固体废物处理与资源化技术进展丛书--固体废物填埋设施性能退化与服役寿命预测

固体废物污染治理一头连着减污，一头连着降碳，是生态文明建设的重要内容。国家高度重视固体废物污染治理工作，党的十八大以来，党和国家领导人多次作出重要指示批示，党中央、国务院作出多次重大工作部署。填埋处置是固体废物污染治理的重要手段，国务院先后印发《“无废城市”建设试点工作方案》《强化危险废物监管和利用处置能力改革实施方案》，指导提升固体废物危险废物填埋等处置能力。在此条件下，近年来，我国填埋设施大规模建设，提升了固体废物兜底处置保障能力，对解决“城市垃圾围城”“农村人居环境”等突出社会环境问题发挥了重要作用。据统计，2006～2018年间，仅生活垃圾填埋总量就近13亿吨，占清运量的57%以上。随着“垃圾分类”“无废城市”等实施，填埋废物以减量化后的次生废物（如飞灰、炉渣等）为主，填埋占比有所下降，但年填埋量仍达1.1亿～1.2亿吨。
然而，与此同时，固体废物填埋的负面效应，如邻避效应、土地占用等问题也日益凸显，长期环境安全是近期被广泛关注的又一热点问题。根据来源的不同，填埋场废物及其产生的渗滤液中不同程度地含有持久性有机污染物（POPs）、重金属等污染物，污染周期长达20~30年，部分危险废物填埋场更可长达100年。随着填埋场工程材料老化（如导排系统的淤堵、固化基材失效、HDPE膜防渗性能下降），有毒有害组分渗漏风险大增，将对周边土壤和地下水环境构成重大威胁。从世界范围来看，全球历年填埋的固体废物数以千亿吨计，部分早期建设的填埋场已逐渐达到寿命末期，渗漏风险将显著增加，填埋场长期环境安全将成为世界性环境问题。由于工程设计、建设不尽合理，运行管理不规范，我国固体废物填埋设施性能劣化更为严重，长期环境安全问题尤为严峻，开展长期性能退化和寿命预测相关研究尤为必要。
本书以固体废物填埋场性能退化及寿命预测为主线，首先系统介绍了固体废物填埋工程的性能退化和寿命预测体系，回答了填埋工程寿命的内涵、影响因素和机理、终止模式和预测框架等问题；随后详细介绍了填埋工程的主要功能单元及其核心材料，包括防渗系统及其HDPE膜组件、导排系统及导排颗粒等的性能退化模式和机理、性能测试和预测方法等内容，以及填埋场整体性能评估和寿命预测方法；最后该书结合典型案例研究对填埋设施整体性能演化和寿命预测的方法进行了深入浅出的介绍，分析我国典型危险废物填埋场的寿命特征及影响因素。本书理论介绍和工程应用紧密结合、方法介绍和数据详细清楚，对推动填埋工程寿命预测理论及应用研究的发展具有重要作用，对促进可靠性工程、过程建模、数据分析等相关科技领域的发展也有重要的意义，对从事固体废物工程材料耐久性试验设计、分析、管理的人员，从事固体废物填埋场设计、环境影响评价和运行优化的科技人员，从事填埋场环境安全性能评估、故障和寿命预测理论及应用研究的科技人员具有重要的参考价值，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、材料工程及相关专业师生参阅。
本书由徐亚等著，具体编写分工如下：第1章、第3章、第6章和第7章由徐亚负责；第2章由钱璨负责；第4章由刘景财负责；第5章由董路、能昌信、刘玉强和黄启飞负责；另外，高耀、向锐、林汀、赵曼颖、张鲁玉分别参与了第1章、第3章、第4章、第5章、第6章的图表制作、格式修改和文字校对等工作。全书最后由徐亚统稿并定稿。感谢中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所黄启飞所长、王琪所长在本书编写过程中提出的宝贵建议和大力支持。
限于著者水平及编写时间，书中不足和疏漏之处在所难免，敬请广大读者和专家学者给予批评和指正！

著者 
2023年6月

徐亚，中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所，副研究员，主要从事固体废物污染控制与固废污染场地风险管控研究。近年来发表高水平学术论文50余篇，其中第1作者/责任作者SCI/EI论文20余篇，包括Journal of Cleaner Production等Top期刊和Waste Management等期刊；申请/授权发明专利22项，其中第1发明人8项；作为主要完成人完成国家标准制/修定4项；获中国黄金协会特等奖、中国产学研合作创新成果将一等奖各1项，获中国环科院优秀博士论文奖、中国环科院博士毕业生特等奖。
 

本书以固体废物填埋设施性能退化及寿命预测为主线，首先系统介绍了固体废物填埋场的性能退化和寿命预测体系，回答了填埋工程寿命的内涵、影响因素和机理、终止模式和预测框架等问题；随后详细介绍了填埋工程的主要功能单元及其核心材料，包括防渗系统及其HDPE膜组件、导排系统及导排颗粒等的性能退化模式和机理、性能测试和预测方法等内容，以及填埋场整体性能评估和寿命预测方法；最后，该书结合典型案例研究对填埋设施整体性能演化和寿命预测的方法进行了深入浅出的介绍，并结合案例分析对我国典型危险废物填埋场的寿命特征及影响因素进行了分析。
本书具有较强的针对性、技术性和实践性，可供从事固体废物处理处置及污染控制等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程、材料工程及相关专业师生参阅。

第1章 绪论	001
1.1　固体废物的定义和来源	002
1.1.1　固体废物定义及探析	002
1.1.2　固体废物的性质	004
1.1.3　固体废物的分类	005
1.1.4　我国固体废物的现状及利用处置情况	010
1.2　固体废物填埋技术	012
1.2.1　填埋场的定义	012
1.2.2　填埋场的分类	013
1.2.3　填埋技术发展情况	014
1.3　寿命预测的基本理论	015
1.3.1　早期寿命预测	015
1.3.2　中晚期寿命预测	016
1.4　工程设施的寿命预测	019
1.4.1　寿命预测的研究领域	019
1.4.2　材料或零部件的寿命预测方法	020
1.4.3　系统（整体）的寿命评估方法	021
1.5　固体废物填埋场的寿命预测	022
1.5.1　核心部件HDPE膜的老化	022
1.5.2　核心部件导排系统的老化	023
1.5.3　填埋场的整体性能评估	024
参考文献	025

第2章 填埋场工程寿命理论体系	028
2.1　填埋场寿命基本概念	029
2.1.1　工程寿命基本概念	029
2.1.2　填埋场系统结构和功能分析	029
2.1.3　填埋场寿命定义	032
2.2　填埋场退化因素、机理和影响分析（FMMEA）方法	033
2.2.1　FMMEA分析工作内容	033
2.2.2　FMMEA分析工作流程	034
2.3　填埋场系统退化因素与失效模式	035
2.3.1　填埋场系统失效模式	035
2.3.2　填埋场系统失效机理	036
2.4　填埋场系统退化影响	038
2.5　填埋场系统寿命评估方法	042
2.5.1　常见系统寿命评估方法	042
2.5.2　不同方法适用性及优缺点	043
参考文献	044

第3章 填埋场环境下HDPE膜氧化老化规律	045
3.1　HDPE膜基本特性及老化机理	046
3.1.1　HDPE膜基本特性	046
3.1.2　HDPE膜退化模式	046
3.1.3　填埋环境下HDPE膜退化模式	051
3.1.4　HDPE膜的氧化老化机理	052
3.2　HDPE膜氧化老化预测研究方法	054
3.2.1　氧化老化研究总体思路	054
3.2.2　老化模拟试验方法	056
3.2.3　性能参数测定方法	058
3.2.4　老化预测模型：3-stage模型	060
3.2.5　典型老化试验案例	063
3.3　典型温度下HDPE膜老化规律	067
3.3.1　土工膜厚度的影响	068
3.3.2　暴露介质的影响	070
3.3.3　渗滤液的影响	071
3.3.4　暴露条件的影响	072
3.3.5　HDPE膜品牌/规格的影响	073
3.3.6　抗氧化剂耗损速率的参数敏感性	074
3.4　温度演进条件下HDPE膜老化规律	075
3.4.1　典型填埋场堆体与衬垫系统温度特征	075
3.4.2　抗氧化剂耗损规律	078
3.4.3　氧化诱导规律	085
3.4.4　性能退化规律	086
3.4.5　温度演进下的HDPE膜3-stage总时长	087
参考文献	087

第4章 HDPE膜缺陷产生和演化特征与预测方法	090
4.1　HDPE膜缺陷产生和演化过程	091
4.1.1　HDPE膜缺陷产生和演化原因	091
4.1.2　HDPE膜缺陷表征指标	092
4.1.3　HDPE缺陷产生和演化全过程概化	092
4.2　HDPE膜缺陷检测方法	094
4.2.1　运行前HDPE膜完整性检测	094
4.2.2　运行过程渗漏监测（预装电极）	096
4.2.3　运行过程渗漏定位（未预装电极）	096
4.3　HDPE膜初始缺陷预测方法	098
4.3.1　故障树分析法	098
4.3.2　数值模拟预测法	100
4.3.3　基于数据挖掘技术的统计模型法	100
4.4　我国填埋场HDPE膜缺陷产生特征	100
4.4.1　我国填埋场缺陷总体情况	100
4.4.2　我国填埋场缺陷密度分类统计情况	103
4.4.3　我国填埋场HDPE膜缺陷特征	104
4.5　案例研究：基于统计学的HDPE膜初始缺陷模型构建	107
4.5.1　初始缺陷的预测模型构建方法	107
4.5.2　CDUA的多元回归预测模型	109
4.5.3　TDUA的多元回归预测模型	112
参考文献	114

第5章 导排介质淤堵规律及预测方法	115
5.1　填埋场导排系统结构及淤堵机理	116
5.1.1　导排系统结构和类型	116
5.1.2　导排系统中渗流途径的确定	118
5.1.3　填埋场导排介质淤堵形成机理	122
5.2　导排层淤堵模拟试验方法	126
5.2.1　试验装置	126
5.2.2　试验材料	127
5.2.3　试验步骤	127
5.2.4　淤堵的数学表征	128
5.3　导排层导排性能退化预测方法	128
5.3.1　典型场景建立	128
5.3.2　淤堵条件下渗透系数的数学表征	129
5.4　典型场景下淤堵时空演化的淤堵实验模拟规律	132
5.4.1　试验材料与方法	133
5.4.2　淤堵规律试验结果	138
5.4.3　淤堵时空演化	141
5.5　填埋场尺度下的淤堵时间演化的模型模拟	145
5.5.1　模拟参数设置	145
5.5.2　淤堵预测结果	148
参考文献	153

第6章 固体废物填埋场整体性能模拟与寿命预测方法	155
6.1　寿命预测指标及其失效阈值	156
6.1.1　固体废物填埋场寿命终止模式	156
6.1.2　寿命终止指标	157
6.1.3　寿命终止指标阈值	158
6.1.4　指标阈值计算方法	158
6.2　固体废物填埋场水分运移	161
6.3　基于水量均衡的填埋场性能模拟	163
6.3.1　常用水分运移与性能评估模型介绍	163
6.3.2　HELP模型介绍	164
6.3.3　ERAMLL模型介绍	165
6.3.4　不同模型优缺点对比分析	166
6.4　固体废物填埋场性能长期演化	167
6.4.1　长期性能演化预测框架	167
6.4.2　Landsim模型介绍	168
参考文献	169

第7章 固体废物填埋场整体性能模拟与寿命预测案例分析	171
7.1　典型条件下国内填埋场长期性能演化与寿命特征	172
7.1.1　研究区及填埋场概况	172
7.1.2　模型基本参数	173
7.1.3　材料老化参数	177
7.1.4　典型条件下填埋场寿命特征	180
7.2　填埋场寿命影响因素探究	183
7.2.1　气候因素	183
7.2.2　黏土施工质量	189
7.2.3　HDPE膜初始缺陷	192
参考文献	192

附录	193
附录1 危险废物填埋污染控制标准（GB 18598—2019）	194
附录2 一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准（GB 18599—2020）	209