土工合成材料在城市生活垃圾處理中的應用情況及前景
隨著我國經濟的發(fā)展，城市化和工業(yè)化進程的加快，環(huán)境污染和資源短缺問題日益顯現，尤其是城市大量產生的固體廢棄物已對人類生存環(huán)境造成了極大的危害。據世界銀行2005年報告，中國最近已超過美國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到1.9億噸，工業(yè)固體垃圾達12億噸，并以每年8.98%的速度增長，三分之二城市已出現垃圾圍城現象。預計到2010年，全國城市生活垃圾總產量為3.2億噸/年，日均68.7萬噸。隨著人類環(huán)保意識的增強，解決城市固體廢棄物問題日趨重要，基本途徑是減量化，資源化和無害化。而興建生活垃圾衛(wèi)生填埋場是最有效的方式?，F代生活垃圾衛(wèi)生填埋場包括復合襯墊系統(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、我國生活垃圾處理設施現狀
 圖1 現代衛(wèi)生垃圾填埋場簡圖 |
目前最常用的處理方法為堆肥、焚燒和填埋。前兩種方法在我國推廣應用廣泛，但是不同程度的存在肥質差、成本高以及嚴重的二次污染，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手段的限制，大多數填埋場只是進行簡單的填埋處理，不具備必要的環(huán)境保護設施，因此對環(huán)境仍具有非常惡劣的影響。隨著國家對環(huán)保的重視和加大投入，各地政府關注民生，垃圾處理投入不斷加大，垃圾處理設施從無到有，從簡單到現代化，發(fā)生了可喜的變化。截至2005年底，全國共有垃圾處理設施850多座，日處理能力僅有20 多萬噸。其中設計城市535座，填埋、堆肥、焚燒和其他分別占76.1%、2.7%、12.4%和8.8%。縣城315座，填埋、堆肥、焚燒和其他分別占93.6%、0.9%、2.31%和3.21%。但處理能力遠遠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施。
二、今后垃圾處理設施規(guī)劃、目標及任務
國家規(guī)劃至“十一五”末期，全國城市生活垃圾無害化處理率應達到60%,其中：設計城市生活垃圾無害化處理率達到70%,縣城生活垃圾無害化處理率達到30%。
國家“十一五”垃圾處理項目建設規(guī)劃技術路線：
1.不同處理技術的選擇原則：
（1）衛(wèi)生填埋處理作為生活垃圾的最終處理方式是每個地區(qū)必須具備的保證手段，在具備衛(wèi)生填埋場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現生活垃圾的減容、減量、資源化，在經濟發(fā)達、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。
（3）在實行生活垃圾分類收集，堆肥產品有出路的城市，可發(fā)展適宜的生物處理技術，但對未普及生產分類收集的城市，應謹慎發(fā)展以產出肥料為目的堆肥處理技術。
（4）鼓勵采用對多種處理技術進行有效集成、合理配置的綜合處理技術，在實現生活垃圾無害化處理的同時，實現垃圾中資源的多效率回收利用。
2.不同經濟發(fā)展狀況地區(qū)的技術選擇：
（1）東部地區(qū)，垃圾處理應以衛(wèi)生填埋場為基礎，在具備條件的城市，鼓勵使用焚燒或生化處理技術進行前處理。
（2）西南地區(qū)，現階段可以衛(wèi)生填埋處理為主，隨著經濟的發(fā)展，逐步加大焚燒或生化技術的使用比例。
（3）西北地區(qū)，生活垃圾處理以衛(wèi)生填埋技術為主。
（4）中部地區(qū)和東北地區(qū)，生活垃圾處理現階段應以衛(wèi)生填埋場為主，適度發(fā)展其他處理工藝。
3.規(guī)劃建設項目。
“十一五”期間規(guī)劃新增生活垃圾無害化處理能力29.2萬噸/日，具體新建處理設施項目為：東部建95座填埋場，8座焚燒場；中部106座填埋場、6個焚燒場；東北58座填埋場，4個焚燒場；西南：30個填埋場，6個焚燒場。填埋場總計建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。
建設部《生活垃圾衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)工程技術規(guī)范》規(guī)定：垃圾填埋場防滲系統(tǒng)工程中應使用的土工合成材料：高密度聚乙烯膜、土工布、GCL、土工復合排水網等。
1.高密度聚乙烯（HDPE）膜
用于垃圾填埋場防滲系統(tǒng)工程的土工膜除應符合國家現行標準GJ/T234的有關規(guī)定外，還應符合下列要求：
（1）厚度不應小于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
垃圾填埋場防滲系統(tǒng)土工工程中使用的土工布應符合下列要求。
（1）應結合防滲系統(tǒng)工程的特點，并應適應垃圾填埋場的使用環(huán)境。目前：以丙綸短纖土工布、滌綸長絲土工布、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、耐風吹，卷曲牢度強等特點，在北京、天津、河北、河南等地廣泛應用，效果很好。解決了長絲紡粘土工布卷曲牢度小，抗風抗沖刷能力差，一層層脫落掉毛的缺點。
（2）土工布用作HDPE膜保護材料時，規(guī)格不應小于600g/m2.
（3）土工布用于盲溝和滲瀝液收集導排層的反濾材料時，規(guī)格不宜小于150g/m2。
（4）土工布應具有良好的抗老化和抗紫外線功能。
3. 鈉基膨潤土防水毯（GCL）
垃圾填埋場防滲工程中鈉基膨潤土防水毯（GCL）的性能指標應符合國家現行標準要求。并應符合下列要求：
（1）GCL應表面平整，厚度均勻，無破洞，破邊現象。應無殘留斷針。
（2）單位面積質量不應小于4800g/m2，其中單位面積膨潤土質量不應小于4500g/m2。
（3）膨潤土體積膨潤度不應小于24ml/2g.
（4）抗剝強度不應小于65N/10cm.
（5）抗拉強度不應小于800N/10cm.
（6）滲透系數應小于5×10-11m/S
（7）抗靜水壓力0.6mPa/1h無滲漏。
4. 土工復合排水網
用于防滲系統(tǒng)工程的土工復合排水網應符合下列要求：
（1）土工復合排水網中土工網和土工布應預先粘合，且粘合強度大于0.17KN/m。
（2）土工復合排水網宜使用HDPE材質，縱向抗拉強度應大于8N/m。橫向抗拉強度應大于3KN/m。
（3）土工復合排水網的土工布要求不宜小于200g/m2。
（4）土工復合排水網的導水率選取應考慮蠕變折減因素、生物及化學淤堵折減因素。
四、土工合成材料在衛(wèi)生填埋防滲系統(tǒng)中的應用
1.填埋場地基防滲系統(tǒng)
填埋場必須進行防滲處理，防止對地下水和地表水的污染，同時還應防止地下水進入填埋區(qū)。人工防滲系統(tǒng)應符合下列要求：
（1）人工合成襯里的防滲系統(tǒng)應采用復合襯里防滲系統(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)，在特殊地質和環(huán)境要求非常高的地區(qū)，庫區(qū)底部采用雙層襯里防滲系統(tǒng)。
（2）復合襯里應按下列結構鋪設：
a.庫區(qū)底部復合襯里結構（圖2a）基礎，地下水導流層，厚度應大于30cm，膜下防滲保護層，粘土厚度應大于或等于100cm，滲透系數不應大于1.0×10-7cm/s ,HDPE土工膜，膜下保護層，滲瀝液導流層，厚度應大于或等于30cm,土工織物層。
 圖2a |
b.庫區(qū)邊坡復合襯里結構（圖2b）基礎。地下水導流層，厚度應大于30cm；膜下防滲保護層，粘土厚度應大于75mm；滲透系數不應大于1.0×10-7cm/s，HDPE土工膜，膜上保護層，滲瀝液導流與緩沖層。
 圖2b |
（3）單層襯里應按下列結構鋪設。
a.庫區(qū)底部為層襯里結構（圖3a）?；A，地下水導流層，厚度大于30cm，膜下保護層，粘土厚度應大于100cm，HDPE土工膜，膜下保護層，滲瀝液導流層，厚度應大于30cm,土工織物層。
 圖3a |
 圖3b |
（4）特殊情況下可采用鈉基膨潤土墊代替膜下防滲保護層。
2.填埋場封場覆蓋系統(tǒng)
填埋場封場必須建立完整的封場覆蓋系統(tǒng)。封場覆蓋系統(tǒng)結構由垃圾填埋場平頂表面順序應為：
排氣層、防滲層、排水層、植被層、如圖4所示：
 圖4 |
（1）排氣層，應設置排氣層，施加于防滲層的氣體壓強不應大于0.75Kpa。排氣層應采用粒徑為25-50mm，倒排性能好，抗腐蝕的粗粒多孔材料。厚度不應小于30cm，氣體導排層宜用與導排性能等效的土工復合排水網。
（2）防滲層，可由于土工膜和壓實黏土或GCL組成復合防滲層。土工膜選擇厚度不應小于1mm的高密度聚乙烯（HDPE）或線性低密度聚乙烯土工膜（LLDPE），土工膜上下表面應設置土工布。
（3）排水層頂坡應采用粗?；蛲凉づ潘W，邊坡應采用復合排水網，材料應有足夠的導水性能。
（4）植被層應由營養(yǎng)植被層和覆蓋支持土層組成。
五、衛(wèi)生填埋場防滲系統(tǒng)材料選用與設計
近年來，隨著生產垃圾、生活垃圾、商業(yè)垃圾和旅游垃圾等大量固廢的產生，衛(wèi)生填埋場成為城市垃圾最終處理的方式之一。衛(wèi)生填埋場簡言之就是在鋪設良好防滲性能襯墊的場地上，將固體廢棄物鋪成一定厚度的薄層，加以機械壓實，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設計的主要核心所在。目前國內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耐久性的防滲材料。主要特征：化學性能穩(wěn)定，垃圾滲濾液不會對其構成威脅，低滲透性，確保地下水和雨水滲透液不會滲過襯墊，甲烷氣體不會溢出排放系統(tǒng)，抗紫外線性能穩(wěn)定。HDPE中的炭黑加強了抗紫外線能力。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，光面用于庫底，糙面增加防滑功能，解決庫坡掛不住膜和導排層的問題。傳統(tǒng)的糙面土工膜采用氮氣發(fā)泡技術，強力損失50%,形成了力學指標和防滑功能的矛盾，目前國外和國內大廠家發(fā)明了柱點防滑糙面土工膜，力學指標完全等同于光面膜，又加強防滑功能，是理想的庫坡防滲材料。
封場覆蓋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垃圾封場。其特性表現外：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：加強了與土，無紡布以及其它合成纖維的表面摩擦，加強了與土，水泥等的親和力，增強了防滑穩(wěn)定性。
加糙土工膜與粘土的最高摩擦系數：摩擦角29°時，凝聚力為6.0kpa:與無紡土工織物最高摩擦系數；摩擦角32°時，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.膨潤土防水毯（GCL）
GCL是膨潤土夾在土工織物中間或連接在土工膜上復合制成的，它是目前國內外填埋場應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：膨潤土容水量＞8%，單位面積質量＞4.5g/m2,滲透系數＜1×10-9cm/s。它的突出特點是利用高性能混土水反應時體積膨脹13-16倍的特性對損傷部位及3mm體內裂紋進行自我修補，同時它具有永久防水效果、高強度、高延伸率，耐腐蝕及耐沖擊性。
5.無紡土工織物
無紡土工織物簡稱無紡布，是衛(wèi)生填埋場防滲設計和施工必備材料。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纖無紡土工布。衛(wèi)生填埋場考慮到抗風吹、抗沖刷、耐酸堿，導排性能等因素，宜采用抗老化聚丙烯無紡土工布。
6.復合排水網
地下水收集導排系統(tǒng)，封場排氣層，排水層頂破應采用三維網芯的復合排水網。
六、垃圾填埋場應用土工合成材料存在的問題
1、施工損傷問題。
根據對填埋場問題調查，滲漏問題有97.6%的原因是機械施工損傷。因此，施工一定要嚴格遵照規(guī)范，切忌大型機械碾軋和鏟車底部違章作業(yè)，尤其是膜上作業(yè)，加強保護措施，嚴格施工規(guī)范。
2、特殊部位的處理。
對于山體垂直和角度較大的坡，錨固應在隔6-10m，增加一道平臺，導流層應用二層膨潤土防水毯或二層土工布。避免懸空吊掛。錨固點應做擠壓HDPE膜焊點處理。
3、 庫底鋪設土工膜后，膜上導排層不允許機械施工，但人工又非常慢，多數工地管理不嚴，存在機械施工現象，這是不允許的，一旦破壞膜，后果嚴重?？刹扇≡黾右粚訌秃吓潘W或一層阻根卷材。復合排水網要把布加厚到400g以上。減少導排層砂石厚度，或輕型機械施工并避免違章作業(yè)帶來的損傷。
總的看來，土工合成材料在衛(wèi)生垃圾填埋場中發(fā)揮了至關重要不可代替的作用。但是防機械損傷、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企業(yè)面前的新課題，期待早日解決。
七、結束語
全國“十一五期間生活垃圾無害化處理設施規(guī)劃總投資754.6億元，其中：生活垃圾處理設施616.2億元，為土工合成材料領域提供了廣闊發(fā)展空間。做為土工材料科研生產企業(yè)，應加大科研力度，創(chuàng)新產品功能，提高產品質量，為國家固廢處理事業(yè)，為人民生活健康作出應有的貢獻。
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