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(chǎng)封場(chǎng)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(duì)我國(guó)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(guó)生活垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)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(guó)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(guó)生活垃圾填埋場(chǎng)封場(chǎng)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(zhǎng)期的研究與工程實(shí)踐，筆者團(tuán)隊(duì)和同行針對(duì)我國(guó)垃圾填埋場(chǎng)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(guó)干旱及半干旱地區(qū)和濕潤(rùn)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(wú)紡?fù)凉げ迹?—排氣層；5—垃圾
（b）適用于濕潤(rùn)氣候區(qū)填埋場(chǎng)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(wú)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(guó)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(duì)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(shì)，更有利于植物生長(zhǎng)。
圖4 鋪設(shè)土工膜對(duì)填埋場(chǎng)覆蓋層植被生長(zhǎng)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(rùn)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(chǎng)長(zhǎng)效碳減排（圖6）。
圖6 全場(chǎng)生物覆蓋層
國(guó)外規(guī)范中騰發(fā)式土質(zhì)覆蓋層相關(guān)規(guī)定
美國(guó)環(huán)保部（US EPA）制定了城市固體廢物填埋場(chǎng)封場(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)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(guó)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(guó)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)赝寥溃阌谑┕げ⒐?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(chǎng)庫(kù)容。
表1 土質(zhì)覆蓋層的目標(biāo)防滲率
我國(guó)規(guī)范中土質(zhì)覆蓋層的相關(guān)規(guī)定
我國(guó)住建部頒布的GB 51220—2017 生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)封場(chǎng)技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的封場(chǎng)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(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 176—2012 生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范和2021 年浙江大學(xué)編寫的國(guó)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(duì)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(chǎng)封場(chǎng)治理工程中的應(yīng)用
在對(duì)土質(zhì)覆蓋層進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)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(píng)價(jià)替代型土質(zhì)覆蓋層的現(xiàn)場(chǎng)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(guó)干旱、半干旱、半濕潤(rùn)及濕潤(rùn)地區(qū)的11個(gè)不同填埋場(chǎng)（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(chǎng)試驗(yàn)基地。通過對(duì)試驗(yàn)基地的氣象條件、覆蓋層的徑流、側(cè)向?qū)拧⑼翆哟鎯?chǔ)以及滲漏等指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1~3 a的監(jiān)測(cè)，獲得了各試驗(yàn)基地的水量平衡數(shù)據(jù)，對(duì)比評(píng)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(rùn)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(chǎng)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(chǎng)建設(shè)了黃土/碎石毛細(xì)阻滯覆蓋層現(xiàn)場(chǎng)尺度試驗(yàn)基地（圖8），該項(xiàng)目為我國(guó)首個(gè)土質(zhì)覆蓋層現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)表明黃土層和碎石層之間的毛細(xì)阻滯作用可長(zhǎng)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(cè)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(duì)甲烷的減排率均值為57.1%，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間測(cè)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(chǎng)甲烷排放量。
圖8 黃土/碎石毛細(xì)阻滯覆蓋層現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(wú)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(chǎng)庫(kù)容。為驗(yàn)證3層土質(zhì)覆蓋層的防滲性能，對(duì)覆蓋層試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)54個(gè)月的監(jiān)測(cè)，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(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，無(wú)膜的全天候3層覆蓋層在濕潤(rùn)區(qū)年均滲漏量低于北美濕潤(rùn)區(qū)覆蓋層設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
圖9 深圳下坪垃圾填埋場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)俯視圖及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地儀器布置剖面示意
生態(tài)型土質(zhì)覆蓋層優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)。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(guó)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(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)填埋場(chǎng)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(chǎng)，由于土工膜隔絕地氣，不利于覆蓋層上植被生長(zhǎng)，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(chǎng)庫(kù)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(wú)須外購(gòu)?fù)凉つせ蝠ね?，能夠顯著降低成本；對(duì)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(rùn)土（5%~10%） 獲得低成本的防滲材料，其成本對(duì)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(wú)須滿足規(guī)范對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(guó)家杰出青年基金獲得者，國(guó)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(guó)土工合成材料工程協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)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(zhǎng)、環(huán)境保護(hù)專委會(huì)主任、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)環(huán)境土工專委會(huì)副主任、國(guó)際權(quán)威期刊《Geotextiles and Geomembraness》和國(guó)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(zhǎng)期致力于環(huán)境巖土工程研究，尤其在固體廢物填埋場(chǎng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家973計(jì)劃課題等國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，參編國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2部，獲授權(quán)國(guó)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(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)和二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。