株洲市清水塘某廢渣場原位治理工程案例分析＊

鄧 兵，王宏輝，趙文偉，白 兵

（1. 中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007；2. 湖南省水處理過程與裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410007；3. 長沙市水處理過程與裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，湖南 長沙410007）

1 工程背景概述

清水塘工業(yè)區(qū)位于新中國成立后首批重點(diǎn)建設(shè)的八大工業(yè)城市之一的株洲腹地，長期粗獷的經(jīng)濟(jì)增長方式給環(huán)境帶來了較大污染，2011 年，國務(wù)院批準(zhǔn)的《湘江流域重金屬治理實(shí)施方案》將其列為七大重點(diǎn)治理區(qū)域之首。清水塘工業(yè)區(qū)某廢渣場西側(cè)隔防洪堤外為霞灣港，霞灣港下游不到1 km為株洲市人民的母親河湘江，區(qū)域內(nèi)有4個(gè)飲用水取水口。廢渣場占地面積2.660×104m2、堆存廢渣量1.032×106m3，為第I類一般工業(yè)固體廢物和Pb、Cd、As 浸出濃度超標(biāo)或pH 超標(biāo)的第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物混合廢渣，成分主要為冶煉廢渣、電石渣、鹽泥等。場地未采取人工防滲、滲濾液收集處理、封場覆蓋等工程措施，為典型的簡易廢渣堆場。廢渣場對周邊大氣環(huán)境、土壤與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定影響，威脅湘江下游飲用水安全，場地?zé)o法二次利用，故對廢渣場進(jìn)行治理十分必要。

2 廢渣場特性與工程設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 廢渣屬性

根據(jù)《株洲清水塘生態(tài)科技新城控制性詳細(xì)規(guī)劃》，場地所在區(qū)域規(guī)劃用地性質(zhì)為G1（公園綠地）。

該廢渣場廢渣主要來源于20 世紀(jì)70 年代至90年代的株洲冶煉廠、株洲化工廠及下游資源加工與產(chǎn)業(yè)配套企業(yè)，包括冶煉水淬渣、窯渣、硫鐵礦渣、電石渣、其他工業(yè)混合廢渣，以及混入的建筑垃圾、生活垃圾等。廢渣外觀為灰黑、灰白、松散、稍濕。根據(jù)廢渣土工試驗(yàn)結(jié)果，廢渣理化性質(zhì)見表1。

表1 廢渣理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of waste residue

為了判別廢渣屬性，將廢渣堆分為若干層，各分層內(nèi)采用網(wǎng)格法布點(diǎn)、鉆孔法采樣，采用HJ/T 299—2007 固體廢物 浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法提取浸出液，浸出液中的pH，Pb、Cd、As 浸出濃度均未超過GB 5085.3—2007 危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別的標(biāo)準(zhǔn)限值；采用HJ 557—2010固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法提取浸出液，30%的樣品浸出液中pH，Pb、Cd、As 浸出濃度超過GB 18599—2020 一般工業(yè)固體廢物貯存與填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)限值，即28.6%廢渣堆為第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物，其余為第I 類一般工業(yè)固體廢物。

2.2 廢渣分布與數(shù)量

廢渣場原為制磚廠的取土場，為了解廢渣分布情況，對廢渣高出地坪部分的范圍與標(biāo)高進(jìn)行了測量。采用鉆孔法對廢渣的垂直分布情況進(jìn)行調(diào)查，將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，繪制廢渣分布3D圖。計(jì)算得廢渣總量為1.032×106m3，其中第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物2.950×105m3，第I 類一般工業(yè)固體廢物7.370×105m3，廢渣高于地坪最大高度為3.0 m，下埋最大深度為23.0 m。第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物分布相對集中，為廢渣的分類處理創(chuàng)造條件。

2.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

該區(qū)域黏土分布廣泛，黏土層厚度大，采用鉆孔法對廢渣場場底分布情況進(jìn)行調(diào)查?？辈靾?bào)告顯示，廢渣場場底主要為粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，場區(qū)粉質(zhì)黏土層由北往南、由東至西逐漸變厚，由1.0 m 變?yōu)?.0 m，滲透系數(shù)K為1.32×10-7cm/s，屬于極微透水層。

在廢渣場內(nèi)及周邊共設(shè)置了9個(gè)地下水位監(jiān)測井，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.5～6.4 m。廢渣場與周邊地下水存在水力聯(lián)系。地下水采樣結(jié)果分析如表2所示。地下水水質(zhì)滿足GB/T 14848—2017地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)要求。

表2 治理前地下水采樣結(jié)果Table 2 Groundwater sampling results before treatment

2.4 治理目標(biāo)

采取工程措施，阻隔廢渣場與周邊地下水的水力聯(lián)系，防止廢渣場滲濾液污染地下水環(huán)境；阻隔廢渣中的污染物與人體、環(huán)境空氣接觸；對廢渣進(jìn)行穩(wěn)定化固化，降低廢渣毒性。穩(wěn)定化固化后的廢渣采用HJ 557—2010 中的方法進(jìn)行分析，浸出液中的重金屬濃度不高于GB 8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)最高允許排放濃度，處理后廢渣重金屬浸出濃度標(biāo)準(zhǔn)值見表3。

表3 重金屬浸出超標(biāo)Ⅱ類渣處理后浸出濃度標(biāo)準(zhǔn)值Table 3 Standard value of leaching concentration after treatment of heavy metal leaching exceeding class II slag

2.5 工程技術(shù)方案選擇

通過取樣調(diào)查，廢渣屬性為第Ⅱ類一般工業(yè)固廢。通過工程地質(zhì)調(diào)查，廢渣場場底均分布有黏土層，但局部黏土較薄；場地地下水埋深較淺，廢渣場與周邊存在水力聯(lián)系。為達(dá)到工程治理目標(biāo)，初選出原位（方案1）、異位（方案2）兩種工程技術(shù)方案，進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較（表4）。

表4 工程技術(shù)方案比較Table 4 Comparison of engineering and technical solutions

從節(jié)約用地、加快工程進(jìn)度、控制投資的角度出發(fā)，推薦采用方案1，即“垂直防滲+堆體整形+第II 類固廢原位穩(wěn)定化固化+滲濾液降水+封場+生態(tài)恢復(fù)”方案。

2.6 工藝流程

本項(xiàng)目工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Figure 1 Flow chart

3 工程技術(shù)措施及實(shí)施效果

3.1 垂直防滲帷幕

常用的垂直防滲帷幕有高壓旋噴防滲墻、水泥土攪拌防滲墻、HDPE 土工膜—膨潤土復(fù)合墻等，其特點(diǎn)見表5。

表5 垂直防滲帷幕類型比選表Table 5 Comparison of types of vertical barriers

綜合工程防滲性能需要、土質(zhì)條件、施工難度、工程造價(jià)等多方面因素，選擇高壓旋噴防滲墻作為垂直防滲帷幕。由于防滲墻深度達(dá)23 m，采用三管法施工防滲墻。

沿廢渣堆邊界、場底黏土厚度較薄處設(shè)置防滲墻，采用雙排樁布置，孔中心間距0.7 m。高壓噴射灌漿固結(jié)體的旋噴直徑0.9 m（有效影響范圍直徑0.9 m）。旋噴漿液采用水泥+膨潤土+還原劑，其強(qiáng)度等級(jí)可為42.5級(jí)或以上。

垂直防滲帷幕進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層不小于1.50 m，中心線長約773.68 m，其平面示意如圖2 所示。共設(shè)置1 150 根樁，平均樁長約11.90 m，樁總長13 685 m。

圖2 垂直防滲帷幕平面示意Figure 2 Plane schematic of vertical barriers

3.2 原位穩(wěn)定化/固化

原位穩(wěn)定化/固化具體做法如下：

1）高壓灌注水泥漿與穩(wěn)定化藥劑采用三管高壓旋噴法，場地內(nèi)有高壓線經(jīng)過的廢渣堆體采用雙管高壓旋噴法。原位穩(wěn)定化固化鉆孔點(diǎn)采用梅花形布置，橫向間距為1.5 m，縱向間距為1.0 m。廢渣鉆孔孔徑為0.3 m。

2）三管高壓旋噴法水泥灌注量為90～100 kg/m3，雙管高壓旋噴法水泥灌注量為70～80 kg/m3。

3）穩(wěn)定化藥劑投加量暫定為15～20 kg/m3，穩(wěn)定劑為無機(jī)硫基復(fù)合藥劑。

4）原位穩(wěn)定化固化底標(biāo)高可根據(jù)廢渣實(shí)際分布情況進(jìn)行調(diào)整，至老土層不再進(jìn)行。

對粉質(zhì)黏土層缺失區(qū)，采用帷幕灌漿法對其進(jìn)行處理。帷幕灌漿孔的孔中心間距為1.0 m，在帷幕的先灌排或者主帷幕孔中布設(shè)先導(dǎo)孔，其間距為16～24 m，孔深不小于2.0 m。帷幕灌漿采用自上而下分段灌漿法灌漿，同一排相鄰的兩個(gè)次序孔之間，以及后序排的第一序孔與其相鄰部分前序排的最后次序孔之間，在巖石中鉆孔灌漿的高度不得小于15 m。

3.3 滲濾液收集

在廢渣場垂直防滲墻內(nèi)設(shè)置多條滲濾液收集溝，以及2座滲濾液收集井，井中設(shè)提升水泵，確保防滲墻內(nèi)水位低于防滲墻外水位2 m 左右，用于廢渣場內(nèi)水質(zhì)的監(jiān)測取樣，以及降低廢渣場內(nèi)水位。由于場底屬極微透水層，渣場四周設(shè)置了垂直防滲帷幕，切斷了渣場與周邊環(huán)境的水力聯(lián)系，使渣場成為一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，為滲濾液的收集創(chuàng)造了條件。收集井內(nèi)地下水中重金屬濃度不高于GB 8978—1996最高允許排放濃度，即滿足標(biāo)準(zhǔn)中表1的要求，可直接排放；若不滿足，則采用槽罐車運(yùn)至清水塘工業(yè)廢水處理廠進(jìn)行處理達(dá)標(biāo)后排放。

3.4 封場覆蓋

穩(wěn)定化/固化處理完成的廢渣堆體表面首先進(jìn)行整形、場地平整，形成中間高、四周低的形狀，堆體表面坡度不小于3%。堆體表面平整完成后，進(jìn)行封場覆蓋。

為防止固體廢物直接暴露和雨水滲入堆體內(nèi)，堆體表面設(shè)置2層覆土［2-4］，由下至上分別為：第1層為壓實(shí)黏土防滲層，采用50 cm 厚黏土，壓實(shí)黏土防滲層的滲透系數(shù)不大于1.0×10-7cm/s，壓實(shí)度≥90%，以防止雨水滲入廢渣堆體；第2 層為覆蓋層，采用種植土，厚度根據(jù)植株要求確定。封面覆蓋層斷面示意見圖3，封場覆蓋層與邊坡防滲層連接示意見圖4。

圖3 封場覆蓋層斷面示意Figure 3 Cross-sectional schematic of the closed field cover layer

圖4 封場覆蓋層與邊坡防滲層連接示意Figure 4 The connection schematic of the closed field cover layer and the anti-seepage layer of the slope

3.5 運(yùn)行效果分析

通過本項(xiàng)目采取的工程措施，切斷了廢渣堆體與外環(huán)境的水力聯(lián)系，有效地控制了重金屬向外環(huán)境的遷移，避免堆體通過粉塵、地表徑流、地下水污染周邊環(huán)境及危害人群健康。修復(fù)后的場地滿足規(guī)劃用地性質(zhì)要求，用于綠地公園，減少了土地占用。

本項(xiàng)目對1.032×106m3的重金屬廢渣進(jìn)行原位治理和風(fēng)險(xiǎn)管控，廢渣中的Pb、Cd、As 遷移至水體進(jìn)入環(huán)境的比例按20%計(jì)算。采取本項(xiàng)目工程技術(shù)措施后，可有效控制Pb、Cd、As 不遷移至外環(huán)境，初步核算重金屬污染物減排量Pb 2 598.48 t、Cd 7.31 t、As 1 091.36 t；帷幕滲透系數(shù)K為1×10-7cm/s，抗壓強(qiáng)度2.0 MPa（28 d），雙排樁厚度可滿足30 a滲透距離（0.95 m）。

項(xiàng)目實(shí)施后，對廢渣場上游的本底井和下游的污染擴(kuò)散井進(jìn)行了地下水連續(xù)采樣分析，水質(zhì)結(jié)果見表6。根據(jù)檢測結(jié)果，渣場外圍地下水水質(zhì)滿足GB/T 14848—2017 中的Ⅲ類水質(zhì)要求。說明廢渣經(jīng)治理后，未對周邊的地下水產(chǎn)生影響。

表6 治理后地下水采樣結(jié)果Table 6 Groundwater sampling results after treatment

4 結(jié)論

1）儲(chǔ)存1.032×106m3Ⅱ類、I 類一般工業(yè)固體廢物混合渣的廢渣場，廢渣最大埋深為地坪下23.0 m，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.5～6.4 m，且與周邊地下水存在水力聯(lián)系。場地為存在1.0～9.0 m 粉質(zhì)黏土層的極微透水層，周邊存在飲用水水源地湘江，環(huán)境敏感。

2）采用“垂直防滲帷幕+原位穩(wěn)定化/固化+滲濾液收集處理+封場”方案對廢渣場進(jìn)行治理后能有效控制Pb、Cd、As 不遷移至外環(huán)境，初步核算重金屬污染物減排量Pb 2 598.48 t、Cd 7.31 t、As 1 091.36 t。

3）通過實(shí)施滲透系數(shù)1×10-7cm/s、抗壓強(qiáng)度2.0 MPa（28 d）的雙排樁帷幕，可滿足30 a 滲透距離（0.95 m）；通過對渣場外圍的地下水監(jiān)測井采樣分析，水質(zhì)滿足GB/T 14848—2017Ⅲ類水質(zhì)的要求。