填埋场HDPE膜漏洞靶向电动修补技术影响因素

朱铭珠,姚光远,刘玉强*,徐 亚,刘景财,黄启飞,杨延梅 (.中国环境科学研究院固体废物污染控制技术研究所,北京 000；
.重庆交通大学河海学院,重庆 400074)

危险废物具有种类多、成分复杂、危害性极大的特点,危险废物填埋场中的渗滤液一旦泄露,后果将极其严重[1-2].填埋作为危险废物集中处置及环境风险控制的主要手段,为减少渗滤液渗漏风险,目前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[3-4].然而,国内填埋场HDPE膜破损现象普遍,环境风险显著[5-6].HDPE膜漏洞修补技术主要包含 2种类型,即前期预防技术和后期定位修补技术(开挖修补、灌浆修补、靶向电动修补等)[7-12].前期预防技术的工程案例较少,且须在填埋场建造前铺设自修复材料,无法应用于已建设完毕的填埋场[9].后期定位修补技术则多难以精准定位高堆体下漏洞位置,存在施工安全隐患、易导致HDPE膜二次损伤、施工困难且成本高的问题.靶向电动修补技术则通过电场力使修复材料定向迁移至漏洞处,封堵HDPE膜上漏洞[12],不仅能突破其余技术存在的问题,无需开挖堆体,即可安全、无损、精准的修补漏洞,还能填补填埋膜与填埋介质间的接触孔隙,提升防渗系统的防渗性能,大幅减少渗漏量,有望成为修复技术的热点.目前已开展了靶向电动修补技术的可行性研究,如Darilek等[12]对去离子水环境中的漏洞进行实验室小尺寸试验和室外模拟试验,证明了靶向电动修补技术的可行性.此外,也有研究者开始关注去离子水环境中工艺影响因素,大多采用数值模拟的形式,如 Kambham 等[13]采用半解析的方法提出数学模型,模拟了去离子水中的膨润土堆积物形态随时间与电压的变化规律.Corapcioglu等[14]对去离子水环境中膨润土堆积体的形成进行数值模拟,模拟结果显示,膨润土堆积体厚度随电压、阴极尺寸增大而增大.Han等[15]通过实验研究了电极位置对修补效果的影响,结果显示,在漏洞下方埋入阳极的布置方法更有效.

但目前靶向电动修补技术仅停留在可行性分析与数值模拟阶段,对于修补技术的关键影响因素以及调控机制尚未开展系统研究;同时当前研究的修补环境多限于去离子水,而实际填埋场渗滤液与去离子水存在明显差异[16-17],缺乏阳离子环境下各工艺因素对靶向电动修补效果的影响研究.

本研究通过钙离子溶液模拟渗滤液,以渗透系数表征电动修补效果,系统研究电极类型、电压大小、运行时间、膨润土浓度、分散剂/膨润土投加比例等各种工艺因素对膨润土颗粒靶向电动修补HDPE膜漏洞过程的影响,阐明膨润土对HDPE膜漏洞靶向电动修补过程的调控机制,为运行和封场期填埋场防渗系统HDPE膜漏洞的靶向电动修补的实际应用提供参考.

1.1 实验装置

修补实验装置由2个不同直径的有机玻璃柱组成(见图1),外部有机玻璃柱尺寸为70cm×28cm(高×直径),内部有机玻璃柱尺寸为60cm×25cm(高×直径),外部有机玻璃柱底部从下到上依次铺设厚度为10cm、平均粒径为20mm的卵石层模拟导排介质,以及 400g/cm2的土工布,柱底部设有排水阀.内部有机玻璃柱以厚度为2mm的HDPE膜作为底部,膜与玻璃柱通过法兰连接.

图1 靶向电动修补实验装置示意Fig.1 Experimental device of targeted electrophoretic repair

1.2 实验材料

1.2.1 修补材料 修补实验采用市售钠基膨润土,主要理化特性如下:蒙脱石含量 75%,膨胀容19.8mL/g,胶质价100.2mL/15g.

1.2.2 模拟渗滤液 本文对 8家危险废物填埋场渗滤液进行采样[18-19],其特性汇总如表1所示.渗滤液中阳离子主要包括 Ca2+、Mg2+、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Al3+等,除 Ca2+外其他各种离子浓度在 0.0005～0.2mmol/L,此浓度梯度下不同阳离子价态对膨润土理化性质影响较小且差别不大,可由 Ca2+进行模拟[20].检测得到各危废填埋场渗滤液的离子总量范围为0.0047～38.4667mmol/L,在此范围内参考 Han等[15]的研究,本文采用 2.5mmol/L的氯化钙模拟危险废物填埋场的渗滤液.

表1 不同危险废物填埋场渗滤液阳离子组分汇总(mmol/L)Table 1 Summary of cation components in leachate from different hazardous waste landfills(mmol/L)

1.2.3 HDPE膜漏洞大小选择 本文对全国20余个省市的100多家填埋场防渗层HDPE膜的破损情况开展检测工作,检测得到填埋场防渗层 HDPE膜漏洞面积＜0.01,0.01～1,1～5,5～20, 20～200, 200～2000,2000～19500cm2的漏洞数量分别为203, 618, 133,121, 98, 77, 48个.其中面积小于1cm2的漏洞数量最多,共计 821个,占漏洞总数的 63.3%,因此本文选择漏洞直径为0.5cm.

1.3 实验方法

1.3.1 实验装置搭建 将阳极片、鹅卵石、土工布以及内部有机玻璃柱依次装入外部有机玻璃柱.确保内部有机玻璃柱与土工布和鹅卵石接触良好,以及HDPE膜与内柱法兰连接处完全密闭.

1.3.2 修补溶液添加 将水化后含有膨润土的氯化钙溶液以及等浓度的氯化钠溶液分别加入内部和外部有机玻璃柱中,为避免干扰流的发生,保证添加过程中内外部有机玻璃柱的液位相同.

1.3.3 单因素实验 实验控制变量为电极类型、电压、运行时间、膨润土浓度与分散剂/膨润土比例.电极类型选择耐腐蚀性强的不锈钢电极与惰性石墨电极;电压选取 25,50,75V;运行时间选取1,2,3d;膨润土浓度选取 6,10,14g/L;分散剂/膨润土比例选取 10%、20%、30%,本文所用分散剂为六偏磷酸钠.

1.3.4 修补实验效果测定 将阴极片浸没在内部有机玻璃柱的修补溶液中,接通直流电源开始实验.实验结束后:①在一定时间内观察并记录内、外柱的液位差;②打开外柱排水阀排干外柱中溶液后,记录2d内内柱中溶液流出体积,并根据达西定律计算渗透系数;③抽出内柱中溶液后观察并测量漏洞处膨润土堆积物的形态和尺寸.

1.4 修补效果的表征

采用漏洞处膨润土堆积物的渗透系数来定量描述膨润土的靶向电动修补效果.漏洞处堆积物的渗透系数越大,修补效果越差,渗透系数越小,修补效果越好.渗透系数可以根据达西定律进行计算:

式中:k为渗透系数,cm/s;q为渗漏量,cm3/s; L为渗径长度,cm;A为垂直于渗流方向的土样横截面积,cm3;ΔH为总水头损失,cm.

2.1 电极类型对修补效果的影响

在氯化钙浓度为2.5mmol/L、漏洞直径为0.5cm、通电电压为50V、运行时间为2d、膨润土浓度 10g/L、分散剂/膨润土比例为30%的条件下,研究电极类型对修补效果的影响.由图2可知,电极类型对修补效果的影响较大,当电极为不锈钢时,HDPE膜上漏洞直径由5mm扩大为约25mm,增大至原来的5倍(图2a),同时电极发生明显腐蚀(图2b),无修补效果;当电极为石墨电极时,膨润土定向迁移现象明显,修补效果显著,修补后漏洞处的渗透系数为9.41×10-6cm/s,电极与HDPE膜都完好无变化(图2c、d).其原因为,当电极为不锈钢时,电极表面的铬、铁等金属阳离子与其附近的氯离子结合,电极失去防腐蚀性能发生点蚀且该电化学反应过程中产生巨大的热量,使膜被热熔损伤[21];而当电极为石墨时,石墨作为惰性材料不易被氧化腐蚀,避免 HDPE膜的二次损伤.石墨电极是目前靶向电动修补技术的理想电极材料.

图2 修补实验结束后的HDPE膜和电极Fig.2 HDPE film and electrode condition after repair experiments

2.2 电压大小对修补效果的影响

电压大小可以影响膨润土颗粒的迁移速率,从而对修补效果产生较大影响,Corapcioglu等[14]数值模拟表明,膨润土靶向电动修补效果随电压增大而改善.本实验在氯化钙浓度为2.5mmol/L、漏洞直径为0.5cm、电极为石墨、运行时间为2d、膨润土浓度 10g/L,分散剂/膨润土比例为30%的条件下,研究电压大小(25,50,75V)对修补效果的影响.当电压从25V增加到 50V时漏洞处渗透系数从 6.107×10-5cm/s下降至 9.41×10-6cm/s,下降了 84.61%;而电压增加到 75V时,渗透系数增加了 10.63%至1.98×10-5cm/s,修补效果减弱.

在电渗作用下水会通过漏洞向阴极流动,故随运行时间增加内柱液位会逐渐高于外柱中的液位,形成液位差,因此液位差的变化也是评价修补效果的指标[22-23],由图3可知,当电压为25与50V时,液位差随运行时间增大而增大,当电压为75V时,2000min前的液位差增长较快且远高于其它电压的液位差,但运行时间到2000min时,液位差开始下降,即修补效果变差.

图3 不同电压下液位差随运行时间变化Fig.3 Variation of level difference with time at different voltages

这一修补效果的变化规律与 Corapcioglu等[14]研究不同,其原因为实验电压超出电渗加固的最优临界电压以及铜丝与石墨的连接处出现电偶腐蚀.首先,研究表明电渗加固存在最优临界电压[23],当电压高于最优临界电压时,电渗效率下降,从而导致修补效果降低.其次,石墨为惰性电极,其自腐蚀电位高于铜丝,两者连接处会发生电偶腐蚀[24],即连接处铜丝发生阳极极化,从而被氧化,导电性下降,膨润土颗粒受到的电场力减小,无法抵消液位差的水头作用,堆体被水流冲散,修补效果变差.

综上所述,合适的电压大小对修补效果十分关键,低于或者超过最优临界电压均会对修补效果产生负面影响,故本实验的最优临界电压为50V.

2.3 运行时间对修补效果的影响

电泳迁移与电渗加固均需要一定的运行时间.在氯化钙浓度为2.5mmol/L、漏洞直径为0.5cm、电极为石墨、电压为50V、膨润土浓度 10g/L、分散剂/膨润土比例为30%的条件下,研究不同运行时间(1,2,3d)对修补效果的影响.由图4可知,运行时长为1d时漏洞处渗透系数为7.05×10-3cm/s,此时漏洞处膨润土堆积物未成形,修补材料溶液从漏洞处渗漏,无修补效果;运行时间 2d时,漏洞处渗透系数减小至 9.41×10-6cm/s,且膨润土在漏洞处聚集成鼓包;运行时间增加到 3d时,渗透系数下降至 5.70×10-6cm/s,膨润土在漏洞处的堆积物体积更大,修补效果更佳(图4).因此,靶向电动修补技术的最低运行时间为2d.

图4 不同运行时间的膨润土堆积Fig.4 Pile-up diagram of bentonite with different running time

2.4 膨润土浓度对修补效果的影响

膨润土浓度可通过改变膨润土-水悬浮体系的分散性改变颗粒的受力情况,从而对修补效果产生较大的影响.因此在电极为石墨、电压50V、氯化钙浓度为2.5mmol/L、漏洞直径为0.5cm、运行时间为2d、分散剂/膨润土比例 30%的条件下,研究膨润土浓度(6,10,14g/L)对修补效果的影响.当膨润土浓度由 6g/L增加到 10g/L,渗透系数由 2.21×10-3cm/s下降到9.41×10-6cm/s;膨润土浓度增加到14g/L,渗透系数回升至1.16×10-5cm/s.表明膨润土浓度存在最佳值为10g/L,低于或超过此浓度均会对修补效果产生负面影响.

2.5 分散剂浓度对修补效果的影响

分散剂/膨润土比例也可通过改变膨润土-水悬浮体系的分散性改变颗粒的受力情况,对修补效果产生较大的影响.因此在氯化钙浓度为2.5mmol/L、漏洞直径为0.5cm、电极为石墨、电压50V、运行时间为2d、膨润土浓度10g/L的条件下,研究分散剂/膨润土比例(10%,20%,30%)对修补效果的影响.分散剂/膨润土比例为10%、20%与 30%,修补后漏洞处的渗透系数依次为4.34×10-4,3.05×10-5,9.41×10-6cm/s,渗透系数随分散剂投加量的增加而减小.表明在实验范围内投加分散剂有利于靶向电动修补的进行.

2.6 电动修补调控机制

2.6.1 电动修补机理 本文将运行及封场阶段填埋场防渗系统HDPE膜漏洞靶向电动修补过程分为以下两个步骤:膨润土在液相介质中的靶向电动迁移过程,即电泳作用;膨润土在漏洞处形成低渗透系数堆积物的过程,即电渗加固作用.其中,膨润土在液相介质中的靶向电泳迁移是HDPE膜漏洞修补的首要步骤,而膨润土颗粒在漏洞处形成低渗透系数堆积物是HDPE膜电动修补的关键.

首先,电泳迁移作用机理是指悬浮或溶解在电解液中的微小带电粒子在外加电场作用下向着与其电性相反的电极移动的现象[25].在靶向电动修补技术中的表现为:带负电的膨润土颗粒在电场力的驱动下向漏洞处进行定向迁移.

其次,电渗加固作用机理是膨润土与水接触后,颗粒表面及附近液体内存在电性相反、电荷量相等的双电层[26],直流电场打破双电层中扩散层原有的静电平衡,阳离子向阴极移动拖拽极性水分子向阴极定向流动,扩散层的厚度减小,孔隙水排出土体[27].在靶向电动修补技术中的表现为:孔隙水以电渗流的形式排出堆积物,使堆积物在短时间内迅速固结提高防渗性能[23].

2.6.2 电动修补调控机制 膨润土颗粒间的相互作用力与双电层静电斥力、范德华引力有关,这两种力间的大小关系表现为膨润土颗粒的凝聚或是分散状态[28-29].若引力大于斥力,颗粒快速聚集沉降,电场力无法起到主导作用,膨润土颗粒无法有针对性的在漏洞处聚集成堆体,因此良好的修补效果要求膨润土颗粒在初始状态下应具有良好的分散特性.

通常情况下,悬浮液Zeta电位的绝对值越大,颗粒间斥力越大,分散性越好[30-31].其中,Zeta电位绝对值大于 30mV时悬浮体系的分散特性良好[32].而Zeta电位可通过实验测得电泳迁移率,并根据Henry方程换算而来,不同溶液中带电粒子有不同的迁移速率,故 Zeta电位也直接表征了溶液中颗粒在电场力作用下的迁移能力.

为此,测定了不同分散剂和膨润土浓度条件下的Zeta电位与渗透系数(表2).Zeta电位受到膨润土浓度和分散剂/膨润土比例的影响.膨润土浓度从6g/L 增加到 10g/L时,Zeta电位负电性增强,由-37.13mV增强到-44.07mV,这是因为膨润土溶液浓度的提高会增加膨润土颗粒与颗粒之间的静电斥力,静电斥力大于范德华引力,悬浮体系变得越来越稳定;但膨润土浓度从 10g/L增加大 14g/L时,Zeta电位负电性减弱,由-44.07mV减弱到-40.67mV颗粒间距减小,碰撞机会增大,颗粒之间的静电斥力小于范德华引力,颗粒易发生聚集,体系的稳定性降低,因而膨润土浓度为10g/L时分散性能最佳,这与万江等[30]研究规律相一致.分散剂/膨润土比例为10%、20%、25%与 30%的修补溶液的 Zeta电位依次为-26.67,-38.10,-41.90,-44.07mV,负电性逐步增强.这是因为分散剂的使用增加了膨润土双电层厚度,使得颗粒间斥力增大,分散效果变好[33-35].

表2 不同分散剂和膨润土浓度条件下的Zeta电位与形成堆积物的渗透系数Table 2 Zeta potential and permeability coefficient under different dispersant and bentonite concentrations

将Zeta电位与渗透系数k进行拟合(图5)得到Zeta电位与渗透系数的数学表征模型:

图5 Zeta电位与渗透系数关系拟合曲线Fig.5 Relationship between Zeta potential and permeability coefficient

式中:k为渗透系数,cm/s;|ζ|为Zeta电位的绝对值,mV(相关系数达到0.975).

当膨润土浓度≥10g/L、运行时间为2d时,Zeta电位的绝对值越大,渗透系数越小,修补效果越好,当Zeta电位绝对值达到一定值(约 34mV)后,修补效果趋于稳定.

2.6.3 局限性分析 目前电动修补效果没有达到标准中规定的填埋场防渗层渗透系数(1×10-7cm/s).但实际工程中针对污染场地风险管控措施(如垂直防污隔离墙等)的渗透系数常只能达到 5×10-6cm/s[36];同时渗滤液渗漏量不仅与漏洞大小有关,还受HDPE膜与下层介质接触情况以及下层介质渗透系数等影响[37],使用 HELP模型进行计算,在漏洞密度为20个/hm2、漏洞直径为5mm时,假设HDPE膜下介质的渗透系数为1×10-4cm/s(本文下层介质使用鹅卵石,为最不利情况),年渗漏量达到 11.54m3,经修补后漏洞处渗透系数减小到1×10-6cm/s时渗漏量仅为0.03m3(膜下介质仍为最不利情况,渗透系数为1×10-4cm/s),减小 300多倍;同时电动修补还填补了HDPE膜与介质的空隙,改善膜与介质的接触情况,当接触达到优秀时,年渗漏量进一步减少到 9.9×10-4m3(膜下介质渗透系数为1×10-6cm/s),减小约1000倍.因此,本文认为修补后漏洞处的渗透系数达到1×10-6cm/s即是有效的修补.此时,溶液的Zeta电位需达-42.11mV.

由上述分析可知,若进一步改善修补效果,可在以下方面进行深入研究:增加运行时间;研发与选用其他不易被渗滤液抑制分散性能的新型材料等.

3.1 靶向电动修补过程主要包含电泳迁移作用与电渗加固两个步骤.即修补材料通过电泳作用定向迁移至漏洞处形成堆积物;堆体内部的孔隙水通过电渗作用排出,最终形成低渗透系数的堆积物.

3.2 靶向电动修补技术在 HDPE膜漏洞直径为5mm,氯化钙浓度 2.5mmol/L的情况下,达到修补效果的最低工艺参数为:石墨电极,电压 50V,最低运行时间2d,膨润土浓度10g/L,分散剂/膨润土比例30%.此条件下,漏洞处渗透系数可达到9.41×10-6cm/s.

3.3 各工艺参数对修补效果的影响为:非惰性电极易对 HDPE膜造成二次损伤;修补效果随运行时间的增加而改善,且改善幅度逐渐平缓;电压、膨润土浓度的增加均会产生负面影响;在本文研究范围内,分散剂/膨润土比例的增加将提高修补效果.

3.4 修补溶液的分散性能是靶向电动修补技术未来需要重点关注的对象.表征分散性能的Zeta电位则是修补效果控制的关键,为实际情况中分散剂/膨润土比例提供依据.修补后 HDPE膜漏洞处渗透系数达到1×10-6cm/s所对应修补溶液的Zeta电位至少为-42.11mV.

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