針對城市垃圾衛(wèi)生填埋場滲濾液成分復(fù)雜、濃度高、污染性強(qiáng)的特點(diǎn)，分析了在衛(wèi)生填埋場中構(gòu)筑防滲系統(tǒng)的功能要求，根據(jù)粘土固化漿液的組成特征和固化機(jī)理，研究了粘土固化注漿帷幕對滲濾液的抗?jié)B性能和對污染物質(zhì)的吸附特性，通過粘土固化注漿帷幕在衛(wèi)生填埋場防滲工程中的應(yīng)用情況，從施工質(zhì)量檢測、防滲效果監(jiān)測和技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度，證明了這種垂直防滲技術(shù)應(yīng)用在填埋場中的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 


關(guān)  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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市垃圾衛(wèi)生填埋場建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，滲濾液控制是填埋場建設(shè)中最為關(guān)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(tǒng)，將滲濾液及其有害污染物控制在一定范圍之內(nèi)，同時(shí)建立滲濾液處理設(shè)施進(jìn)行處理，使其達(dá)到相關(guān)污水排放標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)行排放。
目前在填埋場中建立防滲系統(tǒng)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(shè)施等建立的水平防滲技術(shù)有其自身的優(yōu)勢，如施工透明度高、易于質(zhì)量監(jiān)控等，但這種水平防滲系統(tǒng)一旦投入使用則不具有修復(fù)性，并且其高造價(jià)對于一般城市填埋場建設(shè)的實(shí)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(tǒng)，應(yīng)用在工程中具有低成本、投資少及易修復(fù)等特點(diǎn)，對于像我國這樣的發(fā)展中國家具有明顯的優(yōu)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(xué)相容性，已應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益。本文介紹了粘土固化漿液的組成和固化機(jī)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(wèi)生填埋場中的應(yīng)用情況；通過施工檢測和運(yùn)營中防滲效果監(jiān)測，表明粘土固化注漿帷幕應(yīng)用在城市垃圾填埋場中安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，所得出的結(jié)論可為礦山、填埋場等特殊地下水環(huán)境防滲工程的設(shè)計(jì)、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(jī)物降解生成的新物質(zhì)以及生活垃圾的溶解物質(zhì)與雨水和地下水混合而成的，由于垃圾組份的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致滲濾液的化學(xué)成分十分復(fù)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(zhì)  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(jī)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(xué)特征：
（1）滲濾液的化學(xué)成分極為復(fù)雜，有機(jī)污染物、無機(jī)污染物和重金屬離子等多種污染組份共存，表現(xiàn)出很強(qiáng)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(dá)105 mg/L以上，為工業(yè)污染允許排放標(biāo)準(zhǔn)的100倍以上， NH3-N的濃度可高達(dá)700 mg/L以上，是糞便的3～4倍。由此可見，滲濾液污染性極強(qiáng)，是一種嚴(yán)重的污染源。
（3）COD和BOD指標(biāo)表明有機(jī)物含量高，成分復(fù)雜。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在滲濾液中可能存在的有機(jī)物超過100種。
（4）滲濾液中無機(jī)污染物的組份也十分復(fù)雜，其成分和濃度在很大程度上與填埋垃圾的成分和時(shí)間有關(guān)，主要以Cl－、SO42－、Ca2＋、Mg2＋等離子來表征。
（5）生活垃圾中的金屬物質(zhì)，經(jīng)淋濾和各種酸化作用后進(jìn)入滲濾液，使?jié)B濾液中重金屬離子含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工業(yè)水排放標(biāo)準(zhǔn)和生活水飲用標(biāo)準(zhǔn)。
1.2  防滲系統(tǒng)的功能要求
對這種成分極其復(fù)雜、污染性極強(qiáng)的滲濾液進(jìn)行控制，最有效的措施就是建立防滲系統(tǒng)。在填埋場中建立的防滲系統(tǒng)是否有效達(dá)到防滲目的，一方面取決于防滲系統(tǒng)是否能有效阻止?jié)B濾液外泄，另一方面取決于防滲系統(tǒng)是否能有效阻止污染物向外遷移，同時(shí)還要盡量阻止地下徑流進(jìn)入填埋場，防止產(chǎn)生更多滲濾液。
一般來說，一個(gè)良好的填埋場防滲系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能[4]：
（1）盡量封閉滲濾液于填埋場中，使其進(jìn)入滲濾液收集系統(tǒng)，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(jìn)入填埋場，避免產(chǎn)生過多滲濾液，使處理量增加；
（3）避免填埋場內(nèi)產(chǎn)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(xué)相容性，能抵抗?jié)B濾液的侵蝕，能有效阻滯滲濾液中的有害污染物質(zhì)；
（5）具有足夠的強(qiáng)度和耐久性，保證填埋工作壽命之內(nèi)防滲系統(tǒng)的安全性；
（6）具有較好的環(huán)境效應(yīng)，本身不會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)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(jī)理
粘土固化漿液由主成分、結(jié)構(gòu)劑、添加劑和水組成。主成分為高嶺土，過80 μm孔篩；結(jié)構(gòu)劑為425普通硅酸鹽水泥；添加劑為水玻璃，模數(shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù),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(jù)工程需要調(diào)整其結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)不同工程的防滲堵水要求。
一般情況下，通過添加結(jié)構(gòu)劑和輔助添加劑來調(diào)整其結(jié)構(gòu)形成過程。這種漿液體系的固化過程具有較明顯的三個(gè)階段[5]：水泥熟料礦物的開始水化階段、強(qiáng)力水化階段、體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的緩慢增長和抗?jié)B性的增長階段。通過改變結(jié)構(gòu)劑、添加劑的類型和加量，可以有效地控制三個(gè)階段的長短，以適應(yīng)不同地質(zhì)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?jié)B性能
由于粘土固化漿液的組成成分主要以細(xì)顆粒的粘土為主，同時(shí)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?jié)B性能大大提高。通過試驗(yàn)研究[6]，粘土固化注漿帷幕對滲濾液的抗?jié)B具有如下特征：
（1）粘土固化注漿帷幕的滲透系數(shù)與水泥和粘土加量關(guān)系密切，而水玻璃的主要作用是提高早期強(qiáng)度，對滲透系數(shù)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(shí)有關(guān)。隨著滲透歷時(shí)的延長其滲透系數(shù)逐漸下降并趨于某一特定值后達(dá)到穩(wěn)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(zhì)有關(guān)。試驗(yàn)條件下：重金屬離子>有機(jī)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(guān)，酸性條件下重金屬離子易遷移，堿性環(huán)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(wèi)生填埋場建設(shè)中，通過建立合理的防滲帷幕(環(huán)境介質(zhì))來改變水動力條件，從而可以控制污染物質(zhì)從污染源向周圍環(huán)境擴(kuò)散的速率和數(shù)量，達(dá)到保護(hù)地質(zhì)環(huán)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(zhì)具有較強(qiáng)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(yàn)研究表明[7]粘土固化注漿帷幕對重金屬離子和有機(jī)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(guān)，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(shí)吸附能力最強(qiáng)。試驗(yàn)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(shù)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(jī)物的吸附過程符合Freundlich等溫吸附曲線模型，相關(guān)系數(shù)在93%以上。
進(jìn)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(qiáng)的吸附作用，在pH＝6.0的條件下其吸附率可以達(dá)到80%以上，帷幕的組成以粘土∶水泥=2∶1為宜，而不同季節(jié)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(jié)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(yīng)用[6,8]
3.1  工程概況
南昌市麥園生活垃圾衛(wèi)生填埋場是南昌市的重要環(huán)保工程，位于昌北麥園(新建縣望城鄉(xiāng))，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(shè)施等組成。填埋場的設(shè)計(jì)使用年限為31年。
3.2  工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件
該場區(qū)上部地層主要為第四系全新沖洪積粉質(zhì)粘土和含粘土粉細(xì)砂層，下部地層為厚度18m左右的砂礫石層，下臥側(cè)裂隙較發(fā)育，其中北西、北北兩組為導(dǎo)水隙。區(qū)內(nèi)鄰近分水嶺、地表水系不發(fā)育，場區(qū)地下水分布主要有第四系松散層孔隙及基巖風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水兩種類型。基本壩的東部由于斷層的存在該區(qū)的裂隙連通性好、滲透性相對較強(qiáng)，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(fēng)化層及同一風(fēng)化層的水位有一定的差異，滲透系數(shù)變化區(qū)間為10-3~10-6cm/s。


3.3  粘土固化注漿帷幕設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)對場區(qū)內(nèi)滲濾液進(jìn)行有效封堵，防止場區(qū)對周圍環(huán)境帶來不良影響，需對基本壩及左右壩肩至80m標(biāo)高截洪溝這些地段進(jìn)行防滲處理。經(jīng)多方案比較和對該工程水文地質(zhì)的詳細(xì)研究，決定采用垂直防滲方案，即在地下水匯集的出口處構(gòu)筑防滲帷幕，采用粘土固化注漿技術(shù)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(diào)節(jié)池。注漿帷幕設(shè)計(jì)軸線位于壩前調(diào)節(jié)池以東南100m，在滲透性大的地區(qū)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(qū)注漿孔距為3.00m，梅花狀布置，單帷幕區(qū)孔距為2.50m，注漿孔深為23~30m，具體孔深由防滲標(biāo)準(zhǔn)ω=0.01L/(min.m.m)控制確定。注漿段長據(jù)壓水試驗(yàn)值的大小來確定，一般為5~10m。注漿壓力按設(shè)計(jì)壓力0.4~0.6MPa的要求，并根據(jù)地層情況適當(dāng)調(diào)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(shí)，為避免地表冒漿，壓力宜適當(dāng)減小，并適當(dāng)延長注漿時(shí)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(guān)鍵。在施工過程中采用檢查孔對施工效果進(jìn)行了測試。從整個(gè)工程的27個(gè)檢查孔的測試結(jié)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)的防滲帷幕，為實(shí)現(xiàn)對場區(qū)內(nèi)有害物質(zhì)的封堵，創(chuàng)造了有利條件，并提供了可靠保證。
2003年6月，在帷幕投入運(yùn)行三年后對監(jiān)測孔地下水和調(diào)節(jié)池內(nèi)滲濾液進(jìn)行了取樣檢測，檢測結(jié)果表明帷幕對污染物的阻滯作用明顯，地下水未出現(xiàn)污染情況，達(dá)到了理想的阻滯效果。檢測結(jié)果見表3。
 
表3  滲濾液監(jiān)測結(jié)果     ρ/(mg.L-1)
檢測點(diǎn)位置 檢測項(xiàng)目 
NH3-N CODcr BOD5 Cd Pb 
調(diào)節(jié)池 358.0 3800 191 0.18 0.79 
帷幕下游 0.37 71 3.50 <0.05 <0.02 
調(diào)節(jié)池東側(cè) 0.06 59 5.80 <0.05 <0.02 
調(diào)節(jié)池西側(cè) 0.11 39 7.50 <0.05 <0.02 

 
3.5  工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估
按最初的方案設(shè)計(jì)，該工程選用水平襯墊方案，其預(yù)算投資高達(dá)5174.1～7855.4萬元，而以粘土固化注漿構(gòu)建的垂直防滲系統(tǒng)，則僅為297.62萬元(19995年單價(jià))，也就是說，從防滲工程子項(xiàng)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(bào)告采用水平襯墊方案的1.6億元降為初步設(shè)計(jì)中采用垂直防滲方案的8700萬元，節(jié)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(shè)成為可能。
從帷幕防滲系統(tǒng)的施工效果來看，粘土固化注漿技術(shù)的采用受到監(jiān)理、業(yè)主及主管部門的一致認(rèn)可，并因此取消了在帷幕上游調(diào)節(jié)池鋪設(shè)高密度聚乙烯(HDPE)覆蓋膜的計(jì)劃，使工程建設(shè)投資進(jìn)一步減少。這足以說明，在場區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件許可的前提下，以粘土固化注漿技術(shù)構(gòu)筑填埋場中的垂直防滲系統(tǒng)，具有良好的社會環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益。對于向我國這樣的發(fā)展中國家，既要防治城市生活垃圾對環(huán)境的污染，又缺乏足夠資金建設(shè)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(jié) 論
（1）在填埋場中建立的防滲系統(tǒng)，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?jié)B濾液中的污染物質(zhì)向外遷移，同時(shí)還要盡量阻止地下徑流進(jìn)入填埋場，防止產(chǎn)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(zhì)有關(guān)，試驗(yàn)條件下：重金屬離子>有機(jī)物>蒸餾水。
（3）粘土固化注漿帷幕對污染物具有較強(qiáng)的吸附作用，其吸附規(guī)律符合Freundlich等溫吸附模式。
（4）在場區(qū)條件適宜的情況下，粘土固化注漿帷幕應(yīng)用到垃圾衛(wèi)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(shè)要求，能取得良好的經(jīng)濟(jì)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(jié)合的綜合防滲系統(tǒng)就會更加保險(xiǎn)，一旦庫底水平防滲襯墊破壞后不可修復(fù)，而垂直防滲的注漿帷幕則會發(fā)揮積極作用，確保庫區(qū)安全。