湖南某礦區(qū)歷史遺留含砷廢渣處置工程設(shè)計(jì)

劉 碩

(湖南有色金屬研究院，湖南長沙 410100)

湖南郴州某礦區(qū)的砷制品廠由于經(jīng)營不善，從1992年開工至2007年關(guān)閉期間，遺留了約3.85萬t的含砷廢渣(占地約23 457.8 m2)露天堆放，存在較大的環(huán)境及安全隱患，對下游水體、農(nóng)田、飲用水造成極大污染。

1 工程背景

該項(xiàng)目廢渣主要來自該礦區(qū)砷制品廠產(chǎn)生的含重金屬廢渣，含鉛、鋅、鉻、砷、銀、銅等重金屬物質(zhì)，縣人民政府委托縣測繪隊(duì)及環(huán)境監(jiān)測站分別對渣場廢渣堆存量、受污染土壤面積、受污染土壤深度進(jìn)行監(jiān)測，并對其進(jìn)行毒性浸出鑒別，確定了含砷廢渣及受污染的地下土壤范圍、深度及性質(zhì)，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

監(jiān)測結(jié)果見表1。

表1 廢渣及受污染土壤的毒性浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過毒性浸出鑒定，項(xiàng)目區(qū)含砷廢渣及2.0 m以上土壤均屬危險(xiǎn)固廢，廢渣及受污染土壤共計(jì)5.084萬m3，按密度1.64 t/m3，合計(jì)8.34萬t危險(xiǎn)固廢需要處理。

2 處置方案設(shè)計(jì)

危險(xiǎn)廢物處置的總原則是危險(xiǎn)廢物的減量化、資源化和無害化，由該項(xiàng)目廢渣屬于冶煉無機(jī)廢渣，不能采用“焚燒法”處置，因此采用“安全填埋法”對遺存的含砷廢渣進(jìn)行處置，以減少含重金屬的廢水浸出并下滲污染地下水和下游水體。

大多數(shù)重金屬廢渣含有有毒物質(zhì)不能直接填埋，為了降低、減輕或消除廢渣本身帶來的危害，在填埋之前必須對其進(jìn)行穩(wěn)定化/固化處理，以達(dá)到安全填埋場入場控制標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)計(jì)采用水泥包膠固化，用水泥固化成本低，固化效果好，易于操作。

工藝流程如圖1所示。

圖1 處理工藝流程圖

3 廠址選擇

考慮到冶煉廢渣量大，外運(yùn)過程中可能會從點(diǎn)污染擴(kuò)大為線污染，故該項(xiàng)目場址初步選定為原廢渣堆存場地。

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場場地情況，周邊800 m范圍內(nèi)無廠礦企業(yè)、學(xué)校、居民集中居住區(qū)、河流、水庫及其它較為敏感環(huán)境目標(biāo);且場地呈帶狀沖溝，周邊地表分水嶺明顯;場地及附近無區(qū)域性斷裂，且無結(jié)構(gòu)性地質(zhì)活動跡象，且場地塌陷、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害;場區(qū)土體隔水性好，土體的滲透系數(shù)K≤1.0×10－7cm/s，能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

根據(jù)上述分析，在原廢渣堆存場地選址是可行的，該場址通過了縣國土、規(guī)劃、安監(jiān)等部門的認(rèn)可和批復(fù)，同意該場址。

4 廢渣預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)處理工藝選擇

目前國內(nèi)對于含重金屬廢渣的解毒處理主要有植物修復(fù)、化學(xué)淋洗、微生物解毒、資源化利用及穩(wěn)定化/固化等。

該項(xiàng)目含重金屬廢渣量大、所含重金屬種類多、重金屬形態(tài)和濃度差異大，處理場地有限，并且廢渣治理工程實(shí)施時間有限，因此不適合采用植物修復(fù)、化學(xué)淋洗和微生物解毒的方法處置。同時，廢渣所含重金屬雖超標(biāo)但金屬含量不高且金屬種類和濃度差異大，尚缺乏具有良好經(jīng)濟(jì)性、合理性的提取工藝。而對于含多種超標(biāo)重金屬的復(fù)雜混合廢渣作為建材原料途徑，目前國內(nèi)尚缺乏相關(guān)法律依據(jù)。因此設(shè)計(jì)采用工藝成熟、處理能力大、適用范圍廣泛、成本較低、管理簡單方便的穩(wěn)定化/固化預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行處理。

4.2 固化劑和穩(wěn)定劑的選擇

固化劑采用來源較為廣泛且價(jià)格低廉的水泥。

蹲苗結(jié)束后，第1花序果實(shí)迅速膨大，第2、5花序相繼開花、現(xiàn)蕾，莖葉也在繼續(xù)生長，植株對肥水需要量急劇增加，此時是肥水管理的關(guān)鍵時期。此時應(yīng)連澆2次水，中間相隔2～3天，即所謂的“頭水晚，二水趕”。結(jié)合第二水每畝地追施復(fù)合肥或磷酸二銨25～30千克，或人糞尿50～60千克，以滿足果實(shí)迅速膨大的需要。此后在天氣正常的情況下，應(yīng)每隔4～6天澆水1次。追肥可以采用隔水追肥的辦法，每次進(jìn)行根外追肥。根外追肥在植株生長后期，在植株長勢較衰弱時使用效果明顯。一般可選用0.2%～0.3%的磷酸二氫鉀或0.2%的尿素，或2%的過磷酸鈣水溶液進(jìn)行葉面噴施。根外追肥應(yīng)選擇晴天進(jìn)行，雨前或雨后均不宜。

重金屬穩(wěn)定化技術(shù)中，硫化物是目前應(yīng)用最廣泛的重金屬穩(wěn)定劑，生成的硫化物具有較小溶度積，并且在所有pH值條件下硫化物的溶解度遠(yuǎn)低于氫氧化物的特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)采用來源較為廣泛且價(jià)廉的硫化鈉作為穩(wěn)定劑，但隨著重金屬穩(wěn)定劑的試驗(yàn)研究，后期可使用新型重金屬穩(wěn)定劑，添加比例通過試驗(yàn)確定。

4.3 固化/穩(wěn)定化工藝流程設(shè)計(jì)

廢渣經(jīng)計(jì)量后與水泥、穩(wěn)定劑按照100∶20∶2比例送攪拌機(jī)混合攪拌，攪拌后經(jīng)過毒性浸出檢測合格的混合料輸送至填埋場安全填埋，抽檢不合格混合料需重新進(jìn)行穩(wěn)定化/固化，直到檢測合格方可送入填埋場。

5 填埋場設(shè)計(jì)方案

5.1 填埋庫庫容

該項(xiàng)目廢渣及受污染土壤總量5.084萬m3，添加的水泥按照20%體積計(jì)算，總?cè)莘e達(dá)6萬m3。

填埋庫場底基本上沿原始溝底布置，截污壩附近庫底平整設(shè)計(jì)標(biāo)高為1 015.9 m，谷底線向溝上游形成10%的縱向坡度，谷底線兩側(cè)形成3%的橫坡，場底最大寬度約 25 m，長約 160 m，庫底標(biāo)高1 015.9 m，封場閉庫標(biāo)高1 035.0 m，有效庫容6.6萬m3，能夠滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要。

5.2 防滲層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.2.1 庫底防滲

庫底防滲由上及下依次為:7.5 kN/m無紡?fù)凉げ肌?.3 m厚碎石滲濾液導(dǎo)流層—40 kN/m無紡?fù)凉げ肌?.0 mm光面HDPE土工膜—5.0 mm HDPE復(fù)合土工排水網(wǎng)格—1.5 mm光面HDPE土工膜—6.0 mm膨潤土防水毯(GCL)—0.5 m厚粘土保護(hù)層。

5.2.2 邊坡防滲

邊坡防滲層結(jié)構(gòu)由上向下依次為:5.0 mm HDPE復(fù)合土工排水網(wǎng)格—2.0 mm糙面HDPE土工膜—5.0 mm HDPE復(fù)合土工排水網(wǎng)格—1.5 mm糙面HDPE土工膜—6.0 mm膨潤土防水毯(GCL)。

5.3 清污分流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.3.1 場外截洪溝

5.3.2 地下水輸排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為降低庫區(qū)地下水水位標(biāo)高確保防滲層的安全，在庫區(qū)內(nèi)沿場底由北向南布置地下水導(dǎo)排溝，溝中埋設(shè)DN315～400HDPE管，并在管壁設(shè)排水孔，管周圍用碎石填充，溝用15 kN/m土工布包裹;在場地支溝處布置地下水導(dǎo)排盲溝，地下水導(dǎo)排次盲溝中鋪設(shè)DN200的HDPE穿孔花管，管周圍用碎石填充，溝用15 kN/m土工布包裹，將地下水排出庫區(qū)外自然水體內(nèi)。

5.3.3 預(yù)處理區(qū)

為確保預(yù)處理區(qū)受污染的初期雨水不造成污染，在預(yù)處理區(qū)內(nèi)設(shè)置初期雨水收集池，處理達(dá)標(biāo)后排放。

5.3.4 滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了確保廢渣填埋后產(chǎn)生的滲濾液能夠及時排出填埋庫區(qū)，因此在邊坡防滲系統(tǒng)敷設(shè)5.0 mm HDPE復(fù)合土工排水網(wǎng)格，在庫底防滲系統(tǒng)上鋪設(shè)0.3 m厚的卵石作導(dǎo)流層，其上覆7.5 kN/m土工布作保護(hù)層，并敷設(shè)5.0 mm HDPE復(fù)合土工排水網(wǎng)格作次級導(dǎo)流層，其上覆 HDPE光面土工膜(2.0 mm)，其下鋪設(shè)HDPE光面土工膜(1.5 mm)。

5.4 氣體導(dǎo)排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為防止填埋的廢物因物理、化學(xué)或生物作用所產(chǎn)生的氣體對封場后的頂部隔斷層產(chǎn)生破壞，也有利于廢渣對體中滲濾液及時排至場底，在場區(qū)設(shè)置豎向?qū)馐?座。

5.5 封場設(shè)計(jì)

廢渣處理完畢后，應(yīng)對廢渣場施行封場閉庫和后期管理，以達(dá)到阻止風(fēng)與雨的侵蝕、減少地表水滲透到廢物層，減少滲濾液的產(chǎn)生量，同時導(dǎo)排填埋廢物可能產(chǎn)生的廢氣，并且保持安全填埋場頂部的美觀及持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)的作用。

封場系統(tǒng)自下而上分別鋪設(shè)土工布(15 kN/m)—0.3 m厚底層—土工布(15 kN/m)—0.3 m厚粘土層(滲透系數(shù)小于1×10－7cm/s)—HDPE糙面土工膜(1.5 mm)—HDPE復(fù)合土工排水網(wǎng)格(5.0 mm)—0.3 m厚保護(hù)層—0.7 m耕植土層，形成包括底層、防滲層、排水層、保護(hù)層及植被恢復(fù)層的多層封場結(jié)構(gòu)。

5.6 截污壩設(shè)計(jì)

根據(jù)場地情況，在填埋場西南角方向需設(shè)一座主壩攔阻固廢及滲濾液外泄，結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r，項(xiàng)目主壩采用漿砌石重力壩，壩頂寬為2.5 m，壩高為14.2 m，壩上游坡比為1∶0.4，下游坡比為1∶0.25，內(nèi)坡采用土工布、土工膜防滲處理。

5.7 滲濾液處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

含重金屬廢渣的滲濾液危害極大，必須進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后方可外排，處理后出水滿足《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978－1996)標(biāo)準(zhǔn)。

通過計(jì)算滲濾液產(chǎn)生量約為29.9 m3/d，考慮到預(yù)處理需添加新水及安全考慮，設(shè)計(jì)滲濾液處理規(guī)模為100 m3/d，通過計(jì)算需設(shè)置一座容積2 000 m3的調(diào)節(jié)池，滲濾液處理工藝采用“空氣氧化—鐵鹽—堿—PAM絮凝”化學(xué)處理工藝。

滲濾液處理系統(tǒng)占地216 m2，采用兩級混凝沉淀+砂濾工藝，配備管理人員2人，負(fù)責(zé)污水處理的日常運(yùn)行和維護(hù)工作。

按照《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18598－2001)的要求，填埋場封場閉庫后運(yùn)行30 a以上。

6 投資估算

項(xiàng)目總投資6 059.152萬元(含運(yùn)行處理費(fèi)用)，工程建設(shè)投資4 966.8萬元，填埋期預(yù)處理、填埋作業(yè)及滲濾液運(yùn)行期運(yùn)行費(fèi)用為:1 092.352萬元。

7 結(jié)語

在充分調(diào)查、采樣、分析的基礎(chǔ)上，確定含砷廢渣、受污染土壤的量，根據(jù)場址地形、地貌特點(diǎn)，采用穩(wěn)定化/固化處理后原位填埋的方式，能夠徹底解決廢渣堆周邊環(huán)境的影響，經(jīng)過計(jì)算可以減排重金屬量為:As 0.73 t/a、Pb 0.300 7 t/a、Cd 0.069 5 t/a、Zn 0.52 t/a、Cu 0.755 1 t/a，減少重金屬排放量共計(jì)1.855 3 t/a，對湘江流域水質(zhì)有改善作用。

［1］ 蔣宏國，潘劍波.三氧化二砷冶煉“三廢”治理研究［J］.湖南有色金屬，2002，18(6):39 －41.

［2］ 未立清.有色金屬冶煉廢渣綜合治理［J］.有色礦冶，2000，(2):55－56.

［3］ 王克浩，喻澤斌，梁有千.砒霜生產(chǎn)化工廠危險(xiǎn)廢物處置工程設(shè)計(jì)［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，(6):177－181.