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复合土工合成材料在垃圾填埋场中的应用 肖衡林 湖北工业大学土木工程与建筑学院, 湖北 430068 肖 斌 张苏杭 湖北省水利厅水电工程检测研究中心, 武汉 430071 摘要 介绍复合土工合成材料排水 气垫层在垃圾填埋场中的应用情况。 对材料的渗透率、抗剪强度、长期折减系数 等关键指标进行详细研究, 给出基本的设计步骤 。并对复合土工合成材料试验、施工和选材等进行讨论并给出建议。 关键词 复合土工合成材料 排水 气 垃圾填埋 渗透率 抗剪强度 0 引言 随着城市的快速发展 ,固体垃圾迅速增加 ,因而, 城市固体垃圾的处理成为城市环境所关心的重要问 题。一般而言, 处理城市固体垃圾主要有堆填法、焚 烧法、发酵堆肥处理法及新一代热解气化处理法, 其 中,堆填为最经济的处理方式 。然而堆填不当 ,有可 能造成占据耕地资源、污染地表水和地下水 、 环境和 生态的恶化等问题。复合土工合成材料排水 气垫层 的使用从根本上解决垃圾填埋带来的环境和生态问 题。复合土工合成材料排水 气垫层由聚乙烯土工网 和聚丙稀土工布组成 ,其中,以土工网为基本骨架 ,在 土工网的一面或者两面, 通过热熔法, 将土工布粘贴 在土工网上, 就构成了排水 气垫层。根据不同的使 用要求 ,可将复合垫层置于垃圾表面或者垃圾中, 与 土体共同作用, 从而实现其基本功能。 1 复合土工合成材料应用 复合土工合成材料用于垃圾填埋场排水 气垫始 于20 世纪 80 年代 ,经过20 余年的发展, 其应用范围 不断拓宽,使用功能日益增强。纵观不同使用情况, 可将其应用场合分为 6 种, 每种场合的应用功能各不 相同 。 1 用作垃圾填埋场封盖系统中的排泄系统。主 要作用包括 保持面层稳定和减少潜在的表面侵蚀 。 2 用作封盖下的气体排泄和渗漏液收集系统。 主要作用包括 保持面层稳定和通过控制随机渗漏增 强环境容纳能力 。 3 用作衬垫系统中沥出液的主要收集和排泄系 统。主要作用为 通过收集和排泄沥出液维持主要衬 垫系统较低的水头压力。 4 用作沥出液的次要收集和排泄系统。主要作 用为 迅速高效地把从主要衬垫系统渗漏出来的液体 输送至水槽 。 5 用作沥出液再循环系统 。主要作用为 把再 循环的液体分配输送到固体垃圾中 。 6 用作垃圾内部排水 。主要作用为 为孔隙水 提供排水槽保持坡面稳定 。 2 设计指标 从复合土工合成材料在垃圾填埋场中的应用情 况来看,无论埋设部位和功能要求, 其基本作用 排水 和排气; 对材料的参数要求 埋于土中的长期渗透率、 材料长期折减系数、材料内部抗剪强度。 2. 1 长期渗透率 长期渗透率是复合材料所具有的长期的能让气 体或者液体通过的能力, 从定义来看, 长期渗透率包 括长期气体渗透率和长期液体渗透率 。随着垃圾的 分解, 将不断产生垃圾废气 ,于是在封盖系统的土工 膜下产生气体压力, 这些额外的孔隙压力的出现将减 少土工膜上部有效应力, 从而造成坡面失稳。为了解 决该问题, 需要在土工膜下设置复合土工合成材料排 气垫层,收集和排泄垃圾废气 ,在此 ,便涉及到复合土 工合成材料的气体渗透率和排气容量的问题。当作 为衬垫系统中沥出液的收集和排泄系统时,复合土工 合成材料需要满足沥出液的排泄要求,而在垃圾填埋 场运作期间 ,沥出液冲击率并非一直不变 ,所以需要 针对不同时期, 具体设计和校核复合土工合成材料的 液体渗透率 。 2. 1. 1 气体渗透率 根据极限平衡法 , 坡面稳定安全系数计算公 式为 FS 抗滑力 下滑力 h c γccosβ -ug tanδ hc γcsinβ 1 式中 FS 抗滑安全系数 ; 56 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 hc 封盖厚度 m ; γc 封盖的密度 kN m 3 ; β 坡角 ; ug 气体扬压力 kPa; δ 复合土工合成材料与土工膜之间的摩 擦角 。 从式 1 可以得到最大容许气体压力值,计算公式为 μg- max γc hccosβ -FS γ chcsinβ tanδ 2 式中 μ g -max 最大容许气体压力值 kPa。 对于具有排气管的复合土工合成材料气体压力 的计算,1998年 Thief 提出公式 3 ug qg γg ψg D 2 g 3 式中 qg 单位面积垃圾的气体产量 m s; γg 气体密度 kN m 3 ; D 排气管间距 m ; φg 单位宽度的复合土工合成材料的气体 渗透率 m 2 s。 气体排放示意参照图 1。 图 1 气体排放示意图 qg的计算公式为 qgrg γ lHl 4 式中 rg 气体产生率 m 3kN s; γl 固体垃圾密度 kN m 3 ; Hl 固体垃圾的平均厚度 m。 根据式 2 和式 3 便可以得到复合土工合成材 料的设计气体渗透率 ,计算公式为 ψ g- r qg γ g γchccosβ -FS γ chcsinβ tanδ D 2 8 5 式中 ψg -r 复合土工合成材料的单位宽度设计 气体渗透率 m 2 s。 复合土工合成材料的气体渗透率通过试验确定, 值得说明的是, 实验室一般采用液体进行渗透率试 验,因此必须把液体渗透率折算为气体渗透率, 它们 之间的关系是 后者是前者的 10倍 。 2. 1. 2 液体渗透率 复合土工合成材料的液体渗透率采用公式 6 计算 。 ψf- r qfL sinβ 6 式中 ψf-r 复合土工合成材料的单位宽度设计 液体渗透率 m 2 s。 qf 液体冲击速度 m s; L 坡面的水平长度 m。 复合材料的铺设示意参照图 2。 图 2 复合材料的铺设示意图 液体冲击速度的大小取决于上部垃圾以及土体 的厚度 ,根据Schroeder 等的研究表明 液体冲击速度 和垃圾填埋场所处的运行阶段密切相关 ,垃圾填埋场 的运行过程大致分为 3 个阶段 初始阶段、活跃阶段 和关闭后阶段。在初始阶段, 表面排水设施还没有形 成,上部垃圾和填土厚度较薄, 于是将有相对量较大 的水流渗入沥出液收集系统, qf较大 ; 在活跃阶段, 上部垃圾厚度增加 ,表面排水设施逐渐完善 ,下渗水 流明显减少, qf有所减少 ; 在关闭后阶段, 封盖系统 已经形成, 下渗液体大大减少, qf也随之大大减少。 各阶段 qf值的计算可参阅 Schroeder 的 HELP 模型计 算系统。 由于采用复合土工合成材料排水,没有考虑材料 的过水能力 ,所以在设计渗透率时, 需要进行修正 ,即 在原设计渗漏率上乘以 1 个 1 的修正系数 , 从而达 到与砾石或者砂相同的排水能力。修正系数计算公 式为 E 1 0. 88 1 tp 0. 99l cosβ tanβ 7 式中 E 渗透率修正系数; tp 标准 指定的最大 水流深度 , 一 般为 0. 3 m; l 坡面长度 m。 57 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 2. 2 抗剪强度 2. 2. 1 抗剪强度计算 为了防止土工布和土工网之间发生分离 ,需要保 持两者之间一定的粘结强度。Thiel 和 Narejo 等对此 进行了研究 ,通过试验发现 可以采用材料的剥离强 度对粘聚力进行描述 , 认为在较低的正应力下 , 每 1 N m 2的剥离强度相当于 0. 11 ～ 0. 15 kPa的粘聚力, 在此取最小值0. 11 kPa。另外一方面, 随着正应力的 增加 ,内部摩擦力也相应增加 ,研究表明 ,复合土工合 成材料上部荷载一般为 14 ～ 20 kPa ,在该状况下, 土 工网和土工布产生的摩擦力相当于具有 20 内摩擦角 产生的摩擦力, 于是抗剪强度计算公式为 τcaσ tanβ 0. 11Q σ tan20 8 式中 τ 抗剪强度 kPa; ca 土工布于土工网之间的粘聚力 kPa ; σ 正应力 kPa ; Q 剥离强度 N m 2 。 2. 2. 2 抗剪强度验算 为了防止复合土工合成材料发生土工布与土工 网的分离 ,因此需要进行抗剪强度验算 ,在此 ,可采用 抗滑安全系数进行验算。计算公式为 FS ca h γ P cosβtanδ h γP sinβ 0. 3P 9 式中 P 由施工机械产生的附加应力 kPa ; h 上覆土厚 m ; γ 上覆土密度 kN m 3 ; 其中 ,P 的计算式为 P W 2 a 2h b 2h 10 式中 W 施工机械质量 N ; a 施工机械轮胎宽 m ; b 施工机械轮胎长 m。 对式 9 和式 10 说明如下 ① 式 9 中的 0. 3P 指的是由于施工机械加速或 者减速时所产生的平行坡面的附加应力 ; ② 式 10 中假设施工机械的附加应力沿着轮胎以 1∶ 1的坡度向下传递。当计算的 FS ≥ 1时,则满足要求。 2. 3 长期折减系数 埋于垃圾中的复合土工合成材料由于蠕变、 化学 和生物堵塞等作用, 渗透率均有所降低 。 2. 3. 1 化学堵塞折减系数 RFcc 根据沥出液化学成分及材料暴露时间长短,化学 堵塞系数取值有所不同 , 取值范围为 1. 2～ 4. 0。在 垃圾填埋场的初始阶段, RFcc取最小值 1. 2; 在活跃期 的前期 RFcc取 1. 5,在活跃期的后期 RFcc取 2. 0; 在关 闭后阶段, RFcc取 4. 0。 2. 3. 2 生物堵塞折减系数 RFbc 由于生物或者有机物,比如真菌、 藻类或者植物根 系等的作用将造成渗透率的降低。根据以往经验,生 物堵塞折减系数 RFbc的取值范围为 1. 1～ 1. 3,在垃圾 填埋场的初始阶段取小值 ,在关闭后阶段取大值。 2. 3. 3 蠕变折减系数 RFcr 具有不同的土工网骨架 包括结构、厚度 、 质量和 密度 ,承受不同应力的复合材料具有不同的蠕变折 减系数 ,大致取值范围为 1. 1～ 1. 4。在初期取小值, 在后期取大值, 保守起见 ,在关闭后阶段可以取 2. 0。 2. 4 设计步骤 ① 设计渗透率的计算 根据式 5 和式 6 计算出 气体和液体的渗透率 ψd。 ② 容许渗透率的计算 根据公式 ψ aRFcc RFbcRFcrψd计算容许渗透率 ψa。 ③ 特征渗透率的计算 根据公式 ψsFSdψd计 算容许渗透率 ψ s,其中 FSd为整体安全系数, 取值范 围为 2. 0～ 3. 0。要求特征渗透率不大于试验所测得 的100 h 的材料渗透率, 即 ψs≤ψ100。 ④ 进行坡面整体稳定验算和材料本身抗剪强度 验算 。 3 建议及讨论 3. 1 产品结构 复合土工合成材料的制造过程,首先用热楔或者 气焰对土工网 骨架 表面加热 ,之后通过反向旋转滚 筒将土工布粘贴在骨架表面,等骨架冷却后,土工布便 牢固地粘贴在土工网表层, 于是形成复合土工合成材 料的迭片结构 ,即复合土工合成材料的迭片结构是在 一定的压力和高温下形成的。如果采用较低的压力和 温度,产品会具有很好的渗透率, 但是迭片结构强度 即土工布的剥落强度 将会很低, 如果采用高压高温 , 迭片结构能得到较高结构强度 ,但是渗透率将大大降 低,甚至还可能造成骨架的损坏。所以在产品生产时 , 要注意温度和压力的选择, 建议以土工布的剥落强度 为90～ 180 N m 2 为合适, 既可以满足粘结合剪切强度 要求,又能保证较好的渗透率。 下转第 83 页 58 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 3. 3 生物膜过滤 生物膜滤池的主要作用除去废水中的 SS 、 CODCr 及硝态氮 ,采用生物脱氮的基本原理先将废水中有机 氮转化为氨氮, 然后通过硝化反应 实际在生化池中 完成 将氨氮转化成硝态氮 ,再通过反硝化反应将硝 态氮转化成气态氮从水中溢出 , 从而达到脱氮的 目的 [ 5] 。 本工艺采用平流式生物滤池, 在生物滤池中采用 了特制的滤料, 滤料的堆放方式与通常的堆放方式不 同。采用高位的生物接触氧化池的上清液对滤料进 行冲洗,冲洗后废液回流到调节池再进行处理即可 。 出水经过密云市有关部门连续 3 d 不间断监测, 综合监测结果如表 2。 表 2 污水处理后的水质mg L 污染因子氨氮CODCrBOD5SS油类pH 流量 m3d-1 监测结果5～ 7 12～ 14 3～ 4 9～ 13 未检出7600 4 结论 本生活污水处理技术 ,在没有采用一次性投资较 大的渗透膜法的前提下, 综合了活性污泥 、 接触氧化、 生物过滤、消毒等反应功能,有效地处理了生活污水, 并将生活污水的 CODCr处理到 15 mg L 以下 ,达到了 北京市一类保护区的一级排放标准 ,优于国家一级排 放标准,且投资省,运行费用低 ,是适合我国国情的处 理城市小区生活污水的实用技术。 参考文献 [ 1] 奚旦立, 孙裕生. 环境监测. 北京 高等教育出版社, 2004 17 -22. [ 2] 陈立民, 吴人坚. 环境学原理. 北京 科学出版社, 2003 171-184. [ 3] 张再利, 朱宛华. 一体式膜生物反应器处理城市生活污水. 合肥 工业大学学报 自然科学版 , 2004, 27 10 1284 -1287. [ 4] 高廷耀, 顾国维. 水污染控制工程, 下册. 北京 高等教育出版社, 1999 251 -256. [ 5] 许葆玖, 龙腾锐. 当代给水与废水处理原理. 北京 高等教育出版 社, 2000 531 -538. 作者通讯处 周继军 450052 郑州市大学路桃源路 48 号 8 栋一单 元 6 楼东 电话 0371 68256985 2006- 06-23 收稿 上接第 58页 3. 2 产品要求 ① 当坡比 20时, 建议采用剥离强度不低于 180 N m 2的材料; ② 严格控制土工布和土工网分离的面积 ,要求在 接逢处土工布和土工网的未粘着宽度≯0. 15 m 。 3. 3 试验测试 为了提高试验数据的有效性, 应该尽可能使试验 条件和现场条件相同。试验条件包括 施加荷载、 水力 梯度 在进行液体渗透率时 、 边界条件和试验时长。 ① 施加荷载 施加的荷载应该等于现场不同阶段 所受的最大荷载 ; ② 水力梯度 水力梯度大小取 sinβ; ③ 边界条件 边界条件指的是试验时复合土工合 成材料的上覆和下垫材料状况 。试验时 ,上覆材料应 该采用现场土, 下垫材料应该采用土工膜。 ④ 试验时长 试验时长不得少于100 h。 3. 4 施工及机械要求 ① 尽量使用轻量级的施工设备 ,特别是对于坡度 陡于 33 的坡面 ; ② 一般情况下,推土机从坡角把土体往坡顶摊铺; ③ 复合土工合成材料上的覆土厚度 ≮0. 3 m, 填 土越厚越有利。 4 结语 1 复合土工合成材料的应用减少了垃圾填埋场 的孔隙水压力和气体压力 ,使得结构趋于稳定 。 2 复合土工合成材料有效地解决了垃圾填埋场 的环境和生态问题。 参考文献 [ 1] 张训祥, 王钊, 肖衡林. 排水与加筋复合型土工合成材料. 武汉大 学学报 工学版 . 2003, 36 1 69 -72. [ 2] 王俊奇, 王钊等. 土工合成材料在城市固体垃圾填埋场中的应 用. 工程勘察,2003 3 7 -9, 43 . [ 3] Richard Thiel, Gregory N , Richardson and Dhani Narejo . Geocomposite drainage lavers in landfill, part 1 to part 4. GRF . 2005, January- Mary. [ 4] Richardson and Zhao . Composite drains for side slopes in landfill cover. GRF . 1998, June Iuly 22 -25. [ 5] Zhao and Richardson. Lateral drainage systems over landfill barrier systems Flat slopes. GRF. 1998,August 21 -23. [ 6] Richardson et al. Lateral drainage design update-Part 1. GRF. 2002, January February 18 -21. [ 7] Richardson et al. Lateral drainage design update-Part 2 J . GRF . 2002, March 18-21. 作者通讯处 肖衡林 430068 湖北工业大学土建学院路桥系 2006- 04-10 收稿 83 环 境 工 程 2007年 2 月第25 卷第1 期 other sludges, such as urban and papermaking sludges etc. Keywords printing the faults and noise sources of the unit were determined based on the frequency spectrum and noise distribution and the project for eliminating faults and reducing noise was established according to vibration -acoustics analysis. And then a sound insulation cover was built by optimizing some parameters of the compound sound -absorbing structure. This can provide the reference for faults diagnosis and noise control of the large -scale units. Keywords chiller, vibration-acoustics analysis, noise control and sound-absorption structure THETECHNOLOGYOFLANDFILLLEACHATETREATMENTUSINGAGED -REFUSE BIOREACTORBian Bingxin Zhao Youcai Zhou Zheng et al 52 Abstract This paper isgoing to study the constituentsof aged -refuse less than 15 mm after being sieved and design aged -refuse bioreactors to treat landfill leachate with fillers of those constituents. It is shown that aged -refuse has larger adsorption specific surface area, biggish ion exchange capacity, higher contents of organic matter and considerable microorganism species groups both onvariety and quantity which are usedfor biodegradation. Thus it is a kindof excellent biomedium inwaste water treating. It is indicated in engineering applications that the total removal rate of CODCrand NH 4-N can be seperately high than 90 and 95 and the effluent can come up to the state landfill leachate discharging standard within the second grade or the third grade stably after being treated by three aged -refuse bioreactors in -line. Keywords aged-refuse, bioreactor and leachate STUDY ONAPPLICATION OF GEOCOMPOSITE IN LANDFILL XiaoHenglin Xiao Bin Zhang Suhang 56 Abstract The application of geocomposite drainage layers in landfill is introduced briefly. It was studied the permeability, shear strength, long -term reduction factors and other key inds of the material in deteail. The design was given. At last, the test, construction, and material -selecting were discussed and recommendations were given. Keywords geocomposite, drainage, landfill and shear strength 4 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25, No. 1,Feb. , 2007