用于煤燃烧产物填埋场的土工合成黏土衬垫：环境影响评估

《Journal of Environmental Management》：Geosynthetic clay liner for coal combustion product landfill: An environmental impact assessment

飞灰渗滤液导致土工合成材料渗透系数异常升高，本研究通过实验室测试和模拟评估钠基膨润土及聚合物复合膨润土土工合成材料（GCLs）对三种不同浓度飞灰渗滤液的处理效果，发现聚合物含量影响抗压缩能力，进而影响渗透系数。结合渗滤液离子特性与模拟结果，提出GCLs选型建议。

　　

光英普|新月王|金平田|雷世|余坦|陈璐军

清华大学环境学院，北京，100084，中华人民共和国

引言

煤燃烧产物（CCPs）是燃煤电厂产生的废弃物，在美国曾广泛被倾倒在不加衬里的地表蓄水池中（USEPA，2025年）。许多这些未加衬里的蓄水池因释放砷（As）和汞（Hg）等重金属而被确认为地下水污染的来源（Brandt等人，2019年；Harkness等人，2016年；Venkatanaga Chandra和Ghosh，2024年；Wang等人，2022a,b和2023年）。为了保护地下水，美国环境保护署（EPA）要求关闭这些未加衬里的蓄水池（USEPA，2024a年）。此外，当CCPs位于地下水位以下时，需要将这些废弃物挖掘出来并重新处置在加衬里的垃圾填埋场中（Kumar和Reddy，2024年）。因此，许多专门用于处置CCPs的垃圾填埋场已经建成，其中一些填埋场的建造成本超过了1000万美元。

在美国，用于处置CCPs的加衬里垃圾填埋场是非危险性固体废物填埋场，采用复合衬里系统，其中土工膜覆盖在粘土衬里之上（Benson等人，2018年；USEPA，2024a年）。类似的复合衬里系统也应用于南非和中国的垃圾填埋场（政府公报，2013年；MEE，2020年）。粘土衬里必须具有非常低的水力传导性，以减少对环境的污染（Foose等人，2002年）。因此，这些填埋场至少需要0.61米厚的压实粘土衬里（CCL），其水力传导性应低于1×10^-9米/秒（联邦公报，1991年；Tan等人，2023年）。法规还规定可以使用其他替代衬里系统，只要其泄漏率能够达到或低于CCL的水平，包括土工合成粘土衬里（GCLs）（Chen等人，2018年，2019年；MEE，2020年；USEPA，2024a年）。

由于GCLs安装速度快、可节省废物储存空间且水力传导性极低（Shackelford等人，2000年；Weerasinghe等人，2020年），它们已被广泛用于替代CCLs。然而，传统的钠基膨润土（NaB）GCLs容易受到废物渗滤液的影响（Jo等人，2001年，2004年，2005年；Katsumi等人，2007年；Kolstad等人，2004年；Yang等人，2022年），包括CCPs产生的渗滤液。这意味着NaB GCLs在处理去离子水（DIW）或稀释的废物渗滤液时可以表现出极低的水力传导性（2×10^-11米/秒），但在处理浓度高且含有大量二价阳离子的CCPs渗滤液时，其水力传导性可能高达1.2×10^-6米/秒（Chen等人，2018年；Tan等人，2024a年）。CCPs渗滤液中的二价阳离子会压缩GCLs中的膨润土，导致膨润土颗粒间的孔隙被打开，从而使水力传导性增加（Hou等人，2023年）。因此，NaB GCLs无法用于处理某些具有高腐蚀性的CCPs，但目前尚无明确的标准来判断在何种情况下不能使用NaB GCLs。

为了处理高浓度和含有大量二价阳离子的废物渗滤液，研究人员开发了膨润土-聚合物复合（BPC）GCLs（Benson等人，2022年；Chen等人，2023年，2024年；Li等人，2020年；Scalia和Benson，2017年；Scalia等人，2014年），其中一些GCLs是专门为处理CCPs渗滤液而设计的。然而，并非所有BPC GCLs都能对CCPs渗滤液表现出低水力传导性。Chen等人（2019年）评估了7种BPC GCLs在渗透五种合成CCPs渗滤液后的水力传导性，结果发现38个样本中有10个的水力传导性高于1×10^-9米/秒，3个样本的水力传导性高于1×10^-7米/秒。这表明，如果不能有效抑制GCLs中膨润土的膨胀且聚合物不足以填充膨润土颗粒间的孔隙，BPC GCLs也可能对CCPs渗滤液表现出较高的水力传导性（Chen等人，2024年；Li等人，2020年；Scalia等人，2014年；Tian等人，2019年）。因此，BPC GCLs在不同类型的CCPs渗滤液中的适用性仍不明确。

此外，现行的法规设计缺乏针对不同阳离子种类和浓度下的GCL水力传导性的定量标准。通常情况下，GCL的水力传导性应低于CCL（<10^-9米/秒），因为GCL的厚度更薄（约0.01米 vs 0.61米）。目前仍难以确定某种GCL复合衬里的水力传导性是否足够低，以实现与CCL复合衬里相当或更低的泄漏率（Foose等人，2001年，2002年；Marchiori等人，2025年）。需要进行泄漏和污染物传输评估，以预测GCL衬层下的泄漏率（Okine等人，2025年；Shu等人，2019年；Tang等人，2018年；Zhang等人，2025年），从而判断GCL是否适用于CCPs渗滤液。如果没有可靠的污染物传输预测，垃圾填埋场衬层的环境影响评估将缺乏依据，也无法准确量化泄漏可能造成的污染（Li等人，2023年）。

在这项研究中，我们在建造用于处置CCPs的垃圾填埋场之前，使用三种市售GCLs对三种真实的CCPs渗滤液进行了测试。这三种GCLs包括一种NaB GCL和两种BPC GCLs，它们使用相同的膨润土但聚合物含量不同。含有较高聚合物含量的BPC GCL专为处理高浓度和具有腐蚀性的CCPs渗滤液而设计。这三种CCPs渗滤液都含有大量二价阳离子，但浓度和离子强度各不相同。我们对这三种GCLs在三种CCPs渗滤液作用下的水力传导性进行了测试，并根据美国CCPs渗滤液地球化学数据库的结果将其应用范围进行了扩展。同时，还量化了CCPs渗滤液通过衬层泄漏对淡水生态的毒性影响。本文还为相关行业和监管机构提供了关于选择GCL用于CCPs垃圾填埋场的实际建议。

研究节选

CCPs渗滤液

从CCPs地表蓄水池中收集了三种渗滤液，这些渗滤液将用于加衬里的垃圾填埋场。使用pH计和电导率仪测量了渗滤液的pH值和电导率。根据USEPA方法6010D和6020B（USEPA，2014a，USEPA），通过电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES）测量了主要元素的阳离子和阴离子浓度，通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测量了次要和痕量元素的浓度（USEPA，2014a，USEPA）。

GCL在CCPs渗滤液作用下的水力传导性

图2展示了以MI渗滤液为例的NaB GCL的水力传导性变化情况。GCL的水力传导性在30天内保持恒定且较高，随后逐渐降低至2×10^-11米/秒，之后又保持恒定50天，之后再次逐渐上升并在140天时再次稳定。这是Bradshaw和Benson（2014年）报告的NaB GCL水力传导性的典型变化趋势。

GCL的适用性

美国CCPs蓄水池中孔隙水的化学成分（表S1）有助于扩展本研究的应用范围。如表S1所示，所有CCPs渗滤液中的痕量元素的浓度均低于其最大允许浓度（MCL），除了砷（As）。即使是在CCPs渗滤液中的最高浓度情况下，大多数元素的浓度也低于MCL，这表明这些元素不会对地下水造成污染。因此，只有少数元素需要特别关注。

结论

本研究结合了实验室实验、污染物传输模拟和环境影响评估，评估了在垃圾填埋场中使用GCL处置遗留CCPs的环境影响，并为相关行业和监管机构提供了选择GCL的建议。我们对一种NaB GCL和两种BPC GCL在渗透三种真实CCPs渗滤液后的水力传导性进行了测试。这三种CCPs渗滤液的化学性质各不相同。

CRediT作者贡献声明

光英普：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、软件使用、资源准备、方法论设计、数据整理。新月王：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论设计。金平田：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。雷世：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、概念构思。余坦：数据可视化、验证、软件使用、资源准备、方法论设计、实验实施。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52170181）的支持。