《武汉工程大学学报》 2021年02期
180-185
出版日期：2021-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
湖北某磷石膏堆场渗滤液产生量的预测分析
湖北省含有大量的磷矿资源，估算全省磷石膏积存量超过2.96亿吨。其中大部分磷石膏作为废渣丢弃，堆存在企业附近占用大量土地，全省35处磷石膏渣场共占地约1 063 hm2。在堆存过程中，由于降水的冲刷淋洗作用以及沉降挤压作用导致堆存的磷石膏带有的水分和降水一起形成了大量磷石膏渗滤液［1］。当未采取防渗措施或防渗层受到破坏时，会严重威胁到土壤以及地下水。目前国内外对磷石膏渣场渗滤液产生量研究较少，渣场渗滤液产生量主要采用经验公式法和水量平衡法［2］。其中经验公式法基于降水量和渗滤液产生量的实测值来建立模型，确定参数来预测今后的产生量［3］。但该法在计算中未考虑蒸发量以及磷石膏自身含水量，这样会对渗滤液产生量造成较大误差。而水量平衡法可以考虑到渣场各个进水、出水参数，基本符合实际渗滤液产生量的大小［4］。因此本文利用水量平衡法得出渗滤液计算公式［5］，对所研究渣场从2021年到2030年10年间的渗滤液产生量进行预测分析并得出变化规律结论，同时提出防治方法。1 磷石膏渣场调查分析1.1 现 状湖北楚星磷石膏渣场位于薛家溪上游，该渣场新一期在2021年投入使用，占地75.67 hm2，该磷石膏渣库属山谷型渣库，表1为渣场相关物料情况。表1 磷石膏堆场相关物料情况Tab. 1 Related materials of phosphogypsum storage field[物料名称 年均堆渣质量 / （1×104 t/a） 含水率 / % 孔隙比 纯磷石膏固体颗粒 140 0 0 干基磷石膏 175 25 0.585 饱和初始磷石膏 208 48.38 1.132 ]（1）来自制磷石膏浆液工段料浆经压滤机后排出干基磷石膏进入载浆槽，加水稀释搅拌后变成磷石膏浆液，通过管道送至磷石膏渣场［6］；（2）料浆输送到磷石膏渣场后，料浆中的固体磷石膏颗粒开始沉淀，固体部分形成饱和的初始磷石膏，处于饱和的初始状态，尚未自行沉降；（3）在荷载和时间的作用下，磷石膏的初始固结沉降会挤出部分磷石膏孔隙水；（4）浆液沉淀固液分离产生的上层澄清废水、进入渣场的污染雨水和固结沉降挤出的磷石膏孔隙水统称为磷石膏渣场工艺水［7］。由表2可知渗滤液中氟、磷、砷等元素含量过多，一旦渗滤液发生泄漏，会严重危害周边土壤，更甚者会对当地地下水造成不可逆的污染［8］，为了建立相应的渗滤液收集和回用系统，渗滤液产生量的计算和预测至关重要。表2 磷石膏渣场渗滤液检测项目一览表Tab. 2 List of leachate testing items in phosphogypsum storage field[项目 检测值 pH 2.3-2.4 F 87.4 mg/L P 777 mg/L As 0.31 mg/L Ca 410.47 mg/L Mg 531.69 mg/L SO42- 1 915 mg/L ]1.2 磷石膏渣场渗滤液产量模型根据系统的进水和出水，磷石膏渣场水平衡因素分为：进水包括：降水量Pn、干基磷石膏含水量Rn、沉降挤出水量Sn；出水包括：蒸发量En、孔隙截留水量In。它们代数和为磷石膏渣场“剩余水量Qn”输出，定义为“磷石膏渗滤液产生量”［9］，磷石膏渣场渗滤液的输出模型如图1所示。得出磷石膏渗滤液产生量计算公式：[Qn=(Rn+Pn+Sn)-(En+In)] （1）2 渗滤液产生量计算与分析2.1 磷石膏渣场水平衡影响因素计算2.1.1 降雨量与蒸发量 （1）降雨量Pn[Pn=P×Sp-n] （2）式（2）中，[P]为堆场年平均降雨量，根据宜都市近20年平均降雨量数据统计，[P]取值1 239.7 mm，SP-n为第n年堆场截洪沟内汇水面积，2021年取值80 000 m2，根据计算，未来10年磷石膏渣场降雨量Pn如表3所示。由图2可知，在渣场年平均降雨量不变的情况下，随着每年渣场堆存高度上升，汇水面积扩大，降雨量也在逐年增加。（2）蒸发量En[En=E×Se-n] （3）式（3）中，[E]为渣场年平均蒸发量，根据宜都市近20年平均蒸发量数据统计，`E取值800 mm，有效蒸发面积Se-n如表4所示，经计算，未来10年磷石膏渣场的蒸发情况见表4。表3 降雨量计算结果Tab. 3 Rainfall calculation results[计算年份 渣场年平均降雨量[P] / m 汇水面积SP-n / m2 降雨量Pn / m3 2021年 1.032 80 000 82 552 2022年 1.032 143 086 147 650 2023年 1.032 144 192 148 792 2024年 1.032 149 759 154 536 2025年 1.032 151 839 157 761 2026年 1.032 153 837 158 744 2027年 1.032 155 744 160 712 2028年 1.032 157 615 162 643 2029年 1.032 158 393 163 446 2030年 1.032 160 618 165 742 ][2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030计算年份][18015014012010080][降雨量 / km3]图2 降雨量随时间变化趋势Fig. 2 Rainfall trends over time蒸发量变化趋势图如图3所示。2.1.2 干基磷石膏含水量Rn[Rn=(m干基×w干基)/(1+w干基)×ρ液] （4）式（4）中，m干基为干基磷石膏量，W干基为干基磷石膏含水率，根据渣场物料状况，若W干基为25%，渣场每年进入的m干基取值1.75×109 kg/a，r液为孔隙水密度取值1 kg/m3，由公式（4）可得［10］：Rn=3.5×105 m32.1.3 孔隙截留水量In[In=(m0×w0)/(1+w0)×ρ液] （5）式（5）中，m0为饱和初始磷石膏量，W0为饱和初始磷石膏含水率，由渣场物料状况，若W0为48.83%，渣场每年进入的m0取值2.08×109 kg/a，r液为孔隙水密度取值1 kg/m3，由公式（5）计算可得［11］：In=6.8×105 m32.1.4 沉降挤出水量Sn（1）磷石膏堆体的分层设定将渣场磷石膏堆体在本次计算中分为10层，假设忽略渣场固结沉降引起的高度降低，根据背景仅取每年向渣场添加的饱和初始磷石膏量体积V0为1.28×106 m3/a。计算渣场磷石膏体积的多年累计量［12］。[Vi,j=V0×(ei,j+1)/(e0+1)] （6）[Vn=ni=n,j=1Vi,j] （7）上式中，假定每层层高不变，i为渣场使用年份，1≤i≤10，j为磷石膏堆体层数，1≤j≤10，e0为初始磷石膏孔隙比，取值1.123，ei，j为第i年第j层孔隙比，取值见表5，Vi，j为第i年第j层磷石膏堆体体积，计算出第n年磷石膏堆体总体积Vn［13］，结果如表6所示，磷石膏堆体总体积逐年平稳增长。表6 每年磷石膏堆体总体积演算结果Tab. 6 Calculation result of total volume of phosphogypsum heap every year 10 000 m3[计算年份 堆体总体积 2021年 111.12 2022年 226.87 2023年 340.3 2024年 453.76 2025年 568 2026年 680.57 2027年 779.4 2028年 884.78 2029年 991.99 2030年 1 099.4 ]（2）“沉降挤出水”基本计算原理根据背景取每年进入渣场的饱和初始磷石膏体积V0［14］为1.28×106 m3/a。将第n年磷石膏堆体总体积Vn计算结果代入到公式：[Tn=n×V0-Vn] （8）[Sn=Tn×Tn-1] （9）2021-2030年间磷石膏渣场沉降挤出水量Sn，如表7所示。表7 磷石膏堆体沉降挤出水量Sn演算结果Tab. 7 Calculation results of water extruded by settlement of phosphogypsum heap 10 000 m3[计算年份 沉降挤出水量Sn 计算年份 沉降挤出水量Sn 2021年 16.88 2026年 19.38 2022年 12.25 2027年 23.46 2023年 13.76 2028年 24.79 2024年 14.54 2029年 26.62 2025年 14.57 2030年 29.17 ]2.2 计算结果根据磷石膏堆场水平衡因素演算结果和公式［9］：[Qn=(Rn+Pn+Sn)-(En+In)] （10）进行磷石膏渣场渗滤液产生量计算［15］，计算结果见表8。2.3 结果分析由上表8可得到下图4磷石膏渣场渗滤液产量Qn随时间的变化，由图可知沉降挤出水在初始2021-2022年期间由16万立方米减少到12万立方米，原因可能是在磷石膏渣场运行初期磷石膏堆体体积较小，压力不足以产生大量沉积挤出水。因此在2021-2022年渗滤液产生量也只有少量增加。在2023-2030年期间随着磷石膏堆体的不断增加，沉降挤出水呈上升趋势由13万立方米增加到29万立方米，同时渗滤液产生量也持续增加。[2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030计算年份][300250200150100500-50-100-150][水量 / km3][沉降挤出水量渗滤液产生量]图4 磷石膏堆场渗滤液产量Qn随时间的变化Fig. 4 Variation of leachate yield in phosphogypsum storage field with time3 结 论通过对该磷石膏渣场未来10年渗滤液产生量进行预测分析，初步得出相关结论。（1）在湿法磷石膏渣场中渗滤液主要来源于降水、干基磷石膏含水以及固结沉降挤出水。（2）在磷石膏渣场使用期间，渗滤液产生量主要受沉降挤出水量影响，在渣场使用初期2021-2022年由于挤出水量由初始16万立方米减少了30%左右，该期间渗滤液产生量较少。在渣场使用后期2023-2030年由于磷石膏堆体体积增大使得沉降挤出水量平均每年增加18%左右，渗滤液产生量平均每年增加23%左右，部分渗滤液回用，部分经污水处理站处理后外排。（3）由计算结果可知，为防止因渗滤液产生量过多引起的危害，可以在雨季设置拦截设施导排雨水来减少渗滤液产生量，同时也可适当增加防渗层以防管理不当导致渗滤液发生泄漏，对周边土壤及地下水造成难以挽回的污染。