湿堆磷石膏渣场渗沥液层防渗层技术研究

湿堆磷石膏渣场渗沥液层防渗层技术研究

1湿堆磷石膏渣场渗流模型现代磷资源主要通过含磷岩酸的磷酸处理获得。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1t的P2O5,将产生4.5~5.5t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5000万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。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100m。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。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GB18599—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湿堆渣场中磷石膏的干密度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。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。其中:e为孔隙率;Gs为磷石膏的密度;γW为水的密度取0.981t/m3;γd为磷石膏的干密度,kN/m3。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)。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。假定磷石膏渣每年上升5m,共运行10a,则渣场可分为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。3湿堆磷石膏渣场渗沥液及渗流模式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。见式(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。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)。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1m深的酸性工艺水。因此,磷石膏渣面A处的压力水头hA=1m。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=0m。GB18599—2001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1.5m,渗透系数不大于10-7cm/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CJJ113—2007《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30cm。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10-7cm/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GB18599—2001要求的压实黏土防渗层。假定此压实黏土防渗层的厚度为1.5m,渗透系数为10-7cm/s;另一种为渗透系数未达到GB18599—2001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5m,渗透系数为10-6cm/s。如磷石膏渣面每年上升5m,共运行10a。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。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0.5km2。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0.5km2的磷石膏渣场,如采用1.5m厚、防渗系数10-7cm/s的夯实黏土垫层,渣场运行10a后,该渣场每年释放到环境中的酸水量可达到5×105m3;如采用5m厚的、防渗系数10-6cm/s左右的天然黏土垫层,渣场运行10a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30cm(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=10-1cm/s的粗砂构成,防渗层由厚度为1.5m、垂直渗透系数10-7cm/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30cm,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0.038m3/(m2·a)。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GB18599—2001(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10-7cm/s的天然黏土垫层,其酸性工艺水的渗漏速率将更大。4酸性工艺水的渗流规律上述渗流分析假定通过磷石膏渣场黏土防渗层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。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渣场酸水渗漏速率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