填埋場防滲系統(tǒng)高密度聚乙烯膜漏洞修補技術(shù)探析

朱銘珠，楊延梅，徐亞，姚光遠*，劉玉強*，黃啟飛

1.重慶交通大學河海學院

2.中國環(huán)境科學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“垃圾圍城”等突出社會問題，推動了固體廢物污染防治工作的開展[1]。據(jù)統(tǒng)計，2019年我國生活垃圾的填埋總量為10 948萬t，占其清運總量的46%；危險廢物的填埋總量為688萬t，占其產(chǎn)生量的32%[2]。然而填埋場也呈現(xiàn)諸多的負面效應，如填埋過程產(chǎn)生的滲濾液中含有高濃度有機物、重金屬等污染物，一旦泄漏將會對填埋場周邊地下水、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，國內(nèi)外填埋場多采用以高密度聚乙烯（HDPE）膜為核心構(gòu)建的防滲系統(tǒng)來防止?jié)B濾液泄漏，保護土壤和地下水安全。然而，我國填埋場防滲系統(tǒng)中HDPE膜破損嚴重、滲漏風險顯著。徐亞等[8]對全國12個省市的多家填埋場HDPE膜進行完整性檢測，發(fā)現(xiàn)幾乎所有填埋場的HDPE膜均存在漏洞，具有專業(yè)防滲施工經(jīng)驗的公司鋪設的HDPE膜漏洞產(chǎn)生量仍為19.1個/hm2。因此，填埋場HDPE膜漏洞修補技術(shù)研究具有重要的應用價值。

目前，國內(nèi)外HDPE膜漏洞修補主要分為運行前及運行階段的修補技術(shù)，其中運行前產(chǎn)生漏洞的場景較為簡單，實際多采用直接焊接的方式進行修補；運行階段產(chǎn)生漏洞的修補技術(shù)主要分為2類，即前期預防技術(shù)（自封自修）和后期定位修補技術(shù)（開挖修補、灌漿修補、靶向電動修補等）。目前，運行階段產(chǎn)生漏洞的修補多直接采用開挖修補技術(shù)[9]，但該技術(shù)施工量大、成本高且存在安全隱患；灌漿修補技術(shù)雖然快捷方便，但存在難以精準定位垃圾堆體下漏洞位置等缺點[10]；Darilek等[11]發(fā)明的電動修補技術(shù)能安全、靶向地修補漏洞；Cote等[12]發(fā)明的自封自修技術(shù)能在填埋場防滲系統(tǒng)產(chǎn)生漏洞后進行自修補。由于不同類型填埋場防滲結(jié)構(gòu)存在差異，且不同運行階段所對應修補場景不同，故需根據(jù)防滲結(jié)構(gòu)及所處的運行階段確定適宜的修補技術(shù)。因此，筆者歸納不同類型填埋場防滲結(jié)構(gòu)，明確HDPE膜為關鍵修補對象，并結(jié)合不同運行階段HDPE膜破損成因與特征，闡述國內(nèi)外填埋場防滲系統(tǒng)漏洞修補技術(shù)的研究現(xiàn)狀和成果，系統(tǒng)梳理現(xiàn)有修補技術(shù)的適用場景及優(yōu)缺點，以期為填埋場HDPE膜漏洞修補技術(shù)的應用提供借鑒和參考。

1 填埋場防滲結(jié)構(gòu)匯總

我國填埋場類型可以分為生活垃圾填埋場、一般工業(yè)固體廢物填埋場和危險廢物填埋場。不同類型填埋場防滲結(jié)構(gòu)不同，滲漏風險也不盡相同[13-15]。不同類型填埋場防滲結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

由表1可知，目前我國不同類型填埋場標準中規(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合襯層；近年來填埋場防滲結(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1.0×10-13cm/s。研究表明，在填埋場典型設計條件下，復合襯層滲濾液年泄漏量僅為黏土防滲襯層的0.4%[16]。HDPE膜與黏土共同構(gòu)筑的復合襯層系統(tǒng)較單襯層具有更優(yōu)的防滲性能[16-17]。但如果復合襯層中HDPE膜出現(xiàn)破損，膜下黏土防滲襯層在承擔一部分的滲濾液后仍將被滲濾液快速擊穿，即整個防滲體系被破壞[18-19]。因此，HDPE膜是防滲系統(tǒng)的核心組成部分。

表 1 不同類型填埋場防滲結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總Table 1 Parameters of impervious layer structures in different landfills

2 填埋場防滲系統(tǒng)HDPE膜破損成因

目前，我國填埋場防滲層HDPE膜滲漏風險巨大，通過對全國129家生活垃圾和危險廢物填埋場防滲層HDPE膜的破損情況進行檢測，并根據(jù)實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)范以及施工過程機械造成損傷。關于漏洞的具體成因匯總?cè)绫?所示[8,20-21]。

由表2可知，填埋場運行前的施工階段造成的損傷最為嚴重，其中機械操作時易導致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4.26×103cm2。焊接問題導致的漏洞與機械損傷數(shù)量相當，平均漏洞面積為1.79×103cm2，更具隱蔽性，肉眼難以察覺。銳物造成的漏洞面積相對較小，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（小）。HDPE膜運行過程老化損傷雖未檢測，但膜長期處在復雜介質(zhì)、高負荷、強腐蝕性等惡劣環(huán)境中，易出現(xiàn)應力破損、腐蝕破損的問題，向銳等[16]發(fā)現(xiàn)HDPE膜材料老化造成的長期滲漏會導致1 000 m以內(nèi)的地下水被污染，運行過程的老化損傷也需要重點關注。填埋場運行前由于未進行填埋，漏洞修補時的施工環(huán)境簡單，修補也相對容易；而運行及封場后的填埋場普遍存在填埋介質(zhì)深、液位高等諸多原因，此時修補較為困難[22]。綜上所述，填埋場不同運行階段的漏洞特征與修補的難易程度不一，需分階段采用不同的技術(shù)進行修補。

表 2 HDPE膜破損成因匯總[8,20-21]Table 2 Summary of causes of HDPE membrane leakage

3 填埋場防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞修補技術(shù)

3.1 運行前漏洞修補技術(shù)

填埋場投入運行前防滲系統(tǒng)HDPE膜的修補技術(shù)較為簡便，大多運用焊接技術(shù)（圖1）。其中，漏洞直徑小于6 mm時可采用擠壓焊直接修復；漏洞直徑大于6 mm時，需采用同種材料、同樣厚度的防滲膜補丁進行焊接修補，補丁尺寸應超過損壞邊界處至少300 mm，且修補前需將補丁和破損處磨光、清潔以保證補丁和膜緊密結(jié)合連接；若HDPE膜裂口超過卷材寬度的10%，則須用新HDPE膜進行替代[9]。

圖 1 運行前焊接修復填埋場HDPE膜漏洞Fig.1 Repair of HDPE membrane leaks in landfill by welding before the operation

3.2 運行及封場階段漏洞修補技術(shù)

3.2.1 異位修補技術(shù)

異位修補技術(shù)是指將固體廢物從填埋場挖掘轉(zhuǎn)移到其他符合防滲要求的填埋場（或分區(qū)單元）或處置設施，在原場址進行再治理的技術(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m3)且HDPE膜破損面積大的填埋場。垃圾轉(zhuǎn)場后重做底部防滲結(jié)構(gòu)，原址可重新進行填埋，但施工量大、成本高且開挖過程中可能會產(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[23]、居縣灣陳簡易垃圾填埋場[25]、清流縣觀音堂垃圾填埋場[26]等填埋容量較小的填埋場均采用了該技術(shù)。

3.2.2 原位修補技術(shù)

3.2.2.1 開挖修補技術(shù)

開挖修補技術(shù)是指對運行及封場期填埋場產(chǎn)生的漏洞精準定位后進行焊接修補。該修補技術(shù)的難點為隨著填埋介質(zhì)厚度增加，導致漏洞定位誤差大，使得精準定位堆體下防滲層HDPE膜的漏洞位置異常困難，會出現(xiàn)由于定位誤報導致開挖修補工作難以開展[27]。此外，該技術(shù)通常需要將定位漏點上方的堆體挖開后進行修補，然而填埋堆體最高可達十幾m深，開挖會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 灌漿修補技術(shù)

灌漿修補技術(shù)常應用于混凝土的裂縫修補，長江三峽工程深覆蓋層防滲補強和壩體混凝土裂縫補強加固[29]、孫家排灌站裂縫修補[30]與雙橋排灌站伸縮縫修補[31]等均運用了該技術(shù)。當將該技術(shù)運用于修補填埋場HDPE膜漏洞時，需要精準定位漏洞位置后在定位漏洞的正上方打鉆，當鉆頭進入卵石層一定深度時，通過向鉆孔灌入水泥或其他修補材料固化卵石形成保護層，達到修補漏洞的目的（圖2）[10]。與開挖修補技術(shù)相比，更加便捷快速。但該技術(shù)同樣存在無法精準定位高垃圾堆體下漏洞位置的問題，且難以控制鉆頭深度，易對HDPE膜造成二次損傷，故其應用并不廣泛[32]。

3.2.2.3 電動修補技術(shù)

電動修補技術(shù)最早由Darilek等[11]提出的，該技術(shù)通過電動作用將修復材料定向遷移到漏洞處，從而達到修補的目的。該技術(shù)的修補機理為：依據(jù)電法檢測漏洞的原理，在膜上下分別放置正負極，由于HDPE膜的高阻特性，電流通路只在漏洞處形成，因此帶電荷的修復材料顆粒會在電場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，使土體在短時間內(nèi)迅速固結(jié)，從而提高土體強度，達到靶向修補漏洞的目的（圖3）[11,32-35]。

圖 2 灌漿修補技術(shù)理論示意Fig.2 Theoretical diagram of grouting repair technology

圖 3 電動修補技術(shù)理論示意Fig.3 Theoretical diagram of electrokinetic repair technology

Darilek等[11]通過實驗室小尺寸試驗和室外模擬試驗，證明了電動修補防滲層HDPE膜漏洞的有效性。實驗室小尺寸試驗顯示，電動修補后HDPE膜的滲漏量比原來降低了1 667倍。室外模擬試驗（蓄水區(qū)HDPE膜的漏洞直徑為10 mm，蓄水深度為60 cm，膨潤土泥漿濃度為16 kg/L）顯示，在50 V直流電壓下對蓄水池HDPE膜進行電動處理后，其滲漏量減少了500多倍。Yaung等[36]通過室內(nèi)試驗，研究了黏土類型、懸浮液中黏土顆粒濃度、漏洞大小、電場強度等因素對電動修補防滲層的影響。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，而膨潤土形成的堆積物能滿足防滲要求，其滲透系數(shù)達到9.27×10-7cm/s，且膨潤土堆積物的高度隨電場強度、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修補防滲層HDPE膜漏洞的有效性。Corapcioglu等[38]對一維電泳濾餅的形成和壓縮過程進行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示：隨電壓的增大，向漏洞處移動的膨潤土變多，但最終堆積體厚度幾乎不變，膨潤土堆積物隨陰極板的增大而增大。Han等[39]通過實驗室試驗驗證了陰極板與漏洞大小對修補效果的影響。當漏洞直徑為10～30 mm，電壓梯度為1 V/cm，膨潤土泥漿濃度為10 kg/L，蓄水深度為15 cm時，膨潤土堆積物的體積隨陰極板與漏洞直徑的增大而增大。

電動修補技術(shù)可以實現(xiàn)對運行及封場后填埋場HDPE膜漏洞的靶向修補，具有較好的應用前景。然而目前電動修補的研究主要集中在清水中進行HDPE膜漏洞的修補，鮮有修補材料在填埋場實際滲濾液場景下電動修補的研究。

3.2.2.4 自封自修技術(shù)

自封自修技術(shù)（self-sealing/self-healing，SS/SH）通過改進防滲層的設計概念，采用火山灰反應產(chǎn)生防滲性能良好的密封層，實現(xiàn)填埋場運行及封場后填埋場防滲系統(tǒng)產(chǎn)生漏洞后的自我修補[12]。同時該技術(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、化學作用，阻止污染物向周邊環(huán)境擴散。

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，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使其不繼續(xù)發(fā)生反應，若該密封層發(fā)生破損，母體材料再次接觸發(fā)生火山灰反應生成低滲透性的密封層（圖4）?；鹕交曳磻椿鹕交抑械幕钚匝趸铮⊿iO2、Al2O3）能與石灰中Ca(OH)2在常溫下起化學反應，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）的一種化學反應過程，生成物質(zhì)能凝結(jié)、硬化并具有一定的強度與防滲性能[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周的時間內(nèi)其滲透系數(shù)可恢復到10-9cm/s。吳倩芳[41]研究了活化劑、石灰量對防滲層自封自修能力的影響，得出活化劑能加強火山灰反應及沉淀反應的同時降低防滲層的滲透性能，且石灰投加量為10%～20%時修補效果最佳。王鐵軍[42]通過研究不同滲透流體對自封自修防滲層的影響，提出的復合型防滲層（10%石灰+黏土/20%粉煤灰+黏土）防滲性能達到了國家規(guī)定的標準。韓國Sudokwon垃圾填埋場建設應用了自封自修技術(shù)[40]，但由于相對高昂的造價，我國暫未實際投入建設使用。

自封自修技術(shù)在保證防滲、截污性能的基礎上，使防滲層具備產(chǎn)生漏洞后的自我修補性能，避免了運行及封場期防滲層破損后的高額開挖成本與安全風險，是填埋場未來防滲層結(jié)構(gòu)的設計發(fā)展方向。

3.3 修補技術(shù)特點對比

填埋場防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞修補技術(shù)的優(yōu)缺點、適用范圍等信息匯總?cè)绫?所示。由表3可知，異位修復技術(shù)應用面較為狹窄，僅適用于破損嚴重且周邊有足夠處理能力的填埋場，推廣意義不大；開挖修補與灌漿修補受限于漏洞定位技術(shù)，目前難以精準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節(jié)約大量的人力和物力，但難以應用于已運行填埋場的漏洞修補，可用于填埋場防滲層結(jié)構(gòu)設計階段；電動修補技術(shù)適用于運行及封場期填埋場防滲層HDPE膜的修補。雖然目前電動修補該技術(shù)鮮有實際應用案例，仍處于機理探索階段，但是與其他修補技術(shù)相比，能突破運行期及封場期漏洞定位不精準、施工困難、成本高且具有安全隱患的現(xiàn)狀，可以實現(xiàn)對運行及封場后填埋場HDPE膜漏洞的靶向修補，具有較好的應用前景。

表 3 漏洞補技術(shù)特點Table 3 Characteristics of various leak repair technologies

4 結(jié)語

目前我國填埋場防滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要采用復合襯層，其中高密度聚乙烯（HDPE）膜為復合襯層的核心，其完整性對整個填埋場防滲工程至關重要。填埋場運行及封場期防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞修補由于堆填深度大、開挖成本高以及安全風險大等原因，亟需開發(fā)經(jīng)濟高效的修補技術(shù)。

自封自修技術(shù)將是未來填埋場防滲層結(jié)構(gòu)的設計發(fā)展方向，該技術(shù)可通過開展材料改性研究達到防滲、截污與抗穿刺等多種性能協(xié)同改善的目的。電動修補技術(shù)將是運行及封場后填埋場HDPE膜漏洞的首選修補技術(shù)。需對其材料的理化性質(zhì)、操作工藝與修補后防滲性能間關系進行機理研究，從而有針對性地改良材料與優(yōu)化工藝，進一步提升修補效果。