北極星水處理網訊:填埋是固體廢物處置的重要手段，由於兼具低成本和低技術壁壘等優點，在世界範圍內尤其是中國、 印度和墨西哥等發展中國家，被作為固體廢物風險管控的首選方式. 然而研究表明，儘管現代填埋場試圖通過設計、建設及建設過程的質量控制、運行管理等控制固廢填埋過程中的滲濾液滲漏和地下水汙染風險問題，絕大多數填埋場都難以避免土工膜原生缺陷(製造過程產生)和安裝缺陷(土工膜鋪設及填埋場運行過程的尖銳物穿孔、應力撕裂和焊縫開裂)，以及由此導致的滲濾液滲漏問題。除此以外，通過襯墊的蒸汽擴散也將導致滲濾液中汙染組分尤其是有機組分通過土工膜滲漏並進入土壤和水生環境，進而對地下水 甚至是填埋場周圍居民產生危害。國內外諸多學者採用多種方式證實滲濾液及其組分的產生和洩露對生態系統和人類健康會產生不利影響。如Fatta等通過取樣和化探的方式分析證實絕大部分填埋場附近地下水不僅存在不同程度的常規汙染物(COD、BOD 和氨氮)，還含有許多種類的有毒有害組分(如重金屬和POPs等)，甚至一些新興汙染物，如藥物、個人護理產品和納米粒子等的報導也屢見不鮮。其次，一些學者還通過地面穿透雷達(GPR)、電磁場(EC)和電阻率層析成像(ERT)等物探方式表徵滲濾液汙染範圍。除此以外，過程模型方法也被廣泛用於填埋場滲濾液遷移轉化和累計模擬以及風險評估。如美國環境保護局風險減小實驗室(Risk Reduction Engineering Laboratory)開發了用於預測滲濾液產生及滲漏的HELP模型，並廣泛應用於填埋場的性能評估、設計優化和滲漏預測；美國環境保護局開發的EPACMTP模型(滲濾液遷移轉化複合模型)用於模擬預測滲濾液滲漏後多組分多介質遷移轉化過程，並評估其多途徑暴露風險。
儘管相關領域的學者利用物探、汙染、模型模擬等諸多手段，從毒理學、汙染風險、健康風險多角度評估了填埋場滲漏的潛在危害。但是大部分研究均針對「年輕」填埋場，未考慮填埋場核心材料老化對滲漏和長期汙染風險的影響。然而相關研究表明，異常高溫或低溫、紫外線輻射、蠕變和化學腐蝕將使得HDPE膜發生化學老化，導致滲透係數、漏洞數量和漏洞面積增加；填埋場建設、運行中的機械破損、堆體沉降等因素會造成土工膜物理破損，如焊縫開裂、機械損傷等。英國Golder Associates開發的Landsim模型通過概化土工膜材料的老化過程，並將其耦合進入填埋場滲濾液產生過程模型和滲濾液滲漏後遷移轉化過程模型，為土工膜材料劣化和缺陷演化條件下的長期環境風險評估提供了好的借鑑和工具方法；徐 亞等利用Landsim模型模型，基於一系列假設的老化參數，對危險廢物填埋場長期運行的滲漏環境風險和汙染風險進行了評估。然而，上述研究所採用的土工膜老化參數都是基於室內老化試驗，對於實際填埋場環境下的土工膜材料老化和缺陷演化規律，及其對填埋場長期滲漏影響的研究鮮見報導。
為彌補上述研究中存在的不足，該研究選擇西南區域某危廢填埋場作為研究對象，選擇As作為研究目標，通過現場採樣和室內分析獲取土工膜材料老化和缺陷演化的關鍵指標參數，基於Landsim模型與HELP模型模擬填埋場防滲材料老化條件下的滲濾液滲漏和地下水汙染風險演變過程，量化分析其短期、 中期和長期3個階段的滲濾液滲漏和地下水汙染風險特徵，為危險廢物填埋場的長期環境風險管理提供決 策指導和技術支持.
一、 研究模型和方法
防滲系統HDPE膜是危險廢物填埋場的核心組件，其性能直接決定填埋場對危險廢物及其有毒有害組分的阻隔能力-即防滲效果。HDPE膜老化對滲濾液滲漏速率的影響主要通過兩個方面產生作用：首先是老化導致滲透係數降低，根據達西滲流定律，滲透係數降低，滲漏速率增大。其次，老化導致HDPE膜力學性能，如抗撕裂、抗拉伸等性能下降，在同樣的外界應力荷載條件下，HDPE膜的缺陷數量增加或缺陷面積增大，從而導致滲漏速率增加。顯然隨著滲漏速率增加，周邊地下水汙染將逐漸加重。
在不考慮HDPE膜老化的條件下，填埋場的滲濾液從產生、滲漏直至對地下水造成汙染，需要經歷降雨、下滲、側嚮導排、淋溶、漏洞滲透和飽和-非飽和帶遷移-轉化等10餘個地表地下水文過程。因此，準確評估填埋場滲濾液對地下水的影響，需要綜合考慮上述所有水文過程，計算將極為複雜。再考慮HDPE膜老化導致的性能指標參數變化，計算將更為複雜。為此，英國環保局委託Golder Associates開發了Landsim模型，對 HDPE膜老化條件下的滲濾液產生、滲漏及其地下水環境影響進行預測。只需要輸入填埋場結構設計、材料特性、水文地質條件及HDPE膜老化參數，就可以對 HDPE 膜老化條件下填埋場滲濾液的產生、 滲漏和地下水汙染情況進行預測. 模型所需的主要參數詳見表1，所有參數當中，結構、材料特性參數通常根據設計資料確定、水文地質參數通過場地勘探確定，最為關鍵的是 HDPE膜老化參數的確定。
註：N、Lt、Lu、U 分別表示正態、對數三角、對數均勻和均勻分布。「數據來源」中1表示參數通過現場測定或者來自 設計值；2表示參數通過計算得到；3表示參數參考Landsim給定的預設值.
1、老化過程的概化及Landsim參數需求
填埋場中HDPE膜常被用於封場覆蓋系統和滲濾液防滲系統，Landsim對兩個系統中HDPE膜老化的概化方式不同，所要求輸入的老化參數亦有所不同。對於封場覆蓋系統，Landsim模型假設封場覆蓋系統HDPE膜的老化會影響其堆體入滲量：在未開始老化之前，填埋場堆體入滲量等於設計入滲量；隨著HDPE膜材料開始老化(t0時刻)，入滲量線性增加， 直至 t1時刻HDPE膜到達半衰期，此時入滲量達到最大值(見圖1). 因此對於封場覆蓋系統HDPE膜的老化，關鍵輸入參數是HDPE 膜老化開始時間t0和達到半衰期的時間t1，以及對應的堆體入滲量-設計入滲量和最大入滲量。
對於滲濾液防滲系統，Landsim模型認為HDPE膜老化會導致其漏洞數量和滲透係數增加：在未開始老化之前，HDPE膜滲透係數等於設計值K0，通常為1×10-14m/s，漏洞數量等於初始漏洞數量N0(即HDPE膜生產過程和鋪設安裝過程產生的漏洞數量之和). 當其t0時刻開始老化後，假設老化速率為s(性能每年衰減的百分比)，其滲透係數和漏洞數量按照老化速率增大. 關鍵是確定t0、N0和s。
2、堆體入滲量的確定Landsim
需要設計入滲量和最大入滲量作為輸入參數。填埋場堆體入滲量受降雨、蒸發、地表坡度和坡長、植被類型、封場覆蓋系統等情況的影響，該研究採用HELP模型進行計算。HELP模型是美國地質調查局為美國環境保護局開發的填埋場水文特性評估模型，該模型不僅集成世界各地近10000個氣象站點的14a氣象數據，並基於該數據估計出全球3000個以上地點的日、月、年尺度的降雨量、氣溫和太陽輻射數據。同時還綜合考慮了表面儲水、徑流、入滲、蒸發蒸騰等要素對堆體入滲量的影響。只需要根據填埋場所在位置選擇代表性的氣象站點，並設置好填埋場封場後的地表參數(如坡度、坡長、植被類型等)和封場覆蓋系統的結構和材料參數(雨水導排介質滲透係數、HDPE膜滲透係數和漏洞數量等)，就可以對堆體入滲量進行估算。對於設計入滲量，通過在 HELP膜中設置相應的氣象站點和地表參數，並假設 HDPE膜滲透係數等於初始滲透係數 K0(10-14m/s)和漏洞數量N0，計算得到。
對於最大入滲量，保持其他參數不變，假設HDPE膜完全老化後滲透係數等於下方黏土的滲透係數(10-8m/s)。該條件下，漏洞數量對堆體入滲量不產生影響，因此可設定為任一大於N0的值。
3、HDPE膜老化時間和老化速率確定
梁森榮等認為HDPE膜老化過程可用3-STAGE 模型概化，即認為其老化過程包括STAGE I(抗氧化 劑的耗損階段)、STAGE II(聚合物的氧化誘導階段)和STAGE Ⅲ(老化失效階段)(見圖3)。在STAGEI，HDPE膜主要發生抗氧化劑的消耗，滲透係數和力學性能不發生任何變化；至STAGEII，HDPE膜的抗氧化劑完全消耗，但直至STAGEIII開始之前，力學性能和滲透係數均不發生任何變化；至STAGEIII開始，力學性能和滲透性能均以老化速率s逐漸退化. 也就是說t0數值上等於STAGEI和 STAGEII長度之和， t1數值上等於STAGEI、STAGEII 和STAGEIII之和。
STAGEI的長度通過檢測HDPE膜的OIT(氧化誘發期)確定，理論上當OIT等於0時表示達到STAGEI；STAGE II通過觀測其主要性能指標(見表 2)的變化確定，一旦性能指標開始衰減，即認為達到 STAGE II；STAGEIII 的老化速率通過檢測任意2個時刻的主要性能指標參數，計算其變化速率並取其最大值確定。當任一性能指標的殘餘率小於初始性能的50%時，認為達到半衰期。
4、初始漏洞檢測
HDPE膜在生產過程和建設過程中均可能產生破損或缺陷，對應的漏洞即初始漏洞。該研究採用美國環境保護局推薦的偶極子方法(Dipole Method)檢測，其基本原理是利用HDPE膜的高阻特性，在膜的上下兩側分別放置一個供電電極並接在高壓信號源的兩端，根據採集到的電勢信號異常對漏洞進行精準定位。
二、應用案例研究
1、填埋場基本信息
填埋場位於我國西南地區，該區域是典型的中溫帶大陸性氣候，年均降水量208.4mm，年均蒸發量2 616.9mm，通常被認為非常不利於滲濾液的產生，是危廢填埋場選址的有利條件。目標填埋場設計庫容為 360×104m3，填埋庫區庫底防滲結構採用複合襯層設計。水文地質勘測資料顯示，該區域水流維度為一維線性，因此只需考慮包氣帶水流模型的上邊界和下邊界。包氣帶上方與填埋場底部相連，接受滲濾液的滲漏補給，因此其水流邊界可視為給定流量邊界。根據填埋廢物主要成分確定As為滲濾液中主要汙染物，以As為目標汙染物進行研究。
2、模型基本參數
Landsim模型進行模擬所需參數包括入滲參數、填埋場及廢物特性參數、防滲系統參數以及多孔介質水流和溶質運移參數四類(見表1)。表中的入滲參數和防滲系統參數分別根據HELP模型計算和現場檢測得到。主要參數是通過現場測定或根據設計參數確定，部分參數或者通常取值較為固定，或者對風險結果影響較小，因此 Landsim模型建議取預設值即可。
入滲參數計算如上文所述，利用HELP模型直接生成項目所在區域內月值和年值氣象數據(降雨量、太陽輻射以及溫度)，並進行地表徑流、下滲和蒸發量的計算。結果表明其年降雨量在266~369mm之間，其中208~330mm化為蒸發量，極小部分化為地表徑流，另一部分化為堆體下滲量(見圖 4). 在不同場景下(自然入滲)和(設計入滲)的入滲強度分別為39~161和 26.1~68.1mm。
老化參數計算Landsim模型模擬所需的防滲系統參數使用上述的試驗方法得到。對該填埋場填埋區HDPE膜進行檢測，填埋區防滲層HDPE膜的漏洞數量為4.9 個/(104m2)。該填埋場HDPE膜性能指標參數測試結果見表2。由表2可見，HDPE膜的OIT測試值為零，這表明HDPE膜已經開始老化。由於其各項性能的初始值未知，因此假設各指標的初始值均為初始性能為CJ/T234—2006規定的最低限值。各項性能指標中拉伸斷裂強度(橫向)的退化最快，6a間下降40%(HDPE膜鋪設時間為2012年，檢測時間為2018 年)。同時，其2019年的測試數據顯示其拉伸斷裂強度(橫向)殘餘率為8%。據此推算，該填埋場服役環境下，HDPE膜年老化速率為 8%，老化開始時間t0為第2年，半衰期時間t1為8年。
北極星環保網聲明：此資訊系轉載自北極星環保網合作媒體或網際網路其它網站，北極星環保網登載此文出於傳遞更多信息之目的，並不意味著贊同其觀點或證實其描述。文章內容僅供參考。