲濾液。
（2）粘土固化注漿帷幕對滲濾液具有良好的阻滲性能，且阻滲效果與滲濾液性質有關，試驗條件下：重金屬離子>有機物>蒸餾水。
（3）粘土固化注漿帷幕對污染物具有較強的吸附作用，其吸附規律符合Freundlich等溫吸附模式。
（4）在場區條件適宜的情況下，粘土固化注漿帷幕應用到垃圾衛生填埋場中建立垂直防滲體系，其防滲效果能夠滿足填埋場設要求，能取得良好的經濟效益。
（5）在條件允許情況下，若采用水平防滲和垂直防滲相結合的綜合防滲系統就會更加保險，一旦庫底水平防滲襯墊破壞后不可修復，而垂直防滲的注漿帷幕則會發揮積極作用，確保庫區安全。
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