放射性廢物填埋場防滲系統(tǒng)探究

＊王文軒 沈楨琪 楊美健 鮑芳

（中國核電工程有限公司 北京 100080）

極低水平放射性廢物（VLLW）是指廢物中放射性核素活動濃度接近或者略高于豁免水平或解控水平。該類極低放廢物主要包括退役產(chǎn)生廢物。除此之外，核燃料循環(huán)設施生產(chǎn)及退役過程中會產(chǎn)生一些含天然核素的放射性廢物。

鑒于極低放廢物和含天然核素的放射性廢物的放射性污染特性，對該類廢物的處置需考慮采取有限的包容和隔離措施，可以在地表填埋設施處置，或者按照國家固體廢物管理規(guī)定，在工業(yè)固體廢物處置場中處置的廢物。

填埋場防滲系統(tǒng)作為固體廢物填埋場的主要功能單元，通過滲濾液收集系統(tǒng)、防滲層以及封場組成的防滲系統(tǒng)，在一定時期內(nèi)有效防止?jié)B濾液或其他有毒有害物質(zhì)進入土壤、地下水造成污染，同時防止場外水進入填埋區(qū)的有效屏障。防滲層防滲方式分為天然防滲和人工防滲。

1.極低放填埋場防滲系統(tǒng)

(1)滲濾液收集系統(tǒng)

滲濾液收集系統(tǒng)收集并將滲濾液排放至指定地點并排出，防止場內(nèi)滲濾液積聚，保證運行期間防滲系統(tǒng)正常工作。滲濾液主要來源于：①降水；②地下水；③廢物及覆蓋材料中的水分；④有機物分解生成水。填埋場滲濾液積聚會導致以下問題：①滲濾液積聚致使場內(nèi)水位升高，放射性核素或其他有毒有害物質(zhì)進入滲濾液中使污染物濃度升高，最終進入天然土壤或者地下水導致污染；②滲濾液積聚導致防滲層上部靜水壓力增加，滲濾液能夠更快滲透防滲層進入地下；③滲濾液積聚可能會導致場內(nèi)滲濾液溢出，污染填埋場四周環(huán)境。

極低放廢物填埋場滲濾液收集系統(tǒng)的設計，根據(jù)當?shù)貧夂蛱攸c，采取分區(qū)或單一排布滲濾液導排管的方式，將滲濾液排至滲濾液收集池的方式防止填埋場滲濾液積聚導致防滲層上部靜水壓力增加，防止?jié)B濾液加速向地下滲透，同時及時將滲濾液排出以防止?jié)B濾液中污染物濃度增加。

(2)人工材料防滲層

目前國內(nèi)外環(huán)保工程領域人工防滲層一般采用高密度聚乙烯膜（HDPE膜）、膨潤土防水毯（GCL）作為防滲材料。HDPE膜的主要作用為隔斷水氣，GCL作為膜下保護層，鋪設需要盡可能平整，使GCL和HDPE膜緊密結(jié)合，減少其間因滲透或缺陷造成的界面滲流，盡可能阻止?jié)B濾液進入土壤和地下水。HDPE膜上鋪設長絲土工布和覆土層，覆土層防止HDPE膜被刺穿，長絲土工布因其具有良好的抗淤堵和抗蠕變性能，適合作為無粘性土的濾層。

HDPE膜是國內(nèi)外環(huán)保工程領域廣泛使用的防滲材料，具有以下特點：①防滲系數(shù)遠高于普通防水材料；②優(yōu)良的彈性、變形能力和機械強度；③穩(wěn)定的化學性質(zhì)和耐老化性能。GCL通常用作HDPE膜的保護層鋪墊在HDPE膜下方，其吸水高膨脹的性能使其能在HDPE被刺穿時能夠自動膨脹填補漏洞，優(yōu)秀的防滲能力足以延緩滲濾液等物質(zhì)的滲透。一般要求HDPE膜滲透系數(shù)應小于1.0×10-12cm/s，膜厚度不小于1.5mm，GCL的密度不小于600g/m2。

在工程實踐中，極低放廢物填埋場防滲系統(tǒng)設計應根據(jù)填埋廢物的特征和場址的巖土特性、當?shù)貧夂驐l件和防滲材料的可獲得性及技術經(jīng)濟比較，進行合理的設計。填埋單元防滲層包括：底部防滲層、邊坡防滲層和頂蓋防滲層。底部防滲層和邊坡防滲層由于其功能性一致，選用的防滲材料可一起考慮。為了有效保護防滲層，防滲層鋪設前，對單元基礎底部處理平整，防止有石塊、土塊等突出物，表面無積水、無雜物，平整后做夯實處理。

(3)天然材料防滲層

根據(jù)國內(nèi)外相關經(jīng)驗，天然防滲材料一般采用粘土等易獲得的天然材料。影響粘土防滲性能的主要因素有塑性指數(shù)、粒徑和粘土層的壓實系數(shù)及滲透系數(shù)。結(jié)合《GBT28178-2011極低水平放射性廢物的填埋處置》和相關工程設計經(jīng)驗，粘土層壓實系數(shù)應不小于0.94，滲透系數(shù)應不大于1.0×10-7cm/s。

(4)封場

填埋場封場結(jié)構又稱為覆蓋層，其設計應考慮當?shù)貧庀髼l件、人員和動物的活動情況。當填埋場完成廢物填埋，達到設計填埋標高和設計容量時，應及時進行封場處理，以提高表面排水和防滲能力，阻止大氣降雨進入填埋區(qū)內(nèi)，從而盡可能減少滲濾液的產(chǎn)生量，防止生物和人為活動對填埋場的侵擾，防止風雨的侵蝕產(chǎn)生水土流失以及對廢物堆體的影響。

2.含天然核素放射性廢物填埋

隨著我國核燃料循環(huán)設施的生產(chǎn)及退役，產(chǎn)生了一定量的含有高于免管水平天然放射性核素的廢物，此類廢物的處置方式現(xiàn)在沒有定論，下面將對于含有天然放射性核素的廢物進行填埋的可能性進行論證，并探討該類廢物填埋場防滲層的設計思路。

(1)含有天然核素放射性廢物填埋的可能性論證

根據(jù)我國放射性廢物分類標準，對于含有較高水平天然放射性核素的廢物，需要根據(jù)輻射防護最優(yōu)化的劑量準則進行監(jiān)護，廢物監(jiān)護時間需要足夠長以保證廢物處置的安全性，標準中明確指出大多數(shù)含有天然放射性核素的廢物可以在地表填埋設施中處置。由此可見，含有天然放射性核素的廢物進行地表埋藏是可行的。

根據(jù)我國極低放填埋處置的要求，對于天然核素放射性廢物進行極低放填埋，238U、235U和232Th天然放射性衰變系列中的任何一個核素，以免管值作為這些天然放射性核素的活度濃度指導值，即一噸以下的含天然放射性核素的極低放廢物，核素的活度濃度指導值為10Bq/g；廢物的總量超過一噸的含天然放射性核素的極低放廢物，每個填埋單元核素平均活度濃度不大于1Bq/g，對于處置條件較好的填埋場，經(jīng)監(jiān)管部門批準，可以適當放寬核素濃度限值。

綜合可知，含有天然放射性核素的廢物進行地表填埋是可行的，天然放射性核素的活度濃度低于1Bq/g的可以作為極低放廢物進行填埋。對于天然放射性核素活度濃度大于1Bq/g的放射性廢物，其填埋處置應該根據(jù)輻射防護最優(yōu)化原則，對處置條件進行分析論證，經(jīng)監(jiān)管部門批準，進行地表填埋。當含天然核素廢物活度濃度過大，不宜進行地表填埋處置。同時，含有高于免管天然放射性核素活度濃度的廢物由于其監(jiān)管時間較長，建議不與以人工放射性核素為主的極低放填埋場混合填埋，而單獨設計填埋單元進行單獨管理。

(2)含有天然核素放射性廢物填埋的防滲設計思路

我國極低放廢物填埋場運行時間一般為30年左右，防滲系統(tǒng)多采用壽命為幾十年的人工防滲材料，沒有針對長壽命天然放射性核素的防滲設計。國外Wisconsin-Madison大學的KuoTian等研究了不同溫度和是否存在放射性影響下的HDPE膜的使用壽命，研究表明HDPE膜理論使用壽命將長于650年，即使如此，相較于天然放射性核素的壽命，其使用壽命也遠遠不夠。因此，對于含天然核素的放射性廢物的填埋，需要考慮能夠長期保持防滲性能的天然防滲材料設計。

我國對于伴生放射性物料貯存及固體廢物填埋和尾礦庫相關的設計規(guī)范中均有對含天然核素放射性廢物填埋設施防滲層設計的相關規(guī)定。《GB50863-2013尾礦設施設計規(guī)范》中指出，為了隔離尾礦、礦漿水和外部環(huán)境，防止地下水或地表水進入尾礦庫內(nèi)，可以采取天然黏土防滲結(jié)構、人工復合防滲結(jié)構或者雙層人工復合防滲結(jié)構三種設計方式，由于大多數(shù)尾礦庫不具備天然黏土做防滲層的條件，所以多采用人工復合或雙層人工復合防滲設計。《伴生放射性物料貯存及固體廢物填埋輻射環(huán)境保護技術規(guī)范（試行）》指出伴生放射性廢料貯存及固體廢物填埋需要采用多層防滲結(jié)構，防滲結(jié)構從下至上依次為天然基礎層、天然材料防滲層、雙人工防滲襯層。可以看出，對于含天然核素的廢物填埋，雖然人工防滲材料使用壽命短，但防滲系統(tǒng)設計中也應加以應用。

綜上所述，對于極低放填埋場含天然核素放射性廢物填埋的防滲系統(tǒng)設計，應以天然防滲材料設計為主，保證能夠?qū)μ盥駡鲞M行長期防護。但考慮到填埋場所在地氣象、地質(zhì)、水文等條件的差異，應根據(jù)實際情況添加人工材料防滲結(jié)構的設計，對于具備雨雪較少、地下水較深等良好條件的填埋場，可以添加簡單的人工材料防滲設計，對于不具備良好條件的填埋場，應添加復合人工材料防滲設計。

3.結(jié)論

對于放射性廢物填埋場的設計，防滲系統(tǒng)設計是填埋場設計的關鍵環(huán)節(jié)，關系到填埋場在運行期間能否和地下水、土壤完全隔離，不對環(huán)境造成影響。對于含有不同種類的放射性廢物的填埋設施，在設計中應根據(jù)核素種類、特性等進行必要的區(qū)分，應從多方面對填埋處置要求進行分析，并制定相應的設計方案：

（1）由于人工核素與天然核素的特性差別，在采用填埋方式對放射性廢物進行處置時，應該對兩類核素污染的廢物進行分別處置，避免交叉處置。

（2）對于不含天然核素極低放射性廢物的填埋，防滲設計應根據(jù)場地地質(zhì)條件綜合考慮，目前，選擇粘土、HDPE膜、GCL和土工布復合使用是一種較好的方式，具備滿足防滲能力且技術成熟的優(yōu)點。

（3）對于含天然核素放射性廢物的填埋，考慮到天然核素半衰期長，人工防滲材料不具備足夠長使用壽命等因素，在設計中應結(jié)合地質(zhì)條件、核素的類型及活度、工程屏障的特性等因素，結(jié)合環(huán)境影響評價的結(jié)論進行選址、接收限值的確定、防滲層設計方案的比選。