基于3D打印的垃圾填埋场渗滤层受力变形性能老化研究开题报告

 2020-07-19 06:07

1. 根据毕业设计(论文)课题情况,提交一篇2000字文献综述:

1.1 课题内容、目的和意义 本课题运用3D打印技术打印模型单元,分析垃圾填埋场渗滤层中空隙分布和形态对渗滤层的渗透性和抗剪强度的影响,通过加速老化实验分析打印模型老化性能衰减特征。 我国城市化进程加快导致城市生活垃圾产生量急剧增加,城市垃圾年产生量超过1.4亿吨,且每年以8%至10%的速度增长,垃圾填埋场成为解决垃圾围城的有效手段。然而,垃圾填埋过程中和填埋场封场后易于产生垃圾渗滤液,由此造成的产生的渗滤液污染土体及地下水的风险日益增加。垃圾填埋场渗滤液是指垃圾在堆放和填埋过程中由于发酵和降水的冲刷、地表水和地下水浸泡而滤出的污水。垃圾渗滤液是一种污染性很强的高浓度有机废水,渗滤液中不仅含有大量的有机污染物,还含有重金属和高浓度的植物性营养物,有效地处理垃圾渗滤液是世界上公认的难题。在自然条件下,渗滤液需要15年的降解后,其COD ,BOD值才能达到国家排放标准。面对我国生活垃圾填埋量大、渗滤液危害程度高的现状,如何合理地处置生活垃圾填埋场渗滤液已成为城市建设管理者必须面对和解决的问题。(化学需氧量COD(Chemical Oxygen Demand)是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。废水、废水处理厂出水和受污染的水中,能被强氧化剂氧化的物质(一般为有机物)的氧当量。BOD(Biochemical Oxygen Demand的简写):生化需氧量或生化耗氧量(一般指五日生化学需氧量),表示水中有机物等需氧污染物质含量的一个综合指标) 垃圾渗滤液中污染物主要有以下几个来源:(1)垃圾本身含有大量的可溶性有机物、无机物在雨水、地表水或地下水的浸入过程中溶解而进入渗滤液;(2)垃圾通过生物、化学、物理等作用产生的可溶性物质进入渗滤液;(3)覆盖和周围的土壤中进入渗滤液的可溶性物质。 目前,城市生活垃圾的处理和处置主要包括卫生填埋法、堆肥法及焚烧处理法三种方法。综合比较三种处理方法,卫生填埋法具有投资和处理费用低、技术较成熟、处理量大、操作管理简便、可适用范围广、对于垃圾成分没有严格要求、可以处理和处置各种不同类型的废物等优点,被我国及世界各国广泛应用,卫生填埋是垃圾的堆积、压实和覆土的反复循环过程。但是,卫生填埋法的缺点是垃圾在填埋的过程中一定会产生恶臭气味和大量的渗滤液,渗滤液的水质随填埋体时间的延长而有较大的变化,一般而言,新填埋体渗滤液的BOD/COD值较高,可生化性较好,老填埋体渗滤液的BOD/COD值较低,可生化性较差,而且渗滤液水中的营养比例(C:N:P)一般严重失调,其突出表现为氮高磷低。由于我国目前大部分城市生活垃圾都是采取混合收集处理的方式,厨余垃圾、工业废弃物甚至有毒有害物质混杂在一起,增加了渗滤液化学成分的复杂性和危害性。一旦污染到地下水或地表水,将极难恢复。 渗滤液收集系统的使用周期将直接影响填埋场的使用寿命。渗滤液收集系统通常由导排层和导排管组成(如图1),其中导排层由粒径1mm至38mm的砾石组成,厚度为0.3m至0.5m。由于垃圾渗滤液的生物和化学反应,导排层中产生了较为富集的悬浮颗粒,在导排层的服役期内会在砂石颗粒中沉淀,甚至发生堵塞效应,导致滤液水位升高,造成垃圾堆体失稳、地下水土污染、填埋气无法有效收集等问题严,重影响填埋场安全运行。 图1 垃圾填埋场渗滤液收集系统示意图 2000年,菲律宾Payatas填埋场由于堆体水位高,发生大面积滑坡,造成278人死亡。2008年6月,我国某填埋场边前堆体坡在连续强降雨期间发生失稳事件,滑动面积约3#215;〖10〗^4m2,根据钻孔勘探及现场水位监测结果,该场垃圾堆体中渗滤液水位很高,在斜坡部分渗滤液水位只有0-2米,显著降雨后水位升高0.5-1米,通过分析得出结论:堆体边坡中高渗滤液水位是导致其失稳的关键因素,堆体边坡水平位移速率和渗滤液水位高度明显正相关关系。高水位也显著增加了渗沥液渗漏和污染物运移速率,增大污染风险[3]。如,H.J.Xie等对比计算了我国规范推荐采用的4种衬垫系统在不同水位条件下的渗沥液渗漏速率,发现渗漏速率随水位增高而明显增大。高水位显著降低垃圾的气体渗透系数,影响填埋气体有效收集,进而造成填埋体内气压增高。国外报道了刚施工完成的水平井因气压过大,其渗沥液喷射距离达13m;在我国深圳下坪填埋场竖井钻孔时,水气混合物垂直喷出高度达到5m。 图2 淤堵前后的卵石颗粒表面的变化 实测数据和试验结果表明,渗滤液导排层的淤堵情况主要体现在其渗透系数的变化上。我国规范要求,渗沥液导排层初始饱和渗透系数不应低于1.0#215;10-1cm/s。但是,随填埋场运行时间增长,导排层渗透系数易因淤堵(包括物理、化学,生物淤堵)而逐渐降低,且导排层各个组成部分淤堵程度通常不一样。R. M. Koerner和G. R. Koerner等研究表明,运行6年后,土工布反滤层淤堵严重,渗透系数由4.2#215;10-2 cm/s降至3.1#215;10-6cm/s。T. Bouchez等研究表明,运行5年后,排水主管淤堵超过80%。深圳下坪填埋场运行10年后,排水主管完全淤堵,底部导排层失效。通过室内渗透柱试验,并采用定量回灌渗沥液原液方法,研究砂砾导排层材料长时间淤堵性状,结果如图3所示。粒径为2~5mm的砂砾导排材料,初始排水孔隙率为36%,302d试验后排水孔隙率减小至33%,减小约10%。根据上述数据,估算其饱和渗透系数减小约20%。 图3 渗沥液导排层淤堵室内试验结果 图4为国内外渗沥液导排层饱和渗透系数室内模拟试验和现场实测结果汇总。室内模拟试验结果表明,经多年运行,导排层饱和渗透系数降低了1至5个数量级,从1.0#215;10-3~1.0#215;10-1cm/s降低至1.0#215;10-7~1.0#215;10-2 cm/s;各模拟试验结束时,渗透系数平均值约为5.0#215;10-4 cm/s。 图4 渗沥液导排层饱和渗透系数 由上述实验可以看出,通过降低导排层的淤堵情况可以有效的控制其渗透系数的变化,增大其渗透过流能力,降低堆体水位壅高。 实测数据和试验结果表明,导排层的孔隙结构对于防止堵塞效应有极为关键的作用,体现在砾石颗粒直径越大,颗粒间孔隙空间越大,堵塞效应越不明显,但这种由粒径增大带来的效果存在一定的限值。 虽然导排层的孔隙率越高,其渗透系数越大,渗透能力越强,但并不意味着孔隙率越高越好,因为水的渗透性会引起土体内部应力状态的变化,或土体本身的结构、强度等状态的变化。如果孔隙率过小,渗透系数就会变小,导排层容易淤堵,那么就会造成渗滤液水位升高;如果孔隙率过高,导排层的抗压、抗剪强度就会比较低,那么就无法进行压缩实验和剪切试验,在实际工程中会造成垃圾填埋场坍塌,影响填埋场安全运行。 基于上述分析,渗滤液收集系统的服役寿命表面上由砾石粒径决定,实际上是由颗粒间的不同排列方式导致的孔隙形态所决定的。孔隙结构包括孔隙大小、孔隙性状、孔隙分布,极容易受到施工(如找平、密实)质量的影响,导排层的渗透系数设计值往往与实际情况差异较大。因此,如何设计孔隙结构、保证导排层的渗透系数及填埋场的强度是渗滤液收集系统使用寿命设计的难点。我希望在导排层的渗透能力和强度之间取得一个平衡点,这样既能保证它的渗透性,又具有较好的承载力、抗剪切能力。 近年来,3D打印技术已经越来越成熟,其以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同,3D打印将三维实体变为若干个二维平面,通过对材料处理并逐层叠加进行生产,大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力,直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的应用范围延伸。 3D打印具有较为精确的三维构件塑造能力,在土木工程中已有初步的应用,但在环境岩土方面鲜有报道,但导排层的3D打印是具有显著的应用优势: (1)保证导排层的孔隙结构和渗透系数,打印精度满足砾石颗粒之间的连接要求。 (2)打印的构件可预制成型,便于现场拼接,避免了传统的导排层施工质量的不确定性。 (3)3D打印技术为提高垃圾填埋场渗滤液收集系统的使用寿命提供了一个崭新的思路,为解决由孔隙结构控制的导排层渗透性能和提高施工质量提供了较为可行的工程技术方案,具有较为显著的学术研究价值和工程经济价值。 所以本项目拟采用3D打印技术开展对于垃圾填埋场渗滤液收集系统的技术替代。 在对垃圾填埋场导排层现状进行分析后,为满足导排层渗透能力强,同时具有较好的承载力、抗剪切能力。对之前几位同学建立的类比导排层的相关模型进行了合理性分析(如图5和如图6)。假如颗粒为均一球体,其孔隙比约在0.35~0.91之间,且土体表面越光滑,则愈不易保持”松散排列”,而易形成”紧密排列”,渗透能力不理想,且该模型粘聚力主要依靠球状模型表面的连接,浪费了材料的同时并不能有效的提高其抗剪能力。图6是一个蜂巢的模型,其可以通过调节内径的大小、连接厚度以及层高来改变渗透系数的大小和模型的强度。但是,这样也存在一个问题,最终的模型是由无数个单元模型堆叠而成,这就会使得模型孔隙被堵塞,比预想中的孔隙率要小,容易发生淤堵,而且模型强度过大,不太适用。
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