美国危险废物填埋场的设计

美国环保局危险废物填埋场设计和建筑最低技术要求是国会在1984年危险固体废物修正案中提出的。国会要求所有新填埋场和地表蓄水池都具有双衬层和沥滤液收集、去除系统。为了响应国会的命令，美国环保局出版了系统设计的有关规定和导则。另外，还出版了建筑质量保证程序和最终覆盖的导则，至今这些要求和导则仍在使用，现将其主要参数和要求列举如下，供我国各地筹建危险废物安全填埋场时参考。
　　一、双衬层系统　下图是危险废物填埋场的示意图。

图　危险废物填埋场双衬层和沥滤液收集系统
　　在双衬层填埋场中，有两层衬层和两层沥滤收集、去除系统（LCRS）。初级沥滤液收集、去除系统位于上衬层上面，而次沥滤液收集、去除系统位于两衬层之间。图中，上衬层是软膜衬层（FML），下衬层是复合衬层系统，通常的复合衬层由3英尺厚、渗透系数K不大于 1×10-7 cm/s 的压实粘土底衬层和上面的软膜衬层组成。填埋场部最小坡度为2%，要求在初级沥滤液收集、去除系统中有沥滤液收集池，沥滤液收集池中污水要及时排出。要求在次级沥滤液收集、去除系统有一适当大小的渗漏监测池，每天监测渗漏液收集中的液位或进水流速，特别是要用该池子来监测顶部衬层的渗漏速率。渗漏监测池设计指标有两个标准；（1）渗漏监测灵敏度为1加仑/英亩/天；（2）渗漏监测时间为24小时。
　　双衬层填埋场要求：（1）LCRSs必须在封场后能安全运行30～50年；（2）要有主LCRSs和次LCRSs，主LCRSs只需覆盖单元底部（侧壁覆盖是随意的），而次LCRSs要覆盖底部和侧壁。
　　二、覆盖层　填埋场覆盖层由一个植被层、一个中间排水层和一个复合衬层系统组成。填埋过程中，在每个填埋单元完成后进行这种最终覆盖。另外，设计的覆盖层必须最少保养，允许下面废物沉降。
　　植被覆盖层的最小厚度为2英尺，且其渗透系数最大为10-7cm/s。中间排水颗粒层厚度最小为1英尺，减少复合衬层上的毛细管上升作用和水头。美国环保局将最小渗透系数由10-3cm/s改为10-2cm/s。覆盖层的作用主要是最大限度地降低雨水渗透。覆盖层的软膜层和压实土层必须在霜冻层以下，软膜厚度最小为0.5mm，但通常使用1.0mm的软膜。考虑到废物总的沉降后，复合防渗层的最终坡度不得大于2%。 三、防渗层材料
　　1、防渗土壤 要满足土壤衬层的渗透系统不大于10-7cm/s的要求，所用土壤必须具备下列特性：
　　（1）土壤应当至少含有20%的细粉（淤泥和黏土大小的细颗粒），有些细粉少于20%的土壤也有小于10-7cm/s的水力传导系数，但是往往很难达到。
　　（2）塑性指数（PI）应当大于10%，塑性指数高至30%～40%时会发粘，野外难于操作，当高塑性土壤干燥时它们形成硬块，在压缩过程中难以破碎。
　　（3）粗糙碎片应当筛去，砂砾要少于10%。含有较大粗颗粒的土壤能形成高水力传导系统的沙砾区。
　　（4）最后，材质应当不含直径大于1～2英寸的土粒和石块。要是石块占据土层厚度的大部分，土层会形成渗漏“窗”。当石块变小时，就会被土层中其他物质包围。
　　要是现场缺乏合格的土壤，需购进合格的粘土，或购进优质的土壤与现场土壤混合得到合格的混合土壤。最常见的是将现场的沙土，添加4%～5%购进的膨润土，使砂土渗透系数由10-4cm/s降到10-7cm/s。污染物在土壤中渗透机理有两个：一是对流传输，可溶性污染物由于流水的携带而通过土壤衬层；二是分子扩散，污染物因分子扩散而通过土壤衬层。计算结果表明，10～30年后，即使土层的渗透系数小到零，但由于分子扩散，废物分子也将透过3英尺的压缩土层。
　　2、合成材料 制造防渗软膜的合成材料如下：
　　· 热塑性塑料-PVC（聚氯乙烯）
　　· 透明热塑性塑料-高密度聚乙烯（HDPE），线性低密度聚乙烯（LLDPE）
　　· 合成橡胶-氯丁橡胶，乙丙橡胶（EPDM）
　　现有各种各样的合成软膜在市场销售，填埋场最普遍使用的是高密度聚乙烯膜。这些合成软膜的厚度有0.5mm至0.2mm的，它们的渗透系数比粘土小得多，如高密度聚乙烯软膜，它的水力渗透系数仅为10-14cm/s。合成衬层在填埋场中的应用，大大增加了废物的储存空间和处置空间。
　　3、复合防渗层 复合衬层系统比单一的软膜衬层或土壤衬层要优越。因为粘土层上面的渗滤液在粘土衬层中的渗漏受衬层渗透速率、衬层上渗滤液压和衬层总面积的大小控制，如果粘土层上紧贴一层软膜，该软膜封住了上表面，即使软膜出现洞缝，沥滤液也不会在整个软膜和粘土层之间扩散。与单一粘土层相比，其渗透面积也会小得多，所以渗漏液量会小得多。 考虑粘土衬层的土中可能含有一些石子，所以往往在粘土层上面和软膜下面放一层无纺布，来防止软膜被岩石戳穿。但这无妨布在粘土层和软膜之间形成了高传递区，所以还是碾压粘土表层和去除石子为好，这样才能使软膜紧贴在粘土层上面。
　　四、排水层材质
　　排水层由颗粒物或合成材料组成，要是用颗粒物，其排水层最低指标为：30cm(12英寸)厚，最小水力传导系数为1cm/s，坡度≥2%，有盲管，有土壤过滤层。它覆盖整个填埋场的底部以及边坡。
　　要是用河沙的话，必须洗净，或几乎不含细粉的，以便积聚在衬层上和双衬层间的液体能迅速收集和排除，使两衬层系统中的水压头最小。根据导则，粒状排水物质的主要选择标准是高水力传导率和低毛细强度或虹吸力。用洗净的沙粒作排水层，其渗透系数在1 cm/s之间，毛细管张力可忽略不计，它比泥砂要好。
　　现在人工合成排水材料被引入到废物管理行业，它与颗粒物不同的是，合成排水材料可制成下列各种形式和厚度：
　　· 网类（160～280μm）
　　· 针扎无妨布（80～200μm）
　　· 网垫（400～800μm）
　　· 波纹状、华夫状或蜂窝状板（400～800μm）
　　建筑材料也多种多样，最普遍的合成材料是聚丙烯、聚酯或聚乙烯。在相同设计排水能力的条件下，合成排水层很薄（小于1英寸），它比颗粒物排水层（1英尺）要薄得多。合成排水层在填埋场中的应用，大大增加了废物的储存空间和处置空间。
　　对合成排水材质，EPA要求最小传递系数为5×10-4m/s，合成排水材质的水力传递系数要比它高得多，足以确保土工网、土工复合层或其它合成排水层的设计性能优于1英尺厚颗粒排水层。
　　五、废物沥滤液对防渗层的侵袭
　　在防止废物沥滤液对防渗层的侵袭方面要注意：
　　1）酸能侵蚀土壤，将土壤矿物质溶解生成其他组分。通常当酸通过土壤时，酸溶解有助于它们的中和作用。大量酸进入土壤后，水力传导率明显下降。
　　2）水中的其他离子，特别是正离子或阳离子也容易被吸引到土壤的负电荷表面上，这样在粘土颗粒周围形成水合离子区，这就是所谓双扩散层。土壤水力传导率强烈受到这些双扩散层厚度的影响。当双扩散层收缩时，它们能打开液流通道，导致水力传导率增大。当双扩散层膨胀时，它们就压缩液流通路，导致水力传导率减少。例如膨润土钙盐的渗透系数比膨润土钠盐大100至1000倍。这种渗透液体的引入会大大地改变水力传导率。3）有机溶剂能收缩双扩散层，打开液流通道，而且还能凝聚土壤颗粒，把它们拉在一起，使得土壤破裂。而且有机溶剂产生的化学龟裂。比干燥引起的土壤龟裂要厉害得多。