詹良通，馮嵩，李光耀, 等. 生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層工作原理及其在垃圾填埋場封場治理中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境衛(wèi)生工程, 2022, 30(4): 1-20.
ZHAN L T, FENG S, LI G Y, et al. Working principle of ecological soil covers and its application in landfill sealing treatment[J]. Environmental Sanitation Engineering, 2022, 30(4): 1-20.
針對我國雨熱植生同期氣候特征與生活垃圾填埋結(jié)束后產(chǎn)氣速率快速衰減特點(diǎn)，總結(jié)了生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的防滲、植生、閉氣和碳減排原理，闡明了該類型覆蓋層在我國生活垃圾填埋場封場覆蓋及生態(tài)修復(fù)工程中具有天生的適用性。
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層一般由綠化土層、細(xì)粒土層、粗粒土層與土質(zhì)防滲層組成（干旱和半干旱地區(qū)可省略土質(zhì)防滲層），通過土體孔隙儲(chǔ)水、毛細(xì)阻滯、水氣相互阻滯、微生物甲烷氧化作用等，實(shí)現(xiàn)防滲、閉氣、植生與碳減排多種功能。受益于我國雨熱植生同期氣候特征與生活垃圾填埋結(jié)束后產(chǎn)氣速率快速衰減特點(diǎn)，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層在我國生活垃圾填埋場封場治理及生態(tài)修復(fù)具有天生的適用性，建設(shè)成本僅為傳統(tǒng)含土工膜的復(fù)合覆蓋層的50%，其推廣應(yīng)用具有顯著的生態(tài)、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益。
圖1 生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層原理示意
基于長期的研究與工程實(shí)踐，筆者團(tuán)隊(duì)和同行針對我國垃圾填埋場特點(diǎn)和季風(fēng)性氣候特征推薦使用如圖2所示的生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層，分別適用于我國干旱及半干旱地區(qū)和濕潤氣候區(qū)，這種覆蓋層均具有防滲、植生、閉氣、減碳、保土等生態(tài)功能。
（a） 適用于干旱及半干旱地區(qū)的毛細(xì)阻滯型覆蓋層結(jié)構(gòu)
1—綠化土層；2—儲(chǔ)水層；3—無紡?fù)凉げ迹?—排氣層；5—垃圾
（b）適用于濕潤氣候區(qū)填埋場斜坡區(qū)的復(fù)合防滲型土質(zhì)覆蓋層結(jié)構(gòu)
1—綠化土層；2—儲(chǔ)水層；3—無紡?fù)凉げ迹?—排水層；
5—低滲透性層；6—排氣層；7—垃圾
圖2 適用于我國生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層結(jié)構(gòu)
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層基于“水分存儲(chǔ)-釋放”原理實(shí)現(xiàn)防滲功能。如圖3 所示，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層猶如“吸水海綿”，在降雨時(shí)存儲(chǔ)雨水，晴天時(shí)通過土體蒸發(fā)、植物蒸騰等釋放存儲(chǔ)的水分，從而降低覆蓋層滲漏量。當(dāng)覆蓋層的儲(chǔ)水量超過其儲(chǔ)水能力時(shí)，雨水會(huì)擊穿覆蓋層導(dǎo)致滲漏的發(fā)生。
圖3 生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層水分儲(chǔ)存-釋放原理
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層通過儲(chǔ)水供給植被，連通地氣調(diào)節(jié)土體溫度、濕度，促進(jìn)植物生長。在儲(chǔ)水方面，通過選用粉土、粉質(zhì)黏土等細(xì)粒土，利用細(xì)粒土孔徑小、孔隙度大的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合毛細(xì)阻滯效應(yīng)，提升土體的儲(chǔ)水能力，為植物生長提供水分。在調(diào)節(jié)土體溫度方面，由于土體具有較高體積比熱容，且隨含水量增加而增大，因此土體猶如“棉被”一樣，有助于降低嚴(yán)苛的大氣溫度對根系的不利影響。相比于含土工膜的覆蓋層（圖4），生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層具有連通地氣、自我調(diào)節(jié)溫度與濕度的優(yōu)勢，更有利于植物生長。
圖4 鋪設(shè)土工膜對填埋場覆蓋層植被生長的影響
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層通常處于非飽和狀態(tài)，主要利用含水細(xì)粒土的低透氣性實(shí)現(xiàn)閉氣。增大土體壓實(shí)度或土體飽和度，均能減少充氣的孔隙空間，增大氣體運(yùn)移路徑的曲折度，從而降低非飽和土的氣體滲透系數(shù)。以單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層為例（圖5），其細(xì)粒土層應(yīng)足夠厚，使得覆蓋層底部的土體較濕潤且受氣候波動(dòng)影響小，從而實(shí)現(xiàn)良好的閉氣效果。
圖5 騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層含水量隨深度和季節(jié)的變化示意
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層具有良好的閉氣功能，能夠有效降低填埋氣排放。同時(shí)由于土體多孔的特性，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層不會(huì)完全阻斷填埋氣向大氣遷移，而且覆蓋層土壤中廣泛存在分解污染性填埋氣的微生物，這些微生物以污染性填埋氣為“糧食”，能夠?qū)崿F(xiàn)填埋場長效碳減排（圖6）。
圖6 全場生物覆蓋層
國外規(guī)范中騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層相關(guān)規(guī)定
美國環(huán)保部（US EPA）制定了城市固體廢物填埋場封場覆蓋的聯(lián)邦法規(guī)：Title 40, Part 258, Subpart F（closure and post-closure care）of the Code of Federal Regulation（CFR），簡稱40 CFR 258。40 CFR 258第258.60（b）節(jié)條文授權(quán)各個(gè)州的環(huán)保部門批準(zhǔn)使用有別于聯(lián)邦法規(guī)規(guī)定的替代型覆蓋層結(jié)構(gòu)，但是要求開展現(xiàn)場試驗(yàn)證明其防滲效果與抗侵蝕能力與40 CFR 258條文規(guī)定的阻斷型覆蓋層相當(dāng)。表1列出了北美地區(qū)覆蓋層防滲標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，美國各個(gè)州制定的規(guī)范要求比40 CFR 258更為嚴(yán)格，直接用于各個(gè)州的覆蓋層設(shè)計(jì)。美國騰發(fā)式覆蓋層的重要設(shè)計(jì)規(guī)范主要有ITRC (2003)和US EPA（1993, 2003, 2004）。歐美騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層設(shè)計(jì)以主單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層為主，主要強(qiáng)調(diào)以下內(nèi)容（US EPA , 2003）：①利用細(xì)粒土構(gòu)建儲(chǔ)水層，如具有較高儲(chǔ)水能力的粉土和黏壤土；②利用當(dāng)?shù)氐脑脖辉黾诱羯⒘?；③利用?dāng)?shù)赝寥?，便于施工并?jié)約成本。單層騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層的厚度通常為0.60~2.00 m。毛細(xì)阻滯覆蓋層的細(xì)粒層（儲(chǔ)水層）厚度通常為0.45 ~1.50 m，粗粒層厚度一般為0.15~0.60 m。NSW EPA (2015)建議騰發(fā)式覆蓋層的細(xì)粒土厚度不小于1.50 m，從而保障充足的儲(chǔ)水能力，避免滲漏量超標(biāo)。需要指出，當(dāng)細(xì)粒層過厚時(shí)，其底部的水分難以通過蒸散作用釋放到大氣，不僅降低騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層的經(jīng)濟(jì)適用性，而且減少填埋場庫容。
表1 土質(zhì)覆蓋層的目標(biāo)防滲率
我國規(guī)范中土質(zhì)覆蓋層的相關(guān)規(guī)定
我國住建部頒布的GB 51220—2017 生活垃圾衛(wèi)生填埋場封場技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的封場覆蓋層結(jié)構(gòu)由上至下分別為：綠化土層、排水層、防滲層和排氣層，其中防滲層并沒有強(qiáng)制要求使用土工膜。國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 176—2012 生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范和2021 年浙江大學(xué)編寫的國家標(biāo)準(zhǔn)《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理巖土工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（報(bào)批稿）》推薦了圖2所示毛細(xì)阻滯覆蓋層，并對每一層的材料做出了詳細(xì)規(guī)定。
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層在生活垃圾填埋場封場治理工程中的應(yīng)用
在對土質(zhì)覆蓋層進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)研究中，最具代表性的項(xiàng)目當(dāng)屬US EPA資助的ACAP項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在評價(jià)替代型土質(zhì)覆蓋層的現(xiàn)場防滲性能，并為替代型土質(zhì)覆蓋層的設(shè)計(jì)、施工及后期維護(hù)提供必要的指導(dǎo)。ACAP項(xiàng)目于1998年啟動(dòng)，先后在美國干旱、半干旱、半濕潤及濕潤地區(qū)的11個(gè)不同填埋場（圖7）建設(shè)了10個(gè)傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層試驗(yàn)基地和14個(gè)替代型土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場試驗(yàn)基地。通過對試驗(yàn)基地的氣象條件、覆蓋層的徑流、側(cè)向?qū)?、土層存?chǔ)以及滲漏等指標(biāo)進(jìn)行長達(dá)1~3 a的監(jiān)測，獲得了各試驗(yàn)基地的水量平衡數(shù)據(jù)，對比評估了替代型土質(zhì)覆蓋層的適用性。ACAP項(xiàng)目的結(jié)果表明：在北美的干旱、半干旱和半濕潤地區(qū)，單層騰發(fā)式覆蓋層與毛細(xì)阻滯覆蓋層的防滲效果與傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層相當(dāng)，而且二者能夠避免土體開裂引發(fā)的大規(guī)模滲漏行為。由此得出，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層的防滲性能優(yōu)于傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層。
圖7 ACAP 項(xiàng)目構(gòu)建的土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場試驗(yàn)基地的分布情況
浙江大學(xué)巖土工程研究所在西安江村溝填埋場建設(shè)了黃土/碎石毛細(xì)阻滯覆蓋層現(xiàn)場尺度試驗(yàn)基地（圖8），該項(xiàng)目為我國首個(gè)土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)西安黃土/碎石毛細(xì)阻滯覆蓋層約2 a的監(jiān)測結(jié)果，覆蓋層在20個(gè)月內(nèi)的累積滲漏量為16.16 mm，年平均滲漏量滿足30 mm 的防滲標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場長期監(jiān)測試驗(yàn)表明黃土層和碎石層之間的毛細(xì)阻滯作用可長時(shí)間維持黃土層底部飽和度高于85%，顯著降低其氣體滲透系數(shù)，促進(jìn)填埋氣減排。整個(gè)試驗(yàn)期間，測得的覆蓋層甲烷氧化速率和溢出量的平均值分別為 1.2 g/(m2·h)和 0.9 g/(m2·h)，覆蓋層對甲烷的減排率均值為57.1%，現(xiàn)場試驗(yàn)期間測得的覆蓋層地表甲烷溢出量基本維持在澳大利亞甲烷排放標(biāo)準(zhǔn)之下，這表明覆蓋層中的微生物甲烷氧化作用有效降低了填埋場甲烷排放量。
圖8 黃土/碎石毛細(xì)阻滯覆蓋層現(xiàn)場尺度試驗(yàn)基地
香港科技大學(xué)吳宏偉教授團(tuán)隊(duì)于2016 年在深圳下坪生活垃圾填埋場二期西段建設(shè)了全天候3層覆蓋層試驗(yàn)區(qū)，如圖9所示，其中一半覆蓋層試驗(yàn)區(qū)種植百慕大草，另一半作為參照組，坡面不種植任何植物，并由無紡?fù)凉げ几采w，以防止降雨期間地表侵蝕。該覆蓋層坡度為30°，經(jīng)受深圳數(shù)次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)暴雨依然穩(wěn)定，有效提升了填埋場庫容。為驗(yàn)證3層土質(zhì)覆蓋層的防滲性能，對覆蓋層試驗(yàn)場進(jìn)行了長達(dá)54個(gè)月的監(jiān)測，包括降雨量、覆蓋層滲漏量、孔隙水壓力及含水量變化等?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，無膜的全天候3層覆蓋層在濕潤區(qū)年均滲漏量低于北美濕潤區(qū)覆蓋層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖9 深圳下坪垃圾填埋場現(xiàn)場試驗(yàn)場俯視圖及現(xiàn)場試驗(yàn)場地儀器布置剖面示意
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層優(yōu)勢分析
研究結(jié)果證明生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層在防滲方面可與傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層相媲美。生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層不易發(fā)生干濕循環(huán)導(dǎo)致的裂縫，而傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層的壓實(shí)黏土防滲層在干濕循環(huán)作用下易開裂，顯著降低覆蓋層的防滲閉氣性能。在碳減排方面，由于生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層連通地氣，自我調(diào)節(jié)覆蓋層水氣熱，比傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層更有利于通過微生物甲烷氧化實(shí)現(xiàn)碳減排，也更有利于植被生長。植物通過光合作用不僅能促進(jìn)固碳，根系分泌的有機(jī)物還能促進(jìn)微生物甲烷氧化作用，提升土體的“碳匯”功能。此外，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層使用天然土體，減少了土工膜等土工合成材料生產(chǎn)造成的碳排放。
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層基于水分儲(chǔ)存-釋放原理進(jìn)行防滲，利用“天然工程師”植物與微生物分別促進(jìn)防滲與減碳。相比之下，有膜的阻斷型覆蓋層隔絕地氣，通過滲漏進(jìn)入垃圾堆體的水分難以在干燥時(shí)期釋放到大氣中。由于我國地域遼闊，生搬硬套歐洲傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層的規(guī)范容易造成“水土不服”，如在我國南方濕潤地區(qū)填埋場覆蓋層易發(fā)生沿土工膜界面滑移失穩(wěn)，而在較為干旱的華北與西北地區(qū)填埋場，由于土工膜隔絕地氣，不利于覆蓋層上植被生長，生態(tài)性較差。
在安全性方面，由于土體界面的抗剪強(qiáng)度高于土-土工膜/GCL 界面，因此生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層比傳統(tǒng)含土工膜/GCL 的阻斷型覆蓋層更加穩(wěn)定，有助于提升填埋場庫容。此外，土體屬于多孔材料，具有一定的透氣性，可以有效避免覆蓋層底部填埋氣氣壓的積聚所導(dǎo)致的土工膜鼓包。在經(jīng)濟(jì)性方面，由于生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層就地取土構(gòu)建，無須外購?fù)凉つせ蝠ね?，能夠顯著降低成本；對于缺乏黏土的地區(qū)，可以采用砂或鋼渣等工業(yè)固體廢物摻入少量膨潤土（5%~10%） 獲得低成本的防滲材料，其成本對比如表2和表3所示。在施工方面，生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層主要依賴土體儲(chǔ)水能力防滲，無須滿足規(guī)范對傳統(tǒng)阻斷型覆蓋層防滲層滲透系數(shù)的嚴(yán)苛要求，施工簡單。
表2 西安地區(qū)毛細(xì)阻滯覆蓋層與傳統(tǒng)有膜復(fù)合型覆蓋層的經(jīng)濟(jì)適用性對比
表3 北美生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層與傳統(tǒng)有膜復(fù)合型覆蓋層
詹良通，男，1972年生，博士。浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院教授，軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。2003年獲香港科技大學(xué)巖土工程專業(yè)博士學(xué)位。國家杰出青年基金獲得者，國家生態(tài)環(huán)境保護(hù)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)軍人才。兼任中國土工合成材料工程協(xié)會(huì)副理事長、中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境與巖土工程專委會(huì)副主任兼秘書長、環(huán)境保護(hù)專委會(huì)主任、中國土木工程學(xué)會(huì)環(huán)境土工專委會(huì)副主任、國際權(quán)威期刊《Geotextiles and Geomembraness》和國內(nèi)環(huán)衛(wèi)行業(yè)重要期刊《環(huán)境衛(wèi)生工程》的副主編等。長期致力于環(huán)境巖土工程研究，尤其在固體廢物填埋場地污染阻隔管控及生態(tài)修復(fù)、工程渣土堆填處置及資源化等方面取得了若干關(guān)鍵技術(shù)突破。主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家973計(jì)劃課題等國家級科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，參編國家標(biāo)準(zhǔn)2部，獲授權(quán)國家發(fā)明專利18項(xiàng)，研究成果獲加拿大巖土工程學(xué)會(huì)會(huì)刊優(yōu)秀論文獎(jiǎng)(Quigley Award)1項(xiàng)，國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)和二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。