CN117027064B - 一种适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，包括垃圾站外墙体，垃圾站外墙体内设置有垃圾填埋坑，所述垃圾填埋坑内壁、底端以及垃圾站外墙体顶端端壁均覆盖有抗渗粘土冻结层，垃圾填埋坑内壁、底端的抗渗黏土冻结层内设置有若干根低温热棒以及若干根降温制冷棒，若干根低温热棒与若干根降温制冷棒均沿垃圾填埋坑的圆周等间距设置且若干根低温热棒与若干根降温制冷棒交叉分布。本发明解决了传统的垃圾填埋站建造需要高性能混凝土以抗渗以及混凝土水化热对多年冻土区地下冷环境造成的热扰动等问题；其充分发挥了粘土冻结状态下的抗渗性能，具有施工简便、性价比高、节能环保等多重优点。

Description

一种适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构

技术领域

本发明涉及垃圾处理领域，尤其涉及一种适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构。

背景技术

填埋法是国内外应用广泛的垃圾处理方法，此方法具有处理量大、方便易行、技术成熟、处理费用低等优点，是目前我国城市垃圾集中处置的主要方式。其利用坑洼地带填埋城市垃圾，既可处置废物，又可覆土造地，保护环境。投资稍少、工艺简单，并较好地实现了地表的无害化。

垃圾填埋场是采用卫生填埋方式下的垃圾集中堆放场地，是处理生活垃圾的一种重要方式，因为成本低、卫生程度好在国内被广泛应用。垃圾填埋场的建设目前依赖于将HDPE防渗膜铺设在垃圾填埋站的内层或通过在垃圾填埋站内层浇筑高性能防渗混凝土来实现防渗效果，然而，在我国辽阔的多年冻土区范围内，不论是采取哪一种方法，垃圾分解发热或混凝土施工水化热都会对地下多年冻土造成不同程度的热扰动，造成难以预计的环境影响。因此，有必要研究一种垃圾地下填埋站结构来解决上述问题。

发明内容

本发明目的是针对上述问题，提供一种结构简单、降低垃圾污染影响的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，包括垃圾站外墙体，垃圾站外墙体内设置有垃圾填埋坑，所述垃圾填埋坑内壁、底端以及垃圾站外墙体顶端端壁均覆盖有抗渗粘土冻结层，垃圾填埋坑内壁、底端的抗渗黏土冻结层内设置有若干根低温热棒以及若干根降温制冷棒，若干根低温热棒与若干根降温制冷棒均沿垃圾填埋坑的圆周等间距设置且若干根低温热棒与若干根降温制冷棒交叉分布。

进一步的，所述抗渗粘土冻结层由混合黏土经液氮冻结技术冻结制成，抗渗粘土冻结层的厚度为0.5m～1.5m，抗渗粘土冻结层靠近垃圾填埋坑的一侧倾斜面与水平面的夹角为60～70℃。

进一步的，所述混合黏土由黏土、水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、引气剂混合制成；所述粗骨料的含泥量不大于1.0%；所述细骨料的细度模数为2.4～2.8；所述混合黏土中的含气量为3%～5%。

进一步的，所述低温热棒由密封不锈钢钢管内装填液氮制成，低温热棒底端呈水平状设置并形成蒸发段，低温热棒底端位于垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层内；低温热棒中部呈倾斜状设置并形成冷凝段，低温热棒中部位于垃圾填埋坑内壁的抗渗黏土冻结层内；低温热棒顶端伸出到抗渗黏土冻结层顶端外侧且低温热棒顶端端口封口设置。

进一步的，所述降温制冷棒由注水管、回流管并排组合构成，注水管、回流管底端端头相连通，注水管、回流管底端均呈水平状设置且注水管、回流管底端均位于垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层内；注水管、回流管中部均呈倾斜状设置且注水管、回流管中部均位于垃圾填埋坑内壁的抗渗黏土冻结层内，注水管、回流管顶端均从抗渗黏土冻结层顶端伸出后与外界的供水站相连通。

进一步的，所述注水管、回流管位于抗渗黏土冻结层内的部分均套设有管路保护壳，管路保护壳由橡胶材料制成且管路保护壳固定粘接在注水管、回流管外侧。

进一步的，所述抗渗粘土冻结层上端铺设有碎石保温层，碎石保温层由碎石和黏土混合制成，碎石保温层的厚度为1m～1.5m；低温热棒、降温制冷棒顶端均穿过碎石保温层且低温热棒、降温制冷棒顶端高出碎石保温层顶端至少1m。

进一步的，所述垃圾填埋坑内填埋有垃圾主体，垃圾主体顶端覆盖有填埋站顶板，填埋站顶板内设置有气体收集管道且气体收集管道与垃圾填埋坑内部相连通。

进一步的，所述垃圾主体底端设置有吸附过滤层，吸附过滤层与垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层之间设置有排水层，排水层内设置有渗滤液收集管道且渗滤液收集管道与外界相连通。

进一步的，所述垃圾主体内部以及垃圾站外墙体内均设置有温度测点，温度测点通过控制器与供水站相连接。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明在垃圾填埋坑内壁、底端以及垃圾站外墙体顶端端壁均覆盖有抗渗粘土冻结层，抗渗粘土冻结层由当地地下原本的粘土层经过分级调配或经过换填的抗渗性能较好的粘土，通过人工冻结技术形成，冻结过程以适当的坡度冻结粘土墙；通过调配级配的抗渗粘土冻结层可实现防止垃圾废液渗透进周边土体；并且其通过冻结技术，可以最大限度的降低垃圾主体产生的热量对多年冻土地下环境造成的热扰动，主动对环境起到保护作用；

2、本发明在抗渗粘土冻结层内以一定间距布置低温热棒形成自动制冷系统，通过蒸发段和冷凝段持续不停的进行热循环，可以将垃圾分解产生的热量持续不断地传递到地面以上，通过冷冻区的地面空气流动将热量扩散，同时其通过地面铺设的碎石保温层，可以令近地面的抗渗粘土冻结层保持冻结状态，增强防渗安全性；

3、本发明在抗渗粘土冻结层内以一定间距布置降温制冷棒形成人工制冷系统，在季节冻土区环境温度较高以致低温热棒导热效率降低时，通过将低温制冷水在降温制冷棒内流动循环，将垃圾分解产生的热量持续不断地传递到地面以上，避免了垃圾主体产生的热量对抗渗粘土冻结层造成影响，进一步提高了本发明的使用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的框架结构图；

图3为低温热棒与降温制冷棒的分布示意图；

图4为低温热棒的结构示意图；

图5为降温制冷棒的结构示意图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、图2和图3所示，本实施例公开了一种适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，包括垃圾站外墙体13，垃圾站外墙体13内设置有垃圾填埋坑，所述垃圾填埋坑内壁、底端以及垃圾站外墙体13顶端端壁均覆盖有抗渗粘土冻结层9，垃圾填埋坑内壁、底端的抗渗黏土冻结层9内设置有若干根低温热棒1以及若干根降温制冷棒8，若干根低温热棒1与若干根降温制冷棒8均沿垃圾填埋坑的圆周等间距设置且若干根低温热棒1与若干根降温制冷棒8交叉分布。

抗渗粘土冻结层深度与垃圾填埋站设计尺寸相关，厚度在0.5m～1.5m，平面形状轮廓为矩形或圆形的闭合区域，土质材料为当地地下原本的粘土层经过分级调配的或经过换填的抗渗性能较好的粘土，通过人工冻结技术形成，以60～75°的坡度冻结粘土层。

抗渗粘土冻结层由黏土、水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、引气剂混合后冻结制成；水泥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5级；粗骨料的含泥量不得大于1.0%；细骨料应选用质地坚硬、洁净、级配良好的河砂或细度模数在2.4～2.8、石粉含量控制在6%～18%的人工砂；粉煤灰可以增加混凝土的密实性，提高抗冻抗渗性能；同时应掺入引气剂或引气减水剂，使混凝土结构内部产生微小均匀的气泡，提高抗冻融性和抗渗性，含气量应控制在3%～5%。

在抗渗粘土冻结层施工之前，按照垃圾填埋站设计先挖好比填埋区域外两米区域后，先换填底面粘土，按规范进行垃圾填埋站衬里施工，衬里边界延续到所挖范围边界，随后换填内层土体为高抗渗性粘土（防渗结构宜采用单复合衬里结构，当不能满足防渗性能时，应采用复合衬里防渗结构）；接着准备好制冷设备，按设计进行冻结层施工，施工时在含水土层内先钻孔打入钢管，导入循环的液氮，使周边的地层冻结，形成坚硬的冻土壳保证地层稳定。

在垃圾填埋站建设过程中，需对抗渗粘土冻结层进行完整性测试，如测试未通过，需要对破损点进行修补，直到满足完整性测试要求再进入下一步施工环节。完成后在冻结层宽度中心线以1～2米安装插入低温热棒和降温制冷棒。

如图4所示，所述低温热棒1由密封不锈钢钢管内装填液氮制成，不锈钢钢管呈L型，不锈钢钢管外表有聚二甲基硅氧烷防腐涂层，低温热棒底端呈水平状设置并形成蒸发段（液氮在蒸发段吸热变为液氮气体流向冷凝段），低温热棒1底端位于垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层9内；低温热棒1中部呈倾斜状设置并形成冷凝段（液氮气体在冷凝段时，在冻土区的低温环境下，液氮气体冷凝变为液体并流向蒸发段），低温热棒中部位于垃圾填埋坑内壁的抗渗黏土冻结层9内；低温热棒顶端伸出到抗渗黏土冻结层9顶端外侧且低温热棒1顶端端口封口设置；其各段长度按照垃圾填埋站尺寸设计；其中蒸发段与水平面之间形成10°～20°夹角，以便冷凝回流的液氮流向温度集中的垃圾填埋站中心位置，同时需要注意低温热棒在设计过程中应高出碎石保温层1m左右以方便内部液氮的检查及更换，并且其可以兼顾冻土区的天然冷量，提高了热量的利用效率。

如图5所示，所述降温制冷棒8由注水管、回流管并排组合构成，注水管、回流管均呈L型，注水管、回流管底端端头相连通，注水管、回流管底端均呈水平状设置且注水管、回流管底端均位于垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层9内；注水管、回流管中部均呈倾斜状设置且注水管、回流管中部均位于垃圾填埋坑内壁的抗渗黏土冻结层9内，注水管、回流管顶端均从抗渗黏土冻结层9顶端伸出后与外界的供水站12相连通；注水管、回流管长度按照垃圾填埋站尺寸设计。

所述注水管、回流管位于抗渗黏土冻结层9内的部分均套设有管路保护壳2，管路保护壳2由天然橡胶-苯乙烯-苯乙烯胶混合物形成绝缘层，注水管、回流管为pvc工业管材管件，管路保护壳2固定粘接在注水管、回流管外侧。

降温制冷棒与低温热棒同时铺设，管路保护壳应高出碎石保温层1m左右，降温制冷棒要求在管路保护壳内平整无打结，管路保护壳之间的净距离不宜小于90mm，避免形成气囊、液囊，减少阻力损失，其弯曲半径不得小于公称直径的3.5倍，在降温制冷棒的末端弯折点设置塑胶进行固定。

低温热棒及降温制冷棒以一定间距交叉对称布置于抗渗粘土冻结层中，间距和方式根据当地冻结指数等温度因素确定，但至少应布置两对低温热棒及降温制冷棒；同时在垃圾主体内部以及垃圾站外墙体内均设置有温度测点，每天检测垃圾体内部及垃圾站外墙体温度，在检测温度高于-10℃时开启供水站，以通过降温制冷棒内循环制冷水流来对垃圾主体进行降温，产生的废水可用于发电或供暖等用途；在检测温度低于-10℃时关闭供水站，仅凭低温热棒即可保持垃圾主体内部的降解产热，通过低温热棒中液氮的蒸发--冷凝循环来将垃圾主体产生的热量导入外界。

所述抗渗粘土冻结层9上端铺设有碎石保温层3，碎石保温层3由不规则碎石和黏土混合制成，碎石保温层3的厚度为1m～1.5m，以避免冻胀、翻浆和热融沉陷等病害；碎石保温层的内侧护坡坡度设置为45°，根据当地工程地勘报告中的土层粘聚力，土层内摩擦角以及土的重度在合理范围内计算修改；不规则碎石为天然或人造砂石；在铺设时，将碎石、黏土分层铺设，铺设后必须喷水，与当前气候环境相结合，适当喷洒，以确保一定的含水量，含水量的正常范围为8%至12%；黏土与水混合后形成的冻土温度应为-10℃左右。

低温热棒1、降温制冷棒8顶端均穿过碎石保温层3且低温热棒1、降温制冷棒8顶端高出碎石保温层3顶端至少1m。

所述垃圾填埋坑内填埋有垃圾主体5，垃圾主体5顶端覆盖有填埋站顶板4，填埋站顶板4内设置有气体收集管道10且气体收集管道10与垃圾填埋坑内部相连通；垃圾主体5底端设置有吸附过滤层6，吸附过滤层6与垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层9之间设置有排水层7，排水层7内设置有渗滤液收集管道11且渗滤液收集管道11与外界相连通。

在垃圾填埋站施工过程中必须在吸附过滤层中设置渗滤液收集管道以防止对地下水的污染，在填埋站顶板必须设置气体收集管道以防止对空气环境的污染。

通过气体收集管道、吸附过滤层以及排水层的设计，可以有效去除垃圾地下填埋站内垃圾主体产生的气体以及水分，其具有更好的排水效果，以避免陷裂、热融滑坍和冰丘、冰椎等病害。

本发明采用粘土冻结层、降温制冷棒、低温热棒和碎石保温层组成控温抗渗体系，实现垃圾废料废液防渗，同时减少了混凝土以及HDPE防渗膜的使用，其充分利用多年及季节冻土区的冷量以达到节能环保的目标；为了防止该系统在夏季出现低温热棒热交换效率不高问题，添加了降温制冷棒设计，通过注水制冷保持粘土冻结层在环境温度过高时自身温度不发生较大波动；

本发明解决了传统的垃圾填埋站建造需要高性能混凝土以抗渗以及混凝土水化热对多年冻土区地下冷环境造成的热扰动等问题；其充分发挥了粘土冻结状态下的抗渗性能，有效利用了高寒地区的冷量，通过人工方法主动控制垃圾填埋站的埋层温度，提高了垃圾填埋站的使用寿命，具有施工简便、性价比高、节能环保等多重优点。

Claims (8)

1.一种适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，包括垃圾站外墙体，垃圾站外墙体内设置有垃圾填埋坑，其特征在于：所述垃圾填埋坑内壁、底端以及垃圾站外墙体顶端端壁均覆盖有抗渗粘土冻结层，垃圾填埋坑内壁、底端的抗渗黏土冻结层内设置有若干根低温热棒以及若干根降温制冷棒，若干根低温热棒与若干根降温制冷棒均沿垃圾填埋坑的圆周等间距设置且若干根低温热棒与若干根降温制冷棒交叉分布；

所述低温热棒由密封不锈钢钢管内装填液氮制成，低温热棒底端呈水平状设置并形成蒸发段，低温热棒底端位于垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层内；低温热棒中部呈倾斜状设置并形成冷凝段，低温热棒中部位于垃圾填埋坑内壁的抗渗黏土冻结层内；低温热棒顶端伸出到抗渗黏土冻结层顶端外侧且低温热棒顶端端口封口设置；

所述降温制冷棒由注水管、回流管并排组合构成，注水管、回流管底端端头相连通，注水管、回流管底端均呈水平状设置且注水管、回流管底端均位于垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层内；注水管、回流管中部均呈倾斜状设置且注水管、回流管中部均位于垃圾填埋坑内壁的抗渗黏土冻结层内，注水管、回流管顶端均从抗渗黏土冻结层顶端伸出后与外界的供水站相连通。

2.如权利要求1所述的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，其特征在于：所述抗渗粘土冻结层由混合黏土经液氮冻结技术冻结制成，抗渗粘土冻结层的厚度为0.5m～1.5m，抗渗粘土冻结层靠近垃圾填埋坑的一侧倾斜面与水平面的夹角为60～70℃。

3.如权利要求2所述的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，其特征在于：所述混合黏土由黏土、水泥、粗骨料、细骨料、粉煤灰、引气剂混合制成；所述粗骨料的含泥量不大于1.0%；所述细骨料的细度模数为2.4～2.8；所述混合黏土中的含气量为3%～5%。

4.如权利要求3所述的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，其特征在于：所述注水管、回流管位于抗渗黏土冻结层内的部分均套设有管路保护壳，管路保护壳由橡胶材料制成且管路保护壳固定粘接在注水管、回流管外侧。

5.如权利要求4所述的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，其特征在于：所述抗渗粘土冻结层上端铺设有碎石保温层，碎石保温层由碎石和黏土混合制成，碎石保温层的厚度为1m～1.5m；低温热棒、降温制冷棒顶端均穿过碎石保温层且低温热棒、降温制冷棒顶端高出碎石保温层顶端至少1m。

6.如权利要求5所述的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，其特征在于：所述垃圾填埋坑内填埋有垃圾主体，垃圾主体顶端覆盖有填埋站顶板，填埋站顶板内设置有气体收集管道且气体收集管道与垃圾填埋坑内部相连通。

7.如权利要求6所述的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，其特征在于：所述垃圾主体底端设置有吸附过滤层，吸附过滤层与垃圾填埋坑底端的抗渗黏土冻结层之间设置有排水层，排水层内设置有渗滤液收集管道且渗滤液收集管道与外界相连通。

8.如权利要求7所述的适用于冻土区的控温防渗节能垃圾地下填埋站结构，其特征在于：所述垃圾主体内部以及垃圾站外墙体内均设置有温度测点，温度测点通过控制器与供水站相连接。