垃圾卫生填埋场覆盖材料的研究与应用
引言
在经济持续高速增长、生活水平迅速提高、城市化进程不断加快的同时，我国城市生活垃圾的产量也与日俱增。垃圾中所含有的和产生的有害成分，会对大气、土壤、水体造成污染，不仅严重影响城市环境质量，而且直接威胁人体健康，成为社会公害之一。因此，城市生活垃圾的处理成为亟待解决的重大环境问题。
在不同国家甚至同一个国家的不同发展时期对垃圾的处理方式也有较大的区别。总体而言，焚烧法、卫生填埋法和堆肥法是比较有代表性的。我国在“七五”期间，在借鉴发达国家先进经验的基础上，确认卫生填埋处理技术是最适宜我国国情的实用处置技术之一。建设部和科技部于1991年9月正式将卫生填埋处理技术确定为我国近期推广的首选技术[1]。卫生填埋处理技术中，覆盖材料的选择对垃圾处理成本和处理技术都是至关重要的，因此，覆盖材料的研究与开发是垃圾卫生填埋技术的主要内容。
1垃圾卫生填埋场覆盖材料
1.1功能
根据我国《城市生活垃圾卫生填埋技术规范》（CJJ17-2004）中的要求，填埋应采用单元、分层作业，在垃圾进场后24h之内应完成摊铺、压实，达到规定高度后铺设一层覆盖材料，此为日覆盖；每一作业区完成阶段性高度后，暂不在其上继续进行填埋时，应进行中间覆盖；填埋场达到设计封场条件要求时，对其进行最终覆盖。对填埋场进行覆盖不仅可改善场内道路交通情况，方便下一步施工，并为施工人员的健康提供基本保证。归纳起来覆盖材料主要有以下功能：
（1）防飞散控制。垃圾进场后虽然要进行压实，但垃圾中许多轻质垃圾，如塑料袋、纸屑等仍会随风扬起，此现象在沿海季风城市尤为明显，铺设覆盖材料后，可有效减少这种情况发生。
（2）恶臭控制。填埋物的组份之一是居民生活垃圾，这其中含有大量有机物，这些有机物经生物降解后会发出恶臭气味，严重威胁人类健康和环境。覆盖材料可以阻止或过滤恶臭气体的散发。
（3）火灾控制。垃圾体内成分复杂，生物降解放热等各种原因都可能引发火灾。覆盖材料隔绝了垃圾体与空气的接触，可以预防火灾的发生，即使在火灾发生后，也可以有效降低火势蔓延的趋势。
（4）对病媒动物的控制。垃圾体是蚊蝇等病媒动物繁殖和生长的优良场所，覆盖材料可以防止蚊蝇进入垃圾体内，隔绝其食物来源，减少其栖息和繁殖的场所，并降低病菌通过病媒动物传播的危险。
（5）美化环境。每个工作日后在垃圾体表面铺设覆盖材料美化作业环境，有利于施工人员的身体健康，同时这样做还突出了卫生填埋场与露天垃圾堆的区别。
（6）雨、污水分流。填埋场中渗滤液的处理是比较棘手的一环，渗滤液的主要来源是大气降水。因此在实际施工中应昼做到减少雨水等进入垃圾体。覆盖材料可以将雨、污水分流后导入到预先设计、施工好的排水沟中，有效减少进入垃圾体的水量，从而控制了渗滤液的来源[2]。
1.2要求
目前我国相关规范中对覆盖材料的要求并不完善，只是在介绍填埋场的作业和管理以及填埋场的封场等内容时提及了覆盖材料。由于从我国开始广泛采用卫生填埋技术后，覆盖材料一般是采用黏土，所以规范中主要针对黏土做覆盖材料做了一些相应的规定。如对黏土压实度、铺设厚度和渗透率提出了要求。具体规定如下：土的压实密度应﹥600kg/m3。作为日覆盖时黏土层的厚度宜为20~25cm，中间覆盖土层厚度宜﹥30cm，最终覆盖时土层厚度宜为90cm。在作为各种覆盖层时渗透系数不应﹥1.0×10-7cm/s。对于其他种类的覆盖材料，规定只提及覆盖厚度根据覆盖材料确定。
根据以上提到的各种功能及其要求，同时考虑经济性，可以看出，覆盖材料有其特殊要求：
（1）应有较好的整体密封效果，这样能保证对臭味扩散和垃圾飞扬的控制，非最终覆盖还不能影响接下来的垃圾填埋等作业。
（2）应有比较好的抗渗性能。因为卫生填埋场露天面积很大，特别在雨水比较充沛的区域，抗渗性良好的覆盖材料可以减少垃圾填埋场中的渗滤液的量。
（3）应具有快速形成强度和整体性的特点，这在抑制垃圾臭味或在天气炎热以及多雨季节施工非常必要，而且可以缩短施工周期，也有利于下一作业的实施。
（4）为了防火等要求，覆盖材料尽可能不采用有机材料，且覆盖材料应来源广泛，同时成本不能过高。
（5）覆盖材料在使用中的铺设厚度应尽可能薄，以节省填埋场的库容。
垃圾填埋场覆盖材料除以上要求外，覆盖材料也应有美化环境或进行植被恢复的功能。
2黏土覆盖材料的应用
黏土是一种来源较为广泛的天然材料，一定含水率的压实黏土具有比较好的抗渗透性能，因此是目前国内外广泛采用的卫生填埋场覆盖材料。
2.1黏土覆盖材料的特点
黏土在低含水率状态下为松散性材料，但是当黏土的含水率在一个特定的范围内（12%~19%），其具有良好的塑性，可以被压实，压实黏土的渗透率约为1.0×10-7cm/s或更小，可以满足填埋场的防渗要求，并且这种压实黏土在干燥后力学性能也较好，有利于填埋场的边坡稳定性。黏土是一种无毒无害的自然材料，不会对填埋场环境及人体健康造成危害。而且，黏土取村广泛，尤其在山谷型的填埋场的初期建设中就可获得大量黏土，这些黏土能够在填埋场后期运作时作为覆盖材料使用。另外，黏土主要是由硅酸盐等无机物构成，其化学性质稳定，覆盖于垃圾体后不易发生火灾，并且有利于火灾控制。
黏土作为垃圾卫生填埋场覆盖材料，日覆盖厚度达到20cm以上时，如黏土塑性较好，含水率合适，且进行有效压实时，可在短期内有比较好的覆盖效果，特别是作为最终覆盖时还能进行植被恢复等。
2.2黏土覆盖材料存在的问题
（1）黏土覆盖材料的综合性能较差。压实黏土在含水率较低的情况下，具有比较高的强度，但如果长期间与水接触或者干湿循环，黏土覆盖材料的强度将明显降低；黏土覆盖层受天气的影响也非常大，当降雨后，覆盖层表面泥泞不堪，增加了再次进行施工的难度，并且降雨形成的地表径流水会带走部分黏土，使垃圾暴露在空气中，失去覆盖效果，而在阳光曝晒下，大面积铺设的黏土层会因收缩产生干燥裂缝。因此黏土作为覆盖材料在我国的南方地区使用缺点比较明显。
（2）黏土覆盖材料来源有限。黏土材料虽然是常见的天然材料，但符合垃圾卫生填埋场要求的黏土并不是随处可得，我国不少地区填埋场所采用的黏土无法保证全部符合国家标准，所以也很难达到规定的压实度，因此抗渗透、密闭性难以达到令人满意的程度。
（3）（3）浪费垃圾卫生填埋场库容。黏土覆盖材料按填埋作业规范要求，每一单元的垃圾高度宜为2~4m，作业完成后应进行覆盖，土层覆盖厚度宜20~25cm。如按上述规范操作，则浪费库容5%~10%，使填埋场的使用寿命大为缩短。这是由黏土性质所决定的，如果压实黏土的厚度太薄，则难以达到抗渗甚至是密封效果。
（4）非最佳环保途径。黏土覆盖层如果压实较好，有比较好的保湿隔热性能，因此覆盖层之下的蚊蝇虫卵比较容易孵化生长，特别是黏土的pH值也非常适合蚊蝇的繁殖生长。此外，即使在黏土资源比较丰富的地区，黏土的大量开采也会造成环境和植被一定程度上的破坏。
3 新型卫生填埋场覆盖材料的研究与应用
由于黏土覆盖材料在不同程度上存在一些问题，新型垃圾卫生填埋场覆盖材料的研究和应用就显得很有必要，国内外已有一些研究成果和应用。根据目前报道情况，有一定应用前景的覆盖材料大致上可以分为以下3类：工业渣土、土工布和高分子聚合材料。
工业渣土主要包括建筑废砖、弃土、自来水厂污泥甚至污水处理厂污泥，也有采用其他灰渣等。这类材料在物理性能方面与黏土类似，在一些黏土短缺地区用来替代部分黏土作为覆盖材料有一定的作用。土工布因价格较高，作为日覆盖材料不太适合，一般用于垃圾卫生填埋场要求比较高的最终覆盖使用，而且土工布覆盖材料可以重复使用。高分子聚合材料类主要包括聚乙烯、聚丙烯塑料薄膜等，此类材料最初用于填埋场是以塑料薄膜的形成，但由于使用时很容易损坏，故应有针对性地进行改性。以下介绍几种具有代表性的垃圾卫生填埋场覆盖材料。
3.1自来水厂污泥
自来水厂污泥为非常规土，呈流塑状。根据我国土的分类标准，按其物理性质可以定名为淤泥。以污泥作为覆盖材料来源广泛，价格低廉，为废弃的污泥提供出路，以废治废，由于组成的颗粒较小，所以渗透系数小，抗渗性比较好。
但是，自来水厂污泥作为覆盖材料时也存在一些问题：（1）孔隙比大（达6.75），而各单独孔隙的直径很小，特别是聚粒絮凝结构的孔隙更小，因此干燥后收缩性更大；（2）含水率很大，达70%，而且以结合水为主，故排水困难，排水过程缓慢，难以获得一定的强度；（3）具有大的易变性——不稳定性，当外界条件变化，如加压、震动、干燥、浸湿时，往往会产生质的变化，属于易变结构。
由于自来水厂污泥的特点，既易产生干缩裂隙，又难以获得足够的强度和整体性，其稳定性比压实黏土更差，因此对于大面积垃圾卫生填埋场覆盖，自来水厂污泥的应用还存在很多问题[3]。
3.2复合土工合成材料
复合土工合成材料是由聚乙烯土工网和聚丙烯土工布组成，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，将土工布黏贴在土工网上，就构成了排水/气垫层。这种材料的特点是重量轻、易搬运、抗腐蚀、运输贮存方便。
用复合土工合成材料来做覆盖材料，由于其厚度较小，可以大量节省库容空间；对气、液的渗透控制严密，减少了孔隙水压力和气体压力，使得结构趋于稳定。但是由于其厚度薄，因此抗穿刺能力差，在受到重物等荷载的作用下极易发生穿刺破坏。并且制造时形成针孔或者安装焊接时形成缝隙都会造成渗透通道，降低抗渗透性能。如将复合土工合成材料作为可重复利用的材料使用时，由于施工操作复杂，导致运营成本偏高，而且重复使用时覆盖材料易损坏，同时再次使用过程中对气味的密封和抗渗透性等达不到规范要求。如果作为一次性覆盖材料使用，如何保证两层覆盖材料之间的垃圾的连通性是需要解决的关键问题[4]。
3.3喷塑材料
喷塑覆盖过程是将一种人工合成的树脂与发泡液，经压缩空气发泡后快速地固化剂混合并喷洒在垃圾表面，在短时间内迅速形成厚度约2~3cm的闭孔泡沫塑料，对垃圾表面进行封闭。喷塑材料作为覆盖材料需要解决以下问题：（1）需要获得一种原料丰富、工艺简便、价格低廉的树脂；（2）筛选适合喷塑覆盖用的发泡剂、固化剂和催化剂，以及确定使用比例；（3）需要输送、发泡、混合、喷射等专用设备，且应有合适的施工工艺。
喷塑材料作为日覆盖和中间覆盖材料使用，能经受不同气候条件。因为有较好的黏附性，能防止垃圾的飞散，也能控制苍蝇蚊虫的孳生和垃圾臭气的散发，用其进行覆盖后对周围环境影响小。由于喷塑厚度较薄，覆盖后可以有效的节省填埋场窖。但是喷塑材料在实际施工中对操作和机械化要求较高，原料成本也很高，同时也会存在干燥收缩引起的龟裂。另外，喷塑材料是由有机材料复合而成的有机高分子材料，其本身不易降解，而且易燃，因此也存在一些问题[5]。
4 卫生填埋场覆盖材料的发展方向
在我国现代化的垃圾卫生填埋场也是最近几年才得到推广应用的，由于垃圾卫生填埋工艺等方面有比较高的要求，运行成本也比较高，我国很多垃圾卫生填埋场在对覆盖材料的选用和施工上都有需要改进的地方。覆盖材料的选用虽然只是垃圾卫生填埋以及垃圾处理的一个方面，但新的覆盖材料研究与应用，将会促进垃圾卫生填埋场在我国的推广应用，有利于促进我国的城市生活垃圾处理，特别在降低垃圾处理成本、提高处理效果方面，可能是一个重要的突破口。根据垃圾卫生填埋覆盖材料的作用和性能要求以及我国现有覆盖材料的使用情况，结合我国的具体情况，覆盖材料的研究与应用应关注以下一些问题：
（1）充分利用现有垃圾卫生填埋场的覆盖施工工艺与设备。建一个现代化的垃圾卫生填埋场投资需要几个亿，其中设备投资也占比较大的比例，新的覆盖材料研究与开发应尽可能在原有覆盖材料施工工艺的基础上进行改进，目前几乎所有垃圾卫生填埋场都是按覆盖材料为黏土进行设计的，因此新的覆盖材料一些性质应与黏土比较接近。据初步研究结果显示，在黏土中加入10%~20%的改性材料，黏土经压实或浇注后可形成一定的强度，但覆盖层可以降低至2~4cm，就能达到20cm压实黏土的抗渗性能。
（2）更高的性能要求。现有覆盖材料的研究结果较多的是关注覆盖材料某一性能的改善，作为替代黏土的新型覆盖材料，应能在综合性能上提高，特别是以下方面：
1）应大幅度提高抗渗性能，目前很多垃圾卫生填埋场的渗滤液处理已成为成本增加的主要环节，垃圾体由于有机物的腐烂发酵必然要产生渗滤液，但如果降雨，甚至地下水也混入渗滤液中，一方面增加渗滤液的处理量，另一方面渗滤液的浓度和量都不能保持相对恒定，这也会增加渗滤液的处理成本。
2）应能在使用期间内具有体积稳定性和抗渗密封性能，黏土压实后也有非常好的抗渗性能，但遇雨或干燥后抗渗性能都将明显劣化。
3）厚度能大幅度降低，（CJJ17-2004）规定如果采用黏土作为覆盖材料压实厚度应达到20cm以上，之所以规定要有一定的压实厚度，是因为必须保证覆盖材料所达到的抗渗性能和密封效果，但厚度太大必然影响垃圾卫生填埋场的库容，按每2~4m垃圾要覆盖20~25cm黏土计算，则库容将会降低5%以上，这对投资巨大的垃圾卫生填埋场是一个比较大的浪费。
4）应有利于后续工序的开展，在垃圾表面覆盖塑料板和薄膜，也能有比较好的密封效果，而且还可以重复使用，但这无论是对下层垃圾处理还是对工作环境都是不利的。
5）日覆盖和中间覆盖，应有一定的碱度，维持一定的碱度将会有效防止蚊蝇的孳生。
（3）效的检测标准和手段。垃圾覆盖层的覆盖效果不仅与施工工艺有关，也与所采用的材料有很大关系，虽然有相应关于垃圾覆盖效果的标准，但没有与采用的材料相联系。特别是我国目前很多垃圾卫生填埋场的覆盖效果很难达到国家现有标准的要求，而且缺乏有效的检测手段对现场覆盖效果进行检测，这实际上也一定程度上限制了新的覆盖材料推广应用。建立包括对覆盖材料性能检测在内的有效检测标准和方法，不仅有利于新型覆盖材料的应用，也有利于降低垃圾卫生填埋场的运行成本。
（5）其他固体废弃物的利用。随着我国经济的快速发展，必然有大量的固体废弃物产生，目前很多地区不仅废弃物的利用甚至处置也面临很多问题，堆放场地限制是其中问题之一，如果能将废弃物处置与垃圾覆盖材料相结合，不仅可以减少取土对环境的影响，而且也解决了固体废弃物的堆放问题，特别是很多固体废弃物具有与黏土相近的性能，如果对固体废弃物进行改性或处理，则固体废弃物的性质将发生很大变化，将是非常好的垃圾卫生填埋场覆盖材料，这类新型覆盖材料的使用将会降低覆盖材料厚度，大幅度提高覆盖材料的抗渗性能。
5 结束语
随着城市化进程的加速和人们生活水平的提高，城市生活垃圾的处置是很多城市面临的一大问题。城市生活垃圾卫生填埋在我国现阶段是大力发展的技术，但很多地区垃圾卫生填埋场并没有真正达到无害化处理，引起很多社会问题，一些新技术和新材料的应用将会促进这项垃圾处理技术的推广应用，甚至能降低垃圾卫生填埋场的运行费用，其中新型覆盖材料的研究和应用是一个重要的突破口。覆盖材料所应具有的功能以及性能评定等很多问题，还有待进一步研究，但新型覆盖材料的研究与开发是非常必要的。
参考文献
[1]刘晓立，史书阁，朱春英.降雨渗流作用下垃圾填埋场堆体稳定性研究.华北科技学院学报,2007(1):62-64
[2]刘旭,城市生活垃圾填埋场每日覆盖材料及评估方法.城市管理与科技,2006(3):119-121
[3]辛伟,杨石飞.废弃物做垃圾填埋场覆盖材料室内实验研究.城市道桥与防洪,2004(7):122-126
[4]肖衡林,肖斌,张苏杭.复合土工合成材料在垃圾填埋场中的应用.环境工程,2007,25(1):56-58
[5]赵庆祥,盛兆琪,夏伟根,等.垃圾填埋场喷塑覆盖技术.上海建设科技,1995(6):22-23
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