淺析赤泥堆場防滲工藝設(shè)計

陳 寧 ,藍 蓉

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南昆明 650051)

淺析赤泥堆場防滲工藝設(shè)計

陳 寧 ,藍 蓉

(昆明有色冶金設(shè)計研究院股份公司,云南昆明 650051)

結(jié)合文山 800 kt/a氧化鋁赤泥堆場的設(shè)計,闡述了赤泥堆場的防滲標準、防滲結(jié)構(gòu)、防滲材料選擇、防滲層鋪設(shè)和污染監(jiān)測,探討了確定安全、環(huán)保、經(jīng)濟合理的防滲結(jié)構(gòu)的前提和方法。

赤泥堆場 ;防滲層;污染監(jiān)測

0 引言

赤泥是氧化鋁廠工業(yè)生產(chǎn)的廢物,化學(xué)成分極其復(fù)雜,一般每生產(chǎn) 1 t氧化鋁會產(chǎn)生 1.0～1.3 t赤泥。由于與赤泥結(jié)合的化學(xué)堿難以脫除且含量大,又含有氟、鋁及其他多種雜質(zhì)等原因,對于赤泥的無害化利用一直難以進行,因此目前我國對赤泥的處理主要采取的是陸地堆放處置的方法。

赤泥在堆放過程中除了占用大量土地外,還由于赤泥中的化學(xué)成分入滲土地易造成土地堿化、地下水污染,對環(huán)境的不良影響極大。

赤泥的主要污染物為堿、氟化物、鈉及鋁等,含有大量的強堿性化學(xué)物質(zhì),其中赤泥的 pH值為10.8～11.24,浸出液的 pH值為 12.1～13.2,極高的 pH值決定了赤泥對生物和金屬、硅質(zhì)材料的強烈腐蝕性,同時由于高堿度的污水滲入地下或進入地表水,使水體 pH值升高,影響水中化合物的毒性,因此還會造成更為嚴重的水污染。赤泥對生態(tài)環(huán)境的不良影響必須給予高度的重視和認真的研究。

筆者結(jié)合文山 800 kt/a氧化鋁赤泥堆場的設(shè)計,對赤泥堆場的防滲標準、防滲結(jié)構(gòu)、防滲材料選擇、防滲層鋪設(shè)和污染監(jiān)測進行探討。

1 工程特點

文山氧化鋁廠生產(chǎn)氧化鋁 80萬 t/a,采用拜耳法氧化鋁生產(chǎn)工藝,主要產(chǎn)生的廢物為拜耳法赤泥。該項目赤泥堆場位于氧化鋁廠廠址北面 2.5 km的丘陵凹地,堆場場區(qū)為東南至西北向溝谷,地形相對平緩,呈狹長帶狀,庫區(qū)西岸地形較緩,坡度一般為 10°～25°,東岸地形較陡,坡度一般為 20°～45°,最陡處約 65°。由于拜耳法赤泥主要成分為鋁硅酸鈉、鋁硅酸鈣、氧化鐵等,物理力學(xué)特性和膠結(jié)性均較差,不宜直接筑壩,因此采用干法堆存。堆場占地面積約 50萬 m2,總庫容約 2000萬 m3。

庫區(qū)范圍內(nèi)屬石灰?guī)r剝蝕、溶蝕地貌,由于區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖廣泛分布,巖溶發(fā)育,地表水下滲存在多種途徑,裸露巖石裂隙、巖土層界面、斷裂、巖溶漏斗、落水洞等都將成為地表水下滲的途徑,易造成堆存區(qū)地基溶蝕和污水滲漏等工程事故及污染環(huán)境,因此對堆存區(qū)的防滲要求較高。

2 防滲標準

根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》規(guī)定:我國將固體廢物的管理和處置分為兩大類:一類為危險廢物,另一類為一般固體廢物(其中分為第Ⅰ類和第Ⅱ類),因此應(yīng)對固體廢物及其附液成分進行分類鑒別,并根據(jù)分類采取相應(yīng)的處理、處置措施。

根據(jù)文山鋁業(yè)在生產(chǎn)性試驗過程中產(chǎn)生的赤泥取樣分析后,得到文山氧化鋁拜耳法赤泥化學(xué)性質(zhì)如表1、表2、表3。

表1 赤泥的化學(xué)成份Tab.1 Chem ical Composition of RedM ud

表2 赤泥附液的化學(xué)成份Tab.2 Chem ical Composition of RedM ud L iquid

表3 赤泥成份及鑒別標準對照Tab.3 Comparison of RedM ud Composition and Identifying Standard

從表2、3中的數(shù)據(jù)表明,該項目產(chǎn)生的拜耳法干赤泥不屬于危險廢物。但干赤泥浸出液中 pH值均大于 9,超過Ⅰ類一般固體廢物 pH值 (6～9)的范圍,因此干赤泥均屬Ⅱ類一般固體廢物。赤泥附液 pH值在 12.1～13.2之間屬危險廢物。但由于赤泥堆場區(qū)屬石灰?guī)r剝蝕、溶蝕地貌,巖溶發(fā)育,溶溝、溶槽分布,一旦發(fā)生污水滲漏將對環(huán)境造成嚴重污染。因此,該工程防滲設(shè)計按《危險廢物貯存污染控制標準》(GB18597-2001)的防滲要求在處理好的地基上鋪設(shè)人工防滲層進行防滲。

3 防滲結(jié)構(gòu)

堆場實施防滲的目的是為了實現(xiàn)堆場的可靠污染控制,杜絕滲濾液對周邊環(huán)境的污染,同時應(yīng)保證防滲結(jié)構(gòu)的安全可靠,因此防滲結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)結(jié)合防滲標準、場地水文地質(zhì)條件、當?shù)夭牧系纫蛩鼐C合考慮。

3.1 防滲標準

根據(jù)《危險廢物貯存污染控制標準》(GB 18597-2001)關(guān)于危險廢物的堆放規(guī)定,基礎(chǔ)必須防滲,防滲層為至少 1m厚粘土層 (滲透系數(shù)≤10-7cm/s),或 2 mm厚高密度聚乙烯膜,或至少 2 mm厚的其它人工材料,滲透系數(shù)≤10-10cm/s。

該設(shè)計考慮到節(jié)約庫容和方便施工,采用 2 mm厚 HDPE防滲膜作為主防滲層材料。

3.2 場地水文地質(zhì)條件

赤泥堆場位于建筑抗震的不利的地段,地貌上屬石灰?guī)r剝蝕、溶蝕地貌,庫區(qū)巖土為滲透～強滲透性巖土,壩址及庫區(qū)灰?guī)r地段巖溶、漏斗及落水洞發(fā)育,在庫區(qū)范圍內(nèi)存在 6個大小不等的落水洞。污水沿斷層破碎帶及溶蝕裂隙下滲,可能會對庫區(qū)下游的地表水及地下水造成一定的污染。

堆場區(qū)巖土層從上到下分別為第四系植物層耕土、第四系沖洪積粘土、第四系殘積紅粘土、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r和三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組泥質(zhì)砂巖。各巖土層的滲透性通過注水試驗和抽水試驗后結(jié)果如下:

1)第四系坡洪積粘土層滲透系數(shù):k=0.019～0.056 cm/min,屬弱透水層。

2)第四系殘積層紅粘土層滲透系數(shù):k=0.00028～0.019 cm/min,屬不透水～弱透水層。

3)三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r層滲透系數(shù):k=0.016～9.7 cm/min,屬透水層～強透水層。

4)三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組泥質(zhì)砂巖層滲透系數(shù):k=0.057～0.062 cm/min,屬弱透水層。

根據(jù)堆場區(qū)巖層滲透性分析,堆場防滲只需將表層第四系植物層耕土清除后,即可進行防滲結(jié)構(gòu)的鋪設(shè),但是由于庫區(qū)灰?guī)r地段巖溶、漏斗及落水洞發(fā)育,部分庫底、岸坡灰?guī)r裸露,如果直接鋪設(shè)防滲層,可能會由于基底不均勻沉降破壞防滲結(jié)構(gòu),造成污水滲漏。因此,必須先進行不良地質(zhì)處理后,才能進行防滲層的鋪設(shè)。

該設(shè)計對庫區(qū)不良地質(zhì)情況進行了針對性處理:

1)落水洞的處理。根據(jù)工勘報告:在堆場使用范圍內(nèi)需處理落水洞共 4個,其中垂直洞 3個,水平洞 1個。對于垂直洞,采用人工夯實洞內(nèi)沖填物然后用塊石和碎石沖填夯實,然后用混凝土塞封堵,內(nèi)設(shè) DN200排氣管導(dǎo)排洞內(nèi)空氣;水平洞采用人工夯實洞內(nèi)沖填物后以水泥砂漿進行勾縫,并導(dǎo)排洞內(nèi)空氣。

2)對于巖溶漏斗、溶蝕洼地、斷層破碎帶和軟弱土層,先清除表層浮土后,以 0.3 m粘土壓實并增加復(fù)合土工格網(wǎng)加強地基承載力,以避免地基產(chǎn)生不均勻沉降破壞防滲結(jié)構(gòu)。

3.3 當?shù)夭牧?/h3>

堆場區(qū)占地面積約為 50萬 m2,所需壓實粘土量較大。根據(jù)工勘報告及周邊材料調(diào)查,堆場周邊10 km范圍內(nèi)均無足夠的粘土滿足堆場區(qū)防滲施工,設(shè)計中考慮用其他近似材料予以替換。

膨潤土防水墊(GCL)是一種新型土工合成材料。它由經(jīng)過級配的天然鈉基膨潤土顆粒和相應(yīng)的外加劑混合均勻而成,經(jīng)特殊的工藝及設(shè)備,把膨潤土顆粒固定在兩層土工布之間,制成膨潤土防水毯,既有土工材料的全部特性,又有優(yōu)異的防水(滲)性能。因此,在設(shè)計中采用4 800 g/m2GCL膨潤土防水毯替換粘土作為防滲膜的下伏保護層。

3.4 防滲層設(shè)置

根據(jù)各因素綜合分析后最終確定堆場防滲層設(shè)置如下:

清基后自下而上鋪設(shè) 0.3 m的壓實土找平層、4 800 g/m2GCL膨潤土防水毯、400 g/m2土工布、復(fù)合土工排水網(wǎng)、厚 2 mm的 HDPE防滲膜、400 g/m2土工布、0.3 m厚砂土保護層。

圖1 赤泥堆場防滲處理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 RedM ud Yard Seepage-prevention Structure

4 防滲層鋪設(shè)

4.1 基底平整

防滲層施工前,首先進行場地平整,清除壩基、岸坡及堆場區(qū)范圍內(nèi)的草皮、樹根、含有機植物的表土、亂石、垃圾及表面松動的石塊,基底表面必須保證沒有積水、龜裂、尖銳物體、植物、樹根、巖石露頭等類似的有可能刺穿無紡?fù)凉げ嫉奈矬w。當基底產(chǎn)生一定程度的變形時,其深度不能超過 25 mm,并用粘土找平、壓實,壓實度≥96%。

4.2 土工布的鋪設(shè)

1)土工布采取專用縫紉機進行雙線縫合連接,其縫合處搭接寬度不小于 100 mm。

2)接縫須與坡面線相交;與坡腳平衡或可能存在應(yīng)力的地方,水平接縫的距離須大于 1.5 m。

3)在坡面上鋪設(shè)時,對土工布的一端應(yīng)進行錨固,然后將卷材順坡面放下,以保證土工布保持拉緊狀態(tài)。

4)所有的土工布都須用砂袋壓住,砂袋將在鋪設(shè)期間使用并保留到鋪設(shè)上面一層材料。

4.3 HDPE防滲膜的鋪設(shè)

1)HDPE防滲膜焊接采用雙縫熱合焊接,接縫搭接長度為 100 mm。焊接部位不得有劃傷、污點、水分、灰塵以及其他妨礙焊接和影響施工質(zhì)量的雜質(zhì)。

2)為保證庫區(qū)基底構(gòu)建面不被雨水沖壞,庫區(qū) HDPE防滲膜鋪設(shè)總體的順序為“先邊坡后場底,邊坡先低邊坡后高邊坡”。

3)在鋪設(shè)時將卷材自上而下滾鋪,先邊坡后場底,并確保貼鋪平整。

4)在鋪設(shè)的 HDPE防滲膜上禁止吸煙,禁止使用火柴、打火機和化學(xué)溶劑或類似的物品。

5)鋪設(shè)邊坡 HDPE防滲膜時,為避免 HDPE防滲膜被風吹起和被拉出周邊錨固溝,所有外露的HDPE防滲膜邊緣必須立刻用砂袋或者其他重物壓上。

4.4 復(fù)合土工排水網(wǎng)的鋪設(shè)

1)土工復(fù)合排水材料的每一部分 (土工布和土工網(wǎng))都要求和同類材料搭接或者拼接,土工網(wǎng)長度方向的搭接部分要求 ＞75 mm,寬度方向的搭接部分要求 ＞150 mm,并用白色塑料扣捆扎;土工網(wǎng)捆扎完畢后,對土工復(fù)合物中的土工布進行縫合,土工布底層必須搭接,上層必須縫合在一起,搭接寬度不 ＜100 mm。

2)復(fù)合土工排水材料卷必須沿斜坡向下鋪設(shè)。三維復(fù)合土工排水材料的水流方向為縱向(沿著材料卷的長度方向)。所以,土工材料必須鋪設(shè)在水流的方向。

3)所有外露的復(fù)合土工排水網(wǎng)邊緣必須立刻用沙袋或者其他重物壓上,避免復(fù)合土工排水網(wǎng)被風吹起。

4.5 GCL膨潤土防水毯的鋪設(shè)

1)GCL膨潤土防水毯搭接寬度:縱向 300 mm,橫向 300 mm。在搭接區(qū)內(nèi)撒入散裝膨潤土,膨潤土顆粒的用量不 ＜0.5 kg/m。

2)在坡面上,將 GCL安全錨固,然后將卷材順坡面放下,并保持展開卷材的緊繃狀態(tài),不允許放在坡頂由重力作用自由打開。

3)膨潤土防水毯兩邊的土工織物分別為無紡布和編織布,鋪設(shè)時無紡布應(yīng)對著遇水面 (無紡布朝下)。

4)用砂袋或類似壓載物壓住展開的 GCL,鋪設(shè)過程中使用砂袋直至上面鋪設(shè)其它覆蓋物。

防滲層土工材料的鋪設(shè)和焊接是防滲層施工的關(guān)鍵部分,直接關(guān)系到整個堆場的防滲效果,因此全施工過程中應(yīng)嚴格按照《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和產(chǎn)品要求進行施工。

5 污染監(jiān)測

按《危險廢物安全填埋處置工程建設(shè)技術(shù)要求》,赤泥堆場應(yīng)設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng),以滿足運行期和封場期對滲濾液、地下水、地表水和大氣的監(jiān)測要求。赤泥堆場長期監(jiān)測井是監(jiān)控赤泥堆場環(huán)境安全的重要手段,若赤泥堆場防滲措施稍有紕漏,長期監(jiān)測井監(jiān)測數(shù)據(jù)即會出現(xiàn) pH值偏高現(xiàn)象,可加大取樣頻率,查找原因,以便采取補救措施,因此,長期監(jiān)測井是防止赤泥附液污染地下水的有效監(jiān)控措施。

5.1 地下水監(jiān)測

溝谷內(nèi)地勢較低地段各鉆孔均測量到穩(wěn)定地下水,地下水位埋深 0.85～7.80 m,相當于標高1 437.33～1 421.17 m,地下水位起伏較大。

地下水水質(zhì)監(jiān)測點位于上壩集液池下游,共 3個孔呈扇形分布,水質(zhì)監(jiān)測頻率應(yīng)最少每月一次,在監(jiān)測點取水樣后送往氧化鋁廠化驗室進行。

5.2 滲濾液監(jiān)測

5.2.1 滲濾液滲漏監(jiān)測設(shè)施

堆場區(qū)為巖溶洼地,滲漏監(jiān)測管預(yù)埋在池底防滲層外即 2 mm厚 HDPE防滲膜下 0.3 m壓實粘土內(nèi),沿岸坡向上延伸出庫外。監(jiān)測管選用DN200焊接鋼管,底部封閉,管壁局部穿孔外包裹土工布。監(jiān)測頻率應(yīng)最少每月一次,遇地震、久雨、暴雨等災(zāi)害時期應(yīng)增加監(jiān)測密度。旱季管內(nèi)應(yīng)無水,雨季若管內(nèi)集水,取水樣做水質(zhì)分析,水質(zhì)成分應(yīng)與天然水近似,說明防滲層未破壞。若水質(zhì)成分與滲濾液近似則判斷防滲層已破壞,滲濾液滲漏。

5.2.2 滲濾液水質(zhì)監(jiān)測

滲濾液水質(zhì)監(jiān)測點位于集液池和滲漏監(jiān)測管,水質(zhì)監(jiān)測頻率應(yīng)最少每月一次。按氧化鋁廠總體設(shè)計,赤泥堆場等輔助設(shè)施的水質(zhì)化驗分析均由氧化鋁廠化驗室完成,在監(jiān)測點取水樣后送往氧化鋁廠化驗室進行。

6 結(jié)語

隨著氧化鋁赤泥的不斷增加,對環(huán)境污染的風險不斷增加,同時隨著國家對環(huán)境保護意識的逐步增強,防治污染的法律法規(guī)相應(yīng)出臺,對于赤泥堆場的防滲標準將越來越嚴格,相應(yīng)的治污投入也會提高。因此,對赤泥堆場的設(shè)計應(yīng)通過對赤泥堆場地質(zhì)、水文特點、工程防滲設(shè)計要求、技術(shù)經(jīng)濟條件及施工條件等綜合評定結(jié)果,在滿足國家相關(guān)法律法規(guī)的前提下,最終確定安全、環(huán)保、經(jīng)濟合理的防滲結(jié)構(gòu)。

Analysis on Seepage Prevention Process Design for Red Mud Yard

CHEN Ning,LAN Rong
(Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd,Kunming 650051,China)

Combined with the design on the red mud yard of 800kt/a alumina plant in Wenshan,the standard,structure,material selecting of seepage-prevention,anti-seepage layer-laying and itspollution monitoring for red mud yard were expounded.The Precondition and the methods of determining the safe,environmental,economical and reasonable seepage-proofing structure were discussed.

Red mud yard;seepage prevention layer;pollution monitoring

X758

A

1004-2660(2011)01-0014-04

2011-01-06.

陳寧 (1975-),男,云南人,工程師.主要研究方向:尾礦設(shè)施設(shè)計.