土工合成材料在城市生活垃圾处理中的应用情况及前景
随着我国经济的发展，城市化和工业化进程的加快，环境污染和资源短缺问题日益显现，尤其是城市大量产生的固体废弃物已对人类生存环境造成了极大的危害。据世界银行2005年报告，中国最近已超过美国成为世界上最大的固体废弃物制造者，2004年城市固体生活垃圾已达到1.9亿吨，工业固体垃圾达12亿吨，并以每年8.98%的速度增长，三分之二城市已出现垃圾围城现象。预计到2010年，全国城市生活垃圾总产量为3.2亿吨/年，日均68.7万吨。随着人类环保意识的增强，解决城市固体废弃物问题日趋重要，基本途径是减量化，资源化和无害化。而兴建生活垃圾卫生填埋场是最有效的方式。现代生活垃圾卫生填埋场包括复合衬垫系统、渗滤液收集和处理系统，气体收集系统和封盖系统等几大部分组成。土工合成材料是发挥防渗系统功能的必须材料。
一、我国生活垃圾处理设施现状
 图1 现代卫生垃圾填埋场简图 |
目前最常用的处理方法为堆肥、焚烧和填埋。前两种方法在我国推广应用广泛，但是不同程度的存在肥质差、成本高以及严重的二次污染，也有很多城镇采用填埋方法处理生活垃圾，但是由于资金和技术手段的限制，大多数填埋场只是进行简单的填埋处理，不具备必要的环境保护设施，因此对环境仍具有非常恶劣的影响。随着国家对环保的重视和加大投入，各地政府关注民生，垃圾处理投入不断加大，垃圾处理设施从无到有，从简单到现代化，发生了可喜的变化。截至2005年底，全国共有垃圾处理设施850多座，日处理能力仅有20 多万吨。其中设计城市535座，填埋、堆肥、焚烧和其他分别占76.1%、2.7%、12.4%和8.8%。县城315座，填埋、堆肥、焚烧和其他分别占93.6%、0.9%、2.31%和3.21%。但处理能力远远不能满足固废的需要，80%以上的县城和城市，还没有处理固废的要求设施。
二、今后垃圾处理设施规划、目标及任务
国家规划至“十一五”末期，全国城市生活垃圾无害化处理率应达到60%,其中：设计城市生活垃圾无害化处理率达到70%,县城生活垃圾无害化处理率达到30%。
国家“十一五”垃圾处理项目建设规划技术路线：
1.不同处理技术的选择原则：
（1）卫生填埋处理作为生活垃圾的最终处理方式是每个地区必须具备的保证手段，在具备卫生填埋场地资源和自然条件适宜的城市，可以作为卫生填埋作为生活垃圾处理的基本方案。
（2）焚烧处理可最有效实现生活垃圾的减容、减量、资源化，在经济发达、土地资源紧张，生活垃圾热值符合条件的城市，可优先发展焚烧处理技术。
（3）在实行生活垃圾分类收集，堆肥产品有出路的城市，可发展适宜的生物处理技术，但对未普及生产分类收集的城市，应谨慎发展以产出肥料为目的堆肥处理技术。
（4）鼓励采用对多种处理技术进行有效集成、合理配置的综合处理技术，在实现生活垃圾无害化处理的同时，实现垃圾中资源的多效率回收利用。
2.不同经济发展状况地区的技术选择：
（1）东部地区，垃圾处理应以卫生填埋场为基础，在具备条件的城市，鼓励使用焚烧或生化处理技术进行前处理。
（2）西南地区，现阶段可以卫生填埋处理为主，随着经济的发展，逐步加大焚烧或生化技术的使用比例。
（3）西北地区，生活垃圾处理以卫生填埋技术为主。
（4）中部地区和东北地区，生活垃圾处理现阶段应以卫生填埋场为主，适度发展其他处理工艺。
3.规划建设项目。
“十一五”期间规划新增生活垃圾无害化处理能力29.2万吨/日，具体新建处理设施项目为：东部建95座填埋场，8座焚烧场；中部106座填埋场、6个焚烧场；东北58座填埋场，4个焚烧场；西南：30个填埋场，6个焚烧场。填埋场总计建316座。
三、垃圾填埋厂防渗系统必须的土工合成材料及要求。
建设部《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范》规定：垃圾填埋场防渗系统工程中应使用的土工合成材料：高密度聚乙烯膜、土工布、GCL、土工复合排水网等。
1.高密度聚乙烯（HDPE）膜
用于垃圾填埋场防渗系统工程的土工膜除应符合国家现行标准GJ/T234的有关规定外，还应符合下列要求：
（1）厚度不应小于1.5mm
（2）膜的幅宽不宜小于6.5m
（3）外观符合下列要求：
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HDPE膜外观要求
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2. 土工布
垃圾填埋场防渗系统土工工程中使用的土工布应符合下列要求。
（1）应结合防渗系统工程的特点，并应适应垃圾填埋场的使用环境。目前：以丙纶短纤土工布、涤纶长丝土工布、涤纶短纤土工布为主。抗老化丙纶短纤针刺土工布具有耐酸碱、耐冲刷、耐风吹，卷曲牢度强等特点，在北京、天津、河北、河南等地广泛应用，效果很好。解决了长丝纺粘土工布卷曲牢度小，抗风抗冲刷能力差，一层层脱落掉毛的缺点。
（2）土工布用作HDPE膜保护材料时，规格不应小于600g/m2.
（3）土工布用于盲沟和渗沥液收集导排层的反滤材料时，规格不宜小于150g/m2。
（4）土工布应具有良好的抗老化和抗紫外线功能。
3. 钠基膨润土防水毯（GCL）
垃圾填埋场防渗工程中钠基膨润土防水毯（GCL）的性能指标应符合国家现行标准要求。并应符合下列要求：
（1）GCL应表面平整，厚度均匀，无破洞，破边现象。应无残留断针。
（2）单位面积质量不应小于4800g/m2，其中单位面积膨润土质量不应小于4500g/m2。
（3）膨润土体积膨润度不应小于24ml/2g.
（4）抗剥强度不应小于65N/10cm.
（5）抗拉强度不应小于800N/10cm.
（6）渗透系数应小于5×10-11m/S
（7）抗静水压力0.6mPa/1h无渗漏。
4. 土工复合排水网
用于防渗系统工程的土工复合排水网应符合下列要求：
（1）土工复合排水网中土工网和土工布应预先粘合，且粘合强度大于0.17KN/m。
（2）土工复合排水网宜使用HDPE材质，纵向抗拉强度应大于8N/m。横向抗拉强度应大于3KN/m。
（3）土工复合排水网的土工布要求不宜小于200g/m2。
（4）土工复合排水网的导水率选取应考虑蠕变折减因素、生物及化学淤堵折减因素。
四、土工合成材料在卫生填埋防渗系统中的应用
1.填埋场地基防渗系统
填埋场必须进行防渗处理，防止对地下水和地表水的污染，同时还应防止地下水进入填埋区。人工防渗系统应符合下列要求：
（1）人工合成衬里的防渗系统应采用复合衬里防渗系统，位于地下水贫乏的地区的防渗系统也可采用单层衬里防渗系统，在特殊地质和环境要求非常高的地区，库区底部采用双层衬里防渗系统。
（2）复合衬里应按下列结构铺设：
a.库区底部复合衬里结构（图2a）基础，地下水导流层，厚度应大于30cm，膜下防渗保护层，粘土厚度应大于或等于100cm，渗透系数不应大于1.0×10-7cm/s ,HDPE土工膜，膜下保护层，渗沥液导流层，厚度应大于或等于30cm,土工织物层。
 图2a |
b.库区边坡复合衬里结构（图2b）基础。地下水导流层，厚度应大于30cm；膜下防渗保护层，粘土厚度应大于75mm；渗透系数不应大于1.0×10-7cm/s，HDPE土工膜，膜上保护层，渗沥液导流与缓冲层。
 图2b |
（3）单层衬里应按下列结构铺设。
a.库区底部为层衬里结构（图3a）。基础，地下水导流层，厚度大于30cm，膜下保护层，粘土厚度应大于100cm，HDPE土工膜，膜下保护层，渗沥液导流层，厚度应大于30cm,土工织物层。
 图3a |
 图3b |
（4）特殊情况下可采用钠基膨润土垫代替膜下防渗保护层。
2.填埋场封场覆盖系统
填埋场封场必须建立完整的封场覆盖系统。封场覆盖系统结构由垃圾填埋场平顶表面顺序应为：
排气层、防渗层、排水层、植被层、如图4所示：
 图4 |
（1）排气层，应设置排气层，施加于防渗层的气体压强不应大于0.75Kpa。排气层应采用粒径为25-50mm，倒排性能好，抗腐蚀的粗粒多孔材料。厚度不应小于30cm，气体导排层宜用与导排性能等效的土工复合排水网。
（2）防渗层，可由于土工膜和压实黏土或GCL组成复合防渗层。土工膜选择厚度不应小于1mm的高密度聚乙烯（HDPE）或线性低密度聚乙烯土工膜（LLDPE），土工膜上下表面应设置土工布。
（3）排水层顶坡应采用粗粒或土工排水网，边坡应采用复合排水网，材料应有足够的导水性能。
（4）植被层应由营养植被层和覆盖支持土层组成。
五、卫生填埋场防渗系统材料选用与设计
近年来，随着生产垃圾、生活垃圾、商业垃圾和旅游垃圾等大量固废的产生，卫生填埋场成为城市垃圾最终处理的方式之一。卫生填埋场简言之就是在铺设良好防渗性能衬垫的场地上，将固体废弃物铺成一定厚度的薄层，加以机械压实，并分层加土覆盖消毒。其中防渗系统的处理及材料的选用是填埋场设计的主要核心所在。目前国内外采用的防渗衬层效果比较好的主要有以下几种：
1.高密度聚乙烯土工膜：
高密度聚乙烯（HDPE）土工膜是卫生填埋场中最广泛的土工膜，这是高分子聚乙烯通过吹塑或压延制成的具有很强耐久性的防渗材料。主要特征：化学性能稳定，垃圾渗滤液不会对其构成威胁，低渗透性，确保地下水和雨水渗透液不会渗过衬垫，甲烷气体不会溢出排放系统，抗紫外线性能稳定。HDPE中的炭黑加强了抗紫外线能力。不含增塑剂，解决了暴露在紫外线下北分解的问题。
HDPE膜分为光面和糙面两种，光面用于库底，糙面增加防滑功能，解决库坡挂不住膜和导排层的问题。传统的糙面土工膜采用氮气发泡技术，强力损失50%,形成了力学指标和防滑功能的矛盾，目前国外和国内大厂家发明了柱点防滑糙面土工膜，力学指标完全等同于光面膜，又加强防滑功能，是理想的库坡防渗材料。
封场覆盖HDPE膜后，形成有效遮盖，可减少恶臭排放，控制苍蝇滋生。这种HDPE膜为双面，其中一面墨绿色（环保色）外形美观，视觉效果好，也兼备了抗紫外线等功能。
2.超低密度聚乙烯(VLDPE)
超低密度聚乙烯（VLDPE）土工膜是由聚乙烯树脂压制而成的具有良好的柔韧特性的衬垫材料，它使用于不平整的填埋场垃圾封场。其特性表现外：多轴拉伸性，它的高延伸率能使之适用于不均匀沉降和不平整的地面。
3.加糙土工膜
加糙土工膜是在土工膜表面加一层粗糙的防渗材料。这种加糙土工膜目前正开始推广使用。它的主要性能是：加强了与土，无纺布以及其它合成纤维的表面摩擦，加强了与土，水泥等的亲和力，增强了防滑稳定性。
加糙土工膜与粘土的最高摩擦系数：摩擦角29°时，凝聚力为6.0kpa:与无纺土工织物最高摩擦系数；摩擦角32°时，凝聚力为2.2Kpa。加糙土工膜的厚度一般有1.5mm 2.0mm 和2.5mm三种。
4.膨润土防水毯（GCL）
GCL是膨润土夹在土工织物中间或连接在土工膜上复合制成的，它是目前国内外填埋场应用最广泛的防渗材料之一，通常与土工膜配合使用。GCL主要特征是：膨润土容水量＞8%，单位面积质量＞4.5g/m2,渗透系数＜1×10-9cm/s。它的突出特点是利用高性能混土水反应时体积膨胀13-16倍的特性对损伤部位及3mm体内裂纹进行自我修补，同时它具有永久防水效果、高强度、高延伸率，耐腐蚀及耐冲击性。
5.无纺土工织物
无纺土工织物简称无纺布，是卫生填埋场防渗设计和施工必备材料。按材料类别分为抗老化丙纶短纤针刺土工布、涤纶短纤土工布和长纤无纺土工布。卫生填埋场考虑到抗风吹、抗冲刷、耐酸碱，导排性能等因素，宜采用抗老化聚丙烯无纺土工布。
6.复合排水网
地下水收集导排系统，封场排气层，排水层顶破应采用三维网芯的复合排水网。
六、垃圾填埋场应用土工合成材料存在的问题
1、施工损伤问题。
根据对填埋场问题调查，渗漏问题有97.6%的原因是机械施工损伤。因此，施工一定要严格遵照规范，切忌大型机械碾轧和铲车底部违章作业，尤其是膜上作业，加强保护措施，严格施工规范。
2、特殊部位的处理。
对于山体垂直和角度较大的坡，锚固应在隔6-10m，增加一道平台，导流层应用二层膨润土防水毯或二层土工布。避免悬空吊挂。锚固点应做挤压HDPE膜焊点处理。
3、 库底铺设土工膜后，膜上导排层不允许机械施工，但人工又非常慢，多数工地管理不严，存在机械施工现象，这是不允许的，一旦破坏膜，后果严重。可采取增加一层复合排水网或一层阻根卷材。复合排水网要把布加厚到400g以上。减少导排层砂石厚度，或轻型机械施工并避免违章作业带来的损伤。
总的看来，土工合成材料在卫生垃圾填埋场中发挥了至关重要不可代替的作用。但是防机械损伤、防淤堵、抗沉降、防滑坡以及特殊部位的施工等还有待于开发更新更高性能的材料。这是摆在土工合成材料科研部门和生产企业面前的新课题，期待早日解决。
七、结束语
全国“十一五期间生活垃圾无害化处理设施规划总投资754.6亿元，其中：生活垃圾处理设施616.2亿元，为土工合成材料领域提供了广阔发展空间。做为土工材料科研生产企业，应加大科研力度，创新产品功能，提高产品质量，为国家固废处理事业，为人民生活健康作出应有的贡献。
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