湿堆磷石膏渣场黏土防渗层效果分析.pdf

固 废 处 理 湿堆磷石膏渣场黏土防渗层效果分析 刘宁 1 徐文龙 2 1. 上海交通大学， 上海200240;2. 城市建设研究院， 北京 100029 摘要 大规模磷石膏堆存一般使用水力填充的方法， 即采用湿堆磷石膏渣场。我国大多数现存湿堆磷石膏渣场均采用 黏土底垫层作为防渗层。通过对磷石膏渣场中酸性水的渗漏速率与渣场高度、 磷石膏的渗透特征、 黏土防渗层厚度以 及黏土渗透系数的关系进行分析。结果表明 由于湿堆磷石膏渣场黏土防渗层上部无渗沥液收集层， 即使黏土垫层达 到了一般工业固废填埋场防渗标准的要求， 湿堆磷石膏渣场的酸性工艺水渗漏量仍将远超过相同占地面积的一般工 业固废填埋场。在黏土垫层下部存在碳酸盐岩层的情况下， 从磷石膏渣场中渗漏的酸水还可能导致溶洞的出现和发 展， 进而导致黏土防渗层的塌陷和酸性工艺水的大规模渗漏， 最终造成更为严重的环境污染。 关键词 磷石膏; 渣场;渗滤;工业固废 EFFECTIVENESS OF CLAY LINER IN SEEPAGE CONTROL FOR WET PHOSPHOGYPSUM STACKS Liu Ning1Xu Wenlong2 1. Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China; 2. China Urban Construction Design ＆ Research Institute，Beijing 100029，China AbstractWet stacking is by far the most popular disposal for large-scale phosphogypsum disposal.Most phosphogypsum disposal facilities in China use clay liner to minimize downward seepage of acidic water into the environment. This paper shows that the volume of leacheate from a wet phosphogypsum stack is related to the stack height，permeability of phosphogypsum，thickness and permeability of clay liner，and can be dozens of times greater than that from a solid waste disposal facility with the same compacted clay liner due to the lack of a leacheate collection layer above the clay liner within the wet gypsum stack. If the underlying ation below the clay liner is carbonate rocks，the leakage of acidic water can result in the occurrence and development of sinkholes，which may lead to collapse of the clay liner and serious pollution to the environment. Keywordsphosphogypsum; stack;leakage;industrial solid wastes 1概述 现代磷资源主要通过使用磷酸盐岩制酸的方式 获得。通过硫酸与磷灰石反应制取磷酸 湿法制酸 是最为广泛采用的一种方式。 湿法制酸的过程中， 会产生大量的副产磷石膏。 每生产 1 t 的 P2O5， 将产生 4. 5 ～ 5. 5 t 的副产磷石 膏。磷石膏主要由二水硫酸钙 CaSO4 2H2O 组成， 并含有少量的硅化物及未反应的磷矿石。中国每年 产生的磷石膏超过 5 000 万 t。除少量磷石膏可用于 综合利用外， 大部分的磷石膏都需要进行堆存处理。 其中， 水力填充， 即建造湿堆磷石膏渣场， 是最为广泛 采用的堆存方法。 湿堆磷石膏渣场根据其堆存场所的特征， 一般可 分为平地型渣场和山谷型渣场， 见图 1 和图 2。平地 型渣场和山谷型渣场均需通过建造土质初期坝的形 式， 形成初始蓄渣区。磷石膏渣在磷肥生产厂区稀释 成浆后， 通过输浆管道泵送至初始蓄渣区。在初始蓄 渣区， 固体磷石膏颗粒逐渐沉淀， 固、 液逐渐分离。澄 清后的水一般输送回生产区， 用于稀释、 输送磷石膏， 以实现水资源的循环使用。这些循环使用的水通常 称之为工艺水。由于循环使用， 工艺水具有强酸性， 其 pH 值可低达 1. 0［ 1］。 当沉淀下来的磷石膏接近填满初始蓄渣区时， 一 般在靠近土质初期坝的磷石膏干滩面上挖取磷石膏 建造子堤， 形成新的蓄渣空间， 从而不断地抬升磷石 膏渣场。逐步抬升的磷石膏渣场最终高度可超过 19 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 100 m。由于澄清工艺水和调节工业生产用水平衡的 需要， 大型磷石膏渣场顶部通常蓄积有几万吨到上百 万吨的酸性工艺水。同时， 湿堆渣场内部磷石膏颗粒 间的孔隙也是被酸性工艺水饱和填充的。 图 1平地型磷石膏渣场 图 2山谷型磷石膏渣场 在我国， 对磷石膏渣场的防渗处理措施尚无统一 标准， 大多数磷石膏渣场沿用第 II 类 GB 18599 2001 一般工业固废堆存设施防渗标准 ， 使用人工 或天然黏土底垫层作为防渗层。 本文通过建立磷石膏渣场渗流模型， 对湿堆磷石 膏渣场酸性工艺水的渗漏速率与渣场高度、 黏土防渗 层厚度、 黏土渗透系数和磷石膏渗透系数的关系进行 了分析。在分析的基础上对黏土垫层的有效性及酸 性工艺水渗漏可能造成的影响进行了评估。 2水力填充磷石膏的密度及其渗透性 图 3磷石膏干密度随沉积深度变化关系 沉积磷石膏在上部新增磷石膏的压力作用下因 固结变形而变得密实。此外， 沉积磷石膏还会随时间 推移而产生可观的次固结变形量 蠕变 。图 3 显示 了我国西南地区一处湿堆渣场中实测的沉积磷石膏 在不同深度的干密度。此处， 干密度定义为不含孔隙 水的单位体积磷石膏的质量。 如图 3 所示， 磷石膏的干密度 γd与其在渣场中 的堆存深度 Z 的关系大致可以用公式 1 表示。 γd 1. 124 0. 008Z 1 虽然不同磷石膏渣场中磷石膏干密度随深度的 变化的情况会因磷矿石的成分、 渣场的上升速度、 渣 场防渗层的渗透性等因素的不同而有所不同， 但公式 1 大致反映了湿堆渣场中磷石膏干密度的变化情 况， 具有一定的代表性。因此， 在分析中， 使用了该公 式计算不同埋深磷石膏的干密度。磷石膏的干密度 与其孔隙率之间存在着式 2 关系。 e GSγW γd － 1 2 其中 e 为孔隙率; Gs 为磷石膏的密度; γW为水的密 度取 0. 981 t/m3 ;γ d为磷石膏的干密度， kN/m 3。 磷石膏的渗透系数随孔隙率的减小而减小。对 于水力填充的磷石膏渣场， 磷石膏的竖向渗透系数 kv m/s 与其孔隙率 e 之间的关系大致如式 3 ［ 2］。 kv 3. 83 10 －6e4. 75 3 由于磷石膏渣逐层排放堆存的特点， 磷石膏渣可 按其在渣场中堆存的年数分层， 如图 4 所示。每层磷 石膏因其堆存时间和堆存深度不同， 其竖向渗透系数 也不相同。此外， 出于保持工业生产水量平衡和澄清 工艺水的需要， 渣场顶部需保持一定量的工艺水。因 此， 磷石膏渣场底部黏土防渗层之上无法设置渗沥液 收集层， 磷石膏渣与黏土防渗层直接接触。磷石膏与 黏土防渗层一起构成了相对于磷石膏渣面以上酸性 工艺水的复合防渗层。 图 4湿堆磷石膏渣场渗流模式 假定磷石膏渣每年上升 5 m， 共运行 10 a， 则渣 29 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 场可分为 10 层， 运行末期各分层的平均深度， 以及由 公式 1 、 式 2 和式 3 计算的平均干密度、 孔隙率 和垂直渗透系数列于表 1 中。 表 1运行时间 10 a、 最终高度 50 m 的 磷石膏渣场各分层磷石膏性质 分层 平均深度 / m 平均干密度 / t m － 3 孔隙率 垂直渗透系数 / m s － 1 12. 51. 141. 013. 95 10 － 6 27. 51. 180. 942. 84 10 － 6 312. 51. 220. 882. 04 10 － 6 417. 51. 260. 821. 46 10 － 6 522. 51. 300. 761. 04 10 － 6 627. 51. 340. 717. 43 10 － 6 732. 51. 380. 665. 27 10 － 7 837. 51. 420. 613. 72 10 － 7 942. 51. 460. 572. 61 10 － 7 1047. 51. 500. 531. 82 10 － 7 3磷石膏渣场酸性工艺水渗漏量分析 通过由磷石膏渣和黏土防渗层共同构成的复合 防渗层的酸性工艺水渗漏量可用达西定律计算 ［ 3］。 见式 4 。 q kiA 4 其中k 为由磷石膏渣与黏土防渗层构成复合防渗层 的综合竖向渗透系数， m/s; i 为综合水流梯度; A 为堆 存设施面积， m2。 由磷石膏渣与黏土防渗层构成复合防渗层的综 合竖向渗透系数可用公式 5 表示。 k H ∑ n n 1 Hi k i Hc kc 5 其中 H 为磷石膏渣与黏土防渗层构成的复合防渗层 的总厚度， m; ki为第 i 层磷石膏层的竖向渗透系数， m/s; Hi为第 i 层磷石膏层的厚度， m; kc为黏土防渗 层的竖向渗透系数， m/s; Hc为黏土防渗层的厚度， m; n 为磷石膏渣场使用的年数 即磷石膏渣层数 。 由磷石膏渣与黏土防渗层构成复合防渗层中的 综合水流梯度见式 6 。 i zA hA－ zA－ hB H H H hA－ hB H 6 其中 zA和 hA为磷石膏渣面 A 处的位置水头和压力 水头; hB为黏土垫层底部 B 处的位置水头和压力水 头 见图 4 。 在回流重复利用工艺水之前， 需先澄清磷石膏 浆。因此， 湿堆磷石膏渣场的顶部常年蓄积有一定量 的工艺水。在此分析中， 假定渣场顶部蓄积有 1 m 深 的酸性工艺水。因此， 磷石膏渣面 A 处的压力水头 hA 1 m。假定通过黏土防渗层后的酸性工艺水可自 由流走， 即黏土防渗层下部的岩层或土层对渗过黏土 防渗层后的酸性工艺水流失无限制， 则 hB 0 m。 GB 185992001 规定 贮存、 处置第 II 类一般工 业固体废物的场区 II 类场 ， 黏土防渗层的厚度应 不小于 1. 5 m， 渗透系数不大于 10 － 7 cm/s。此外， 该 标准还规定， II 类场应设计渗沥液集排水设施。此要 求与 采 用 单 一 黏 土 垫 层 的 垃 圾 填 埋 场 规 范 与 CJJ 1132007 生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程 技术规范 相同， 其目的是收集并尽快将固体废弃物 中残存的渗沥液排出堆存设施， 填埋场渗流模式如 图 5所示。为了尽可能地减小黏土防渗层上部的压 力水头， 渗沥液收集层中的渗沥液深度一般不应超过 30 cm［ 4］。 图 5铺设压实黏土垫层和渗沥液收集层的一般 固体废弃物 II 类 填埋场渗流模式 湿堆磷石膏渣场水力填充的运行模式决定了渣 场底部不太可能铺设如图 5 中所示的渗沥液收集层。 因此， 磷石膏渣是与黏土防渗层直接接触的。此外， 为了节约成本， 存在厚度较大的天然黏土表土层的地 区， 一般都不再额外铺设压实黏土垫层。这些天然黏 土层的厚度虽然较大， 但其渗透系数一般达不到低于 10 － 7 cm/s 的要求。 对采用两种典型黏土防渗层的湿堆磷石膏渣场 渗沥液渗漏量进行了分析。一种为达到 GB 18599 2001 要求的压实黏土防渗层。假定此压实黏土防渗层 39 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 的厚度为 1. 5 m， 渗透系数为 10 － 7 cm/s; 另一种为渗 透系数未达到 GB 185992001 要求， 但是厚度较大 的天然黏土防渗层。假定此天然黏土防渗层厚度为 5 m， 渗透系数为 10 － 6 cm/s。如磷石膏渣面每年上升 5 m， 共运行 10 a。使用公式 4 、 式 5 和式 6 计算 得出的各年磷石膏渣与黏土防渗层构成的复合防渗 层的厚度、 综合水流梯度、 综合渗透系数及单位面积 渗流量列于表 2 中。 表 2采用压实黏土防渗层和天然黏土防渗层的磷石膏渣场酸性工艺水渗漏速率对比 时间 / 年 1. 5 m 厚夯实黏土垫层， kv 10 － 7cm/s 5 m 厚天然黏土垫层， kv 10 － 6 cm/s 复合防渗层 厚度 /m 综合水流 梯度 综合渗透系 数 / cm s － 1 渗漏速率 / m3m － 2a－ 1 复合防渗层 厚度 /m 综合水流 梯度 综合渗透系 数 / cm － 1s 渗漏速率 / m3m － 2a－ 1 16. 51. 154. 33 10 － 7 0. 16101. 102. 00 10 － 6 0. 69 211. 51. 097. 66 10 － 7 0. 26151. 072. 99 10 － 6 1. 00 316. 51. 061. 10 10 － 6 0. 37201. 053. 96 10 － 6 1. 31 421. 51. 051. 42 10 － 6 0. 47251. 044. 91 10 － 6 1. 61 526. 51. 041. 75 10 － 6 0. 57301. 035. 84 10 － 6 1. 90 631. 51. 032. 07 10 － 6 0. 67351. 036. 72 10 － 6 2. 18 736. 51. 032. 39 10 － 6 0. 77401. 037. 57 10 － 6 2. 45 841. 51. 022. 70 10 － 6 0. 87451. 028. 37 10 － 6 2. 70 946. 51. 023. 00 10 － 6 0. 97501. 029. 12 10 － 6 2. 93 1051. 51. 023. 30 10 － 6 1. 06551. 029. 81 10 － 6 3. 15 磷石膏渣场一般占地面积较广。年蓄渣量在 200 万 t 以上的磷石膏渣场， 其占地面积一般都超过 0. 5 km2。如渗漏过黏土防渗层的酸性工艺水可经下 部岩 层 土 层不 受 限 制 地 渗 漏 的 情 况 下， 一 座 0. 5 km2的磷石膏渣场， 如采用 1. 5 m 厚、 防渗系数 10 － 7 cm/s 的夯实黏土垫层， 渣场运行 10 a 后， 该渣 场每年释放到环境中的酸水量可达到 5 105m3 ; 如 采用 5 m 厚的、 防渗系数 10 － 6 cm/s 左右的天然黏土 垫层， 渣场运行 10 a 后， 每年释放到环境中的酸水量 可达到15 105m3。 与湿堆型磷石膏渣场不同， 一般工业固废填埋场 或者城市垃圾填埋场的黏土防渗层上部均设有渗沥 液收集层。无论填埋场中固体废弃物的堆存厚度为 多高， 渗沥液收集层中渗沥液高度 Hw一般不允许超 过 30 cm 见图 5 。假定一般工业固废填埋场的渗沥 液收集层由垂直渗透系数 kv 10 － 1 cm/s 的粗砂构 成， 防渗层由厚度为 1. 5 m、 垂直渗透系数10 － 7 cm/s 黏土层构成， 由于渗沥液收集层的渗透系数远大于黏 土防渗层的渗透系数， 在渗沥液收集层中的水头损失 可以忽略不计。如渗沥液收集层中的渗沥液深度为 30 cm， 则由公式 6 计算的黏土防渗层中的水流梯 度 i 为 1. 2。用公式 4 计算的通过黏土防渗层的渗 沥液渗漏速率为 0. 038 m3/ m2a 。 图 6 显示了磷石膏渣场酸性工艺水渗漏速率相 对于上述一般工业固废填埋场渗沥液渗漏速率的倍 数。从图 6 可 以 看 出 即使磷石膏渣场 采 用 符 合 GB 185992001 Ⅱ类 的压实黏土防渗层， 其酸性 工艺水的渗漏速率也远大于一般工业固废填埋场的 渗沥液渗漏速率， 且酸性工艺水的渗漏速率随渣场高 度的增加不断增加， 在渣场运行的后期可达到一般工 业固废填埋场渗沥液渗漏速率的 20 倍 ～ 30 倍。如 磷石膏渣场采用渗透系数大于 10 － 7 cm/s 的天然黏 土垫层， 其酸性工艺水的渗漏速率将更大。 图 6磷石膏渣场酸性工艺水渗漏速率相对于一般 工业固废填埋场渗沥液渗漏速率的倍数 4讨论 上述渗流分析假定通过磷石膏渣场黏土防渗层 49 环境工程 2011 年 4 月第 29 卷第 2 期 的酸性工艺水流动呈稳定渗流状态。在渣场运行的 初期， 由于黏土防渗层未完全饱和且酸性水需置换掉 黏土防渗层中的孔隙水， 渗过黏土垫层的酸性工艺水 水量可能小于本文计算的酸性工艺水渗漏量。然而， 在一段时期后， 通过黏土垫层的酸性工艺水流动终将 达到稳定渗流状态， 如果渗过黏土垫层后的酸性工艺 水可以不受限制地流失， 且黏土防渗层的厚度和渗透 性均无显著变化， 磷石膏渣场酸性工艺水的渗漏速率 将达到表 2 中所示的水平。 与垃圾填埋场产生的渗沥液不同， 磷石膏渣场中 的工艺水呈强酸性， 并含有浓度很高的各种盐分。一 方面， 酸性工艺水可能导致黏土垫层中对降低黏土渗 透性起关键作用的矿物成分 如蒙脱土 发生絮凝作 用 ［ 5］。如果黏土层中含有由碳酸盐岩风化形成的冲 洪积或坡洪积黏土， 酸性工艺水还将与黏土层中的碳 酸盐矿物成分发生化学反应。这两者都会使得黏土 渗透系数增大， 进而使得酸性工艺水渗漏速率增大。 另一方面， 酸性工艺水中所含盐分可能在磷石膏渣与 黏土垫层的交界面沉淀， 从而形成一层致密的、 渗透 性很低的结垢层。如果此结垢层不因下部黏土层的 不均匀沉降而破碎， 磷石膏渣场的酸性工艺水渗漏速 率将因该结垢层的存在而减小。这两方面因素作用 相抵消， 但是其作用在现阶段均难以量化。因此， 在 上述渗流分析中没有考虑它们的影响。 如果磷石膏渣场的黏土防渗层下部为碳酸盐岩层， 渗漏的酸性工艺水将会与碳酸盐岩反应， 从而使碳酸盐 岩层中产生溶洞、 融槽等岩溶特征， 这些新产生的或者 原碳酸盐地层中已存在的岩溶特征将随酸水的渗漏而 不断发展， 使得黏土垫层下部形成空洞。当黏土垫层上 覆压力大于其承载力时， 空洞上方的黏土防渗层将塌 陷， 从而导致存储在磷石膏渣场内部的大量酸水经塌陷 进入下部碳酸盐岩地层， 造成严重的环境污染。 与城市垃圾填埋场不同， 磷石膏渣场中磷石膏颗 粒间的孔隙是被酸性工艺水饱和填充的。一座容积 为 3 107t 的大型磷石膏渣场在其闭库时渣场中残 存酸性工艺水的总量超过 1 107t。由于磷石膏的 蠕变特性， 磷石膏渣场的沉降变形可持续数十年之 久。与此相对应的， 孔隙中酸性工艺水的最终排出也 将延续数十年。因此， 如果防渗层不能做到完全隔绝 磷石膏渣场和地下含水层， 一座大型磷石膏渣场所造 成的污染在渣场闭库后还可能延续数十年之久。 5总结及建议 大多数大型磷化工企业采用水力填充方式堆存 磷酸生产的副产品 磷石膏。输送磷石膏的酸性 工艺水污染物含量较高， 因此， 需对堆存设施 渣场 作防渗处理。本文通过建立湿堆磷石膏渣场垂直渗 流模型， 对采用黏土防渗垫层的磷石膏渣场酸水渗漏 速率进行了分析。 分析结果表明 由于湿堆磷石膏渣场无法设置渗 沥液收集层， 通过黏土防渗层的酸水渗漏速率随渣场 高度的上升不断增加。即使磷石膏堆存设施采用了 满足一般工业固废填埋场要求的黏土防渗层 厚度 1. 5 m、 渗透系数 10 － 7 cm/s ， 且黏土防渗层的渗透系 数不因酸水作用而增大， 数年以后， 磷石膏渣场的酸 性工艺水渗漏速率可达到一般工业固废填埋场渗沥 液渗漏速率的 20 倍以上。如采用渗透系数达不到一 般工业固废填埋场规范要求的天然黏土防渗层， 酸性 工艺水的渗漏速率将更大。为了保护环境， 特别是为 避免碳酸岩地区黏土垫层下覆岩层出现溶洞而造成 大规模酸水泄漏事故， 湿堆磷石膏渣场需要采用铺设 抗强酸的高密度聚乙烯 HDPE 防渗膜等更有效的 防渗措施 ［ 6］。 参考文献 ［1 ］ Wissa A E Z. 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