填埋场防渗系统高密度聚乙烯膜漏洞修补技术探析

朱铭珠，杨延梅，徐亚，姚光远*，刘玉强*，黄启飞

1.重庆交通大学河海学院

2.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所

填埋作为固体废物的主要处置手段，有力解决了我国“垃圾围城”等突出社会问题，推动了固体废物污染防治工作的开展[1]。据统计，2019年我国生活垃圾的填埋总量为10 948万t，占其清运总量的46%；危险废物的填埋总量为688万t，占其产生量的32%[2]。然而填埋场也呈现诸多的负面效应，如填埋过程产生的渗滤液中含有高浓度有机物、重金属等污染物，一旦泄漏将会对填埋场周边地下水、土壤及生态环境和人体健康构成潜在危害[3-7]。因此，国内外填埋场多采用以高密度聚乙烯（HDPE）膜为核心构建的防渗系统来防止渗滤液泄漏，保护土壤和地下水安全。然而，我国填埋场防渗系统中HDPE膜破损严重、渗漏风险显著。徐亚等[8]对全国12个省市的多家填埋场HDPE膜进行完整性检测，发现几乎所有填埋场的HDPE膜均存在漏洞，具有专业防渗施工经验的公司铺设的HDPE膜漏洞产生量仍为19.1个/hm2。因此，填埋场HDPE膜漏洞修补技术研究具有重要的应用价值。

目前，国内外HDPE膜漏洞修补主要分为运行前及运行阶段的修补技术，其中运行前产生漏洞的场景较为简单，实际多采用直接焊接的方式进行修补；运行阶段产生漏洞的修补技术主要分为2类，即前期预防技术（自封自修）和后期定位修补技术（开挖修补、灌浆修补、靶向电动修补等）。目前，运行阶段产生漏洞的修补多直接采用开挖修补技术[9]，但该技术施工量大、成本高且存在安全隐患；灌浆修补技术虽然快捷方便，但存在难以精准定位垃圾堆体下漏洞位置等缺点[10]；Darilek等[11]发明的电动修补技术能安全、靶向地修补漏洞；Cote等[12]发明的自封自修技术能在填埋场防渗系统产生漏洞后进行自修补。由于不同类型填埋场防渗结构存在差异，且不同运行阶段所对应修补场景不同，故需根据防渗结构及所处的运行阶段确定适宜的修补技术。因此，笔者归纳不同类型填埋场防渗结构，明确HDPE膜为关键修补对象，并结合不同运行阶段HDPE膜破损成因与特征，阐述国内外填埋场防渗系统漏洞修补技术的研究现状和成果，系统梳理现有修补技术的适用场景及优缺点，以期为填埋场HDPE膜漏洞修补技术的应用提供借鉴和参考。

1 填埋场防渗结构汇总

我国填埋场类型可以分为生活垃圾填埋场、一般工业固体废物填埋场和危险废物填埋场。不同类型填埋场防渗结构不同，渗漏风险也不尽相同[13-15]。不同类型填埋场防渗结构及技术参数如表1所示。

由表1可知，目前我国不同类型填埋场标准中规定的防渗结构主要包括天然黏土防渗衬层与人工复合衬层；近年来填埋场防渗结构多采用以高密度聚乙烯（HDPE）膜为主要组成的人工复合衬层，相较于其他防渗材料具有更佳的防渗性能，渗透系数可达1.0×10-13cm/s。研究表明，在填埋场典型设计条件下，复合衬层渗滤液年泄漏量仅为黏土防渗衬层的0.4%[16]。HDPE膜与黏土共同构筑的复合衬层系统较单衬层具有更优的防渗性能[16-17]。但如果复合衬层中HDPE膜出现破损，膜下黏土防渗衬层在承担一部分的渗滤液后仍将被渗滤液快速击穿，即整个防渗体系被破坏[18-19]。因此，HDPE膜是防渗系统的核心组成部分。

表 1 不同类型填埋场防渗结构参数汇总Table 1 Parameters of impervious layer structures in different landfills

2 填埋场防渗系统HDPE膜破损成因

目前，我国填埋场防渗层HDPE膜渗漏风险巨大，通过对全国129家生活垃圾和危险废物填埋场防渗层HDPE膜的破损情况进行检测，并根据实际情况将防渗层漏洞的主要成因归纳为以下4种情况：膜本身的质量问题、膜下的石子或其他尖锐物顶穿膜、焊接或其他操作不规范以及施工过程机械造成损伤。关于漏洞的具体成因汇总如表2所示[8,20-21]。

由表2可知，填埋场运行前的施工阶段造成的损伤最为严重，其中机械操作时易导致HDPE膜产生撕裂口，漏洞数量占所有漏洞数量的14%，平均漏洞面积可达4.26×103cm2。焊接问题导致的漏洞与机械损伤数量相当，平均漏洞面积为1.79×103cm2，更具隐蔽性，肉眼难以察觉。锐物造成的漏洞面积相对较小，平均漏洞面积为2.32×102cm2，数量较多，占比为69%。原生漏洞的数量和面积均较少（小）。HDPE膜运行过程老化损伤虽未检测，但膜长期处在复杂介质、高负荷、强腐蚀性等恶劣环境中，易出现应力破损、腐蚀破损的问题，向锐等[16]发现HDPE膜材料老化造成的长期渗漏会导致1 000 m以内的地下水被污染，运行过程的老化损伤也需要重点关注。填埋场运行前由于未进行填埋，漏洞修补时的施工环境简单，修补也相对容易；而运行及封场后的填埋场普遍存在填埋介质深、液位高等诸多原因，此时修补较为困难[22]。综上所述，填埋场不同运行阶段的漏洞特征与修补的难易程度不一，需分阶段采用不同的技术进行修补。

表 2 HDPE膜破损成因汇总[8,20-21]Table 2 Summary of causes of HDPE membrane leakage

3 填埋场防渗系统HDPE膜漏洞修补技术

3.1 运行前漏洞修补技术

填埋场投入运行前防渗系统HDPE膜的修补技术较为简便，大多运用焊接技术（图1）。其中，漏洞直径小于6 mm时可采用挤压焊直接修复；漏洞直径大于6 mm时，需采用同种材料、同样厚度的防渗膜补丁进行焊接修补，补丁尺寸应超过损坏边界处至少300 mm，且修补前需将补丁和破损处磨光、清洁以保证补丁和膜紧密结合连接；若HDPE膜裂口超过卷材宽度的10%，则须用新HDPE膜进行替代[9]。

图 1 运行前焊接修复填埋场HDPE膜漏洞Fig.1 Repair of HDPE membrane leaks in landfill by welding before the operation

3.2 运行及封场阶段漏洞修补技术

3.2.1 异位修补技术

异位修补技术是指将固体废物从填埋场挖掘转移到其他符合防渗要求的填埋场（或分区单元）或处置设施，在原场址进行再治理的技术[23]。该技术常用于分区填埋、规模较小(总容量小于200万m3)且HDPE膜破损面积大的填埋场。垃圾转场后重做底部防渗结构，原址可重新进行填埋，但施工量大、成本高且开挖过程中可能会产生臭味、粉尘、沼气等二次污染[24]。桑植县仙娥存量垃圾填埋场[23]、居县湾陈简易垃圾填埋场[25]、清流县观音堂垃圾填埋场[26]等填埋容量较小的填埋场均采用了该技术。

3.2.2 原位修补技术

3.2.2.1 开挖修补技术

开挖修补技术是指对运行及封场期填埋场产生的漏洞精准定位后进行焊接修补。该修补技术的难点为随着填埋介质厚度增加，导致漏洞定位误差大，使得精准定位堆体下防渗层HDPE膜的漏洞位置异常困难，会出现由于定位误报导致开挖修补工作难以开展[27]。此外，该技术通常需要将定位漏点上方的堆体挖开后进行修补，然而填埋堆体最高可达十几m深，开挖会破坏周边堆体单元结构的完整，从而引起不均匀沉降甚至塌方，存在极大的安全隐患[28]。

3.2.2.2 灌浆修补技术

灌浆修补技术常应用于混凝土的裂缝修补，长江三峡工程深覆盖层防渗补强和坝体混凝土裂缝补强加固[29]、孙家排灌站裂缝修补[30]与双桥排灌站伸缩缝修补[31]等均运用了该技术。当将该技术运用于修补填埋场HDPE膜漏洞时，需要精准定位漏洞位置后在定位漏洞的正上方打钻，当钻头进入卵石层一定深度时，通过向钻孔灌入水泥或其他修补材料固化卵石形成保护层，达到修补漏洞的目的（图2）[10]。与开挖修补技术相比，更加便捷快速。但该技术同样存在无法精准定位高垃圾堆体下漏洞位置的问题，且难以控制钻头深度，易对HDPE膜造成二次损伤，故其应用并不广泛[32]。

3.2.2.3 电动修补技术

电动修补技术最早由Darilek等[11]提出的，该技术通过电动作用将修复材料定向迁移到漏洞处，从而达到修补的目的。该技术的修补机理为：依据电法检测漏洞的原理，在膜上下分别放置正负极，由于HDPE膜的高阻特性，电流通路只在漏洞处形成，因此带电荷的修复材料颗粒会在电场力的作用下向漏洞处定向迁移，从而在漏洞处聚集形成堆积物；同时由于电渗作用，堆积物中的孔隙水以电渗流的形式加速排出土体，使土体在短时间内迅速固结，从而提高土体强度，达到靶向修补漏洞的目的（图3）[11,32-35]。

图 2 灌浆修补技术理论示意Fig.2 Theoretical diagram of grouting repair technology

图 3 电动修补技术理论示意Fig.3 Theoretical diagram of electrokinetic repair technology

Darilek等[11]通过实验室小尺寸试验和室外模拟试验，证明了电动修补防渗层HDPE膜漏洞的有效性。实验室小尺寸试验显示，电动修补后HDPE膜的渗漏量比原来降低了1 667倍。室外模拟试验（蓄水区HDPE膜的漏洞直径为10 mm，蓄水深度为60 cm，膨润土泥浆浓度为16 kg/L）显示，在50 V直流电压下对蓄水池HDPE膜进行电动处理后，其渗漏量减少了500多倍。Yaung等[36]通过室内试验，研究了黏土类型、悬浮液中黏土颗粒浓度、漏洞大小、电场强度等因素对电动修补防渗层的影响。结果显示，各浓度的高岭土形成的堆积物均不满足防渗要求，而膨润土形成的堆积物能满足防渗要求，其渗透系数达到9.27×10-7cm/s，且膨润土堆积物的高度随电场强度、泥浆浓度、漏洞大小的增加而增加。Kambham等[37]采用半解析的方法证明了电动修补防渗层HDPE膜漏洞的有效性。Corapcioglu等[38]对一维电泳滤饼的形成和压缩过程进行数值模拟，结果显示：随电压的增大，向漏洞处移动的膨润土变多，但最终堆积体厚度几乎不变，膨润土堆积物随阴极板的增大而增大。Han等[39]通过实验室试验验证了阴极板与漏洞大小对修补效果的影响。当漏洞直径为10～30 mm，电压梯度为1 V/cm，膨润土泥浆浓度为10 kg/L，蓄水深度为15 cm时，膨润土堆积物的体积随阴极板与漏洞直径的增大而增大。

电动修补技术可以实现对运行及封场后填埋场HDPE膜漏洞的靶向修补，具有较好的应用前景。然而目前电动修补的研究主要集中在清水中进行HDPE膜漏洞的修补，鲜有修补材料在填埋场实际渗滤液场景下电动修补的研究。

3.2.2.4 自封自修技术

自封自修技术（self-sealing/self-healing，SS/SH）通过改进防渗层的设计概念，采用火山灰反应产生防渗性能良好的密封层，实现填埋场运行及封场后填埋场防渗系统产生漏洞后的自我修补[12]。同时该技术还具备一定的截污能力，能与渗滤液中各类离子或化合物发生沉淀、吸附等物理、化学作用，阻止污染物向周边环境扩散。

该技术最早由Cote等[12]提出，其基本原理为将2种或2种以上能发生火山灰反应的母体材料（如石灰-火山灰水泥、火山灰-粉煤灰、石灰-粉煤灰等）掺入黏土层后水平铺设，母体材料接触后生成渗透系数极低的密封层，该密封层作为HDPE膜的替代物，渗透系数达10-9cm/s，能有效阻截渗滤液及污染物的迁移。密封层产生后将母体材料隔绝开使其不继续发生反应，若该密封层发生破损，母体材料再次接触发生火山灰反应生成低渗透性的密封层（图4）。火山灰反应即火山灰中的活性氧化物（SiO2、Al2O3）能与石灰中Ca(OH)2在常温下起化学反应，生成较稳定的硅酸钙水合物（xCaO·ySiO2·zH2O）和铝酸钙水合物（xCaO·yAl2O3·zH2O）的一种化学反应过程，生成物质能凝结、硬化并具有一定的强度与防渗性能[40]。

图 4 自封自修技术理论示意Fig.4 Theoretical diagram of self-sealing/self-healing technology

Shi等[40]采用火山灰-粉煤灰构造出具备自封自修效果的防渗层，结果显示，防渗层在破损后2～4周的时间内其渗透系数可恢复到10-9cm/s。吴倩芳[41]研究了活化剂、石灰量对防渗层自封自修能力的影响，得出活化剂能加强火山灰反应及沉淀反应的同时降低防渗层的渗透性能，且石灰投加量为10%～20%时修补效果最佳。王铁军[42]通过研究不同渗透流体对自封自修防渗层的影响，提出的复合型防渗层（10%石灰+黏土/20%粉煤灰+黏土）防渗性能达到了国家规定的标准。韩国Sudokwon垃圾填埋场建设应用了自封自修技术[40]，但由于相对高昂的造价，我国暂未实际投入建设使用。

自封自修技术在保证防渗、截污性能的基础上，使防渗层具备产生漏洞后的自我修补性能，避免了运行及封场期防渗层破损后的高额开挖成本与安全风险，是填埋场未来防渗层结构的设计发展方向。

3.3 修补技术特点对比

填埋场防渗系统HDPE膜漏洞修补技术的优缺点、适用范围等信息汇总如表3所示。由表3可知，异位修复技术应用面较为狭窄，仅适用于破损严重且周边有足够处理能力的填埋场，推广意义不大；开挖修补与灌浆修补受限于漏洞定位技术，目前难以精准定位高堆体下的漏洞位置；自封自修技术在保证防渗效果的同时节约大量的人力和物力，但难以应用于已运行填埋场的漏洞修补，可用于填埋场防渗层结构设计阶段；电动修补技术适用于运行及封场期填埋场防渗层HDPE膜的修补。虽然目前电动修补该技术鲜有实际应用案例，仍处于机理探索阶段，但是与其他修补技术相比，能突破运行期及封场期漏洞定位不精准、施工困难、成本高且具有安全隐患的现状，可以实现对运行及封场后填埋场HDPE膜漏洞的靶向修补，具有较好的应用前景。

表 3 漏洞补技术特点Table 3 Characteristics of various leak repair technologies

4 结语

目前我国填埋场防渗系统结构主要采用复合衬层，其中高密度聚乙烯（HDPE）膜为复合衬层的核心，其完整性对整个填埋场防渗工程至关重要。填埋场运行及封场期防渗系统HDPE膜漏洞修补由于堆填深度大、开挖成本高以及安全风险大等原因，亟需开发经济高效的修补技术。

自封自修技术将是未来填埋场防渗层结构的设计发展方向，该技术可通过开展材料改性研究达到防渗、截污与抗穿刺等多种性能协同改善的目的。电动修补技术将是运行及封场后填埋场HDPE膜漏洞的首选修补技术。需对其材料的理化性质、操作工艺与修补后防渗性能间关系进行机理研究，从而有针对性地改良材料与优化工艺，进一步提升修补效果。