针对城市垃圾卫生填埋场渗滤液成分复杂、浓度高、污染性强的特点，分析了在卫生填埋场中构筑防渗系统的功能要求，根据粘土固化浆液的组成特征和固化机理，研究了粘土固化注浆帷幕对渗滤液的抗渗性能和对污染物质的吸附特性，通过粘土固化注浆帷幕在卫生填埋场防渗工程中的应用情况，从施工质量检测、防渗效果监测和技术经济角度，证明了这种垂直防渗技术应用在填埋场中的可靠性和经济性。 


关  键  词：填埋场；渗滤液；垂直防渗；粘土固化注浆帷幕；渗透性；吸附性
0  引 言
      随着国民经济的快速发展，我国城市垃圾卫生填埋场建设进入高速发展阶段，渗滤液控制是填埋场建设中最为关键的问题之一。对渗滤液最直接最有效的防治与控制措施就是建立防渗系统，将渗滤液及其有害污染物控制在一定范围之内，同时建立渗滤液处理设施进行处理，使其达到相关污水排放标准再进行排放。
目前在填埋场中建立防渗系统有水平防渗衬层和垂直注浆帷幕两种。以粘土垫层及土工膜防渗设施等建立的水平防渗技术有其自身的优势，如施工透明度高、易于质量监控等，但这种水平防渗系统一旦投入使用则不具有修复性，并且其高造价对于一般城市填埋场建设的实施将具有一定的难度。而利用帷幕注浆在填埋场中建立垂直防渗系统，应用在工程中具有低成本、投资少及易修复等特点，对于像我国这样的发展中国家具有明显的优势。
粘土固化注浆帷幕因具有较低的渗透性能和良好的化学相容性，已应用于矿山尾矿坝堵水工程[1]和填埋场防渗工程[2]，并取得了良好的社会经济效益。本文介绍了粘土固化浆液的组成和固化机理；研究了粘土固化注浆帷幕对渗滤液的防渗阻滞特性，及其在垃圾卫生填埋场中的应用情况；通过施工检测和运营中防渗效果监测，表明粘土固化注浆帷幕应用在城市垃圾填埋场中安全可靠、经济合理，所得出的结论可为矿山、填埋场等特殊地下水环境防渗工程的设计、施工和管理提供借鉴。
1  填埋场防渗要求
1.1  渗滤液特征
渗滤液是由垃圾中有机物降解生成的新物质以及生活垃圾的溶解物质与雨水和地下水混合而成的，由于垃圾组份的多样性和复杂性，导致渗滤液的化学成分十分复杂，污染物浓度变化范围很大，见表1[3]。
 
表1 典型的填埋场渗滤液水质  ρ/(mg.L-1)
参量 变化范围 参量 变化范围 
颜色 黄-灰黑色 BOD5 80~336 
嗅觉 恶臭 NH3-N 20~740 
pH值 3.8~8.5 NO2-N 0.6~19 
总残值 2360~35700 有机酸 50~250 
CODCr 40~89500 Cu 0.10~1.0 
Pb 0.1~2.0 Cd 0.03~1.0 
As 0.1~0.5 Hg 0~0.03 
Cr 0.01~2.6     

 
从上表可以看出，填埋场垃圾渗滤液一般具有以下化学特征：
（1）渗滤液的化学成分极为复杂，有机污染物、无机污染物和重金属离子等多种污染组份共存，表现出很强的综合污染特征。
（2）渗滤液污染成分浓度很高，如CODcr最高可达105 mg/L以上，为工业污染允许排放标准的100倍以上， NH3-N的浓度可高达700 mg/L以上，是粪便的3～4倍。由此可见，渗滤液污染性极强，是一种严重的污染源。
（3）COD和BOD指标表明有机物含量高，成分复杂。目前已经发现在渗滤液中可能存在的有机物超过100种。
（4）渗滤液中无机污染物的组份也十分复杂，其成分和浓度在很大程度上与填埋垃圾的成分和时间有关，主要以Cl－、SO42－、Ca2＋、Mg2＋等离子来表征。
（5）生活垃圾中的金属物质，经淋滤和各种酸化作用后进入渗滤液，使渗滤液中重金属离子含量远远超过工业水排放标准和生活水饮用标准。
1.2  防渗系统的功能要求
对这种成分极其复杂、污染性极强的渗滤液进行控制，最有效的措施就是建立防渗系统。在填埋场中建立的防渗系统是否有效达到防渗目的，一方面取决于防渗系统是否能有效阻止渗滤液外泄，另一方面取决于防渗系统是否能有效阻止污染物向外迁移，同时还要尽量阻止地下径流进入填埋场，防止产生更多渗滤液。
一般来说，一个良好的填埋场防渗系统应具有以下功能[4]：
（1）尽量封闭渗滤液于填埋场中，使其进入渗滤液收集系统，防止其渗透流出填埋场之外，造成对周围土壤、地下水及地表水的污染；
（2）防止地下径流进入填埋场，避免产生过多渗滤液，使处理量增加；
（3）避免填埋场内产生的气体向外迁移，使之得到有控释放，提高收集效率；
（4）与渗滤液有很好的化学相容性，能抵抗渗滤液的侵蚀，能有效阻滞渗滤液中的有害污染物质；
（5）具有足够的强度和耐久性，保证填埋工作寿命之内防渗系统的安全性；
（6）具有较好的环境效应，本身不会对环境产生负面影响和破坏。
2 粘土固化注浆帷幕的防渗阻滞特性
2.1  浆液的组成及固化机理
粘土固化浆液由主成分、结构剂、添加剂和水组成。主成分为高岭土，过80 μm孔筛；结构剂为425普通硅酸盐水泥；添加剂为水玻璃，模数3.2，波美度40 Be。最佳固液比1∶3~1∶2，粘土含量占总固相的60%~80%(质量分数,下同)，添加剂含量为1%~2%。
以粘土为主要成分的这种注浆材料，可以根据工程需要调整其结构剂和添加剂，获得性能各异的浆液，采用不同的注浆工艺即可实现不同工程的防渗堵水要求。
一般情况下，通过添加结构剂和辅助添加剂来调整其结构形成过程。这种浆液体系的固化过程具有较明显的三个阶段[5]：水泥熟料矿物的开始水化阶段、强力水化阶段、体系结构强度的缓慢增长和抗渗性的增长阶段。通过改变结构剂、添加剂的类型和加量，可以有效地控制三个阶段的长短，以适应不同地质条件的变化和确定合理的注浆工艺流程，确保注浆堵水效果。


2.2  粘土固化注浆帷幕的抗渗性能
由于粘土固化浆液的组成成分主要以细颗粒的粘土为主，同时水泥和水玻璃的加入改善了浆液的固化过程，使得帷幕的抗渗性能大大提高。通过试验研究[6]，粘土固化注浆帷幕对渗滤液的抗渗具有如下特征：
（1）粘土固化注浆帷幕的渗透系数与水泥和粘土加量关系密切，而水玻璃的主要作用是提高早期强度，对渗透系数的影响并不明显。
（2）粘土固化注浆帷幕对渗滤液的阻渗效果与渗透历时有关。随着渗透历时的延长其渗透系数逐渐下降并趋于某一特定值后达到稳定渗流。
（3）粘土固化注浆帷幕对渗滤液的阻渗效果与渗滤液的性质有关。试验条件下：重金属离子>有机物>蒸馏水。
（4）渗滤液中污染物在粘土固化注浆帷幕中的迁移速度受到污染物自身浓度的制约和限制。
（5）粘土固化注浆帷幕对渗滤液的阻渗作用与渗滤液的pH值有关，酸性条件下重金属离子易迁移，碱性环境有利于对污染物的阻滞。
2.3  粘土固化注浆帷幕的吸附性能
在垃圾卫生填埋场建设中，通过建立合理的防渗帷幕(环境介质)来改变水动力条件，从而可以控制污染物质从污染源向周围环境扩散的速率和数量，达到保护地质环境的目的。
对去污功能取决定作用的影响因素是吸附，粘土固化注浆帷幕具有较大的比表面积（SBET）和阳离子交换容量（CEC），见表2，因此对污染物质具有较强的吸附能力。
 
表2  粘土固化注浆帷幕的SBET和CEC值
试样编号 原土 X34 X24 X14 X23 X22 
SBET/m2.g-1 85.4 28.7 35.8 48.7 38.9 34.8 
CEC/mmol.kg-1 39.6 526.9 520.6 366.3 503.5 453.2 

 
试验研究表明[7]粘土固化注浆帷幕对重金属离子和有机物均有较好的吸附效果。粘土固化注浆帷幕对Pb2＋和Cd2＋的吸附能力与浆液配比密切相关，在室温和pH5.0条件下浆液组分中水泥与粘土之比为2∶4时吸附能力最强。试验条件下Pb2＋的吸附量大于Cd2＋，在Pb2＋和Cd2＋之间存在竞争吸附，Pb2＋的竞争吸附系数大于Cd2＋，且Pb2＋的吸附速率大于Cd2＋。研究表明，粘土固化注浆帷幕对重金属离子和有机物的吸附过程符合Freundlich等温吸附曲线模型，相关系数在93%以上。
进一步研究表明[6]，以粘土固化浆液在填埋场建立的垂直防渗体系，对污染物具有较强的吸附作用，在pH＝6.0的条件下其吸附率可以达到80%以上，帷幕的组成以粘土∶水泥=2∶1为宜，而不同季节帷幕对渗滤液的净化能力变化不大，相对来说寒冷的冬季比炎热的夏季其阻滞净化能力要好，但枯水季节其阻滞能力有所下降。
3  粘土固化注浆帷幕在填埋场防渗工程中的应用[6,8]
3.1  工程概况
南昌市麦园生活垃圾卫生填埋场是南昌市的重要环保工程，位于昌北麦园(新建县望城乡)，占地面积2.09 km2，总体库容约1790m3，由基本坝、副坝、截洪沟、边沟、排水管及污水处理设施等组成。填埋场的设计使用年限为31年。
3.2  工程地质和水文地质条件
该场区上部地层主要为第四系全新冲洪积粉质粘土和含粘土粉细砂层，下部地层为厚度18m左右的砂砾石层，下卧侧裂隙较发育，其中北西、北北两组为导水隙。区内邻近分水岭、地表水系不发育，场区地下水分布主要有第四系松散层孔隙及基岩风化裂隙水和构造裂隙水两种类型。基本坝的东部由于断层的存在该区的裂隙连通性好、渗透性相对较强，其余部位覆盖层为壤土、渗透性为极弱一微弱。下伏基岩的渗透性各处不一，在不同的风化层及同一风化层的水位有一定的差异，渗透系数变化区间为10-3~10-6cm/s。


3.3  粘土固化注浆帷幕设计
为实现对场区内渗滤液进行有效封堵，防止场区对周围环境带来不良影响，需对基本坝及左右坝肩至80m标高截洪沟这些地段进行防渗处理。经多方案比较和对该工程水文地质的详细研究，决定采用垂直防渗方案，即在地下水汇集的出口处构筑防渗帷幕，采用粘土固化注浆技术将地下水出口处的岩石裂隙充填封闭，使上游受污染的地下水阻集于帷幕后的调节池。注浆帷幕设计轴线位于坝前调节池以东南100m，在渗透性大的地区采用双帷幕注浆，渗透性小的地方采用单帷幕注浆。双帷幕区注浆孔距为3.00m，梅花状布置，单帷幕区孔距为2.50m，注浆孔深为23~30m，具体孔深由防渗标准ω=0.01L/(min.m.m)控制确定。注浆段长据压水试验值的大小来确定，一般为5~10m。注浆压力按设计压力0.4~0.6MPa的要求，并根据地层情况适当调整，较完整基岩段注浆压力为0.4~0.7MPa；接触带及第四系地层注浆时，为避免地表冒浆，压力宜适当减小，并适当延长注浆时间。
3.4  粘土固化注浆帷幕的防渗效果
一般来说，帷幕的防渗等级越高，其耐久性能越好，因此确保防渗效果的取得是工程成败的关键。在施工过程中采用检查孔对施工效果进行了测试。从整个工程的27个检查孔的测试结果来看，粘土固化注浆在该工程中所取得的防渗效果是明显的，所有的帷幕区基岩段ω值均小于0.01L/(min.m.m)，平均防渗效果提高了50～100倍。这种高标准的防渗帷幕，为实现对场区内有害物质的封堵，创造了有利条件，并提供了可靠保证。
2003年6月，在帷幕投入运行三年后对监测孔地下水和调节池内渗滤液进行了取样检测，检测结果表明帷幕对污染物的阻滞作用明显，地下水未出现污染情况，达到了理想的阻滞效果。检测结果见表3。
 
表3  渗滤液监测结果     ρ/(mg.L-1)
检测点位置 检测项目 
NH3-N CODcr BOD5 Cd Pb 
调节池 358.0 3800 191 0.18 0.79 
帷幕下游 0.37 71 3.50 <0.05 <0.02 
调节池东侧 0.06 59 5.80 <0.05 <0.02 
调节池西侧 0.11 39 7.50 <0.05 <0.02 

 
3.5  工程技术经济评估
按最初的方案设计，该工程选用水平衬垫方案，其预算投资高达5174.1～7855.4万元，而以粘土固化注浆构建的垂直防渗系统，则仅为297.62万元(19995年单价)，也就是说，从防渗工程子项来看，注浆帷幕防渗方案仅为人工水平防渗方案投资的1/20。这也使得麦园填埋场总投资从可行性研究报告采用水平衬垫方案的1.6亿元降为初步设计中采用垂直防渗方案的8700万元，节省工程投资近7000万元，使单位投资降低到4.49元/m3，从而使该填埋场的建设成为可能。
从帷幕防渗系统的施工效果来看，粘土固化注浆技术的采用受到监理、业主及主管部门的一致认可，并因此取消了在帷幕上游调节池铺设高密度聚乙烯(HDPE)覆盖膜的计划，使工程建设投资进一步减少。这足以说明，在场区内地质条件许可的前提下，以粘土固化注浆技术构筑填埋场中的垂直防渗系统，具有良好的社会环境经济效益。对于向我国这样的发展中国家，既要防治城市生活垃圾对环境的污染，又缺乏足够资金建设填埋场的城市来说，只要场地条件适宜，这种工程量小、投资少的防渗措施将大有可为。
4  结 论
（1）在填埋场中建立的防渗系统，一方面需要有效阻止地下水向外渗漏，另一方面需要有效阻止渗滤液中的污染物质向外迁移，同时还要尽量阻止地下径流进入填埋场，防止产生更多渗滤液。
（2）粘土固化注浆帷幕对渗滤液具有良好的阻渗性能，且阻渗效果与渗滤液性质有关，试验条件下：重金属离子>有机物>蒸馏水。
（3）粘土固化注浆帷幕对污染物具有较强的吸附作用，其吸附规律符合Freundlich等温吸附模式。
（4）在场区条件适宜的情况下，粘土固化注浆帷幕应用到垃圾卫生填埋场中建立垂直防渗体系，其防渗效果能够满足填埋场设要求，能取得良好的经济效益。
（5）在条件允许情况下，若采用水平防渗和垂直防渗相结合的综合防渗系统就会更加保险，一旦库底水平防渗衬垫破坏后不可修复，而垂直防渗的注浆帷幕则会发挥积极作用，确保库区安全。