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(yuǎn)*，劉玉強*，黃啟飛

1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院

2.中國環(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“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(fù)面效應(yīng)，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(yán)重、滲漏風(fēng)險顯著。徐亞等[8]對全國12個省市的多家填埋場HDPE膜進(jìn)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(shè)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(yīng)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(jìn)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(yù)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(zhǔn)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(jìn)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(yīng)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(guān)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(yīng)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(fēng)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(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(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，在填埋場典型設(shè)計條件下，復(fù)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(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(fēng)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(jìn)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(guān)于漏洞的具體成因匯總?cè)绫?所示[8,20-21]。

由表2可知，填埋場運行前的施工階段造成的損傷最為嚴(yán)重，其中機械操作時易導(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。焊接問題導(dǎo)致的漏洞與機械損傷數(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。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(fù)雜介質(zhì)、高負(fù)荷、強腐蝕性等惡劣環(huán)境中，易出現(xiàn)應(yīng)力破損、腐蝕破損的問題，向銳等[16]發(fā)現(xiàn)HDPE膜材料老化造成的長期滲漏會導(dǎo)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(guān)注。填埋場運行前由于未進(jìn)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(jìn)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(fù)；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(jìn)行焊接修補，補丁尺寸應(yīng)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(jìn)行替代[9]。

圖 1 運行前焊接修復(fù)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(shè)施，在原場址進(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(jìn)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(zhǔn)定位后進(jìn)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(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，會出現(xiàn)由于定位誤報導(dǎo)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(jìn)行修補，然而填埋堆體最高可達(dá)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(yīng)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(dāng)將該技術(shù)運用于修補填埋場HDPE膜漏洞時，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，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(dá)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(zhǔn)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(yīng)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(fù)材料定向遷移到漏洞處，從而達(dá)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(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(dá)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(dāng)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(yīng)用前景。然而目前電動修補的研究主要集中在清水中進(jìn)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(jìn)防滲層的設(shè)計概念，采用火山灰反應(yīng)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(xué)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(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）。火山灰反應(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(fù)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(yīng)及沉淀反應(yīng)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(fù)合型防滲層（10%石灰+黏土/20%粉煤灰+黏土）防滲性能達(dá)到了國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。韓國Sudokwon垃圾填埋場建設(shè)應(yīng)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(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(fēng)險，是填埋場未來防滲層結(jié)構(gòu)的設(shè)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(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，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(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節(jié)約大量的人力和物力，但難以應(yīng)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(shè)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(yīng)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(zhǔn)、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(yīng)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(fù)合襯層，其中高密度聚乙烯（HDPE）膜為復(fù)合襯層的核心，其完整性對整個填埋場防滲工程至關(guān)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(fēng)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(shè)計發(fā)展方向，該技術(shù)可通過開展材料改性研究達(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(guān)系進(jìn)行機理研究，從而有針對性地改良材料與優(yōu)化工藝，進(jìn)一步提升修補效果。