CN107570522A - 一种多功能覆盖层结构及其在垃圾填埋场的应用 - Google Patents

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Abstract

一种多功能覆盖层结构及其在垃圾填埋场的应用，覆盖层结构自下而上包括：集气层、压实生物炭改良黏土层、压实砂砾层及压实粉土层，压实粉土层与压实砂砾层之间、压实砂砾层与压实生物炭改良黏土层之间以及压实生物炭改良黏土层与集气层之间均设置有土工织物，压实粉土层的下部设置导排沟。应用方法包括三个步骤：垃圾填埋体填埋完成后立即设置集气层，并在集气层的上表面铺设第三土工织物；在压实生物炭改良黏土层上表面铺设第二土工织物；在压实砂砾层的表面铺设第一土工织物，在压实粉土层的下部设置导排沟。本发明有效提高垃圾填埋场覆盖层的防渗集气能力，彻底分解吸收填埋气；导排沟的设置增大导排水分能力，成本低，可操作性强。

Description

一种多功能覆盖层结构及其在垃圾填埋场的应用
技术领域
本发明涉及环境岩土工程垃圾填埋场结构设计技术领域，具体涉及一种多功能覆盖层结构及其在垃圾填埋场的应用。
背景技术
随着我国城市化进程的不断加快和居民生活水平的大幅提高，城市规模持续扩大、城市人口不断增长，与此同时，城市固体废弃物的产量也呈现出急剧增长态势。据相关统计资料显示，我国每年城市垃圾产量超过1亿吨，历年的累积产量高达80亿吨，且以每年8％～10％的速度递增。大量城市固废垃圾的产生不仅占用大量的土地资源，同时也会因处置不当造成严重的环境污染，危害周边居民健康。目前我国城市固废垃圾的处置方式主要有：堆肥、焚烧和卫生填埋处理。堆肥处理城市固废效率较低，对于废弃物中的有害物质未有合理的防治措施；焚烧城市垃圾会产生大量的有害气体和残渣，不符合环境保护和绿色发展的要求。卫生填埋处理是当前城市固废较为有效的处理方式。该处理方式具有设备操作简单、建设和运行成本相对较低、适应性和灵活性强等特点，固废填埋将是今后相当长时间内我国城市垃圾处理的主要方式。
城市固废垃圾在填埋场内经过长期的填埋过程会发生一系列生物化学反应，产生多种有害填埋气体和渗滤液等污染物，污染物的逸出和渗漏均会对周围的环境产生威胁。因此，垃圾填埋场需要底部衬垫系统、覆盖层系统以及排液集气系统等结构，达到安全填埋的目的。
传统的垃圾填埋场覆盖层结构类型主要有：①压实黏土覆盖层，利用压实黏土的低渗透性来减小降雨入渗和填埋气的释放，但压实黏土在干湿循环和冷暖交替的复杂环境中易产生开裂，降低压实黏土覆盖层的防渗性能；②复合型覆盖层，在压实黏土中添加土工膜等材料，增加覆盖层的防渗性能，土工膜与黏土界面之间存在界面失稳的问题，且土工膜的使用增加了工程建设成本；③土工合成材料膨润土衬垫(GCL)覆盖层，采用GCL替代传统黏土，进一步降低覆盖层的渗透性，虽然GCL具有良好的防渗性能，但其昂贵的工程造价使得其工程应用具有很大的局限性。因此，针对垃圾填埋场覆盖层结构及覆盖层土体设计的现状，在环境问题日益突出的背景下，亟需开发新型覆盖层结构和土工材料，提高我国垃圾填埋技术的水平。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术存在的传统垃圾填埋场覆盖层结构存在易开裂失效、成本造价高导致不利于工程应用的问题，提供一种多功能覆盖层结构及其在垃圾填埋场的应用，有效提高防渗集气能力，彻底分解吸收填埋气；建设成本低；简单、经济且可操作性强。
本发明所采用的技术方案为：
一种多功能覆盖层结构，所述的多功能覆盖层结构倾斜设置，该多功能覆盖层结构自下而上包括：集气层、压实生物炭改良黏土层、压实砂砾层及压实粉土层，压实粉土层与压实砂砾层之间、压实砂砾层与压实生物炭改良黏土层之间以及压实生物炭改良黏土层与集气层之间均设置有土工织物，压实粉土层的下部设置导排沟。
根据上述方案，所述的压实粉土层的压实度为85％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.4～0.5m，渗透系数为1.0×10-8～1.0×10-5m/s，颗粒粒径为0.002～2mm。
根据上述方案，所述的压实砂砾层的压实度为90％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.2～0.4m，渗透系数为1.0×10-4～1.0×10-2m/s，颗粒粒径为0.425～5mm。
根据上述方案，所述的压实生物炭改良黏土层的压实度大于95％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.5～0.8m，渗透系数小于1.0×10-9m/s，颗粒粒径小于0.075mm。
根据上述方案，所述的压实生物炭改良黏土层为生物炭与黏土混合均匀的复合材料压实而成，其中生物炭为木屑生物炭，热解温度为550℃，生物炭与黏土干重的质量比为15％～25％。
根据上述方案，相邻的导排沟在水平方向的间距为30～50m。
根据上述方案，该多功能覆盖层结构倾斜设置，压实粉土层的边坡坡率小于或等于1:3。
本发明还提供了一种上述多功能覆盖层结构在垃圾填埋场的应用，垃圾填埋场的垃圾填埋体填埋完成后，在垃圾填埋体表面立即设置集气层，并在集气层的上表面铺设一层第三土工织物，将木屑生物炭与黏土混合均匀成复合材料，并铺设于第三土工织物表面，利用压路机将复合材料压实成压实度大于95％、含水量为最优含水率的压实生物炭改良黏土层；垃圾填埋体内产生的填埋气8上逸至集气层4被收集，少量填埋气8被压实生物炭改良黏土层3降解吸收；在压实生物炭改良黏土层的上表面铺设一层第二土工织物，将就地准备的砂砾土置于第二土工织物表面并压实，获得压实度为90％的压实砂砾层；在压实砂砾层的表面铺设一层第一土工织物，将就地获得的粉土置于第一土工织物表面并压实，得到压实度为85％的压实粉土层，在压实粉土层的下部设置导排沟。
本发明所取得的有益效果为：
1.有效提高垃圾填埋场覆盖层的防渗集气能力，彻底分解和吸收填埋气：本发明的覆盖层结构主要由三种不同粒径、不同渗透系数的压实层和一个集气层组成，不同渗透系数的压实层在相交界面处会产生“毛细阻滞”现象，有效地提高防止雨水入渗的性能；上部压实粉土层上导排沟的设置也增大了导排水分的能力；集气层和压实黏土层中生物炭的添加有效地提高了收集、分解填埋气的能力，将生物炭材料添加至压实黏土层中，可以提高土中甲烷氧化菌的活性，将少量逃逸出集气层的填埋气进一步吸收、分解，彻底分解和吸收填埋气；
2.工程建设成本低：本发明中覆盖层所有土体材料均为就地取材，黏土层中添加的生物炭也是一种环保、固碳材料，生物炭的原料来源于工业废弃木屑，成本低廉；
3.应用方法简单、经济且可操作性强：本发明中多功能覆盖层的应用步骤主要为三步，并且每个步骤中均不需要额外的大型机械设备进行操作，方法简单、可操作性强，具有良好的推广应用前景。
附图说明
图1本发明的垃圾填埋场覆盖层结构的示意图；
图2天然黏土和生物炭改良黏土在不同含水量条件下的甲烷氧化速率对比图；
图中：1-压实粉土层，2-压实砂砾层，3-压实生物炭改良黏土层，4-集气层，5.1-第一土工织物，5.2-第二土工织物，5.3-第三土工织物，6-导排沟，7-垃圾填埋体，8-填埋气。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种用于垃圾填埋场的多功能覆盖层结构，该多功能覆盖层结构倾斜设置，自下而上包括：集气层4、压实生物炭改良黏土层3、压实砂砾层2及压实粉土层1，在压实粉土层1与压实砂砾层2界面处设置第一土工织物5.1，在压实砂砾层2与压实生物炭改良黏土层3界面处设置第二土工织物5.2，在压实生物炭改良黏土层3与集气层4界面处设置第三土工织物5.3；在压实粉土层1的下部设置导排沟6；垃圾填埋场的垃圾填埋体7位于集气层4下方；垃圾填埋体7内产生的填埋气8上逸至集气层4被收集，少量填埋气8被压实生物炭改良黏土层3降解吸收。
压实粉土层1的压实度为85％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.4～0.5m，渗透系数为1.0×10-8～1.0×10-5m/s，颗粒粒径为0.002～2mm。
压实砂砾层2的压实度为90％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.2～0.4m，渗透系数为1.0×10-4～1.0×10-2m/s，颗粒粒径为0.425～5mm。
压实生物炭改良黏土层3的压实度大于95％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.5～0.8m，渗透系数小于1.0×10-9m/s，颗粒粒径小于0.075mm。
压实生物炭改良黏土层3中的生物炭为木屑生物炭，热解温度为550℃，生物炭与黏土干重的质量比为15％～25％。
导排沟6在水平方向的间距为30～50m。
压实粉土层1的边坡坡率小于或等于1:3。
本发明多功能覆盖层结构在垃圾填埋场的应用，包括以下步骤：
第一步，垃圾填埋场的垃圾填埋体7填埋完成后，在其表面立即设置集气层4，并在集气层的上表面铺设一层第三土工织物5.3，将木屑生物炭与黏土混合均匀成复合材料，将该复合材料铺设于第三土工织物5.3表面，并利用压路机等机器将其压实成压实度大于95％、含水量为最优含水率的压实生物炭改良黏土层3；
第二步，在压实生物炭改良黏土层3的上表面铺设第二土工织物5.2，将就地准备的砂砾土置于第二土工织物5.2表面并压实，获得压实度为90％的压实砂砾层2；
第三步，在压实砂砾层2的表面铺设第一土工织物5.1，将就地获得的粉土置于第一土工织物5.1表面并压实，得到压实度为85％的压实粉土层1，在压实粉土层1的下部设置导排沟6，导排沟6增大了导排水分的能力。
图2为现有天然黏土和本发明木屑生物炭改良黏土的甲烷氧化能力对比图。
改良黏土中甲烷的掺量为20％(质量比)，可以看出：相同含水量条件下，生物炭改良黏土的甲烷氧化能力明显高于天然黏土，以含水量20％为例，天然黏土的最大甲烷氧化速率为58μg/(g·d)，而生物炭改良黏土的氧化速率为189μg/(g·d)，约为前者的3倍。改良黏土的甲烷氧化能力随着含水量的增加呈先增加后降低的趋势，这表明实际工程应用时，压实黏土层中的含水量不宜过大，最佳含水量在20％～25％之间。
生物炭是生物有机材料(生物质)在缺氧或者无氧环境中，经高温热解后产生的固体物质，其自身具有多孔性，结构稳定，可以增加土壤的持水能力，保持养分，促进土体中甲烷氧化菌的生长。生物炭材料可以提高土中甲烷氧化菌的活性，将少量逃逸出集气层的填埋气进一步吸收、分解。这些甲烷氧化菌可以将甲烷作为碳源和能量，最终分解为CO2和H2O，其基本原理如下式所示：
CH4+2O2→CO2+2H2O
应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本领域技术人员在阅读了本发明讲授的内容之后，可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种多功能覆盖层结构，其特征在于，该多功能覆盖层结构自下而上包括：集气层(4)、压实生物炭改良黏土层(3)、压实砂砾层(2)和压实粉土层(1)，压实粉土层(1)与压实砂砾层(2)之间、压实砂砾层(2)与压实生物炭改良黏土层(3)之间以及压实生物炭改良黏土层(3)与集气层(4)之间均设置有土工织物，压实粉土层(1)的下部设置导排沟(6)。
2.根据权利要求1所述的多功能覆盖层结构，其特征在于，所述的压实粉土层(1)的压实度为85％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.4～0.5m，渗透系数为1.0×10-8～1.0×10-5m/s，颗粒粒径为0.002～2mm。
3.根据权利要求1所述的多功能覆盖层结构，其特征在于，所述的压实砂砾层(2)的压实度为90％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.2～0.4m，渗透系数为1.0×10-4～1.0×10-2m/s，颗粒粒径为0.425～5mm。
4.根据权利要求1所述的多功能覆盖层结构，其特征在于，所述的压实生物炭改良黏土层(3)的压实度大于95％，含水量为最优含水率，压实厚度为0.5～0.8m，渗透系数小于1.0×10-9m/s，颗粒粒径小于0.075mm。
5.根据权利要求1所述的多功能覆盖层结构，其特征在于，所述的压实生物炭改良黏土层(3)为生物炭与黏土混合均匀的复合材料压实而成，其中，生物炭为木屑生物炭，热解温度为550℃，生物炭与黏土干重的质量比为15％～25％。
6.根据权利要求1所述的多功能覆盖层结构，其特征在于，相邻的导排沟(6)在水平方向的间距为30～50m。
7.根据权利要求1所述的多功能覆盖层结构，其特征在于，该多功能覆盖层结构倾斜设置，压实粉土层(1)的边坡坡率小于或等于1:3。
8.一种上述权利要求1-7任意一项所述的多功能覆盖层结构在垃圾填埋场的应用，其特征在于，垃圾填埋场的垃圾填埋体(7)填埋完成后，在垃圾填埋体(7)表面立即设置集气层(4)，并在集气层(4)的上表面铺设一层第三土工织物，将木屑生物炭与黏土混合均匀成复合材料，并铺设于第三土工织物表面，利用压路机将复合材料压实成压实度大于95％、含水量为最优含水率的压实生物炭改良黏土层(3)；垃圾填埋体(7)内产生的填埋气(8)上逸至集气层(4)被收集，少量填埋气(8)被压实生物炭改良黏土层(3)降解吸收；在压实生物炭改良黏土层(3)的上表面铺设一层第二土工织物，将就地准备的砂砾土置于第二土工织物表面并压实，获得压实度为90％的压实砂砾层(2)；在压实砂砾层(2)的表面铺设一层第一土工织物，将就地获得的粉土置于第一土工织物表面并压实，得到压实度为85％的压实粉土层(1)，在压实粉土层(1)的下部设置导排沟(6)。
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