一种延长重金属离子击穿时间的填埋场防渗系统及击穿监测方法与流程

本发明属于填埋场防渗领域，具体涉及一种通过控制离子运移实现重金属离子延迟击穿填埋场防渗垫层以及对防渗垫层击穿等破坏进行监测的实现方法。

背景技术：

伴随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，城市生活垃圾急剧增加，垃圾填埋场的数量也在不断增加。我国的城市垃圾多为厨余垃圾，并且处理技术发展较晚，在填埋之前没有经过前期的分类处理，这导致填埋场的垃圾含水量较高。比较高的含水量导致填埋场垃圾渗滤液水位比较高，在高水位渗滤液作用下，填埋场容易产生渗漏问题导致周围土壤或者地下水被成分复杂的渗滤液污染，尤其是重金属离子的污染往往很难修复，往往需要耗费大量的人力物力。目前我国填埋场最多使用的防渗帷幕分为垂直防渗帷幕和水平防渗垫层两种，其中后者使用更加广泛。常用的防渗垫层(GCL)主要包括膨润粘土层和高密度聚乙烯土工膜(HDPE)，土工聚合粘土构造一般是两层土工布中间加一层膨润土，这种结构可以保证有比较低的渗透率从而达到阻止渗滤液及其中的重金属离子渗漏的目的。

渗滤液中重金属离子或者有机物穿越屏障达到一定的致害浓度以后，则认为防渗垫层被击穿。目前使用的防渗垫层(GCL)可以达到一定的屏障作用，从而保证填埋场的服役年限。按照国内试验数据防渗垫层的服役年限在20年以内，而填埋场设计使用年限一般在40年左右，在渗滤液长期作用下，污染物会逐渐通过高密度聚乙烯土工膜(HDPE)进入中间层的膨润粘土层，如果不采取一定的措施，在填埋场使用的后期，渗滤液中重金属离子会击穿防渗垫层从而对周围土壤和地下水造成不可修复的污染。已有技术通过加入添加剂改良膨润土防渗层，提高黏土的防渗性能，这种方法耗时耗力不易实现产业化。除此之外，目前填埋场没有合适经济的监测防渗垫层被击穿或者破坏的方法，从而导致防渗垫层破坏以后不能被及时的发现，采取措施滞后往往会导致更大范围的污染。

技术实现要素：

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种延长重金属离子击穿时间的填埋场防渗系统及击穿监测方法，从而可以延长渗沥液及其中重金属离子击穿防渗垫层的时间，监测并提醒防渗垫层的破坏，达到提高填埋场服役寿命和保护环境的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种延长重金属离子击穿时间的填埋场防渗系统，该防渗系统包括防渗垫层、数字直流电源、电流传感器、计算机和报警装置；所述防渗垫层包括由下至上层叠的下部外层高密度聚乙烯土工膜(HDPE)、下部导电土工布、中间膨润粘土层、上部导电土工布、上部外层高密度聚乙烯土工膜(HDPE)；高密度聚乙烯土工膜和导电土工布之间采用粘度为1800液态粘合剂VAE粘合；所述上部导电土工布与数字直流电源负极连接作为阴极，所述下部导电土工布与数字直流电源正极连接作为阳极；在上部导电土工布和下部导电土工布组成的电路中接入电流传感器；电流传感器通过线缆连接到计算机的数据接收端口；报警装置与计算机连接。

进一步地，导电土工布为不锈钢纤维水刺布，经过室内试验研究证实具有较好的导电能力。

进一步地，导电土工布中间固定有一定宽度的铁条，保证在通电时整体面积上电流分布均匀，铁条的宽度根据填埋场防渗垫层的设计长度和宽度确定。

进一步地，导线通过金属管从填埋场场地外侧引导至地面，保证长期在地下使用不会发生导电故障。

进一步地，数字直流电源可自动进行电路的断开和闭合，保证按照设计时间进行防渗垫层的通电和断电，控制影响重金属离子的运移。

进一步地，直流电场的电势梯度控制在1V/cm-1.6V/cm之间。

进一步地，导电土工布的通断电频率、通电电压以及首次通电时间根据不同填埋场的设计服役年限和设计容量进行设定。

进一步地，高密度聚乙烯土工膜和导电土工布之间采用粘度为1800液态粘合剂VAE粘合，上部外层高密度聚乙烯土工膜和下部外层高密度聚乙烯土工膜可以保证导电土工布在内部，从而达到填埋场对于土工布抗剪切要求和强度要求，并且避免导电土工布直接接触渗滤液，影响通电效果。

一种利用上述填埋场防渗系统进行击穿监测的方法，该方法包括以下步骤：

(1)施工时，将由高密度聚乙烯土工膜、导电土工布和中间膨润粘土层组成的防渗垫层铺设在填埋场底部，然后将上部导电土工布与数字直流电源负极连接作为阴极，将下部导电土工布与数字直流电源正极连接作为阳极。

(2)将电流传感器接入到电路中，并将其通过线缆连接到计算机的数据接收端口。

(3)利用电流传感器采集电路中电流数据，并将数据传输到计算机中储存分析。

(4)重金属离子的运移方向为从上到下，当渗滤液中重金属离子运移到高密度聚乙烯土工膜内部，给导电土工布加电压会在中间膨润粘土层内部形成稳定的电渗流场。

(5)在电场作用下，重金属离子会从阳极向阴极运动，即从下往上运动，这种反向运动会极大增长重金属离子从上向下运移击穿中间膨润粘土层和下部外层高密度聚乙烯土工膜的时间。施加电压之前膨润土微观结构为絮凝结构，施加电压后土体的微观结构由原来的絮凝结构变为颗粒堆积结构。

(6)计算机对电流数据进行实时分析，并对数据进行前后对比，当发现数据有异常情况时，则认为渗滤液局部或者大面积击穿了防渗垫层，随即触发报警装置。本发明的优点和效果在于：

第一：通过上部和下部导电土工布对中间防渗垫层施加电场力，可以使得重金属等污染离子反向运动，从而极大地延长了防渗垫层的使用寿命。

第二：中间的膨润粘土层在电场力的作用下，微观结构会由原来的絮凝结构变为颗粒堆积结构，会变得更加密实，孔隙比更小，从而能更好地防止污染物的迁移扩散，隔离效果更好。

第三：通过电流传感器监测通电时电路中的电流，以及计算机系统分析每次通电时电流数据的变异系数，可以及时的发现防渗系统出现的问题，采取及时的措施，有效的降低了渗滤液渗漏污染环境的几率。

第四：上部外层高密度聚乙烯土工膜(HDPE)和下部外层高密度聚乙烯土工膜(HDPE)可以避免导电土工布直接接触渗滤液，影响通电效果。也起到保护导电土工布的作用，从而保证整体防渗垫层能够长时间有效使用，达到填埋场的设计要求。

附图说明

图1为本发明延长重金属离子击穿时间的填埋场防渗系统的结构示意图；

图2为重金属离子运移示意图；

其中，1-上部外层高密度聚乙烯土工膜、2-上部导电土工布、3-中间膨润粘土层、4-下部导电土工布、5-下部外层高密度聚乙烯土工膜、6-导线、7-金属管、8-数字直流电源、9-电流传感器、10-计算机、11-报警装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一下详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种延长重金属离子击穿时间的填埋场防渗系统，该防渗系统包括防渗垫层、数字直流电源8、电流传感器9、计算机10和报警装置11；所述防渗垫层包括由下至上层叠的下部外层高密度聚乙烯土工膜(HDPE)5、下部导电土工布4、中间膨润粘土层3、上部导电土工布2、上部外层高密度聚乙烯土工膜(HDPE)1；高密度聚乙烯土工膜和导电土工布之间采用粘度为1800液态粘合剂VAE粘合；所述上部导电土工布2与数字直流电源8负极连接作为阴极，所述下部导电土工布4与数字直流电源8正极连接作为阳极；在上部导电土工布2和下部导电土工布4组成的电路中接入电流传感器9；电流传感器9通过线缆连接到计算机10的数据接收端口；报警装置11与计算机10连接。

进一步地，导电土工布为不锈钢纤维水刺布，经过室内试验研究证实具有较好的导电能力。

进一步地，导电土工布中间固定有一定宽度的铁条，保证在通电时整体面积上电流分布均匀，铁条的宽度根据填埋场防渗垫层的设计长度和宽度确定。

进一步地，导线6通过金属管7从填埋场场地外侧引导至地面，保证长期在地下使用不会发生导电故障。

进一步地，数字直流电源8可自动进行电路的断开和闭合，保证按照设计时间进行防渗垫层的通电和断电，控制影响重金属离子的运移。

进一步地，直流电场根据填埋场污染物性质、含水量、重金属离子浓度等特性的不同，电势梯度控制在1V/cm-1.6V/cm之间。

进一步地，导电土工布的通断电频率、通电电压以及首次通电时间根据不同填埋场的设计服役年限和设计容量进行设定。

进一步地，高密度聚乙烯土工膜和导电土工布之间采用粘度为1800液态粘合剂VAE粘合，上部外层高密度聚乙烯土工膜1和下部外层高密度聚乙烯土工膜5可以保证导电土工布在内部，从而达到填埋场对于土工布抗剪切要求和强度要求，并且避免导电土工布直接接触渗滤液，影响通电效果。导电土工布同时具有较好的导电能力和反滤能力。

本发明对原来的普通防渗垫层进行了改进，在原来上部高密度聚乙烯土工膜(HDPE)、中间膨润粘土层、下部高密度聚乙烯土工膜(HDPE)的基础上添加了上部导电土工布、下部导电土工布、电路系统、计算机、报警装置等，可以使得重金属等污染离子反向运动，从而极大地延长了防渗垫层的使用寿命。同时改变中间的膨润粘土层的微观结构使其更加密实，从而能更好地防止污染物的迁移扩散，隔离效果更好。通过电流传感器监测通电时候电路中的电流，以及计算机系统分析电流每次通电时电流数据的变化程度，可以及时的发现防渗系统出现的问题，采取及时的措施，有效的降低了渗滤液渗漏污染环境的几率。

一种利用上述填埋场防渗系统进行击穿监测方法，该方法包括以下步骤：

(1)施工时，将由高密度聚乙烯土工膜、导电土工布和中间膨润粘土层组成的防渗垫层铺设在填埋场底部，然后将上部导电土工布2与数字直流电源8负极连接作为阴极，将下部导电土工布4与数字直流电源8正极连接作为阳极。

(2)将电流传感器9接入到电路中，并将其通过线缆连接到计算机10的数据接收端口。

(3)参考已有填埋场运行经验，假定填埋场设计寿命为40年，在前3个月不通电，3个月后每天通电5小时，利用电流传感器9采集电路中电流数据，并将数据传输到计算机10中储存分析。

(4)重金属离子的运移方向为从上到下，如图2中箭头所示，当渗滤液中重金属离子运移到高密度聚乙烯土工膜内部，给导电土工布加电压会在中间膨润粘土层内部形成稳定的电渗流场。

(5)在电场作用下，重金属离子会从阳极向阴极运动，即从下往上运动，这种反向运动会极大增长重金属离子从上向下运移击穿中间膨润粘土层和下部外层高密度聚乙烯土工膜的时间。施加电压之前膨润土微观结构为絮凝结构，施加电压后土体的微观结构由原来的絮凝结构变为颗粒堆积结构。除此之外，室内膨润土试验表明施加电压之前膨润土微观结构为絮凝结构，施加电压后土体的微观结构由原来的絮凝结构变为颗粒堆积结构，堆积颗粒尺寸大概在1-10μm之间。相较于絮凝结构，这种颗粒堆积结构更加密实，孔隙比更小，从而能更好地防止污染物的迁移扩散，隔离效果好，且与污染物的长期化学相容性好。

(6)计算机对电流数据进行实时分析，并对数据进行前后对比，当发现数据有异常情况时，则认为渗滤液局部或者大面积击穿了防渗垫层，随即触发报警装置，报警装置会发送短信到安全监测负责人手机，然后安全监测负责人对填埋场防渗衬垫系统进行安全排查并及时的采取措施。

(7)计算机对电流数据进行实时分析，并对数据进行前后对比，当发现数据有异常情况时，则认为渗滤液局部或者大面积击穿了防渗垫层，随即触发报警装置，报警装置会发送短信到安全监测负责人手机，然后安全监测负责人对填埋场防渗系统进行安全排查并及时的采取措施。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的相关人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。