发布时间：2022-04-25所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要: 地下水土环境污染评估、控制及修复已成为我国环保领域的重大需求。利用岩土工程的手段来解决水土环境污染问题是最为经济、最符合国情的途径之一，也是环境岩土工程工作者的优势所在。结合我国水土环境污染控制方面重大需求及现阶段我国迫需解决的环境岩土工程问
摘要: 地下水土环境污染评估、控制及修复已成为我国环保领域的重大需求。利用岩土工程的手段来解决水土环境污染问题是最为经济、最符合国情的途径之一，也是环境岩土工程工作者的优势所在。结合我国水土环境污染控制方面重大需求及现阶段我国迫需解决的环境岩土工程问题来阐述环境岩土工程研究及工程实践进展，主要包括城市固体废弃物可持续填埋处置，废弃泥的工程特性、工程处置及资源化利用，土体和地下水污染评价与防治和土工合成材料在环境岩土工程中应用。
关键词: 固体废弃物; 填埋处置; 废弃泥; 土体污染; 地下水污染; 土工合成材料; 可持续防控; 资源化利用
引 言
密集型人类生活和生产方式必然产生大量的废弃物，而地球岩土圈是废弃物的主要及最终处置场所。我国固体废弃物产量巨大，目前年产城市生活垃圾 2. 4 亿 t、污泥 2 千多万 t、工业固体废弃物 12 亿 t、尾矿 6 亿 t 和核废料 1000t，这些固体废弃物以填埋处置为主，全国城镇废弃物集中式处理设施达 4790 个。我国的江河湖海沉积着数百亿立方米受污染的底泥，成为水体的内污染源。我国有成千上万座废弃的化工厂址，数以万计的化工品储库、油库、干洗店等，正威胁周边地下环境安全。我国二氧化碳排放量达 67 亿 t，地下埋存被认为是实现碳减排及缓解全球气候变暖的有效措施之一。这些废弃物处置场所都是地下环境集中污染源，是潜在的地下炸弹。
近年来我国水土环境污染事故频发，引发一系列社会与环境危机，并造成重大经济损失。2001 ～ 2008 年，我国固体废弃物堆填场污染引发的突发环境事件年均 55 次，造成的直接经济损失高达 10 亿元。2008 年山西省襄汾尾矿坝溃坝事故，流失尾矿 26. 8 万 m3 ，流经长度达 2km，过泥面积达 30. 2 万 m2 ，造成 278 人死亡和严重的环境污染。2009 年广东某城市固体废弃物填埋场发生污泥坑管涌，流失污泥 6 万多 m3 ，流经长度十多公里，直达香港后海湾。2010 年福建上杭县紫金矿业发生强酸性渗滤液泄漏事件，9100m3 的渗滤液顺着排洪涵洞流入汀江，导致汀江部分河段污染及大量鱼类死亡。2011 年浙江省德清县浙江海久电池股份有限公司铅污染造成附近部分儿童血铅检测超标，这起事件也引起浙江蓄电池行业内的“大 地震”，213 家蓄电池企业停产整治。
近年来国家相关部门对水土环境污染问题高度重视。《国家中长期科学和技术发展规划纲要 2006 ～ 2020》中把“污染物控制与废弃物资源化利用技术”、 “长江、黄河等重大江河综合治理”等列为优先主题，设立“水体污染控制与治理”重大专项。《重金属污染综合防治“十二五”规划》成为第一个得到国务院批复的“十二五”国家规划。第一次全国污染源普查工作已于 2009 年结束。国家环保部正在组织制订《污染场地风险评估技术导则》、《场地环境监测技术导则》、《污染场地土壤修复技术导则》等。
可见，水土环境污染评估、控制及修复已成为我国环保领域的重大需求。鉴于我国目前国情和经济发展水平，利用岩土工程的手段来解决水土环境污染问题是最为经济、最符合国情的途径之一，也是环境岩土工程工作者的优势所在。因此，环境岩土工程工作者正面临着前所未有的机遇和挑战。本文结合我国水土环境污染控制方面重大需求及现阶段我国迫需解决的环境岩土工程问题来阐述我国的研究进展，主要包括城市固体废弃物可持续填埋处置，废弃泥的工程特性、工程处置及资源化利用，土体和地下水污染评价与防治和土工合成材料在环境岩土工程中应用。
1 城市固体废弃物可持续填埋技术
城市固体废弃物工程特性复杂，填埋场服役环境极端，容易引发在役填埋场城市环境灾害，主要包括: 填埋场失稳流滑，引发灾难; 填埋场渗滤液渗漏，污染城市地下水土环境; 填埋气无序扩散污染城市空气，引发火灾和爆炸、加剧温室效应等。以美国为代表的西方发达国家正发展可持续填埋技术。“可持续”填埋的内涵主要包括: 有效防控填埋场城市环境灾害，实现固废处理的无害化; 大幅增加单位土地面积填埋量、减少渗沥液产量和填埋气排放量，实现固废处理的减量化; 高效收集和利用填埋气，实现固废处理的资源化。
我国城市固体废弃物产量超过 2 亿 t /年，且仍以每年 8% ～ 15% 高速增长，全国城市固废积存量超过 50 亿 t。我国现有上万座城市固体废弃物填埋场需进行无害化评估及治理，未来 20 年还需新建 1400 多座城市固体废弃物填埋场。我国亟需开展填埋场孕育城市环境灾害机理、评估方法与可持续防控的科学基础理论研究，发展可持续填埋技术，以满足填埋场城市环境灾害防控、渗滤液减量、填埋气资源化的重大需求。
1. 1 固废含水、持水特性及渗滤液减量
我国城市固体废弃物填埋场的渗滤液产量较大，在南方地区通常达填埋量的 30% ，导致渗滤液处理厂负担较大和运行费用很高，且易引发填埋场渗滤液导排系统淤堵及渗滤液水位雍高等工程问题。因此，有必要对我国固废填埋场的渗滤液产量进行分析与预测，并采取有效措施实施渗滤液的减量化。
填埋场渗滤液的来源主要包括固废自身所含有的水分、进入填埋场的雨雪水及其他外来水分。当固废堆体含水率超过其田间持水率( 固废在重力作用下自由排水所能达到的最低含水率) ，超出的那部分水分将随着固废的降解而析出成为渗滤液。我国城市固体废弃物以厨余垃圾为主，初始含水率较高，平均约为 60% ( m /m，% ，湿基) ，而国外发达国家的一般小于 30%[1]，这主要由城市固体废弃物的组分所决定。如表 1 所示，我国城市固体废弃物的有机物( 以厨余为主) 含量较高，其中含有大量胞内水，这是造成我国城市固体废弃物初始含水率较高的主要原因。研究表明国内外城市固体废弃物降解后的田间持水率差别不大，约为 37% ( m /m，% ，湿基) [2]。因此，我国城市固体废弃物初始含水率显著大于田间持水率，而国外发达国家的初始含水率要小于田间持水率。这是造成我国填埋场渗滤液产量明显大于欧美国家的主要原因之一。
我国现行规范规定的填埋场渗滤液产量计算公式主要考虑填埋场不同覆盖区域降雨入渗产生的渗滤液，而忽略了高初始含水率固废自身降解析出那部分水量，以致渗滤液产量计算结果显著小于实测结果 ( 如图 1 所示) 。
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雨污分流是减少填埋场渗滤液产量的最重要手段。应根据场地条件，建设行之有效的地表水管理设施( 截洪沟或场区周边地表水导排设施) ，通过分区填埋减小填埋单元，减少场区地表水通过地表径流、地下渗流等途径进入填埋库区。此外，渗滤液回灌型生物反应器填埋场正得到越来越多的应用。回灌过程中通过固体废弃物堆体的截留和蒸发作用可以减少渗滤液的总量，通过进一步的生物化学反应可以减少渗滤液污染负荷。由于我国填埋场渗滤液产量大，导排系统设计不当或运营管理不善，易发生淤堵失效，以致渗滤液水位持续雍高，这使得渗滤液回灌在国内填埋场中的应用还未有成功实例，今后必须在此方面加强研究。
1. 2 固废导水特性及填埋场水位雍高与堆体稳定控制
我国城市固体废弃物填埋场大多存在渗滤液水位过高的问题，尤其是在南方多雨地区，“填埋体多高，水位就有多高”的现象较普遍。渗滤液水位雍高直接影响固废堆体的稳定性，阻碍填埋气有效收集，并加剧渗滤液污染物的扩散。因此，有必要深入认识填埋场渗滤液水位存在形式及雍高机理，以实现填埋场水位的有效控制。
室内外测试结果表明我国填埋场城市固体废弃物的导水系数随填埋深度增加而显著降低( 如图 2 所示) ，造成浅部渗滤液容易下渗，但到深层难以透过，加之我国填埋场渗滤液产量较大以及渗滤液导排系统易淤堵，往往导致水位逐渐雍高，形成较高的渗滤液主水位( 如图 3 所示) 。
除了渗滤液主水位外，填埋场还会存在局部滞水 ( 如图 3 所示) 。局部滞水是由中间覆土等弱透水层对渗滤液的向下运移产生了阻滞而形成。当填埋场深部固废的导水系数显著小于下卧导排层的渗透系数，则会出现渗滤液主水位与导排层内水头相脱离的现象( 如图 3 所示) 。
高渗滤液水位会导致填埋气导排不畅，造成填埋体内的填埋气不断累积，进而引起堆体气压的上升，从而使得渗滤液水位以下堆体处于高水气压力状态，在外界因素( 如强降雨、渗滤液回灌、地震等) 进一步作用下，极易引起水气压力的进一步上升，并诱发填埋体发生滑坡。
对于我国高渗滤液水位填埋场而言，建设渗滤液立体导排系统控制水位是确保填埋场堆体稳定的最有效手段。以深圳某填埋场为例，因持续暴雨，使本来就比较高的渗滤液水位进一步提高，边坡出现明显的滑移( 如图 4 所示) 。采取小口径抽排竖井实施水位迫降等应急措施，防止大规模滑坡的发生。后期通过重建中间渗滤液导排系统、顺坡向导排盲沟以及深层抽排竖井实现渗滤液水位的长期控制，显著提高了填埋体边坡的稳定安全系数[4]。
1. 3 填埋气产生、运移及高效收集
城市固体废弃物中有机质降解会产生大量气体 ( 主要是甲烷和二氧化碳) 。如果填埋气无控制、无组织地排放，不但会引起火灾甚至爆炸，而且会加剧温室效应，并造成资源的浪费( 其热值约为 20MJ/m3 ，与煤气热值接近) 。我国城市固体废弃物填埋场年产 132 亿 m3 填埋气体，作为能源回收利用后将减少碳排放量 3200 万 t /年，相当于 32 个百万 kW 发电厂每年的碳排放量。然而，目前我国填埋场填埋气的收集率仅为 25% ～ 40% ，远低于西方发达国家 60% ～ 80% 的水平。
我国城市固体废弃物有机物含量较高，这使得我国填埋场单位质量垃圾的填埋气产量要高于欧美发达国家的，单位质量垃圾理论产气量可达 300m3 /t( 干基) 。国内外研究表明，城市固体废弃物的含水率是影响填埋气产生的最重要因素，在一定范围之内，含水率越高，越有利于填埋气的产生[5-8]; 但是饱和度过高也可能抑制城市固废的降解产气。
固体废弃物的导气性是影响填埋场填埋气运移及收集的最重要参数。室内外测试结果表明，固体废弃物堆体的气相渗透系数随着液相饱和度的增加及堆体压实程度的增加而逐渐减小，尤其是接近饱和时，固废的导气系数显著下降( 如图 6 所示) 。当液相饱和度增加至气相无法形成连续的运移通道时，填埋气的运移受到阻滞，可能在填埋体内形成承压气包，如图 3 所示。
填埋气运移受到阻滞一方面会影响填埋场堆体的稳定，另一方面直接影响填埋气的有效收集利用。如图 7 所示，在某填埋场竖井施工过程中，当钻至一定深度后，气水混合物喷涌而出，最大喷出高度达到 4 ～ 5m，有些井在成井几个月之后仍然在间隙喷涌。如图 8 所示随着导气系数的减小，填埋气收集井的影响半径逐渐减小，填埋气收集效率也明显降低，这是我国高渗滤液水位填埋场气体收集率低的主要原因[2]。
对于我国高渗滤液水位填埋场而言，可通过立体导排措施( 包括水平导排盲沟、深层抽排竖井等) 降低渗滤液水位，提高填埋体的导气性和抽气井影响范围，实现填埋气的高效收集。以深圳下坪填埋场为例，渗滤液水位迫降和长期控制工程实施后，填埋气的收集率显著提高，气体收集量从水位降低前的 2000m3 /h 增加到 7200m3 /h。
1. 4 固废压缩特性及填埋场增容
城市固体废弃物堆体的压缩变形直接影响填埋场容量的预测与设计，堆体的显著沉降可能导致水气收集管道及封顶系统中防渗层破裂失效，并影响封场后土地的重新利用。目前我国填埋场扩建工程正在兴起，老堆体显著的沉降和不均匀沉降必然会影响扩建堆体各系统的工作性能。城市固体废弃物堆体的沉降变形主要包括应力作用引起的压缩以及有机质降解引起的压缩。研究表明，传统卫生填埋场的沉降可持续 20 ～ 30 年，总沉降量( 包括应力引起的沉降和有机质降解引起的沉降) 可达 25% ～ 50% ; 有机质降解引起的沉降量可达 18% ～ 24%[9]。由于我国固废的有机物含量较高，使得主压缩量和次压缩量都较国外要大。特别是对于降解引起的次压缩，通过加速降解促进次压缩沉降的发展和填埋场容量的增加具有较大的应用潜力。——论文作者：陈云敏1 施建勇2 朱 伟2 詹良通1
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