填埋場HDPE膜漏洞靶向電動修補技術(shù)影響因素

朱銘珠,姚光遠,劉玉強*,徐 亞,劉景財,黃啟飛,楊延梅 (.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,北京 000；.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院,重慶 400074)

危險廢物具有種類多、成分復(fù)雜、危害性極大的特點,危險廢物填埋場中的滲濾液一旦泄露,后果將極其嚴重[1-2].填埋作為危險廢物集中處置及環(huán)境風(fēng)險控制的主要手段,為減少滲濾液滲漏風(fēng)險,目前國內(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)[3-4].然而,國內(nèi)填埋場HDPE膜破損現(xiàn)象普遍,環(huán)境風(fēng)險顯著[5-6].HDPE膜漏洞修補技術(shù)主要包含 2種類型,即前期預(yù)防技術(shù)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)[7-12].前期預(yù)防技術(shù)的工程案例較少,且須在填埋場建造前鋪設(shè)自修復(fù)材料,無法應(yīng)用于已建設(shè)完畢的填埋場[9].后期定位修補技術(shù)則多難以精準(zhǔn)定位高堆體下漏洞位置,存在施工安全隱患、易導(dǎo)致HDPE膜二次損傷、施工困難且成本高的問題.靶向電動修補技術(shù)則通過電場力使修復(fù)材料定向遷移至漏洞處,封堵HDPE膜上漏洞[12],不僅能突破其余技術(shù)存在的問題,無需開挖堆體,即可安全、無損、精準(zhǔn)的修補漏洞,還能填補填埋膜與填埋介質(zhì)間的接觸孔隙,提升防滲系統(tǒng)的防滲性能,大幅減少滲漏量,有望成為修復(fù)技術(shù)的熱點.目前已開展了靶向電動修補技術(shù)的可行性研究,如Darilek等[12]對去離子水環(huán)境中的漏洞進行實驗室小尺寸試驗和室外模擬試驗,證明了靶向電動修補技術(shù)的可行性.此外,也有研究者開始關(guān)注去離子水環(huán)境中工藝影響因素,大多采用數(shù)值模擬的形式,如 Kambham 等[13]采用半解析的方法提出數(shù)學(xué)模型,模擬了去離子水中的膨潤土堆積物形態(tài)隨時間與電壓的變化規(guī)律.Corapcioglu等[14]對去離子水環(huán)境中膨潤土堆積體的形成進行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果顯示,膨潤土堆積體厚度隨電壓、陰極尺寸增大而增大.Han等[15]通過實驗研究了電極位置對修補效果的影響,結(jié)果顯示,在漏洞下方埋入陽極的布置方法更有效.

但目前靶向電動修補技術(shù)僅停留在可行性分析與數(shù)值模擬階段,對于修補技術(shù)的關(guān)鍵影響因素以及調(diào)控機制尚未開展系統(tǒng)研究;同時當(dāng)前研究的修補環(huán)境多限于去離子水,而實際填埋場滲濾液與去離子水存在明顯差異[16-17],缺乏陽離子環(huán)境下各工藝因素對靶向電動修補效果的影響研究.

本研究通過鈣離子溶液模擬滲濾液,以滲透系數(shù)表征電動修補效果,系統(tǒng)研究電極類型、電壓大小、運行時間、膨潤土濃度、分散劑/膨潤土投加比例等各種工藝因素對膨潤土顆粒靶向電動修補HDPE膜漏洞過程的影響,闡明膨潤土對HDPE膜漏洞靶向電動修補過程的調(diào)控機制,為運行和封場期填埋場防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞的靶向電動修補的實際應(yīng)用提供參考.

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

修補實驗裝置由2個不同直徑的有機玻璃柱組成(見圖1),外部有機玻璃柱尺寸為70cm×28cm(高×直徑),內(nèi)部有機玻璃柱尺寸為60cm×25cm(高×直徑),外部有機玻璃柱底部從下到上依次鋪設(shè)厚度為10cm、平均粒徑為20mm的卵石層模擬導(dǎo)排介質(zhì),以及 400g/cm2的土工布,柱底部設(shè)有排水閥.內(nèi)部有機玻璃柱以厚度為2mm的HDPE膜作為底部,膜與玻璃柱通過法蘭連接.

圖1 靶向電動修補實驗裝置示意Fig.1 Experimental device of targeted electrophoretic repair

1.2 實驗材料

1.2.1 修補材料 修補實驗采用市售鈉基膨潤土,主要理化特性如下:蒙脫石含量 75%,膨脹容19.8mL/g,膠質(zhì)價100.2mL/15g.

1.2.2 模擬滲濾液 本文對 8家危險廢物填埋場滲濾液進行采樣[18-19],其特性匯總?cè)绫?所示.滲濾液中陽離子主要包括 Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等,除 Ca2+外其他各種離子濃度在 0.0005～0.2mmol/L,此濃度梯度下不同陽離子價態(tài)對膨潤土理化性質(zhì)影響較小且差別不大,可由 Ca2+進行模擬[20].檢測得到各危廢填埋場滲濾液的離子總量范圍為0.0047～38.4667mmol/L,在此范圍內(nèi)參考 Han等[15]的研究,本文采用 2.5mmol/L的氯化鈣模擬危險廢物填埋場的滲濾液.

表1 不同危險廢物填埋場滲濾液陽離子組分匯總(mmol/L)Table 1 Summary of cation components in leachate from different hazardous waste landfills(mmol/L)

1.2.3 HDPE膜漏洞大小選擇 本文對全國20余個省市的100多家填埋場防滲層HDPE膜的破損情況開展檢測工作,檢測得到填埋場防滲層 HDPE膜漏洞面積＜0.01,0.01～1,1～5,5～20, 20～200, 200～2000,2000～19500cm2的漏洞數(shù)量分別為203, 618, 133,121, 98, 77, 48個.其中面積小于1cm2的漏洞數(shù)量最多,共計 821個,占漏洞總數(shù)的 63.3%,因此本文選擇漏洞直徑為0.5cm.

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗裝置搭建 將陽極片、鵝卵石、土工布以及內(nèi)部有機玻璃柱依次裝入外部有機玻璃柱.確保內(nèi)部有機玻璃柱與土工布和鵝卵石接觸良好,以及HDPE膜與內(nèi)柱法蘭連接處完全密閉.

1.3.2 修補溶液添加 將水化后含有膨潤土的氯化鈣溶液以及等濃度的氯化鈉溶液分別加入內(nèi)部和外部有機玻璃柱中,為避免干擾流的發(fā)生,保證添加過程中內(nèi)外部有機玻璃柱的液位相同.

1.3.3 單因素實驗 實驗控制變量為電極類型、電壓、運行時間、膨潤土濃度與分散劑/膨潤土比例.電極類型選擇耐腐蝕性強的不銹鋼電極與惰性石墨電極;電壓選取 25,50,75V;運行時間選取1,2,3d;膨潤土濃度選取 6,10,14g/L;分散劑/膨潤土比例選取 10%、20%、30%,本文所用分散劑為六偏磷酸鈉.

1.3.4 修補實驗效果測定 將陰極片浸沒在內(nèi)部有機玻璃柱的修補溶液中,接通直流電源開始實驗.實驗結(jié)束后:①在一定時間內(nèi)觀察并記錄內(nèi)、外柱的液位差;②打開外柱排水閥排干外柱中溶液后,記錄2d內(nèi)內(nèi)柱中溶液流出體積,并根據(jù)達西定律計算滲透系數(shù);③抽出內(nèi)柱中溶液后觀察并測量漏洞處膨潤土堆積物的形態(tài)和尺寸.

1.4 修補效果的表征

采用漏洞處膨潤土堆積物的滲透系數(shù)來定量描述膨潤土的靶向電動修補效果.漏洞處堆積物的滲透系數(shù)越大,修補效果越差,滲透系數(shù)越小,修補效果越好.滲透系數(shù)可以根據(jù)達西定律進行計算:

式中:k為滲透系數(shù),cm/s;q為滲漏量,cm3/s; L為滲徑長度,cm;A為垂直于滲流方向的土樣橫截面積,cm3;ΔH為總水頭損失,cm.

2 結(jié)果與討論

2.1 電極類型對修補效果的影響

在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、通電電壓為50V、運行時間為2d、膨潤土濃度 10g/L、分散劑/膨潤土比例為30%的條件下,研究電極類型對修補效果的影響.由圖2可知,電極類型對修補效果的影響較大,當(dāng)電極為不銹鋼時,HDPE膜上漏洞直徑由5mm擴大為約25mm,增大至原來的5倍(圖2a),同時電極發(fā)生明顯腐蝕(圖2b),無修補效果;當(dāng)電極為石墨電極時,膨潤土定向遷移現(xiàn)象明顯,修補效果顯著,修補后漏洞處的滲透系數(shù)為9.41×10-6cm/s,電極與HDPE膜都完好無變化(圖2c、d).其原因為,當(dāng)電極為不銹鋼時,電極表面的鉻、鐵等金屬陽離子與其附近的氯離子結(jié)合,電極失去防腐蝕性能發(fā)生點蝕且該電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生巨大的熱量,使膜被熱熔損傷[21];而當(dāng)電極為石墨時,石墨作為惰性材料不易被氧化腐蝕,避免 HDPE膜的二次損傷.石墨電極是目前靶向電動修補技術(shù)的理想電極材料.

圖2 修補實驗結(jié)束后的HDPE膜和電極Fig.2 HDPE film and electrode condition after repair experiments

2.2 電壓大小對修補效果的影響

電壓大小可以影響膨潤土顆粒的遷移速率,從而對修補效果產(chǎn)生較大影響,Corapcioglu等[14]數(shù)值模擬表明,膨潤土靶向電動修補效果隨電壓增大而改善.本實驗在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、電極為石墨、運行時間為2d、膨潤土濃度 10g/L,分散劑/膨潤土比例為30%的條件下,研究電壓大小(25,50,75V)對修補效果的影響.當(dāng)電壓從25V增加到 50V時漏洞處滲透系數(shù)從 6.107×10-5cm/s下降至 9.41×10-6cm/s,下降了 84.61%;而電壓增加到 75V時,滲透系數(shù)增加了 10.63%至1.98×10-5cm/s,修補效果減弱.

在電滲作用下水會通過漏洞向陰極流動,故隨運行時間增加內(nèi)柱液位會逐漸高于外柱中的液位,形成液位差,因此液位差的變化也是評價修補效果的指標(biāo)[22-23],由圖3可知,當(dāng)電壓為25與50V時,液位差隨運行時間增大而增大,當(dāng)電壓為75V時,2000min前的液位差增長較快且遠高于其它電壓的液位差,但運行時間到2000min時,液位差開始下降,即修補效果變差.

圖3 不同電壓下液位差隨運行時間變化Fig.3 Variation of level difference with time at different voltages

這一修補效果的變化規(guī)律與 Corapcioglu等[14]研究不同,其原因為實驗電壓超出電滲加固的最優(yōu)臨界電壓以及銅絲與石墨的連接處出現(xiàn)電偶腐蝕.首先,研究表明電滲加固存在最優(yōu)臨界電壓[23],當(dāng)電壓高于最優(yōu)臨界電壓時,電滲效率下降,從而導(dǎo)致修補效果降低.其次,石墨為惰性電極,其自腐蝕電位高于銅絲,兩者連接處會發(fā)生電偶腐蝕[24],即連接處銅絲發(fā)生陽極極化,從而被氧化,導(dǎo)電性下降,膨潤土顆粒受到的電場力減小,無法抵消液位差的水頭作用,堆體被水流沖散,修補效果變差.

綜上所述,合適的電壓大小對修補效果十分關(guān)鍵,低于或者超過最優(yōu)臨界電壓均會對修補效果產(chǎn)生負面影響,故本實驗的最優(yōu)臨界電壓為50V.

2.3 運行時間對修補效果的影響

電泳遷移與電滲加固均需要一定的運行時間.在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、電極為石墨、電壓為50V、膨潤土濃度 10g/L、分散劑/膨潤土比例為30%的條件下,研究不同運行時間(1,2,3d)對修補效果的影響.由圖4可知,運行時長為1d時漏洞處滲透系數(shù)為7.05×10-3cm/s,此時漏洞處膨潤土堆積物未成形,修補材料溶液從漏洞處滲漏,無修補效果;運行時間 2d時,漏洞處滲透系數(shù)減小至 9.41×10-6cm/s,且膨潤土在漏洞處聚集成鼓包;運行時間增加到 3d時,滲透系數(shù)下降至 5.70×10-6cm/s,膨潤土在漏洞處的堆積物體積更大,修補效果更佳(圖4).因此,靶向電動修補技術(shù)的最低運行時間為2d.

圖4 不同運行時間的膨潤土堆積Fig.4 Pile-up diagram of bentonite with different running time

2.4 膨潤土濃度對修補效果的影響

膨潤土濃度可通過改變膨潤土-水懸浮體系的分散性改變顆粒的受力情況,從而對修補效果產(chǎn)生較大的影響.因此在電極為石墨、電壓50V、氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、運行時間為2d、分散劑/膨潤土比例 30%的條件下,研究膨潤土濃度(6,10,14g/L)對修補效果的影響.當(dāng)膨潤土濃度由 6g/L增加到 10g/L,滲透系數(shù)由 2.21×10-3cm/s下降到9.41×10-6cm/s;膨潤土濃度增加到14g/L,滲透系數(shù)回升至1.16×10-5cm/s.表明膨潤土濃度存在最佳值為10g/L,低于或超過此濃度均會對修補效果產(chǎn)生負面影響.

2.5 分散劑濃度對修補效果的影響

分散劑/膨潤土比例也可通過改變膨潤土-水懸浮體系的分散性改變顆粒的受力情況,對修補效果產(chǎn)生較大的影響.因此在氯化鈣濃度為2.5mmol/L、漏洞直徑為0.5cm、電極為石墨、電壓50V、運行時間為2d、膨潤土濃度10g/L的條件下,研究分散劑/膨潤土比例(10%,20%,30%)對修補效果的影響.分散劑/膨潤土比例為10%、20%與 30%,修補后漏洞處的滲透系數(shù)依次為4.34×10-4,3.05×10-5,9.41×10-6cm/s,滲透系數(shù)隨分散劑投加量的增加而減小.表明在實驗范圍內(nèi)投加分散劑有利于靶向電動修補的進行.

2.6 電動修補調(diào)控機制

2.6.1 電動修補機理 本文將運行及封場階段填埋場防滲系統(tǒng)HDPE膜漏洞靶向電動修補過程分為以下兩個步驟:膨潤土在液相介質(zhì)中的靶向電動遷移過程,即電泳作用;膨潤土在漏洞處形成低滲透系數(shù)堆積物的過程,即電滲加固作用.其中,膨潤土在液相介質(zhì)中的靶向電泳遷移是HDPE膜漏洞修補的首要步驟,而膨潤土顆粒在漏洞處形成低滲透系數(shù)堆積物是HDPE膜電動修補的關(guān)鍵.

首先,電泳遷移作用機理是指懸浮或溶解在電解液中的微小帶電粒子在外加電場作用下向著與其電性相反的電極移動的現(xiàn)象[25].在靶向電動修補技術(shù)中的表現(xiàn)為:帶負電的膨潤土顆粒在電場力的驅(qū)動下向漏洞處進行定向遷移.

其次,電滲加固作用機理是膨潤土與水接觸后,顆粒表面及附近液體內(nèi)存在電性相反、電荷量相等的雙電層[26],直流電場打破雙電層中擴散層原有的靜電平衡,陽離子向陰極移動拖拽極性水分子向陰極定向流動,擴散層的厚度減小,孔隙水排出土體[27].在靶向電動修補技術(shù)中的表現(xiàn)為:孔隙水以電滲流的形式排出堆積物,使堆積物在短時間內(nèi)迅速固結(jié)提高防滲性能[23].

2.6.2 電動修補調(diào)控機制 膨潤土顆粒間的相互作用力與雙電層靜電斥力、范德華引力有關(guān),這兩種力間的大小關(guān)系表現(xiàn)為膨潤土顆粒的凝聚或是分散狀態(tài)[28-29].若引力大于斥力,顆?？焖倬奂两?電場力無法起到主導(dǎo)作用,膨潤土顆粒無法有針對性的在漏洞處聚集成堆體,因此良好的修補效果要求膨潤土顆粒在初始狀態(tài)下應(yīng)具有良好的分散特性.

通常情況下,懸浮液Zeta電位的絕對值越大,顆粒間斥力越大,分散性越好[30-31].其中,Zeta電位絕對值大于 30mV時懸浮體系的分散特性良好[32].而Zeta電位可通過實驗測得電泳遷移率,并根據(jù)Henry方程換算而來,不同溶液中帶電粒子有不同的遷移速率,故 Zeta電位也直接表征了溶液中顆粒在電場力作用下的遷移能力.

為此,測定了不同分散劑和膨潤土濃度條件下的Zeta電位與滲透系數(shù)(表2).Zeta電位受到膨潤土濃度和分散劑/膨潤土比例的影響.膨潤土濃度從6g/L 增加到 10g/L時,Zeta電位負電性增強,由-37.13mV增強到-44.07mV,這是因為膨潤土溶液濃度的提高會增加膨潤土顆粒與顆粒之間的靜電斥力,靜電斥力大于范德華引力,懸浮體系變得越來越穩(wěn)定;但膨潤土濃度從 10g/L增加大 14g/L時,Zeta電位負電性減弱,由-44.07mV減弱到-40.67mV顆粒間距減小,碰撞機會增大,顆粒之間的靜電斥力小于范德華引力,顆粒易發(fā)生聚集,體系的穩(wěn)定性降低,因而膨潤土濃度為10g/L時分散性能最佳,這與萬江等[30]研究規(guī)律相一致.分散劑/膨潤土比例為10%、20%、25%與 30%的修補溶液的 Zeta電位依次為-26.67,-38.10,-41.90,-44.07mV,負電性逐步增強.這是因為分散劑的使用增加了膨潤土雙電層厚度,使得顆粒間斥力增大,分散效果變好[33-35].

表2 不同分散劑和膨潤土濃度條件下的Zeta電位與形成堆積物的滲透系數(shù)Table 2 Zeta potential and permeability coefficient under different dispersant and bentonite concentrations

將Zeta電位與滲透系數(shù)k進行擬合(圖5)得到Zeta電位與滲透系數(shù)的數(shù)學(xué)表征模型:

圖5 Zeta電位與滲透系數(shù)關(guān)系擬合曲線Fig.5 Relationship between Zeta potential and permeability coefficient

式中:k為滲透系數(shù),cm/s;|ζ|為Zeta電位的絕對值,mV(相關(guān)系數(shù)達到0.975).

當(dāng)膨潤土濃度≥10g/L、運行時間為2d時,Zeta電位的絕對值越大,滲透系數(shù)越小,修補效果越好,當(dāng)Zeta電位絕對值達到一定值(約 34mV)后,修補效果趨于穩(wěn)定.

2.6.3 局限性分析 目前電動修補效果沒有達到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的填埋場防滲層滲透系數(shù)(1×10-7cm/s).但實際工程中針對污染場地風(fēng)險管控措施(如垂直防污隔離墻等)的滲透系數(shù)常只能達到 5×10-6cm/s[36];同時滲濾液滲漏量不僅與漏洞大小有關(guān),還受HDPE膜與下層介質(zhì)接觸情況以及下層介質(zhì)滲透系數(shù)等影響[37],使用 HELP模型進行計算,在漏洞密度為20個/hm2、漏洞直徑為5mm時,假設(shè)HDPE膜下介質(zhì)的滲透系數(shù)為1×10-4cm/s(本文下層介質(zhì)使用鵝卵石,為最不利情況),年滲漏量達到 11.54m3,經(jīng)修補后漏洞處滲透系數(shù)減小到1×10-6cm/s時滲漏量僅為0.03m3(膜下介質(zhì)仍為最不利情況,滲透系數(shù)為1×10-4cm/s),減小 300多倍;同時電動修補還填補了HDPE膜與介質(zhì)的空隙,改善膜與介質(zhì)的接觸情況,當(dāng)接觸達到優(yōu)秀時,年滲漏量進一步減少到 9.9×10-4m3(膜下介質(zhì)滲透系數(shù)為1×10-6cm/s),減小約1000倍.因此,本文認為修補后漏洞處的滲透系數(shù)達到1×10-6cm/s即是有效的修補.此時,溶液的Zeta電位需達-42.11mV.

由上述分析可知,若進一步改善修補效果,可在以下方面進行深入研究:增加運行時間;研發(fā)與選用其他不易被滲濾液抑制分散性能的新型材料等.

3 結(jié)論

3.1 靶向電動修補過程主要包含電泳遷移作用與電滲加固兩個步驟.即修補材料通過電泳作用定向遷移至漏洞處形成堆積物;堆體內(nèi)部的孔隙水通過電滲作用排出,最終形成低滲透系數(shù)的堆積物.

3.2 靶向電動修補技術(shù)在 HDPE膜漏洞直徑為5mm,氯化鈣濃度 2.5mmol/L的情況下,達到修補效果的最低工藝參數(shù)為:石墨電極,電壓 50V,最低運行時間2d,膨潤土濃度10g/L,分散劑/膨潤土比例30%.此條件下,漏洞處滲透系數(shù)可達到9.41×10-6cm/s.

3.3 各工藝參數(shù)對修補效果的影響為:非惰性電極易對 HDPE膜造成二次損傷;修補效果隨運行時間的增加而改善,且改善幅度逐漸平緩;電壓、膨潤土濃度的增加均會產(chǎn)生負面影響;在本文研究范圍內(nèi),分散劑/膨潤土比例的增加將提高修補效果.

3.4 修補溶液的分散性能是靶向電動修補技術(shù)未來需要重點關(guān)注的對象.表征分散性能的Zeta電位則是修補效果控制的關(guān)鍵,為實際情況中分散劑/膨潤土比例提供依據(jù).修補后 HDPE膜漏洞處滲透系數(shù)達到1×10-6cm/s所對應(yīng)修補溶液的Zeta電位至少為-42.11mV.