CN111804696B - 填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了填埋场阻滞降解型封场覆盖系统、其防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置和方法，属于固体废物再生利用系统。该系统自上至下依次包括：腾发覆盖层：各组分质量百分含量分别包括：市政污泥20％‑25％，建筑垃圾细砂70～75％，改性剂：2％‑2.5％，腾发覆盖层的厚度取值范围为60cm‑100cm；阻滞导排层：包括建筑垃圾粗骨料，阻滞导排层的厚度取值范围为20cm‑30cm；降解阻滞层：各组分质量百分含量分别包括：市政污泥3％‑5％，建筑垃圾细粉70％‑75％，生活垃圾生物炭18％‑20％，钙基膨润土2％‑3％，降解阻滞层的厚度取值范围为25cm‑35cm。该性能测试装置和方法能够用于对该覆盖系统的防水、闭气、污染物降解率性能进行测试。该覆盖系统具有优异的“阻水”、“闭气”和“降污”性能。

Description

填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其防水、闭气、污染物降解 率性能测试试验装置和方法
技术领域
本发明涉及固体废物再生利用系统，特别是涉及基于固体废物再生利用的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统、其防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置和方法。
背景技术
生活垃圾填埋场工程安全是国家生态文明建设的重大战略需求，是推进国家“无废城市”建设，打赢“蓝天、碧水、净土”保卫战的重要一环。我国城市生活垃圾年产量已达2.3亿吨，居世界首位，主要采用混合填埋方式处置，导致我国填埋场内部气-液污染物组分复杂，毒性大，泄漏污染运移路径多变、隐蔽性强，一旦泄漏污染，将对周边水土以及大气造成重大污染事故，后期环境修复将付出昂贵代价。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种填埋场阻滞降解型封场覆盖系统、其防水、闭气、性能测试试验装置和方法，其具有优异的“阻水”、“闭气”和“降污”性能，从而更加适于实用。
为了达到上述第一个目的，本发明提供的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的技术方案如下：
本发明提供的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统自上至下依次包括：
腾发覆盖层：各组分质量百分含量分别包括：市政污泥20％-25％，建筑垃圾细砂70％-75％，改性剂：2％-2.5％，所述腾发覆盖层的厚度取值范围为60cm-100cm；
阻滞导排层：包括建筑垃圾粗骨料，所述建筑垃圾粗骨料的粒径取值范围为5mm～50mm，所述阻滞导排层的厚度取值范围为20mm-30mm；
降解阻滞层：各组分质量百分含量分别包括：市政污泥3％-5％，建筑垃圾细粉70％-75％，生活垃圾生物炭18％-20％，钙基膨润土2％-3％，所述降解阻滞层的厚度取值范围为25cm-35cm；
其中，
所述腾发覆盖层的渗透系数取值范围为1×10-4cm/s-1×10-5cm/s，所述阻滞导排层的渗透系数取值范围为1×10-1cm/s-1×10-2cm/s，所述降解阻滞层的渗透系数取值范围为1×10-6cm/s-1×10-7cm/s。
本发明提供的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，所述建筑垃圾细砂的粒径取值范围为0.5mm-5mm。
作为优选，所述腾发覆盖层选用的市政污泥的含水的质量百分含量取值范围为80％-85％。
作为优选，所述改性剂中各组分的质量比包括硅酸盐水泥:除臭剂＝(4:1)～(8:1)。
作为优选，所述建筑垃圾细粉的粒径取值范围为<0.5mm。
作为优选，所述生活垃圾生物炭是生活垃圾在400℃-500℃无氧条件下碳化所得，所述生活垃圾生物炭的粒径取值范围为<2mm。
作为优选，所述生活垃圾生物炭的制备方法包括以下步骤：
生活垃圾在400℃-500℃无氧条件下碳化，得到中间产物；
所述中间产物过2mm筛，得到粒径取值范围<2mm的生活垃圾生物炭。
为了达到上述第二个目的，本发明提供的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水闭气性能测试试验装置的技术方案如下：
本发明提供的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置包括：
气体采样口，设置于所述阻滞导排层的一侧；
第一气压计，设置于所述阻滞导排层的另一侧，用于从所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统输出的气体压力测试；
流量计，设置于所述降解阻滞层的底部；
第二气压计，一端与所述流量计连通，用于向所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统输入的气体压力测试；
调压阀，一端与所述第二气压计的另一端连通；
雨水收集装置，设置于所述降解阻滞层的底部；
其中，填埋气体依次经由所述调压阀、第二气压计、流量计后到达所述降解阻滞层的底部。
为了达到上述第三个目的，本发明提供的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水闭气性能测试试验方法的技术方案如下：
本发明提供的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置的试验方法，其特征在于，
所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水性能测试试验方法包括以下步骤：
获取年累计雨水下渗量数据；
根据所述年累计雨水下渗量得到所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水性能数据，单位为mm/m2/年；
所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的闭气性能测试试验方法包括以下步骤：
每隔单位时间获取当前时刻气体渗透系数；
根据多个时刻的气体渗透系数求取平均值，以表征所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的闭气性能；
其中，所述气体渗透系数的计算公式如下：
Figure BDA0002585621220000041
式中：Kg为气体渗透系数，m/s；Q为气体流量，m3/m2/s；H为阻滞降解层厚度，m；Pin为填埋气体进入压力，Pa；Pout为填埋气体出来压力，Pa；A为填埋场模拟实验装置横截面面积，m2；
所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的污染物降解率性能测试试验方法包括以下步骤：
每隔单位时间获取当前时刻污染物降解率；
根据多个时刻的污染物降解率求取平均值，以表征所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的污染物降解率性能；
其中，所述污染物降解率的计算公式如下：
Figure BDA0002585621220000042
式中：D为污染物降解率，％；Cin为从封场覆盖系统底部进入的填埋气体TVOCs浓度，Cout为从阻滞降解层出来的填埋气体TVOCs浓度。
本发明提供的基于城市固废再生利用的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，该覆盖防渗技术从上自下包括腾发覆盖层，阻滞导排层和阻隔降解层三层结构。该封场覆盖系统以市政污泥、建筑垃圾、生活垃圾再生城市废弃物为主材，利用腾发覆盖层对下渗雨水的存储-腾发调控，阻滞导排层对下渗雨水的毛细阻滞和导排，以及阻隔降解层对填埋气体的阻隔和原位降解，具有优异的“阻水”、“闭气”和“降污”性能。且该发明所用主材均为城市固体改性再生材料，社会效益、环境效益与经济效益显著。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
在附图中：
图1为本发明实施例提供的基于城市固体废物再生利用的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于城市固体废物再生利用的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水闭气性能测试土桩试验装置的结构示意图；
附图标记：
1-腾发覆盖层，2-阻滞导排层，3-降解阻滞层，4-填埋垃圾，5-植物，6-降雨，7-气体采样口，8-第一气压计，9-流量计，10-第二气压计，11-调压阀，12-填埋气体。
具体实施方式
封场覆盖系统作为垃圾填埋场阻止雨水下渗和填埋场气体泄露的重要结构，其长期服役性能稳定是垃圾填埋场环境工程安全的重要保障。我国现役垃圾填埋场超过900座，大多已接近填埋场设计库容，面临封场问题。为阻止水分入渗和填埋气体泄露造成环境污染事故，我国《生活垃圾卫生填埋处置技术规范GB50869-2013》推荐采用压实粘土、HDPE土工膜等多层结构组成封场覆盖系统，但多年工程实践证明该封场覆盖系统依然存在诸多工程问题：一是在大气干湿循环作用和垃圾非均匀沉降作用下由压实粘土层易于开裂失效，HDPE土工膜弱界面是覆盖系统失稳破坏潜在威胁；二是由于地质成因的差异性和环境保护要求，很多城市周边无法获取优质粘土材料，长途运输显著增加了工程建设成本。
建筑拆迁垃圾、市政脱水污泥、生活垃圾是我国三大主要城市固体废弃物，而进入垃圾填埋场填埋处置，是上述三种城市固废的主要处置方式之一。为有效利用进入垃圾填埋场处置的建筑垃圾、市政污泥、生活垃圾等城市固废，我国《生活垃圾卫生填埋技术导则》(RISN-TG014-2012)中推荐了生态污泥封场覆盖技术。
有鉴于此，本发明提供了一种填埋场阻滞降解型封场覆盖系统、其防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置和方法，其具有优异的“阻水”、“闭气”和“降污”性能，从而更加适于实用。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种填埋场阻滞降解型封场覆盖系统、其防水闭气性能测试试验装置和方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
为解决上述技术问题，发明提供的一种基于城市固废再生利用的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，该覆盖防渗技术从上自下包括腾发覆盖层，阻滞导排层和阻隔降解层三层结构，如图1所示。具体实施方案如下：
(1)建筑垃圾破碎
首先将进入垃圾填埋场的建筑垃圾破碎，最大粒径50mm，然后筛分成三种粒径范围的材料备用。建筑垃圾粗骨料，粒径5～50mm；建筑垃圾细砂，粒径0.5～5mm；建筑垃圾细粉，粒径<0.5mm。建筑垃圾破碎后粒径分布曲线如图2所示。
(2)垃圾生物炭制备
将部分进入垃圾填埋场的生活垃圾制备成生物炭，碳化温度为400～500OC直接，然后将生活垃圾生物炭碾碎，过2mm筛。
(3)降解阻滞层建设
按市政污泥3％～5％，建筑垃圾细粉65～70％，生活垃圾生物炭18～20％，钙基膨润土2～3％的质量比混合，并配置成最优含水率，搅拌均匀。
所用市政污泥含水率80％～85％。
在垃圾填埋场需封场区域，将上述混合料均匀铺设在垃圾填埋场需封场区域，并压实。压实后，压实度不低于90％，厚度25～35cm，渗透系数1×10-6cm/s～1×10-7cm/s。
(4)阻滞导排层建设
待降解阻滞层建设完毕后，在阻滞降解层上均匀铺设建筑垃圾粗骨料，粒径5～50mm，厚度20～30cm，渗透系统1×10-1cm/s～1×10-2cm/s。
(5)腾发覆盖层建设
腾发覆盖层建造材料是由市政污泥20～25％，建筑垃圾细砂70％-75％，改性剂2～2.5％组成的混合料。
腾发覆盖层建筑垃圾细砂粒径0.5～5mm。
腾发覆盖层所用市政污泥含水率80％～85％。
腾发覆盖层所用改性剂为普通硅酸盐水泥与除臭剂混合物，二者质量比为(4:1)-(8:1)。本实施例中，除臭剂为市售具有吸附作用的物质，例如活性炭颗粒或者活性炭粉，或者其他物理吸附或者化学吸附物质，只要能够吸除臭味即可。
将市政污泥、建筑垃圾细砂、改性剂按上述质量比混合，并搅拌均匀。待阻滞导排层建设完毕后，在阻滞导排层上均匀铺设腾发覆盖层所用混合料，并适当碾压。碾压后，腾发覆盖层厚度60～100cm，渗透系统1×10-4cm/s～1×10-5cm/s。
(6)表层植被恢复
待腾发覆盖层建设完毕后，在腾发覆盖层表面种植草本植物或浅根型灌木，植被类型需根据地区气候环境而定。
为了更清楚介绍本发明实施例，下面从本发明实施例予以介绍。
实施例1：腾发覆盖层厚度60cm，材料配比：市政污泥20％，建筑垃圾细砂70％，改性剂2％组成的混合料。阻滞导排层，厚度20cm，材料配比：建筑垃圾粗骨料100％。阻滞降解层厚度25cm，材料配比：市政污泥3％，建筑垃圾细粉70％，生活垃圾生物炭18％，钙基膨润土2％组成的混合料。
实施例2：腾发覆盖层厚度60cm，材料配比：市政污泥25％，建筑垃圾细砂72％，改性剂2.5％组成的混合料。阻滞导排层，厚度20cm，材料配比：建筑垃圾粗骨料100％。阻滞降解层厚度25cm，材料配比：市政污泥5％，建筑垃圾细粉70％，生活垃圾生物炭18％，钙基膨润土3％组成的混合料。
实施例3：腾发覆盖层厚度100cm，材料配比：市政污泥20％，建筑垃圾细砂75％，改性剂2％组成的混合料。阻滞导排层，厚度30cm，材料配比：建筑垃圾粗骨料100％。阻滞降解层，厚度35cm，材料配比：市政污泥3％，建筑垃圾细粉70％，生活垃圾生物炭18％，钙基膨润土3％组成的混合料。
对比例：对比方法传统的粘土封场覆盖系统，分三层结构，自上而下分别为：植被营养层，厚度60cm，材料配备：营养土100％；导排层，厚度20cm，材料配备卵石100％；压实粘土防渗层，厚度30cm，材料配比：压实粘土100％。对比方法1中封场覆盖系统所用材料与结构尺寸满足《生活垃圾卫生填埋处置技术规范GB50869-2013》中要求。
针对上述实施例1-实施例3、对比例开展了为期一年的“防水、闭气、降污”性能评价模型试验研究，如图2所示。其中，防水性能主要通过累计雨水下渗量(mm/m2/年)评估；闭气性能主要通年评价的气体渗透系数评估，气体渗透系数计算方法如1式所示；降污性能主要通过年评价的填埋气体TVOCs浓度降低百分比评估，污染物降解率计算方法如式2所示。累计雨水下渗量全年无间段监测；气体渗透系数和污染降解率每月测试一次，一年共12次，然后求平均值。
Figure BDA0002585621220000091
式中：Kg为气体渗透系数，m/s；Q为气体流量，m3/m2/s；H为阻滞降解层厚度，m；Pin为填埋气体进入压力，Pa；Pout为填埋气体出来压力，Pa；A为填埋场模拟实验装置横截面面积，m2。
Figure BDA0002585621220000092
式中：D为污染物降解率，％；Cin为从封场覆盖系统底部进入的填埋气体TVOCs浓度，Cout为从阻滞降解层出来的填埋气体TVOCs浓度，本实施例中，气体采样口获取的是Cout，Cin是已知的。
表1填埋场封场覆盖系统性能测试试验结果
Figure BDA0002585621220000101
表1为上四种实施例封场覆盖系统“防水、闭气、降污”性能土柱试验结果。由表1可知，实施例3的“防水、闭气、降污”性能优于实施例1和方法2，显著优于对比例1。其中防水性能提高提高1倍以上，闭气性能提高1个数量级以上，降污性能从传统粘土封场覆盖系统的65.3％提高至99.6％。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其特征在于，自上至下依次包括：
腾发覆盖层：各组分质量百分含量分别包括：市政污泥20％-25％，建筑垃圾细砂70～75％，改性剂：2％-2.5％，所述腾发覆盖层的厚度取值范围为60cm-100cm；
阻滞导排层：包括建筑垃圾粗骨料，所述建筑垃圾粗骨料的粒径取值范围为5mm～50mm，所述阻滞导排层的厚度取值范围为20cm-30cm；
降解阻滞层：各组分质量百分含量分别包括：市政污泥3％-5％，建筑垃圾细粉70％-75％，生活垃圾生物炭18％-20％，钙基膨润土2％-3％，所述降解阻滞层的厚度取值范围为25cm-35cm，所述降解阻滞层具有最优含水率，所述降解阻滞层的压实度不低于90％；
其中，
所述生活垃圾生物炭是生活垃圾在400℃-500℃无氧条件下碳化所得；
所述腾发覆盖层的渗透系数取值范围为1×10-4cm/s-1×10-5cm/s，所述阻滞导排层的渗透系数取值范围为1×10-1cm/s-1×10-2cm/s，所述降解阻滞层的渗透系数取值范围为1×10-6cm/s-1×10-7cm/s。
2.根据权利要求1所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其特征在于，所述建筑垃圾细砂的粒径取值范围为0.5mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其特征在于，所述腾发覆盖层选用的市政污泥的含水的质量百分含量取值范围为80％-85％。
4.根据权利要求1所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其特征在于，所述改性剂中各组分的质量比包括硅酸盐水泥:除臭剂＝(4:1)～(8:1)。
5.根据权利要求1所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其特征在于，所述建筑垃圾细粉的粒径取值范围为<0.5mm。
6.根据权利要求1所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其特征在于，所述生活垃圾生物炭的粒径取值范围为<2mm。
7.根据权利要求6所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统，其特征在于，所述生活垃圾生物炭的制备方法包括以下步骤：
生活垃圾在400℃-500℃无氧条件下碳化，得到中间产物；
所述中间产物过2mm筛，得到粒径取值范围<2mm的生活垃圾生物炭。
8.权利要求1-7中任一所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置，其特征在于，包括：
气体采样口，设置于所述阻滞导排层的一侧；
第一气压计，设置于所述阻滞导排层的另一侧，用于从所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统输出的气体压力测试；
流量计，设置于所述降解阻滞层的底部；
第二气压计，一端与所述流量计连通，用于向所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统输入的气体压力测试；
调压阀，一端与所述第二气压计的另一端连通；
雨水收集装置，设置于所述降解阻滞层的底部；
其中，填埋气体依次经由所述调压阀、第二气压计、流量计后到达所述降解阻滞层的底部。
9.基于权利要求8所述的填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水、闭气、污染物降解率性能测试试验装置的试验方法，其特征在于，
所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水性能测试试验方法包括以下步骤：
获取年累计雨水下渗量数据；
根据所述年累计雨水下渗量得到所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的防水性能数据，单位为mm/m2/年；
所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的闭气性能测试试验方法包括以下步骤：
每隔单位时间获取当前时刻气体渗透系数；
根据多个时刻的气体渗透系数求取平均值，以表征所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的闭气性能；
其中，所述气体渗透系数的计算公式如下：
Figure FDA0003395759090000031
式中：Kg为气体渗透系数，m/s；Q为气体流量，m3/m2/s；H为阻滞降解层厚度，m；Pin为填埋气体进入压力，Pa；Pout为填埋气体出来压力，Pa；A为填埋场模拟实验装置横截面面积，m2；
所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的污染物降解率性能测试试验方法包括以下步骤：
每隔单位时间获取当前时刻污染物降解率；
根据多个时刻的污染物降解率求取平均值，以表征所述填埋场阻滞降解型封场覆盖系统的污染物降解率性能；
其中，所述污染物降解率的计算公式如下：
Figure FDA0003395759090000032
式中：D为污染物降解率，％；Cin为从封场覆盖系统底部进入的填埋气体TVOCs浓度，Cout为从阻滞降解层出来的填埋气体TVOCs浓度。
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