垃圾衛生填埋場覆蓋材料的研究與應用
引言
在經濟持續高速增長、生活水平迅速提高、城市化進程不斷加快的同時，我國城市生活垃圾的產量也與日俱增。垃圾中所含有的和產生的有害成分，會對大氣、土壤、水體造成污染，不僅嚴重影響城市環境質量，而且直接威脅人體健康，成為社會公害之一。因此，城市生活垃圾的處理成為亟待解決的重大環境問題。
在不同國家甚至同一個國家的不同發展時期對垃圾的處理方式也有較大的區別。總體而言，焚燒法、衛生填埋法和堆肥法是比較有代表性的。我國在“七五”期間，在借鑒發達國家先進經驗的基礎上，確認衛生填埋處理技術是最適宜我國國情的實用處置技術之一。建設部和科技部于1991年9月正式將衛生填埋處理技術確定為我國近期推廣的首選技術[1]。衛生填埋處理技術中，覆蓋材料的選擇對垃圾處理成本和處理技術都是至關重要的，因此，覆蓋材料的研究與開發是垃圾衛生填埋技術的主要內容。
1垃圾衛生填埋場覆蓋材料
1.1功能
根據我國《城市生活垃圾衛生填埋技術規范》（CJJ17-2004）中的要求，填埋應采用單元、分層作業，在垃圾進場后24h之內應完成攤鋪、壓實，達到規定高度后鋪設一層覆蓋材料，此為日覆蓋；每一作業區完成階段性高度后，暫不在其上繼續進行填埋時，應進行中間覆蓋；填埋場達到設計封場條件要求時，對其進行最終覆蓋。對填埋場進行覆蓋不僅可改善場內道路交通情況，方便下一步施工，并為施工人員的健康提供基本保證。歸納起來覆蓋材料主要有以下功能：
（1）防飛散控制。垃圾進場后雖然要進行壓實，但垃圾中許多輕質垃圾，如塑料袋、紙屑等仍會隨風揚起，此現象在沿海季風城市尤為明顯，鋪設覆蓋材料后，可有效減少這種情況發生。
（2）惡臭控制。填埋物的組份之一是居民生活垃圾，這其中含有大量有機物，這些有機物經生物降解后會發出惡臭氣味，嚴重威脅人類健康和環境。覆蓋材料可以阻止或過濾惡臭氣體的散發。
（3）火災控制。垃圾體內成分復雜，生物降解放熱等各種原因都可能引發火災。覆蓋材料隔絕了垃圾體與空氣的接觸，可以預防火災的發生，即使在火災發生后，也可以有效降低火勢蔓延的趨勢。
（4）對病媒動物的控制。垃圾體是蚊蠅等病媒動物繁殖和生長的優良場所，覆蓋材料可以防止蚊蠅進入垃圾體內，隔絕其食物來源，減少其棲息和繁殖的場所，并降低病菌通過病媒動物傳播的危險。
（5）美化環境。每個工作日后在垃圾體表面鋪設覆蓋材料美化作業環境，有利于施工人員的身體健康，同時這樣做還突出了衛生填埋場與露天垃圾堆的區別。
（6）雨、污水分流。填埋場中滲濾液的處理是比較棘手的一環，滲濾液的主要來源是大氣降水。因此在實際施工中應晝做到減少雨水等進入垃圾體。覆蓋材料可以將雨、污水分流后導入到預先設計、施工好的排水溝中，有效減少進入垃圾體的水量，從而控制了滲濾液的來源[2]。
1.2要求
目前我國相關規范中對覆蓋材料的要求并不完善，只是在介紹填埋場的作業和管理以及填埋場的封場等內容時提及了覆蓋材料。由于從我國開始廣泛采用衛生填埋技術后，覆蓋材料一般是采用黏土，所以規范中主要針對黏土做覆蓋材料做了一些相應的規定。如對黏土壓實度、鋪設厚度和滲透率提出了要求。具體規定如下：土的壓實密度應﹥600kg/m3。作為日覆蓋時黏土層的厚度宜為20~25cm，中間覆蓋土層厚度宜﹥30cm，最終覆蓋時土層厚度宜為90cm。在作為各種覆蓋層時滲透系數不應﹥1.0×10-7cm/s。對于其他種類的覆蓋材料，規定只提及覆蓋厚度根據覆蓋材料確定。
根據以上提到的各種功能及其要求，同時考慮經濟性，可以看出，覆蓋材料有其特殊要求：
（1）應有較好的整體密封效果，這樣能保證對臭味擴散和垃圾飛揚的控制，非最終覆蓋還不能影響接下來的垃圾填埋等作業。
（2）應有比較好的抗滲性能。因為衛生填埋場露天面積很大，特別在雨水比較充沛的區域，抗滲性良好的覆蓋材料可以減少垃圾填埋場中的滲濾液的量。
（3）應具有快速形成強度和整體性的特點，這在抑制垃圾臭味或在天氣炎熱以及多雨季節施工非常必要，而且可以縮短施工周期，也有利于下一作業的實施。
（4）為了防火等要求，覆蓋材料盡可能不采用有機材料，且覆蓋材料應來源廣泛，同時成本不能過高。
（5）覆蓋材料在使用中的鋪設厚度應盡可能薄，以節省填埋場的庫容。
垃圾填埋場覆蓋材料除以上要求外，覆蓋材料也應有美化環境或進行植被恢復的功能。
2黏土覆蓋材料的應用
黏土是一種來源較為廣泛的天然材料，一定含水率的壓實黏土具有比較好的抗滲透性能，因此是目前國內外廣泛采用的衛生填埋場覆蓋材料。
2.1黏土覆蓋材料的特點
黏土在低含水率狀態下為松散性材料，但是當黏土的含水率在一個特定的范圍內（12%~19%），其具有良好的塑性，可以被壓實，壓實黏土的滲透率約為1.0×10-7cm/s或更小，可以滿足填埋場的防滲要求，并且這種壓實黏土在干燥后力學性能也較好，有利于填埋場的邊坡穩定性。黏土是一種無毒無害的自然材料，不會對填埋場環境及人體健康造成危害。而且，黏土取村廣泛，尤其在山谷型的填埋場的初期建設中就可獲得大量黏土，這些黏土能夠在填埋場后期運作時作為覆蓋材料使用。另外，黏土主要是由硅酸鹽等無機物構成，其化學性質穩定，覆蓋于垃圾體后不易發生火災，并且有利于火災控制。
黏土作為垃圾衛生填埋場覆蓋材料，日覆蓋厚度達到20cm以上時，如黏土塑性較好，含水率合適，且進行有效壓實時，可在短期內有比較好的覆蓋效果，特別是作為最終覆蓋時還能進行植被恢復等。
2.2黏土覆蓋材料存在的問題
（1）黏土覆蓋材料的綜合性能較差。壓實黏土在含水率較低的情況下，具有比較高的強度，但如果長期間與水接觸或者干濕循環，黏土覆蓋材料的強度將明顯降低；黏土覆蓋層受天氣的影響也非常大，當降雨后，覆蓋層表面泥濘不堪，增加了再次進行施工的難度，并且降雨形成的地表徑流水會帶走部分黏土，使垃圾暴露在空氣中，失去覆蓋效果，而在陽光曝曬下，大面積鋪設的黏土層會因收縮產生干燥裂縫。因此黏土作為覆蓋材料在我國的南方地區使用缺點比較明顯。
（2）黏土覆蓋材料來源有限。黏土材料雖然是常見的天然材料，但符合垃圾衛生填埋場要求的黏土并不是隨處可得，我國不少地區填埋場所采用的黏土無法保證全部符合國家標準，所以也很難達到規定的壓實度，因此抗滲透、密閉性難以達到令人滿意的程度。
（3）（3）浪費垃圾衛生填埋場庫容。黏土覆蓋材料按填埋作業規范要求，每一單元的垃圾高度宜為2~4m，作業完成后應進行覆蓋，土層覆蓋厚度宜20~25cm。如按上述規范操作，則浪費庫容5%~10%，使填埋場的使用壽命大為縮短。這是由黏土性質所決定的，如果壓實黏土的厚度太薄，則難以達到抗滲甚至是密封效果。
（4）非最佳環保途徑。黏土覆蓋層如果壓實較好，有比較好的保濕隔熱性能，因此覆蓋層之下的蚊蠅蟲卵比較容易孵化生長，特別是黏土的pH值也非常適合蚊蠅的繁殖生長。此外，即使在黏土資源比較豐富的地區，黏土的大量開采也會造成環境和植被一定程度上的破壞。
3 新型衛生填埋場覆蓋材料的研究與應用
由于黏土覆蓋材料在不同程度上存在一些問題，新型垃圾衛生填埋場覆蓋材料的研究和應用就顯得很有必要，國內外已有一些研究成果和應用。根據目前報道情況，有一定應用前景的覆蓋材料大致上可以分為以下3類：工業渣土、土工布和高分子聚合材料。
工業渣土主要包括建筑廢磚、棄土、自來水廠污泥甚至污水處理廠污泥，也有采用其他灰渣等。這類材料在物理性能方面與黏土類似，在一些黏土短缺地區用來替代部分黏土作為覆蓋材料有一定的作用。土工布因價格較高，作為日覆蓋材料不太適合，一般用于垃圾衛生填埋場要求比較高的最終覆蓋使用，而且土工布覆蓋材料可以重復使用。高分子聚合材料類主要包括聚乙烯、聚丙烯塑料薄膜等，此類材料最初用于填埋場是以塑料薄膜的形成，但由于使用時很容易損壞，故應有針對性地進行改性。以下介紹幾種具有代表性的垃圾衛生填埋場覆蓋材料。
3.1自來水廠污泥
自來水廠污泥為非常規土，呈流塑狀。根據我國土的分類標準，按其物理性質可以定名為淤泥。以污泥作為覆蓋材料來源廣泛，價格低廉，為廢棄的污泥提供出路，以廢治廢，由于組成的顆粒較小，所以滲透系數小，抗滲性比較好。
但是，自來水廠污泥作為覆蓋材料時也存在一些問題：（1）孔隙比大（達6.75），而各單獨孔隙的直徑很小，特別是聚粒絮凝結構的孔隙更小，因此干燥后收縮性更大；（2）含水率很大，達70%，而且以結合水為主，故排水困難，排水過程緩慢，難以獲得一定的強度；（3）具有大的易變性——不穩定性，當外界條件變化，如加壓、震動、干燥、浸濕時，往往會產生質的變化，屬于易變結構。
由于自來水廠污泥的特點，既易產生干縮裂隙，又難以獲得足夠的強度和整體性，其穩定性比壓實黏土更差，因此對于大面積垃圾衛生填埋場覆蓋，自來水廠污泥的應用還存在很多問題[3]。
3.2復合土工合成材料
復合土工合成材料是由聚乙烯土工網和聚丙烯土工布組成，其中，以土工網為基本骨架，在土工網的一面或者兩面，通過熱熔法，將土工布黏貼在土工網上，就構成了排水/氣墊層。這種材料的特點是重量輕、易搬運、抗腐蝕、運輸貯存方便。
用復合土工合成材料來做覆蓋材料，由于其厚度較小，可以大量節省庫容空間；對氣、液的滲透控制嚴密，減少了孔隙水壓力和氣體壓力，使得結構趨于穩定。但是由于其厚度薄，因此抗穿刺能力差，在受到重物等荷載的作用下極易發生穿刺破壞。并且制造時形成針孔或者安裝焊接時形成縫隙都會造成滲透通道，降低抗滲透性能。如將復合土工合成材料作為可重復利用的材料使用時，由于施工操作復雜，導致運營成本偏高，而且重復使用時覆蓋材料易損壞，同時再次使用過程中對氣味的密封和抗滲透性等達不到規范要求。如果作為一次性覆蓋材料使用，如何保證兩層覆蓋材料之間的垃圾的連通性是需要解決的關鍵問題[4]。
3.3噴塑材料
噴塑覆蓋過程是將一種人工合成的樹脂與發泡液，經壓縮空氣發泡后快速地固化劑混合并噴灑在垃圾表面，在短時間內迅速形成厚度約2~3cm的閉孔泡沫塑料，對垃圾表面進行封閉。噴塑材料作為覆蓋材料需要解決以下問題：（1）需要獲得一種原料豐富、工藝簡便、價格低廉的樹脂；（2）篩選適合噴塑覆蓋用的發泡劑、固化劑和催化劑，以及確定使用比例；（3）需要輸送、發泡、混合、噴射等專用設備，且應有合適的施工工藝。
噴塑材料作為日覆蓋和中間覆蓋材料使用，能經受不同氣候條件。因為有較好的黏附性，能防止垃圾的飛散，也能控制蒼蠅蚊蟲的孳生和垃圾臭氣的散發，用其進行覆蓋后對周圍環境影響小。由于噴塑厚度較薄，覆蓋后可以有效的節省填埋場窖。但是噴塑材料在實際施工中對操作和機械化要求較高，原料成本也很高，同時也會存在干燥收縮引起的龜裂。另外，噴塑材料是由有機材料復合而成的有機高分子材料，其本身不易降解，而且易燃，因此也存在一些問題[5]。
4 衛生填埋場覆蓋材料的發展方向
在我國現代化的垃圾衛生填埋場也是最近幾年才得到推廣應用的，由于垃圾衛生填埋工藝等方面有比較高的要求，運行成本也比較高，我國很多垃圾衛生填埋場在對覆蓋材料的選用和施工上都有需要改進的地方。覆蓋材料的選用雖然只是垃圾衛生填埋以及垃圾處理的一個方面，但新的覆蓋材料研究與應用，將會促進垃圾衛生填埋場在我國的推廣應用，有利于促進我國的城市生活垃圾處理，特別在降低垃圾處理成本、提高處理效果方面，可能是一個重要的突破口。根據垃圾衛生填埋覆蓋材料的作用和性能要求以及我國現有覆蓋材料的使用情況，結合我國的具體情況，覆蓋材料的研究與應用應關注以下一些問題：
（1）充分利用現有垃圾衛生填埋場的覆蓋施工工藝與設備。建一個現代化的垃圾衛生填埋場投資需要幾個億，其中設備投資也占比較大的比例，新的覆蓋材料研究與開發應盡可能在原有覆蓋材料施工工藝的基礎上進行改進，目前幾乎所有垃圾衛生填埋場都是按覆蓋材料為黏土進行設計的，因此新的覆蓋材料一些性質應與黏土比較接近。據初步研究結果顯示，在黏土中加入10%~20%的改性材料，黏土經壓實或澆注后可形成一定的強度，但覆蓋層可以降低至2~4cm，就能達到20cm壓實黏土的抗滲性能。
（2）更高的性能要求。現有覆蓋材料的研究結果較多的是關注覆蓋材料某一性能的改善，作為替代黏土的新型覆蓋材料，應能在綜合性能上提高，特別是以下方面：
1）應大幅度提高抗滲性能，目前很多垃圾衛生填埋場的滲濾液處理已成為成本增加的主要環節，垃圾體由于有機物的腐爛發酵必然要產生滲濾液，但如果降雨，甚至地下水也混入滲濾液中，一方面增加滲濾液的處理量，另一方面滲濾液的濃度和量都不能保持相對恒定，這也會增加滲濾液的處理成本。
2）應能在使用期間內具有體積穩定性和抗滲密封性能，黏土壓實后也有非常好的抗滲性能，但遇雨或干燥后抗滲性能都將明顯劣化。
3）厚度能大幅度降低，（CJJ17-2004）規定如果采用黏土作為覆蓋材料壓實厚度應達到20cm以上，之所以規定要有一定的壓實厚度，是因為必須保證覆蓋材料所達到的抗滲性能和密封效果，但厚度太大必然影響垃圾衛生填埋場的庫容，按每2~4m垃圾要覆蓋20~25cm黏土計算，則庫容將會降低5%以上，這對投資巨大的垃圾衛生填埋場是一個比較大的浪費。
4）應有利于后續工序的開展，在垃圾表面覆蓋塑料板和薄膜，也能有比較好的密封效果，而且還可以重復使用，但這無論是對下層垃圾處理還是對工作環境都是不利的。
5）日覆蓋和中間覆蓋，應有一定的堿度，維持一定的堿度將會有效防止蚊蠅的孳生。
（3）效的檢測標準和手段。垃圾覆蓋層的覆蓋效果不僅與施工工藝有關，也與所采用的材料有很大關系，雖然有相應關于垃圾覆蓋效果的標準，但沒有與采用的材料相聯系。特別是我國目前很多垃圾衛生填埋場的覆蓋效果很難達到國家現有標準的要求，而且缺乏有效的檢測手段對現場覆蓋效果進行檢測，這實際上也一定程度上限制了新的覆蓋材料推廣應用。建立包括對覆蓋材料性能檢測在內的有效檢測標準和方法，不僅有利于新型覆蓋材料的應用，也有利于降低垃圾衛生填埋場的運行成本。
（5）其他固體廢棄物的利用。隨著我國經濟的快速發展，必然有大量的固體廢棄物產生，目前很多地區不僅廢棄物的利用甚至處置也面臨很多問題，堆放場地限制是其中問題之一，如果能將廢棄物處置與垃圾覆蓋材料相結合，不僅可以減少取土對環境的影響，而且也解決了固體廢棄物的堆放問題，特別是很多固體廢棄物具有與黏土相近的性能，如果對固體廢棄物進行改性或處理，則固體廢棄物的性質將發生很大變化，將是非常好的垃圾衛生填埋場覆蓋材料，這類新型覆蓋材料的使用將會降低覆蓋材料厚度，大幅度提高覆蓋材料的抗滲性能。
5 結束語
隨著城市化進程的加速和人們生活水平的提高，城市生活垃圾的處置是很多城市面臨的一大問題。城市生活垃圾衛生填埋在我國現階段是大力發展的技術，但很多地區垃圾衛生填埋場并沒有真正達到無害化處理，引起很多社會問題，一些新技術和新材料的應用將會促進這項垃圾處理技術的推廣應用，甚至能降低垃圾衛生填埋場的運行費用，其中新型覆蓋材料的研究和應用是一個重要的突破口。覆蓋材料所應具有的功能以及性能評定等很多問題，還有待進一步研究，但新型覆蓋材料的研究與開發是非常必要的。
參考文獻
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[3]辛偉,楊石飛.廢棄物做垃圾填埋場覆蓋材料室內實驗研究.城市道橋與防洪,2004(7):122-126
[4]肖衡林,肖斌,張蘇杭.復合土工合成材料在垃圾填埋場中的應用.環境工程,2007,25(1):56-58
[5]趙慶祥,盛兆琪,夏偉根,等.垃圾填埋場噴塑覆蓋技術.上海建設科技,1995(6):22-23
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