CN101239810A - 垃圾卫生填埋场覆盖材料 - Google Patents

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Abstract

一种垃圾卫生填埋场覆盖材料,属于环境保护材料技术领域。本发明材料由粉煤灰、熟石灰、半水石膏、粘土和水组成。本发明材料以粉煤灰为主要原料,大量节约了土地资源,并给粉煤灰的无害化、资源化处置提供了很好的途径;并且有密闭、抗渗透、对苍蝇控制效果好等特点。本发明简化填埋场作业,节约大量成本;密闭、抗渗透、对苍蝇的控制效果好。本发明可广泛用作卫生填埋场衬垫及封底系统的日覆盖、中间覆盖和封场覆盖的材料。

Description

垃圾卫生填埋场覆盖材料
技术领域
本发明属于环境保护材料技术领域,具体涉及一种用于垃圾卫生填埋场的日覆盖、中间覆盖和封场覆盖的材料。
背景技术
垃圾卫生填埋法与传统的垃圾堆放的主要区别是在压实后的垃圾上铺设覆盖材料,以减少对周围环境的影响。覆盖材料的铺设可以防止蚊蝇的孽生、垃圾飞扬、控制疾病的传播、臭味以及减少渗滤液的产生量。
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。每一单元作业完成后,应进行日覆盖,覆盖层厚度根据覆盖材料确定,土覆盖层厚度为20~25cm;每一作业区完成阶段性高度后,暂时不在其上继续进行填埋时,应进行中间覆盖,其覆盖层厚度根据覆盖材料确定,土覆盖层厚度大于30cm。填埋场达到设计封场条件要求时,应对其进行最终覆盖,覆盖层厚度为90cm。按规定要求垃圾卫生填埋场覆盖材料的渗透系数不大于1.0×10-7cm/s。根据覆盖材料在实际应用中的需要,并考虑到经济性,覆盖材料应满足如下要求:1)应有较好的整体密封效果,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后续的垃圾填埋作业;2)应有比较好的抗渗性能。因为垃圾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产生量;3)应具有快速形成强度和整体性的特点,以利于抑制垃圾臭味或在天气炎热以及多雨季节施工,且可大大缩短施工周期,也有利于下一作业的实施;4)为了满足防火等要求,覆盖材料尽可能不采用有机材料,且覆盖材料应来源广泛,成本不能过高;5)覆盖材料在使用中的铺设厚度应尽可能小,以节省填埋场的库容。
此外,覆盖材料因其使用的不同,对其性能要求也各有不同,如:作为日覆盖材料,具有较好的早期强度;作为中间覆盖要求材料长期强度较好,并且材料的收缩较小;作为最终覆盖材料,应考虑到封场后进行场地复用和植被恢复,要求材料的长期强度高、收缩性小及碱度小。
现有垃圾卫生填埋场覆盖材料主要为土类。具体可分为两类,一类是普通粘土,一类是改性土类。其中粘土应用比较广泛,技术也比较成熟,但是粘土作为覆盖材料主要存在以下问题:
1)粘土覆盖材料的综合性能较差。压实粘土在含水率较低的情况下,具有比较高的强度,但如果长时间与水接触或者干湿循环,粘土覆盖材料的强度将明显降低;粘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粘土,使垃圾暴露在空气中,失去覆盖效果,而当阳光暴晒下,大面积铺设的粘土层会因收缩产生干燥裂缝。
2)粘土覆盖材料来源有限。粘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粘土并不随处可得,我国不少地区填埋场所采用的粘土无法保证全部合乎国家标准,也很难达到规定的压实度,因此抗渗透、密闭性差,难以达到要求。
3)浪费卫生填埋场库容。粘土覆盖材料按填埋作业规范要求,每一单元的垃圾高度为2~4m,作业完成后应进行覆盖,土层覆盖厚度为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。这是由粘土性质所决定的,如果压实粘土的厚度太薄,则难以达到抗渗甚至是密封效果。
改性土类,如2004年第3期《上海地质》的“改性污泥作填埋场覆盖材料室内实验研究”一文,公开的材料为石灰∶自来水厂脱水污泥的重量比为1∶20~30。又如2006,NO.5《粉煤灰综合利用》的“碱渣(白泥)作为填埋场覆盖材料性能评价”一文,公开的材料为:白泥20%,细砂土80%。该改性土类的主要缺点是:材料的力学性能差,不具备耐水性,施工时需要人工压实,增加了成本,收缩大,容易形成干燥裂缝失去隔水、隔气功能,在有水的情况下易液化。
发明内容
本发明目的是针对现有垃圾卫生填埋场覆盖材料的不足,提供一种垃圾卫生填埋场覆盖材料,具有成本低廉,原材料来源广泛,不占用土地资源,且能够有效利用废弃物,保护环境,密封效果良好,抗渗透性能优于粘土,施工方法简单等特点。
本发明的机理:由于本发明材料中的半水石膏快速水化形成二水石膏晶体,并由此构成骨架,产生一定的强度。此时粉煤灰作为集料填充其中,因其水化速度缓慢可,完全忽略不计。随后在硬化后的浆体内进行粉煤灰的激发。在氢氧化钙(Ca(OH)2)和硫酸盐的共同作用下,粉煤灰颗粒表面的活性二氧化硅(SiO2)产生水化反应生成水化硅酸钙(CSH)凝胶,活性氧化铝(Al2O3)产生水化反应生成钙矾石,水化到一定程度,生成的CSH凝胶和钙矾石沉积在粉煤灰颗粒表面形成包裹层,包裹层会阻碍粉煤灰颗粒吸收钙离子(Ca2+),使水化速度减慢。又由于半水石膏为系统提供了硫酸盐,这将加速粉煤灰的水化,其中硫酸根离子(SO4 2-)在Ca2+的共同作用下与夹杂在粉煤灰颗粒表面的偏铝酸根离子(AlO2 -)生成钙矾石。一开始粉煤灰颗粒的钙矾石晶体是针状的,随着水化反应的继续这些晶体将长大成棒状钙矾石晶体,这样就会在粉煤灰颗粒表面形成空洞或缝隙,Ca2+就会通过这些空洞和缝隙吸附到粉煤灰颗粒表面,使粉煤灰水化继续进行。另外,SO4 2-能置换CSH凝胶中的部分硅酸根离子(SiO4 4-),这种置换主要发生在粉煤灰颗粒表面凝胶包裹层的外围,被置换出的SiO4 4-游离出来,与包裹层外Ca2+又生成CSH。同时,活性氧化铝在有SiO4 4-存在下溶解度将明显增大,这显然也将促进活性氧化铝的水化。
实现本发明目的的技术方案是:一种卫生填埋场覆盖材料的组分包括粉煤灰、熟石灰、半水石膏、粘土和水,其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:6~60%
熟石灰:1~15%
半水石膏:1~20%
粘土:5~60%
水:20~30%
一种卫生填埋场覆盖材料的制备与使用方法:将上述原材料混合搅拌均匀后就可作为卫生填埋场的日覆盖或中间覆盖或封场覆盖材料。
本发明在实际应用时可采用浇注或喷射的施工方式,这两种施工方式均无需进行压实,所需大型设备较少,可以较大幅度节约成本。将本发明用于压实垃圾体表面时,日覆盖和中间覆盖层的厚度为2~6cm,封场覆盖层厚度为20~30cm,这些覆盖层的抗渗透性优于粘土层,可以达到阻止雨、污水进入垃圾体,减少渗滤液产生量。在用于日覆盖时,为获得较好的早期强度和迅速凝结硬化,可增大半水石膏的掺量;用于中间覆盖时,考虑到长期强度,应适当增加熟石灰的掺量,以使粉煤灰获得更好的激发效果;在用于终场覆盖时,考虑到要进行场地复用和植被恢复等,可进行分层覆盖,下层采用与中间覆盖相同配比,上层材料中不添加石灰,以利于生态恢复工程。从经济角度考虑,由于终场覆盖层的厚度较大,可在材料中加入添加粘土,这样也有利于植被恢复。
本发明采用上述技术方案后,主要有以下特点:
(1)采用粉煤灰为主要原料配方,在垃圾卫生填埋场覆盖材料的制备上,避免了大量使用粘土为原料,节约了土地资源。
(2)本发明所使用的主要材料为粉煤灰、熟石灰和半水石膏,均为来源广泛,价格低廉的材料,因此实际运营成本也较低,便于推广应用。
(3)本材料为自硬性材料,铺设与垃圾表面后无需机械压实,与使用粘土作为覆盖材料相比,减少了大型设备的使用量,简化填埋场作业,节约大量成本。
(4)密闭效果好,能有效控制臭味扩散和垃圾随风飞扬,有利于沼气的收集和填埋场的美观。
(5)凝结硬化迅速,在铺设后半小时即可终凝,2小时后抗压强度大于200kpa,24小时后抗压强度可达到0.5MPa以上,方便在其上继续施工,受天气影响小。
(6)抗渗透性好。本材料抗渗透性主要体现为阻水性,并不吸收过多水分,由于覆盖材料所吸收的水分有80%最终会因重力作用进入垃圾体转化为渗滤液,故本材料相对以吸水阻水为主的粘土覆盖层可减少70~80%的渗滤液。
(7)抗雨水冲刷性好,本发明凝结硬化后,表面致密,雨滴击溅和地表径流对本发明的侵蚀作用很小。
(8)本发明在凝结硬化后,随龄期的增长,体积略有膨胀,不仅可避免出现收缩裂缝,并且体积膨胀有利于材料的密实度,可进一步提高抗渗透性。
(9)本发明的覆盖材料可广泛用作卫生填埋场衬垫及封底系统,日覆盖、中间覆盖和封场覆盖的材料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式,进一步说明本发明。
实施例1
一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:50%
熟石灰:11%
半水石膏:11%
粘土:5%
水:23%
实施例2
一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:60%
熟石灰:14%
半水石膏:1%
粘土:5%
水:20%
实施例3
一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:25%
熟石灰:5%
半水石膏:20%
粘土:20%
水:30%
实施例4
一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:6%
熟石灰:1%
半水石膏:8%
粘土:60%
水:25%
实施例5
一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:50%
熟石灰:10%
半水石膏:15%
粘土:5%
水:20%
实施例6
一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:50%
熟石灰:15%
半水石膏:5%
粘土:5%
水:25%
实施例7
一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数如下:
粉煤灰:30%
熟石灰:1%
半水石膏:9%
粘土:40%
水:20%
本实施例1~7的垃圾卫生填埋场覆盖材料均可作卫生填埋的日覆盖或中间覆盖或封场覆盖材料,其中实施例5是作为日覆盖材料的最佳配比;实施例6适合作为中间覆盖材料;实施例7是作为最终覆盖材料的最佳配比,并且为了提高最终覆盖的功能性和实用性,可将实施例6和实施例7叠加使用。
实验结果
将实施例5、实施例6和实施例7的原材料混合搅拌均匀并成型试块后,对其进行性质测试,并与粘土进行对比。实验方法和结果如下:
1)试块的抗折强度和抗压强度的测定,具体参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》。
                 表1材料的强度(单位:MPa)
Figure S2008100694708D00061
2)将直径为110mm的PVC管截成100mm高的小段,每五段叠放起来为一组,每组中各小段管子分别编号1号、2号、3号、4号和5号。在每组管子中分别装入压实粘土、实施例5、实施例6和实施例7。以10mm/h降雨量在管子上方模拟降雨,在此过程中,部分降水被材料排开,从其表面流走,部分降水被吸入到材料中,2小时后,压实粘土和本发明中重量增加,即降水下渗后质量增加量和材料的排水率如表2和表3。
      表2模拟降雨2小时后材料重量增加量(单位:g)
 编号   1号   2号   3号   4号   5号
 粘土   88.8   2.4   0   0   0
 实施例5   12.4   6.7   0   0   0
 实施例6   20.8   8.3   0   0   0
 实施例7   49.6   4.6   0   0   0
表3模拟降雨过程中覆盖材料的排水率(%)
  编号   排水率
  粘土   4.0
  实施例5   79.9
  实施例6   69.4
  实施例7   43.0
3)以模拟降雨器对试块进行冲刷,冲刷水压为0.04MPa,分别冲刷15分钟和30分钟,粘土试块在10-12分钟后完全冲刷破坏,失去完整性。本发明冲刷后质量损失率如下表。
               表4冲刷后试块质量损失率(单位:‰)
Figure S2008100694708D00071
4)本发明的干燥收缩率如下表。
               表5干燥收缩率(单位:‰)
 龄期   7d   14d   28d   90d   120d
 实施例5   5.038   -3.807   -24.129   -9.735   -9.013
 实施例6   8.746   1.022   -18.950   -6.449   -5.971
 实施例7   14.218   18.375   20.167   20.588   21.061
*正值为收缩值,负值为膨胀值
由以上数据可以看出,本发明的强度可满足作为覆盖材料的需求,2小时抗压强度达到200kpa,1天抗压强度达到0.5MPa以上。在抗渗透实验中,可以看出进入本发明的水量远小于进入压实粘土中的水量,故本发明抗渗透性主要体现为排水性,排水率高于40%,而压实粘土以吸水阻水为主,排水率仅为4%。由于进入覆盖材料中的水分80%将转变为渗滤液,故本发明从根本上控制了渗滤液的产生量;本发明的抗冲刷性良好,在龄期较短时最大冲刷损失率即低于压实粘土,随龄期增长,本发明的冲刷损失率逐渐变小;本发明干燥变形主要体现为膨胀变形,在实际使用中不仅不会出现干燥裂缝,并且可增加材料的密实度,提高抗渗透性能。
其中,实施例5早期强度高,抗冲刷和抗渗透性能好,是作为日覆盖材料的最佳配比;实施例6长期强度发展好,短时间内干燥收缩小,随龄期增长,体积膨胀,因此不会出现收缩裂缝,材料抗渗透和抗冲刷性能好,适合作为中间覆盖材料;实施例7的强度、抗渗透性和抗冲刷性优于压实粘土,并且不含碱性材料,适合植物生长,是作为最终覆盖材料的最佳配比,并且为了提高最终覆盖的功能性和实用性,可将实施例6和实施例7叠加使用。

Claims (8)

1、一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分包括熟石灰、粘土和水,其特征在于还有粉煤灰和半水石膏,其配合比例的质量百分数如下:
                             粉煤灰:6~60%
                             熟石灰:1~15%
                             半水石膏:1~20%
                             粘土:5~60%
                             水:20~30%。
2、按照权利要求1所述的垃圾卫生填埋场覆盖材料,其特征在于一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数为:
                               粉煤灰:50%
                               熟石灰:11%
                               半水石膏:11%
                               粘土:5%
                               水:23%。
3、按照权利要求1所述的垃圾卫生填埋场覆盖材料,其特征在于一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数为:
                               粉煤灰:60%
                               熟石灰:14%
                               半水石膏:1%
                               粘土:5%
                               水:20%。
4、按照权利要求1所述的垃圾卫生填埋场覆盖材料,其特征在于一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数为:
                               粉煤灰:25%
                               熟石灰:5%
                               半水石膏:20%
                               粘土:20%
                               水:30%。
5、按照权利要求1所述的垃圾卫生填埋场覆盖材料,其特征在于一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数为:
                               粉煤灰:6%
                               熟石灰:1%
                               半水石膏:8%
                               粘土:60%
                               水:25%。
6、按照权利要求1所述的垃圾卫生填埋场覆盖材料,其特征在于一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数为:
                               粉煤灰:50%
                               熟石灰:10%
                               半水石膏:15%
                               粘土:5%
                               水:20%。
7、按照权利要求1所述的垃圾卫生填埋场覆盖材料,其特征在于一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数为:
                               粉煤灰:50%
                               熟石灰:15%
                               半水石膏:5%
                               粘土:5%
                               水:25%。
8、按照权利要求1所述的垃圾卫生填埋场覆盖材料,其特征在于一种垃圾卫生填埋场覆盖材料的组分及其配合比例的质量百分数为:
                               粉煤灰:30%
                               熟石灰:1%
                               半水石膏:9%
                               粘土:40%
                               水:20%。
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