發布時間：2022-04-25所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 地下水土環境污染評估、控制及修復已成為我國環保領域的重大需求。利用巖土工程的手段來解決水土環境污染問題是最為經濟、最符合國情的途徑之一，也是環境巖土工程工作者的優勢所在。結合我國水土環境污染控制方面重大需求及現階段我國迫需解決的環境巖土工程問
摘要: 地下水土環境污染評估、控制及修復已成為我國環保領域的重大需求。利用巖土工程的手段來解決水土環境污染問題是最為經濟、最符合國情的途徑之一，也是環境巖土工程工作者的優勢所在。結合我國水土環境污染控制方面重大需求及現階段我國迫需解決的環境巖土工程問題來闡述環境巖土工程研究及工程實踐進展，主要包括城市固體廢棄物可持續填埋處置，廢棄泥的工程特性、工程處置及資源化利用，土體和地下水污染評價與防治和土工合成材料在環境巖土工程中應用。
關鍵詞: 固體廢棄物; 填埋處置; 廢棄泥; 土體污染; 地下水污染; 土工合成材料; 可持續防控; 資源化利用
引 言
密集型人類生活和生產方式必然產生大量的廢棄物，而地球巖土圈是廢棄物的主要及最終處置場所。我國固體廢棄物產量巨大，目前年產城市生活垃圾 2. 4 億 t、污泥 2 千多萬 t、工業固體廢棄物 12 億 t、尾礦 6 億 t 和核廢料 1000t，這些固體廢棄物以填埋處置為主，全國城鎮廢棄物集中式處理設施達 4790 個。我國的江河湖海沉積著數百億立方米受污染的底泥，成為水體的內污染源。我國有成千上萬座廢棄的化工廠址，數以萬計的化工品儲庫、油庫、干洗店等，正威脅周邊地下環境安全。我國二氧化碳排放量達 67 億 t，地下埋存被認為是實現碳減排及緩解全球氣候變暖的有效措施之一。這些廢棄物處置場所都是地下環境集中污染源，是潛在的地下炸彈。
近年來我國水土環境污染事故頻發，引發一系列社會與環境危機，并造成重大經濟損失。2001 ～ 2008 年，我國固體廢棄物堆填場污染引發的突發環境事件年均 55 次，造成的直接經濟損失高達 10 億元。2008 年山西省襄汾尾礦壩潰壩事故，流失尾礦 26. 8 萬 m3 ，流經長度達 2km，過泥面積達 30. 2 萬 m2 ，造成 278 人死亡和嚴重的環境污染。2009 年廣東某城市固體廢棄物填埋場發生污泥坑管涌，流失污泥 6 萬多 m3 ，流經長度十多公里，直達香港后海灣。2010 年福建上杭縣紫金礦業發生強酸性滲濾液泄漏事件，9100m3 的滲濾液順著排洪涵洞流入汀江，導致汀江部分河段污染及大量魚類死亡。2011 年浙江省德清縣浙江海久電池股份有限公司鉛污染造成附近部分兒童血鉛檢測超標，這起事件也引起浙江蓄電池行業內的“大 地震”，213 家蓄電池企業停產整治。
近年來國家相關部門對水土環境污染問題高度重視�！秶抑虚L期科學和技術發展規劃綱要 2006 ～ 2020》中把“污染物控制與廢棄物資源化利用技術”、 “長江、黃河等重大江河綜合治理”等列為優先主題，設立“水體污染控制與治理”重大專項�！吨亟饘傥廴揪C合防治“十二五”規劃》成為第一個得到國務院批復的“十二五”國家規劃。第一次全國污染源普查工作已于 2009 年結束。國家環保部正在組織制訂《污染場地風險評估技術導則》、《場地環境監測技術導則》、《污染場地土壤修復技術導則》等。
可見，水土環境污染評估、控制及修復已成為我國環保領域的重大需求。鑒于我國目前國情和經濟發展水平，利用巖土工程的手段來解決水土環境污染問題是最為經濟、最符合國情的途徑之一，也是環境巖土工程工作者的優勢所在。因此，環境巖土工程工作者正面臨著前所未有的機遇和挑戰。本文結合我國水土環境污染控制方面重大需求及現階段我國迫需解決的環境巖土工程問題來闡述我國的研究進展，主要包括城市固體廢棄物可持續填埋處置，廢棄泥的工程特性、工程處置及資源化利用，土體和地下水污染評價與防治和土工合成材料在環境巖土工程中應用。
1 城市固體廢棄物可持續填埋技術
城市固體廢棄物工程特性復雜，填埋場服役環境極端，容易引發在役填埋場城市環境災害，主要包括: 填埋場失穩流滑，引發災難; 填埋場滲濾液滲漏，污染城市地下水土環境; 填埋氣無序擴散污染城市空氣，引發火災和爆炸、加劇溫室效應等。以美國為代表的西方發達國家正發展可持續填埋技術。“可持續”填埋的內涵主要包括: 有效防控填埋場城市環境災害，實現固廢處理的無害化; 大幅增加單位土地面積填埋量、減少滲瀝液產量和填埋氣排放量，實現固廢處理的減量化; 高效收集和利用填埋氣，實現固廢處理的資源化。
我國城市固體廢棄物產量超過 2 億 t /年，且仍以每年 8% ～ 15% 高速增長，全國城市固廢積存量超過 50 億 t。我國現有上萬座城市固體廢棄物填埋場需進行無害化評估及治理，未來 20 年還需新建 1400 多座城市固體廢棄物填埋場。我國亟需開展填埋場孕育城市環境災害機理、評估方法與可持續防控的科學基礎理論研究，發展可持續填埋技術，以滿足填埋場城市環境災害防控、滲濾液減量、填埋氣資源化的重大需求。
1. 1 固廢含水、持水特性及滲濾液減量
我國城市固體廢棄物填埋場的滲濾液產量較大，在南方地區通常達填埋量的 30% ，導致滲濾液處理廠負擔較大和運行費用很高，且易引發填埋場滲濾液導排系統淤堵及滲濾液水位雍高等工程問題。因此，有必要對我國固廢填埋場的滲濾液產量進行分析與預測，并采取有效措施實施滲濾液的減量化。
填埋場滲濾液的來源主要包括固廢自身所含有的水分、進入填埋場的雨雪水及其他外來水分。當固廢堆體含水率超過其田間持水率( 固廢在重力作用下自由排水所能達到的最低含水率) ，超出的那部分水分將隨著固廢的降解而析出成為滲濾液。我國城市固體廢棄物以廚余垃圾為主，初始含水率較高，平均約為 60% ( m /m，% ，濕基) ，而國外發達國家的一般小于 30%[1]，這主要由城市固體廢棄物的組分所決定。如表 1 所示，我國城市固體廢棄物的有機物( 以廚余為主) 含量較高，其中含有大量胞內水，這是造成我國城市固體廢棄物初始含水率較高的主要原因。研究表明國內外城市固體廢棄物降解后的田間持水率差別不大，約為 37% ( m /m，% ，濕基) [2]。因此，我國城市固體廢棄物初始含水率顯著大于田間持水率，而國外發達國家的初始含水率要小于田間持水率。這是造成我國填埋場滲濾液產量明顯大于歐美國家的主要原因之一。
我國現行規范規定的填埋場滲濾液產量計算公式主要考慮填埋場不同覆蓋區域降雨入滲產生的滲濾液，而忽略了高初始含水率固廢自身降解析出那部分水量，以致滲濾液產量計算結果顯著小于實測結果 ( 如圖 1 所示) 。
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雨污分流是減少填埋場滲濾液產量的最重要手段。應根據場地條件，建設行之有效的地表水管理設施( 截洪溝或場區周邊地表水導排設施) ，通過分區填埋減小填埋單元，減少場區地表水通過地表徑流、地下滲流等途徑進入填埋庫區。此外，滲濾液回灌型生物反應器填埋場正得到越來越多的應用�；毓噙^程中通過固體廢棄物堆體的截留和蒸發作用可以減少滲濾液的總量，通過進一步的生物化學反應可以減少滲濾液污染負荷。由于我國填埋場滲濾液產量大，導排系統設計不當或運營管理不善，易發生淤堵失效，以致滲濾液水位持續雍高，這使得滲濾液回灌在國內填埋場中的應用還未有成功實例，今后必須在此方面加強研究。
1. 2 固廢導水特性及填埋場水位雍高與堆體穩定控制
我國城市固體廢棄物填埋場大多存在滲濾液水位過高的問題，尤其是在南方多雨地區，“填埋體多高，水位就有多高”的現象較普遍。滲濾液水位雍高直接影響固廢堆體的穩定性，阻礙填埋氣有效收集，并加劇滲濾液污染物的擴散。因此，有必要深入認識填埋場滲濾液水位存在形式及雍高機理，以實現填埋場水位的有效控制。
室內外測試結果表明我國填埋場城市固體廢棄物的導水系數隨填埋深度增加而顯著降低( 如圖 2 所示) ，造成淺部滲濾液容易下滲，但到深層難以透過，加之我國填埋場滲濾液產量較大以及滲濾液導排系統易淤堵，往往導致水位逐漸雍高，形成較高的滲濾液主水位( 如圖 3 所示) 。
除了滲濾液主水位外，填埋場還會存在局部滯水 ( 如圖 3 所示) 。局部滯水是由中間覆土等弱透水層對滲濾液的向下運移產生了阻滯而形成。當填埋場深部固廢的導水系數顯著小于下臥導排層的滲透系數，則會出現滲濾液主水位與導排層內水頭相脫離的現象( 如圖 3 所示) 。
高滲濾液水位會導致填埋氣導排不暢，造成填埋體內的填埋氣不斷累積，進而引起堆體氣壓的上升，從而使得滲濾液水位以下堆體處于高水氣壓力狀態，在外界因素( 如強降雨、滲濾液回灌、地震等) 進一步作用下，極易引起水氣壓力的進一步上升，并誘發填埋體發生滑坡。
對于我國高滲濾液水位填埋場而言，建設滲濾液立體導排系統控制水位是確保填埋場堆體穩定的最有效手段。以深圳某填埋場為例，因持續暴雨，使本來就比較高的滲濾液水位進一步提高，邊坡出現明顯的滑移( 如圖 4 所示) 。采取小口徑抽排豎井實施水位迫降等應急措施，防止大規模滑坡的發生。后期通過重建中間滲濾液導排系統、順坡向導排盲溝以及深層抽排豎井實現滲濾液水位的長期控制，顯著提高了填埋體邊坡的穩定安全系數[4]。
1. 3 填埋氣產生、運移及高效收集
城市固體廢棄物中有機質降解會產生大量氣體 ( 主要是甲烷和二氧化碳) 。如果填埋氣無控制、無組織地排放，不但會引起火災甚至爆炸，而且會加劇溫室效應，并造成資源的浪費( 其熱值約為 20MJ/m3 ，與煤氣熱值接近) 。我國城市固體廢棄物填埋場年產 132 億 m3 填埋氣體，作為能源回收利用后將減少碳排放量 3200 萬 t /年，相當于 32 個百萬 kW 發電廠每年的碳排放量。然而，目前我國填埋場填埋氣的收集率僅為 25% ～ 40% ，遠低于西方發達國家 60% ～ 80% 的水平。
我國城市固體廢棄物有機物含量較高，這使得我國填埋場單位質量垃圾的填埋氣產量要高于歐美發達國家的，單位質量垃圾理論產氣量可達 300m3 /t( 干基) 。國內外研究表明，城市固體廢棄物的含水率是影響填埋氣產生的最重要因素，在一定范圍之內，含水率越高，越有利于填埋氣的產生[5-8]; 但是飽和度過高也可能抑制城市固廢的降解產氣。
固體廢棄物的導氣性是影響填埋場填埋氣運移及收集的最重要參數。室內外測試結果表明，固體廢棄物堆體的氣相滲透系數隨著液相飽和度的增加及堆體壓實程度的增加而逐漸減小，尤其是接近飽和時，固廢的導氣系數顯著下降( 如圖 6 所示) 。當液相飽和度增加至氣相無法形成連續的運移通道時，填埋氣的運移受到阻滯，可能在填埋體內形成承壓氣包，如圖 3 所示。
填埋氣運移受到阻滯一方面會影響填埋場堆體的穩定，另一方面直接影響填埋氣的有效收集利用。如圖 7 所示，在某填埋場豎井施工過程中，當鉆至一定深度后，氣水混合物噴涌而出，最大噴出高度達到 4 ～ 5m，有些井在成井幾個月之后仍然在間隙噴涌。如圖 8 所示隨著導氣系數的減小，填埋氣收集井的影響半徑逐漸減小，填埋氣收集效率也明顯降低，這是我國高滲濾液水位填埋場氣體收集率低的主要原因[2]。
對于我國高滲濾液水位填埋場而言，可通過立體導排措施( 包括水平導排盲溝、深層抽排豎井等) 降低滲濾液水位，提高填埋體的導氣性和抽氣井影響范圍，實現填埋氣的高效收集。以深圳下坪填埋場為例，滲濾液水位迫降和長期控制工程實施后，填埋氣的收集率顯著提高，氣體收集量從水位降低前的 2000m3 /h 增加到 7200m3 /h。
1. 4 固廢壓縮特性及填埋場增容
城市固體廢棄物堆體的壓縮變形直接影響填埋場容量的預測與設計，堆體的顯著沉降可能導致水氣收集管道及封頂系統中防滲層破裂失效，并影響封場后土地的重新利用。目前我國填埋場擴建工程正在興起，老堆體顯著的沉降和不均勻沉降必然會影響擴建堆體各系統的工作性能。城市固體廢棄物堆體的沉降變形主要包括應力作用引起的壓縮以及有機質降解引起的壓縮。研究表明，傳統衛生填埋場的沉降可持續 20 ～ 30 年，總沉降量( 包括應力引起的沉降和有機質降解引起的沉降) 可達 25% ～ 50% ; 有機質降解引起的沉降量可達 18% ～ 24%[9]。由于我國固廢的有機物含量較高，使得主壓縮量和次壓縮量都較國外要大。特別是對于降解引起的次壓縮，通過加速降解促進次壓縮沉降的發展和填埋場容量的增加具有較大的應用潛力。——論文作者：陳云敏1 施建勇2 朱 偉2 詹良通1
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