我国大型石油炼化基地防渗工程研究

吴维洋，孙 垦，刘玉龙，陈鸿汉

(1.中国地质大学(北京)北京市水资源与环境工程重点实验室，北京100083;2.中国石油集团安全环保技术研究院，北京102206;3.华北水利水电大学，河南 郑州450045)

我国炼化企业多位于江河湖泊和人口密集区域，石油生产、运输、储存等环节的泄漏极易导致土壤和地下水的污染，一旦污染，治理难度大、成本高，因此炼化基地的防渗意义重大. 笔者结合中国石油已经完成全厂性地下水防渗的四川石化、庆阳石化以及呼和浩特石化，从防渗材料、防渗结构、防渗区划与措施、防渗等级设计和防渗效果评价等5 个方面分析了目前我国石油炼化基地地下水防渗现状，并对炼化防渗的发展做了展望.

1 炼化基地防渗材料的种类及性能

1.1 天然防渗材料

天然防渗材料主要包括黏土、膨润土、膨润土防水毯(Geosynthetic Clay Liner，GCL)以及通过人工改性达到防渗要求的土壤.

黏土作为炼化防渗材料，具备天然状态或压实后的渗透系数低、吸附性和截污性强、分布广泛、易于施工的优点. 部分天然压实黏土(Compacted Clay Liner，CCL)的渗透系数能满足小于10－7cm/s的防渗要求，可以直接作为防渗材料使用［1］. 比如作为核废料封存屏障的原状Boom 黏土，其垂向和水平向渗透系数分别为1. 7 × 10－10cm/s 和4.4 ×10－10cm/s［2］;压实后的Prrenjas 黏土和Wyoming 黏土垂向渗透系数可达7.26 ×10－8cm/s 和3.1 ×10－10cm/s［3］，均满足防渗要求. 同时天然黏土的吸附性使其对有机污染物具备良好的截污能力，研究发现天然粉质黏土中萘、菲、荧蒽的吸附率分别达到39.76%，78.09%和97.60%［4］，并且存在生物降解作用，能够有效阻滞有机污染物的迁移扩散.

但是，可直接用作防渗层的黏土分布有限，对于压实后仍无法达到防渗标准的黏土，目前主要采用添加改性材料的方法使其达到防渗要求，常用的改性材料有膨润土、活性炭、沸石、有机物等. Irene等［5］利用膨润土改性Ottawa 土，其渗透系数从8 ×10－4cm/s降低到8 ×10－10cm/s，重金属弥散系数也降低了一个数量级;添加膨润土改性的天然黄土，其渗透系数也降低了3 ～4 个数量级［6］;采用活性有机碳改性黏土衬垫，能够有效延滞苯的迁移超过100 a［7］.与天然黏土相比，改性黏土渗透性低、适应性强，是目前研究和应用的热点［8－9］.

膨润土的膨胀性、吸附性和阳离子交换能力更为优异，可在48 h 内行成10 ～30 倍的胶凝体，构成一道渗透系数低于10－9cm/s 的防水墙;同时能够大量吸附各类污染物，有效地阻滞污染物的渗透和迁移.但天然膨润土在高浓度有机污染物、含油污染物作用下会产生絮凝和收缩，吸附能力迅速下降，最终失去防渗能力.目前主要通过改性处理，使天然膨润土达到场地防渗要求，聚合阳离子羧基铝、环己烷、胺类聚合物、十六烷基三甲基溴化胺、铝酸酯偶联剂等改性剂可以增强膨润土颗粒表面疏水性，提高对有机污染物的吸附和截渗能力［10－12］.

我国膨润土分布集中、品位低、钠基膨润土少，天然膨润土很少直接应用于地下水防渗工程，目前使用较多的是GCL. 其渗透系数实测值一般为(0.3 ～5.6)×10－9cm/s［13－14］，截污能力强，能有效拦截污染物中35% ～50%的酚类污染物［15］. GCL已广泛应用于水利工程、环保工程等的防渗和密封，如南京地铁、北京地铁五号线和深圳下坪垃圾填埋场等.

1.2 人工合成有机防渗材料

人工合成有机防渗材料(Geomembrane，GM)指各类以塑料薄膜/薄片为防渗基材与无纺布复合而成的土工防渗材料，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 膜使用最为广泛.

HDPE 土工膜渗透系数一般小于10－12cm/s［16］，对渗流流体具有很强的抗性，能够有效阻滞各类污染物的渗漏;HDPE 土工膜对有机污染物的吸附容量极低，污染物在土工膜中的分配系数为10 ～75［17］;其耐老化性能强［18－19］，材质无毒无害，不会造成二次污染，目前广泛应用于垃圾填埋场、炼油厂、化工厂和加油站等的防渗工程.但HDPE 膜对双轴向拉力的承受能力、耐不均匀沉降能力和耐穿刺能力较差，施工过程中造成的穿刺破坏以及不均匀沉降引起的撕裂都会导致污染物渗漏，因此常与CCL，GCL，无纺布等配合使用.

1.3 掺钢纤维抗渗水泥

掺钢纤维抗渗水泥是在抗渗水泥中掺入钢纤维作为抗渗剂，在与混凝土反应时，钢纤维高分子化合物的原子连接成链形，构成长且复杂的立体网状结构，散乱地密布于混凝土中，堵塞混凝土的毛细通道，使其具有很好的憎水性，提高了混凝土的密实度和抗渗性.

钢纤维混凝土抗渗性比普通混凝土高约40%，抗渗等级能达到P20，而且能够有效防止裂缝的形成，但其造价较高、搅拌困难、施工难度大.中国石油四川石化、庆阳石化和呼和浩特石化基地的装置区、污水池等首次采用掺钢纤维抗渗水泥防渗层.

1.4 水泥基渗透结晶型防渗材料

水泥基渗透结晶型防渗材料是利用混凝土的多孔性，将以水为载体的活性化学物质输送到孔道内，催化混凝土内未水化部分再次水化，在毛细孔道和微小裂隙中形成不溶性的纤维状结晶物质，填充细小孔隙以堵塞渗流通道达到防渗的目的［20］.

水泥基渗透结晶型防渗材料抗渗能力能够达到P12 以上，对固化后的混凝土裂缝也有超强的愈合能力;化学稳定性好，耐温、耐湿、耐氧化，广泛用于地下结构、水利工程等的防水工程.中国石油庆阳石化基地首次将其用于厂区污水处理厂、废渣填埋场、污水井等的防渗施工.

2 炼化基地常用防渗层结构及防渗要求

根据不同防渗功能区所选防渗材料和型式的不同，目前炼化基地常用的防渗结构主要有天然防渗结构、刚性防渗结构、柔性防渗结构和复合防渗结构4 种［21］.

天然防渗结构是由黏土、膨润土等天然防渗材料构成的防渗结构，或对渗透系数较大的黏性土进行人工改性而达到防渗要求的防渗结构. 最具代表性的天然防渗结构为压实黏土防渗衬垫，要求其渗透系数低于1.0 ×10－7cm/s，且具有一定的厚度.

刚性防渗结构主要包括普通防渗混凝土结构、特殊配比的抗渗混凝土结构、有表面涂层的混凝土结构以及添加防水剂、纤维等处理的抗渗混凝土结构4 类.根据混凝土成分和处理方式的不同，其渗透系数介于1.0×10－8cm/s 与1.0×10－12cm/s 之间.

柔性防渗结构主要由土工膜及其上、下保护层构成，土工膜以HDPE 膜使用最为广泛，渗透系数一般低于1.0 ×10－12cm/s.

复合防渗结构是将天然防渗结构、刚性防渗结构和柔性防渗结构根据不同防渗区域、水文地质条件、污染物类别等选取2 种或3 种组合而成的防渗结构，渗透系数低于1.0 ×10－12cm/s.

庆阳石化、四川石化及呼和浩特石化工程，采用了刚性防渗结构、柔性防渗结构和刚性－柔性复合防渗结构构筑防渗层进行地下水防渗，未采用天然防渗结构或包含天然防渗结构构筑防渗层.

3 炼化基地防渗分区及防渗措施

四川石化、庆阳石化及呼和浩特石化是中国石油集团已实施完成的3 个全厂性地下水防渗的炼油厂.地下水防渗要求起于四川石化，首先在庆阳石化实施.

根据主动与被动防渗结合原则，将炼化场地划分为非污染区、一般污染区、重点污染区和特殊污染区等4 类，其中非污染区不采取主动防渗措施，上述3 个场地现采用的地下水防渗措施见表1.

表1 已建炼化场地的防渗分区、防渗层设计与防渗要求

此外，渗漏监测也是防渗的重要措施.目前采用的主要手段有两种:在相应区域布置电感电缆和渗漏液收集井，通过气体检测和液位检测进行渗漏探测与报警.其中，化工品罐区布置电感电缆，油品罐区布置电感电缆或渗漏液收集井;其他区域布置渗漏液收集井［22］.

4 炼化基地防渗等级设计基本原则

四川石化、庆阳石化及呼和浩特石化的防渗要求一致，在污染区均要求防渗层的渗透系数低于1.0 ×10－12cm/s(表1)，而这3 个场地的地下水环境影响特征迥异，见表2.

表2 庆阳、四川和呼和浩特石化场地地下水环境影响特征

地下水防渗等级的设计原则源自四川石化，其后的设计基本沿袭了最初的设计要求，是以“环境敏感程度为敏感”为原则，并没有充分结合场地的包气带防污性能、含水层易污染特征和地下水环境敏感程度等地下水环境影响特征［23］. 因此，若以四川石化的防渗设计等级为基点，庆阳石化和呼和浩特石化防渗设计为过度防渗.

5 炼化基地防渗层防渗效果评价

防渗的有效性和经济性的统一，要求防渗设计应因地制宜、合理防渗.防渗的有效性建立在对防渗层防渗效果评价的基础之上.

炼化基地防渗效果评价是以渗漏率、污染物穿透时间、衬垫系统底部污染物浓度等因素作为评价指标，采用室内试验、模拟分析、现场试验等方法，对不同防渗材料的防渗能力进行评估. 由于防渗层渗透性很低，分子扩散是控制污染物迁移的主要因素，目前多采用解析法和数值模拟法对其防渗效果进行评估［24］.解析法是基于污染物分子在均匀介质中的迁移规律，采用一维对流弥散方程的解析解分析评价防渗层的防渗能力，解析法对污染物分子的扩散有着根本性的把握，计算简单且不易发散;数值模拟主要采用有限层法、有限差分法、有限元法或边界元法对污染物在防渗衬垫中的迁移扩散进行分析，其需要考虑的边界条件较为复杂，使用难度大.两种方法目前的研究状况见表3.

目前防渗层防渗效果研究多针对简单污染物，对油类污染物的研究较少;同时对掺钢纤维抗渗水泥和水泥基渗透结晶型防渗材料防渗效果的评价方法也仍需探讨.

表3 防渗层防渗效果评价方法研究

6 结论与展望

我国炼化基地的防渗工艺技术，是以“环境敏感程度为敏感”为原则，以HDPE 膜、水泥基渗透结晶型防渗涂层和掺钢纤维抗渗水泥为主要防渗材料，在特殊污染防治区、重点污染防治区和一般污染防治区，采用柔性防渗结构、刚性防渗结构或刚性－柔性复合防渗结构的过度防渗工艺技术.

我国炼化基地目前的防渗工艺仍需要充分结合场地的包气带防污性能、环境水文地质条件和环境敏感程度等自然特征，采用包括压实场地天然黏土构建天然防渗层在内的多元防渗结构，以实现适度防渗、合理防渗和经济防渗.

根据我国石油炼化基地的防渗现状，笔者认为今后的研究重点有:①炼化防渗材料对含油污染物防渗的适应性，包括含油污染物在防渗层中的迁移机理、渗漏情况预测以及含油污染物浸润条件下防渗材料的耐久性等;②不同防渗材料和防渗结构的防渗效果评价方法，包括不同防渗结构评价方法的选取，不同防渗层之间的等效性等.

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