我國大型石油煉化基地防滲工程研究

吳維洋，孫 墾，劉玉龍，陳鴻漢

(1.中國地質大學(北京)北京市水資源與環境工程重點實驗室，北京100083;2.中國石油集團安全環保技術研究院，北京102206;3.華北水利水電大學，河南 鄭州450045)

我國煉化企業多位于江河湖泊和人口密集區域，石油生產、運輸、儲存等環節的泄漏極易導致土壤和地下水的污染，一旦污染，治理難度大、成本高，因此煉化基地的防滲意義重大. 筆者結合中國石油已經完成全廠性地下水防滲的四川石化、慶陽石化以及呼和浩特石化，從防滲材料、防滲結構、防滲區劃與措施、防滲等級設計和防滲效果評價等5 個方面分析了目前我國石油煉化基地地下水防滲現狀，并對煉化防滲的發展做了展望.

1 煉化基地防滲材料的種類及性能

1.1 天然防滲材料

天然防滲材料主要包括黏土、膨潤土、膨潤土防水毯(Geosynthetic Clay Liner，GCL)以及通過人工改性達到防滲要求的土壤.

黏土作為煉化防滲材料，具備天然狀態或壓實后的滲透系數低、吸附性和截污性強、分布廣泛、易于施工的優點. 部分天然壓實黏土(Compacted Clay Liner，CCL)的滲透系數能滿足小于10－7cm/s的防滲要求，可以直接作為防滲材料使用［1］. 比如作為核廢料封存屏障的原狀Boom 黏土，其垂向和水平向滲透系數分別為1. 7 × 10－10cm/s 和4.4 ×10－10cm/s［2］;壓實后的Prrenjas 黏土和Wyoming 黏土垂向滲透系數可達7.26 ×10－8cm/s 和3.1 ×10－10cm/s［3］，均滿足防滲要求. 同時天然黏土的吸附性使其對有機污染物具備良好的截污能力，研究發現天然粉質黏土中萘、菲、熒蒽的吸附率分別達到39.76%，78.09%和97.60%［4］，并且存在生物降解作用，能夠有效阻滯有機污染物的遷移擴散.

但是，可直接用作防滲層的黏土分布有限，對于壓實后仍無法達到防滲標準的黏土，目前主要采用添加改性材料的方法使其達到防滲要求，常用的改性材料有膨潤土、活性炭、沸石、有機物等. Irene等［5］利用膨潤土改性Ottawa 土，其滲透系數從8 ×10－4cm/s降低到8 ×10－10cm/s，重金屬彌散系數也降低了一個數量級;添加膨潤土改性的天然黃土，其滲透系數也降低了3 ～4 個數量級［6］;采用活性有機碳改性黏土襯墊，能夠有效延滯苯的遷移超過100 a［7］.與天然黏土相比，改性黏土滲透性低、適應性強，是目前研究和應用的熱點［8－9］.

膨潤土的膨脹性、吸附性和陽離子交換能力更為優異，可在48 h 內行成10 ～30 倍的膠凝體，構成一道滲透系數低于10－9cm/s 的防水墻;同時能夠大量吸附各類污染物，有效地阻滯污染物的滲透和遷移.但天然膨潤土在高濃度有機污染物、含油污染物作用下會產生絮凝和收縮，吸附能力迅速下降，最終失去防滲能力.目前主要通過改性處理，使天然膨潤土達到場地防滲要求，聚合陽離子羧基鋁、環己烷、胺類聚合物、十六烷基三甲基溴化胺、鋁酸酯偶聯劑等改性劑可以增強膨潤土顆粒表面疏水性，提高對有機污染物的吸附和截滲能力［10－12］.

我國膨潤土分布集中、品位低、鈉基膨潤土少，天然膨潤土很少直接應用于地下水防滲工程，目前使用較多的是GCL. 其滲透系數實測值一般為(0.3 ～5.6)×10－9cm/s［13－14］，截污能力強，能有效攔截污染物中35% ～50%的酚類污染物［15］. GCL已廣泛應用于水利工程、環保工程等的防滲和密封，如南京地鐵、北京地鐵五號線和深圳下坪垃圾填埋場等.

1.2 人工合成有機防滲材料

人工合成有機防滲材料(Geomembrane，GM)指各類以塑料薄膜/薄片為防滲基材與無紡布復合而成的土工防滲材料，主要有高密度聚乙烯膜(Highdensity Polyethylene，HDPE)、聚氯乙烯膜(Polyvinyl Chloride，PVC)、聚乙烯膜(Polyethylene，PE)等，其中以HDPE 膜使用最為廣泛.

HDPE 土工膜滲透系數一般小于10－12cm/s［16］，對滲流流體具有很強的抗性，能夠有效阻滯各類污染物的滲漏;HDPE 土工膜對有機污染物的吸附容量極低，污染物在土工膜中的分配系數為10 ～75［17］;其耐老化性能強［18－19］，材質無毒無害，不會造成二次污染，目前廣泛應用于垃圾填埋場、煉油廠、化工廠和加油站等的防滲工程.但HDPE 膜對雙軸向拉力的承受能力、耐不均勻沉降能力和耐穿刺能力較差，施工過程中造成的穿刺破壞以及不均勻沉降引起的撕裂都會導致污染物滲漏，因此常與CCL，GCL，無紡布等配合使用.

1.3 摻鋼纖維抗滲水泥

摻鋼纖維抗滲水泥是在抗滲水泥中摻入鋼纖維作為抗滲劑，在與混凝土反應時，鋼纖維高分子化合物的原子連接成鏈形，構成長且復雜的立體網狀結構，散亂地密布于混凝土中，堵塞混凝土的毛細通道，使其具有很好的憎水性，提高了混凝土的密實度和抗滲性.

鋼纖維混凝土抗滲性比普通混凝土高約40%，抗滲等級能達到P20，而且能夠有效防止裂縫的形成，但其造價較高、攪拌困難、施工難度大.中國石油四川石化、慶陽石化和呼和浩特石化基地的裝置區、污水池等首次采用摻鋼纖維抗滲水泥防滲層.

1.4 水泥基滲透結晶型防滲材料

水泥基滲透結晶型防滲材料是利用混凝土的多孔性，將以水為載體的活性化學物質輸送到孔道內，催化混凝土內未水化部分再次水化，在毛細孔道和微小裂隙中形成不溶性的纖維狀結晶物質，填充細小孔隙以堵塞滲流通道達到防滲的目的［20］.

水泥基滲透結晶型防滲材料抗滲能力能夠達到P12 以上，對固化后的混凝土裂縫也有超強的愈合能力;化學穩定性好，耐溫、耐濕、耐氧化，廣泛用于地下結構、水利工程等的防水工程.中國石油慶陽石化基地首次將其用于廠區污水處理廠、廢渣填埋場、污水井等的防滲施工.

2 煉化基地常用防滲層結構及防滲要求

根據不同防滲功能區所選防滲材料和型式的不同，目前煉化基地常用的防滲結構主要有天然防滲結構、剛性防滲結構、柔性防滲結構和復合防滲結構4 種［21］.

天然防滲結構是由黏土、膨潤土等天然防滲材料構成的防滲結構，或對滲透系數較大的黏性土進行人工改性而達到防滲要求的防滲結構. 最具代表性的天然防滲結構為壓實黏土防滲襯墊，要求其滲透系數低于1.0 ×10－7cm/s，且具有一定的厚度.

剛性防滲結構主要包括普通防滲混凝土結構、特殊配比的抗滲混凝土結構、有表面涂層的混凝土結構以及添加防水劑、纖維等處理的抗滲混凝土結構4 類.根據混凝土成分和處理方式的不同，其滲透系數介于1.0×10－8cm/s 與1.0×10－12cm/s 之間.

柔性防滲結構主要由土工膜及其上、下保護層構成，土工膜以HDPE 膜使用最為廣泛，滲透系數一般低于1.0 ×10－12cm/s.

復合防滲結構是將天然防滲結構、剛性防滲結構和柔性防滲結構根據不同防滲區域、水文地質條件、污染物類別等選取2 種或3 種組合而成的防滲結構，滲透系數低于1.0 ×10－12cm/s.

慶陽石化、四川石化及呼和浩特石化工程，采用了剛性防滲結構、柔性防滲結構和剛性－柔性復合防滲結構構筑防滲層進行地下水防滲，未采用天然防滲結構或包含天然防滲結構構筑防滲層.

3 煉化基地防滲分區及防滲措施

四川石化、慶陽石化及呼和浩特石化是中國石油集團已實施完成的3 個全廠性地下水防滲的煉油廠.地下水防滲要求起于四川石化，首先在慶陽石化實施.

根據主動與被動防滲結合原則，將煉化場地劃分為非污染區、一般污染區、重點污染區和特殊污染區等4 類，其中非污染區不采取主動防滲措施，上述3 個場地現采用的地下水防滲措施見表1.

表1 已建煉化場地的防滲分區、防滲層設計與防滲要求

此外，滲漏監測也是防滲的重要措施.目前采用的主要手段有兩種:在相應區域布置電感電纜和滲漏液收集井，通過氣體檢測和液位檢測進行滲漏探測與報警.其中，化工品罐區布置電感電纜，油品罐區布置電感電纜或滲漏液收集井;其他區域布置滲漏液收集井［22］.

4 煉化基地防滲等級設計基本原則

四川石化、慶陽石化及呼和浩特石化的防滲要求一致，在污染區均要求防滲層的滲透系數低于1.0 ×10－12cm/s(表1)，而這3 個場地的地下水環境影響特征迥異，見表2.

表2 慶陽、四川和呼和浩特石化場地地下水環境影響特征

地下水防滲等級的設計原則源自四川石化，其后的設計基本沿襲了最初的設計要求，是以“環境敏感程度為敏感”為原則，并沒有充分結合場地的包氣帶防污性能、含水層易污染特征和地下水環境敏感程度等地下水環境影響特征［23］. 因此，若以四川石化的防滲設計等級為基點，慶陽石化和呼和浩特石化防滲設計為過度防滲.

5 煉化基地防滲層防滲效果評價

防滲的有效性和經濟性的統一，要求防滲設計應因地制宜、合理防滲.防滲的有效性建立在對防滲層防滲效果評價的基礎之上.

煉化基地防滲效果評價是以滲漏率、污染物穿透時間、襯墊系統底部污染物濃度等因素作為評價指標，采用室內試驗、模擬分析、現場試驗等方法，對不同防滲材料的防滲能力進行評估. 由于防滲層滲透性很低，分子擴散是控制污染物遷移的主要因素，目前多采用解析法和數值模擬法對其防滲效果進行評估［24］.解析法是基于污染物分子在均勻介質中的遷移規律，采用一維對流彌散方程的解析解分析評價防滲層的防滲能力，解析法對污染物分子的擴散有著根本性的把握，計算簡單且不易發散;數值模擬主要采用有限層法、有限差分法、有限元法或邊界元法對污染物在防滲襯墊中的遷移擴散進行分析，其需要考慮的邊界條件較為復雜，使用難度大.兩種方法目前的研究狀況見表3.

目前防滲層防滲效果研究多針對簡單污染物，對油類污染物的研究較少;同時對摻鋼纖維抗滲水泥和水泥基滲透結晶型防滲材料防滲效果的評價方法也仍需探討.

表3 防滲層防滲效果評價方法研究

6 結論與展望

我國煉化基地的防滲工藝技術，是以“環境敏感程度為敏感”為原則，以HDPE 膜、水泥基滲透結晶型防滲涂層和摻鋼纖維抗滲水泥為主要防滲材料，在特殊污染防治區、重點污染防治區和一般污染防治區，采用柔性防滲結構、剛性防滲結構或剛性－柔性復合防滲結構的過度防滲工藝技術.

我國煉化基地目前的防滲工藝仍需要充分結合場地的包氣帶防污性能、環境水文地質條件和環境敏感程度等自然特征，采用包括壓實場地天然黏土構建天然防滲層在內的多元防滲結構，以實現適度防滲、合理防滲和經濟防滲.

根據我國石油煉化基地的防滲現狀，筆者認為今后的研究重點有:①煉化防滲材料對含油污染物防滲的適應性，包括含油污染物在防滲層中的遷移機理、滲漏情況預測以及含油污染物浸潤條件下防滲材料的耐久性等;②不同防滲材料和防滲結構的防滲效果評價方法，包括不同防滲結構評價方法的選取，不同防滲層之間的等效性等.

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