朱銘珠,楊延梅,徐亞,姚光遠(yuǎn)*,劉玉強(qiáng)*,黃啟飛
1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院
2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院固體廢物污染控制技術(shù)研究所
填埋作為固體廢物的主要處置手段,有力解決了我國(guó)“垃圾圍城”等突出社會(huì)問(wèn)題,推動(dòng)了固體廢物污染防治工作的開(kāi)展[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年我國(guó)生活垃圾的填埋總量為10 948萬(wàn)t,占其清運(yùn)總量的46%;危險(xiǎn)廢物的填埋總量為688萬(wàn)t,占其產(chǎn)生量的32%[2]。然而填埋場(chǎng)也呈現(xiàn)諸多的負(fù)面效應(yīng),如填埋過(guò)程產(chǎn)生的滲濾液中含有高濃度有機(jī)物、重金屬等污染物,一旦泄漏將會(huì)對(duì)填埋場(chǎng)周邊地下水、土壤及生態(tài)環(huán)境和人體健康構(gòu)成潛在危害[3-7]。因此,國(guó)內(nèi)外填埋場(chǎng)多采用以高密度聚乙烯(HDPE)膜為核心構(gòu)建的防滲系統(tǒng)來(lái)防止?jié)B濾液泄漏,保護(hù)土壤和地下水安全。然而,我國(guó)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)中HDPE膜破損嚴(yán)重、滲漏風(fēng)險(xiǎn)顯著。徐亞等[8]對(duì)全國(guó)12個(gè)省市的多家填埋場(chǎng)HDPE膜進(jìn)行完整性檢測(cè),發(fā)現(xiàn)幾乎所有填埋場(chǎng)的HDPE膜均存在漏洞,具有專業(yè)防滲施工經(jīng)驗(yàn)的公司鋪設(shè)的HDPE膜漏洞產(chǎn)生量仍為19.1個(gè)/hm2。因此,填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞修補(bǔ)技術(shù)研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
目前,國(guó)內(nèi)外HDPE膜漏洞修補(bǔ)主要分為運(yùn)行前及運(yùn)行階段的修補(bǔ)技術(shù),其中運(yùn)行前產(chǎn)生漏洞的場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單,實(shí)際多采用直接焊接的方式進(jìn)行修補(bǔ);運(yùn)行階段產(chǎn)生漏洞的修補(bǔ)技術(shù)主要分為2類,即前期預(yù)防技術(shù)(自封自修)和后期定位修補(bǔ)技術(shù)(開(kāi)挖修補(bǔ)、灌漿修補(bǔ)、靶向電動(dòng)修補(bǔ)等)。目前,運(yùn)行階段產(chǎn)生漏洞的修補(bǔ)多直接采用開(kāi)挖修補(bǔ)技術(shù)[9],但該技術(shù)施工量大、成本高且存在安全隱患;灌漿修補(bǔ)技術(shù)雖然快捷方便,但存在難以精準(zhǔn)定位垃圾堆體下漏洞位置等缺點(diǎn)[10];Darilek等[11]發(fā)明的電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)能安全、靶向地修補(bǔ)漏洞;Cote等[12]發(fā)明的自封自修技術(shù)能在填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)產(chǎn)生漏洞后進(jìn)行自修補(bǔ)。由于不同類型填埋場(chǎng)防滲結(jié)構(gòu)存在差異,且不同運(yùn)行階段所對(duì)應(yīng)修補(bǔ)場(chǎng)景不同,故需根據(jù)防滲結(jié)構(gòu)及所處的運(yùn)行階段確定適宜的修補(bǔ)技術(shù)。因此,筆者歸納不同類型填埋場(chǎng)防滲結(jié)構(gòu),明確HDPE膜為關(guān)鍵修補(bǔ)對(duì)象,并結(jié)合不同運(yùn)行階段HDPE膜破損成因與特征,闡述國(guó)內(nèi)外填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)漏洞修補(bǔ)技術(shù)的研究現(xiàn)狀和成果,系統(tǒng)梳理現(xiàn)有修補(bǔ)技術(shù)的適用場(chǎng)景及優(yōu)缺點(diǎn),以期為填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞修補(bǔ)技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒和參考。
我國(guó)填埋場(chǎng)類型可以分為生活垃圾填埋場(chǎng)、一般工業(yè)固體廢物填埋場(chǎng)和危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)。不同類型填埋場(chǎng)防滲結(jié)構(gòu)不同,滲漏風(fēng)險(xiǎn)也不盡相同[13-15]。不同類型填埋場(chǎng)防滲結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。
由表1可知,目前我國(guó)不同類型填埋場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的防滲結(jié)構(gòu)主要包括天然黏土防滲襯層與人工復(fù)合襯層;近年來(lái)填埋場(chǎng)防滲結(jié)構(gòu)多采用以高密度聚乙烯(HDPE)膜為主要組成的人工復(fù)合襯層,相較于其他防滲材料具有更佳的防滲性能,滲透系數(shù)可達(dá)1.0×10-13cm/s。研究表明,在填埋場(chǎng)典型設(shè)計(jì)條件下,復(fù)合襯層滲濾液年泄漏量?jī)H為黏土防滲襯層的0.4%[16]。HDPE膜與黏土共同構(gòu)筑的復(fù)合襯層系統(tǒng)較單襯層具有更優(yōu)的防滲性能[16-17]。但如果復(fù)合襯層中HDPE膜出現(xiàn)破損,膜下黏土防滲襯層在承擔(dān)一部分的滲濾液后仍將被滲濾液快速擊穿,即整個(gè)防滲體系被破壞[18-19]。因此,HDPE膜是防滲系統(tǒng)的核心組成部分。
表 1 不同類型填埋場(chǎng)防滲結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總Table 1 Parameters of impervious layer structures in different landfills
目前,我國(guó)填埋場(chǎng)防滲層HDPE膜滲漏風(fēng)險(xiǎn)巨大,通過(guò)對(duì)全國(guó)129家生活垃圾和危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)防滲層HDPE膜的破損情況進(jìn)行檢測(cè),并根據(jù)實(shí)際情況將防滲層漏洞的主要成因歸納為以下4種情況:膜本身的質(zhì)量問(wèn)題、膜下的石子或其他尖銳物頂穿膜、焊接或其他操作不規(guī)范以及施工過(guò)程機(jī)械造成損傷。關(guān)于漏洞的具體成因匯總?cè)绫?所示[8,20-21]。
由表2可知,填埋場(chǎng)運(yùn)行前的施工階段造成的損傷最為嚴(yán)重,其中機(jī)械操作時(shí)易導(dǎo)致HDPE膜產(chǎn)生撕裂口,漏洞數(shù)量占所有漏洞數(shù)量的14%,平均漏洞面積可達(dá)4.26×103cm2。焊接問(wèn)題導(dǎo)致的漏洞與機(jī)械損傷數(shù)量相當(dāng),平均漏洞面積為1.79×103cm2,更具隱蔽性,肉眼難以察覺(jué)。銳物造成的漏洞面積相對(duì)較小,平均漏洞面積為2.32×102cm2,數(shù)量較多,占比為69%。原生漏洞的數(shù)量和面積均較少(?。?。HDPE膜運(yùn)行過(guò)程老化損傷雖未檢測(cè),但膜長(zhǎng)期處在復(fù)雜介質(zhì)、高負(fù)荷、強(qiáng)腐蝕性等惡劣環(huán)境中,易出現(xiàn)應(yīng)力破損、腐蝕破損的問(wèn)題,向銳等[16]發(fā)現(xiàn)HDPE膜材料老化造成的長(zhǎng)期滲漏會(huì)導(dǎo)致1 000 m以內(nèi)的地下水被污染,運(yùn)行過(guò)程的老化損傷也需要重點(diǎn)關(guān)注。填埋場(chǎng)運(yùn)行前由于未進(jìn)行填埋,漏洞修補(bǔ)時(shí)的施工環(huán)境簡(jiǎn)單,修補(bǔ)也相對(duì)容易;而運(yùn)行及封場(chǎng)后的填埋場(chǎng)普遍存在填埋介質(zhì)深、液位高等諸多原因,此時(shí)修補(bǔ)較為困難[22]。綜上所述,填埋場(chǎng)不同運(yùn)行階段的漏洞特征與修補(bǔ)的難易程度不一,需分階段采用不同的技術(shù)進(jìn)行修補(bǔ)。
表 2 HDPE膜破損成因匯總[8,20-21]Table 2 Summary of causes of HDPE membrane leakage
填埋場(chǎng)投入運(yùn)行前防滲系統(tǒng)HDPE膜的修補(bǔ)技術(shù)較為簡(jiǎn)便,大多運(yùn)用焊接技術(shù)(圖1)。其中,漏洞直徑小于6 mm時(shí)可采用擠壓焊直接修復(fù);漏洞直徑大于6 mm時(shí),需采用同種材料、同樣厚度的防滲膜補(bǔ)丁進(jìn)行焊接修補(bǔ),補(bǔ)丁尺寸應(yīng)超過(guò)損壞邊界處至少300 mm,且修補(bǔ)前需將補(bǔ)丁和破損處磨光、清潔以保證補(bǔ)丁和膜緊密結(jié)合連接;若HDPE膜裂口超過(guò)卷材寬度的10%,則須用新HDPE膜進(jìn)行替代[9]。
圖 1 運(yùn)行前焊接修復(fù)填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞Fig.1 Repair of HDPE membrane leaks in landfill by welding before the operation
3.2.1 異位修補(bǔ)技術(shù)
異位修補(bǔ)技術(shù)是指將固體廢物從填埋場(chǎng)挖掘轉(zhuǎn)移到其他符合防滲要求的填埋場(chǎng)(或分區(qū)單元)或處置設(shè)施,在原場(chǎng)址進(jìn)行再治理的技術(shù)[23]。該技術(shù)常用于分區(qū)填埋、規(guī)模較小(總?cè)萘啃∮?00萬(wàn)m3)且HDPE膜破損面積大的填埋場(chǎng)。垃圾轉(zhuǎn)場(chǎng)后重做底部防滲結(jié)構(gòu),原址可重新進(jìn)行填埋,但施工量大、成本高且開(kāi)挖過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生臭味、粉塵、沼氣等二次污染[24]。桑植縣仙娥存量垃圾填埋場(chǎng)[23]、居縣灣陳簡(jiǎn)易垃圾填埋場(chǎng)[25]、清流縣觀音堂垃圾填埋場(chǎng)[26]等填埋容量較小的填埋場(chǎng)均采用了該技術(shù)。
3.2.2 原位修補(bǔ)技術(shù)
3.2.2.1 開(kāi)挖修補(bǔ)技術(shù)
開(kāi)挖修補(bǔ)技術(shù)是指對(duì)運(yùn)行及封場(chǎng)期填埋場(chǎng)產(chǎn)生的漏洞精準(zhǔn)定位后進(jìn)行焊接修補(bǔ)。該修補(bǔ)技術(shù)的難點(diǎn)為隨著填埋介質(zhì)厚度增加,導(dǎo)致漏洞定位誤差大,使得精準(zhǔn)定位堆體下防滲層HDPE膜的漏洞位置異常困難,會(huì)出現(xiàn)由于定位誤報(bào)導(dǎo)致開(kāi)挖修補(bǔ)工作難以開(kāi)展[27]。此外,該技術(shù)通常需要將定位漏點(diǎn)上方的堆體挖開(kāi)后進(jìn)行修補(bǔ),然而填埋堆體最高可達(dá)十幾m深,開(kāi)挖會(huì)破壞周邊堆體單元結(jié)構(gòu)的完整,從而引起不均勻沉降甚至塌方,存在極大的安全隱患[28]。
3.2.2.2 灌漿修補(bǔ)技術(shù)
灌漿修補(bǔ)技術(shù)常應(yīng)用于混凝土的裂縫修補(bǔ),長(zhǎng)江三峽工程深覆蓋層防滲補(bǔ)強(qiáng)和壩體混凝土裂縫補(bǔ)強(qiáng)加固[29]、孫家排灌站裂縫修補(bǔ)[30]與雙橋排灌站伸縮縫修補(bǔ)[31]等均運(yùn)用了該技術(shù)。當(dāng)將該技術(shù)運(yùn)用于修補(bǔ)填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞時(shí),需要精準(zhǔn)定位漏洞位置后在定位漏洞的正上方打鉆,當(dāng)鉆頭進(jìn)入卵石層一定深度時(shí),通過(guò)向鉆孔灌入水泥或其他修補(bǔ)材料固化卵石形成保護(hù)層,達(dá)到修補(bǔ)漏洞的目的(圖2)[10]。與開(kāi)挖修補(bǔ)技術(shù)相比,更加便捷快速。但該技術(shù)同樣存在無(wú)法精準(zhǔn)定位高垃圾堆體下漏洞位置的問(wèn)題,且難以控制鉆頭深度,易對(duì)HDPE膜造成二次損傷,故其應(yīng)用并不廣泛[32]。
3.2.2.3 電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)
電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)最早由Darilek等[11]提出的,該技術(shù)通過(guò)電動(dòng)作用將修復(fù)材料定向遷移到漏洞處,從而達(dá)到修補(bǔ)的目的。該技術(shù)的修補(bǔ)機(jī)理為:依據(jù)電法檢測(cè)漏洞的原理,在膜上下分別放置正負(fù)極,由于HDPE膜的高阻特性,電流通路只在漏洞處形成,因此帶電荷的修復(fù)材料顆粒會(huì)在電場(chǎng)力的作用下向漏洞處定向遷移,從而在漏洞處聚集形成堆積物;同時(shí)由于電滲作用,堆積物中的孔隙水以電滲流的形式加速排出土體,使土體在短時(shí)間內(nèi)迅速固結(jié),從而提高土體強(qiáng)度,達(dá)到靶向修補(bǔ)漏洞的目的(圖3)[11,32-35]。
圖 2 灌漿修補(bǔ)技術(shù)理論示意Fig.2 Theoretical diagram of grouting repair technology
圖 3 電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)理論示意Fig.3 Theoretical diagram of electrokinetic repair technology
Darilek等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小尺寸試驗(yàn)和室外模擬試驗(yàn),證明了電動(dòng)修補(bǔ)防滲層HDPE膜漏洞的有效性。實(shí)驗(yàn)室小尺寸試驗(yàn)顯示,電動(dòng)修補(bǔ)后HDPE膜的滲漏量比原來(lái)降低了1 667倍。室外模擬試驗(yàn)(蓄水區(qū)HDPE膜的漏洞直徑為10 mm,蓄水深度為60 cm,膨潤(rùn)土泥漿濃度為16 kg/L)顯示,在50 V直流電壓下對(duì)蓄水池HDPE膜進(jìn)行電動(dòng)處理后,其滲漏量減少了500多倍。Yaung等[36]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),研究了黏土類型、懸浮液中黏土顆粒濃度、漏洞大小、電場(chǎng)強(qiáng)度等因素對(duì)電動(dòng)修補(bǔ)防滲層的影響。結(jié)果顯示,各濃度的高嶺土形成的堆積物均不滿足防滲要求,而膨潤(rùn)土形成的堆積物能滿足防滲要求,其滲透系數(shù)達(dá)到9.27×10-7cm/s,且膨潤(rùn)土堆積物的高度隨電場(chǎng)強(qiáng)度、泥漿濃度、漏洞大小的增加而增加。Kambham等[37]采用半解析的方法證明了電動(dòng)修補(bǔ)防滲層HDPE膜漏洞的有效性。Corapcioglu等[38]對(duì)一維電泳濾餅的形成和壓縮過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)果顯示:隨電壓的增大,向漏洞處移動(dòng)的膨潤(rùn)土變多,但最終堆積體厚度幾乎不變,膨潤(rùn)土堆積物隨陰極板的增大而增大。Han等[39]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證了陰極板與漏洞大小對(duì)修補(bǔ)效果的影響。當(dāng)漏洞直徑為10~30 mm,電壓梯度為1 V/cm,膨潤(rùn)土泥漿濃度為10 kg/L,蓄水深度為15 cm時(shí),膨潤(rùn)土堆積物的體積隨陰極板與漏洞直徑的增大而增大。
電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行及封場(chǎng)后填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞的靶向修補(bǔ),具有較好的應(yīng)用前景。然而目前電動(dòng)修補(bǔ)的研究主要集中在清水中進(jìn)行HDPE膜漏洞的修補(bǔ),鮮有修補(bǔ)材料在填埋場(chǎng)實(shí)際滲濾液場(chǎng)景下電動(dòng)修補(bǔ)的研究。
3.2.2.4 自封自修技術(shù)
自封自修技術(shù)(self-sealing/self-healing,SS/SH)通過(guò)改進(jìn)防滲層的設(shè)計(jì)概念,采用火山灰反應(yīng)產(chǎn)生防滲性能良好的密封層,實(shí)現(xiàn)填埋場(chǎng)運(yùn)行及封場(chǎng)后填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)產(chǎn)生漏洞后的自我修補(bǔ)[12]。同時(shí)該技術(shù)還具備一定的截污能力,能與滲濾液中各類離子或化合物發(fā)生沉淀、吸附等物理、化學(xué)作用,阻止污染物向周邊環(huán)境擴(kuò)散。
該技術(shù)最早由Cote等[12]提出,其基本原理為將2種或2種以上能發(fā)生火山灰反應(yīng)的母體材料(如石灰-火山灰水泥、火山灰-粉煤灰、石灰-粉煤灰等)摻入黏土層后水平鋪設(shè),母體材料接觸后生成滲透系數(shù)極低的密封層,該密封層作為HDPE膜的替代物,滲透系數(shù)達(dá)10-9cm/s,能有效阻截滲濾液及污染物的遷移。密封層產(chǎn)生后將母體材料隔絕開(kāi)使其不繼續(xù)發(fā)生反應(yīng),若該密封層發(fā)生破損,母體材料再次接觸發(fā)生火山灰反應(yīng)生成低滲透性的密封層(圖4)?;鹕交曳磻?yīng)即火山灰中的活性氧化物(SiO2、Al2O3)能與石灰中Ca(OH)2在常溫下起化學(xué)反應(yīng),生成較穩(wěn)定的硅酸鈣水合物(xCaO·ySiO2·zH2O)和鋁酸鈣水合物(xCaO·yAl2O3·zH2O)的一種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,生成物質(zhì)能凝結(jié)、硬化并具有一定的強(qiáng)度與防滲性能[40]。
圖 4 自封自修技術(shù)理論示意Fig.4 Theoretical diagram of self-sealing/self-healing technology
Shi等[40]采用火山灰-粉煤灰構(gòu)造出具備自封自修效果的防滲層,結(jié)果顯示,防滲層在破損后2~4周的時(shí)間內(nèi)其滲透系數(shù)可恢復(fù)到10-9cm/s。吳倩芳[41]研究了活化劑、石灰量對(duì)防滲層自封自修能力的影響,得出活化劑能加強(qiáng)火山灰反應(yīng)及沉淀反應(yīng)的同時(shí)降低防滲層的滲透性能,且石灰投加量為10%~20%時(shí)修補(bǔ)效果最佳。王鐵軍[42]通過(guò)研究不同滲透流體對(duì)自封自修防滲層的影響,提出的復(fù)合型防滲層(10%石灰+黏土/20%粉煤灰+黏土)防滲性能達(dá)到了國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。韓國(guó)Sudokwon垃圾填埋場(chǎng)建設(shè)應(yīng)用了自封自修技術(shù)[40],但由于相對(duì)高昂的造價(jià),我國(guó)暫未實(shí)際投入建設(shè)使用。
自封自修技術(shù)在保證防滲、截污性能的基礎(chǔ)上,使防滲層具備產(chǎn)生漏洞后的自我修補(bǔ)性能,避免了運(yùn)行及封場(chǎng)期防滲層破損后的高額開(kāi)挖成本與安全風(fēng)險(xiǎn),是填埋場(chǎng)未來(lái)防滲層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展方向。
填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞修補(bǔ)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍等信息匯總?cè)绫?所示。由表3可知,異位修復(fù)技術(shù)應(yīng)用面較為狹窄,僅適用于破損嚴(yán)重且周邊有足夠處理能力的填埋場(chǎng),推廣意義不大;開(kāi)挖修補(bǔ)與灌漿修補(bǔ)受限于漏洞定位技術(shù),目前難以精準(zhǔn)定位高堆體下的漏洞位置;自封自修技術(shù)在保證防滲效果的同時(shí)節(jié)約大量的人力和物力,但難以應(yīng)用于已運(yùn)行填埋場(chǎng)的漏洞修補(bǔ),可用于填埋場(chǎng)防滲層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段;電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)適用于運(yùn)行及封場(chǎng)期填埋場(chǎng)防滲層HDPE膜的修補(bǔ)。雖然目前電動(dòng)修補(bǔ)該技術(shù)鮮有實(shí)際應(yīng)用案例,仍處于機(jī)理探索階段,但是與其他修補(bǔ)技術(shù)相比,能突破運(yùn)行期及封場(chǎng)期漏洞定位不精準(zhǔn)、施工困難、成本高且具有安全隱患的現(xiàn)狀,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行及封場(chǎng)后填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞的靶向修補(bǔ),具有較好的應(yīng)用前景。
表 3 漏洞補(bǔ)技術(shù)特點(diǎn)Table 3 Characteristics of various leak repair technologies
目前我國(guó)填埋場(chǎng)防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用復(fù)合襯層,其中高密度聚乙烯(HDPE)膜為復(fù)合襯層的核心,其完整性對(duì)整個(gè)填埋場(chǎng)防滲工程至關(guān)重要。填埋場(chǎng)運(yùn)行及封場(chǎng)期防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞修補(bǔ)由于堆填深度大、開(kāi)挖成本高以及安全風(fēng)險(xiǎn)大等原因,亟需開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的修補(bǔ)技術(shù)。
自封自修技術(shù)將是未來(lái)填埋場(chǎng)防滲層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)發(fā)展方向,該技術(shù)可通過(guò)開(kāi)展材料改性研究達(dá)到防滲、截污與抗穿刺等多種性能協(xié)同改善的目的。電動(dòng)修補(bǔ)技術(shù)將是運(yùn)行及封場(chǎng)后填埋場(chǎng)HDPE膜漏洞的首選修補(bǔ)技術(shù)。需對(duì)其材料的理化性質(zhì)、操作工藝與修補(bǔ)后防滲性能間關(guān)系進(jìn)行機(jī)理研究,從而有針對(duì)性地改良材料與優(yōu)化工藝,進(jìn)一步提升修補(bǔ)效果。