湖北某磷石膏堆場滲濾液產(chǎn)生量的預(yù)測分析

別琳琳，張 莉*，周曉華，韋 斌，林 森

1.武漢工程大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.湖北楚星化工有限公司，湖北 宜昌 443000

湖北省含有大量的磷礦資源，估算全省磷石膏積存量超過2.96億噸。其中大部分磷石膏作為廢渣丟棄，堆存在企業(yè)附近占用大量土地，全省35處磷石膏渣場共占地約1 063 hm2。在堆存過程中，由于降水的沖刷淋洗作用以及沉降擠壓作用導(dǎo)致堆存的磷石膏帶有的水分和降水一起形成了大量磷石膏滲濾液［1］。當未采取防滲措施或防滲層受到破壞時，會嚴重威脅到土壤以及地下水。

目前國內(nèi)外對磷石膏渣場滲濾液產(chǎn)生量研究較少，渣場滲濾液產(chǎn)生量主要采用經(jīng)驗公式法和水量平衡法［2］。其中經(jīng)驗公式法基于降水量和滲濾液產(chǎn)生量的實測值來建立模型，確定參數(shù)來預(yù)測今后的產(chǎn)生量［3］。但該法在計算中未考慮蒸發(fā)量以及磷石膏自身含水量，這樣會對滲濾液產(chǎn)生量造成較大誤差。而水量平衡法可以考慮到渣場各個進水、出水參數(shù)，基本符合實際滲濾液產(chǎn)生量的大小［4］。

因此本文利用水量平衡法得出滲濾液計算公式［5］，對所研究渣場從2021年到2030年10年間的滲濾液產(chǎn)生量進行預(yù)測分析并得出變化規(guī)律結(jié)論，同時提出防治方法。

1 磷石膏渣場調(diào)查分析

1.1 現(xiàn) 狀

湖北楚星磷石膏渣場位于薛家溪上游，該渣場新一期在2021年投入使用，占地75.67hm2，該磷石膏渣庫屬山谷型渣庫，表1為渣場相關(guān)物料情況。

表1 磷石膏堆場相關(guān)物料情況Tab.1 Related materials of phosphogypsum storagefield

（1）來自制磷石膏漿液工段料漿經(jīng)壓濾機后排出干基磷石膏進入載漿槽，加水稀釋攪拌后變成磷石膏漿液，通過管道送至磷石膏渣場［6］；

（2）料漿輸送到磷石膏渣場后，料漿中的固體磷石膏顆粒開始沉淀，固體部分形成飽和的初始磷石膏，處于飽和的初始狀態(tài)，尚未自行沉降；

（3）在荷載和時間的作用下，磷石膏的初始固結(jié)沉降會擠出部分磷石膏孔隙水；

（4）漿液沉淀固液分離產(chǎn)生的上層澄清廢水、進入渣場的污染雨水和固結(jié)沉降擠出的磷石膏孔隙水統(tǒng)稱為磷石膏渣場工藝水［7］。

由表2可知滲濾液中氟、磷、砷等元素含量過多，一旦滲濾液發(fā)生泄漏，會嚴重危害周邊土壤，更甚者會對當?shù)氐叵滤斐刹豢赡娴奈廴荆?］，為了建立相應(yīng)的滲濾液收集和回用系統(tǒng)，滲濾液產(chǎn)生量的計算和預(yù)測至關(guān)重要。

表2 磷石膏渣場滲濾液檢測項目一覽表Tab.2 List of leachate testing items in phosphogypsum storage field

1.2 磷石膏渣場滲濾液產(chǎn)量模型

根據(jù)系統(tǒng)的進水和出水，磷石膏渣場水平衡因素分為：

進水包括：降水量Pn、干基磷石膏含水量Rn、沉降擠出水量Sn；

出水包括：蒸發(fā)量En、孔隙截留水量In。

它們代數(shù)和為磷石膏渣場“剩余水量Qn”輸出，定義為“磷石膏滲濾液產(chǎn)生量”［9］，磷石膏渣場滲濾液的輸出模型如圖1所示。

圖1 磷石膏渣場滲濾液產(chǎn)量模型Fig.1 Model of leachateyield in phosphogypsum storage field

得出磷石膏滲濾液產(chǎn)生量計算公式：

2 滲濾液產(chǎn)生量計算與分析

2.1 磷石膏渣場水平衡影響因素計算

2.1.1 降雨量與蒸發(fā)量

（1）降雨量Pn

式（2）中，為堆場年平均降雨量，根據(jù)宜都市近20年平均降雨量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取值1 239.7 mm，SP-n為第n年堆場截洪溝內(nèi)匯水面積，2021年取值80 000 m2，根據(jù)計算，未來10年磷石膏渣場降雨量Pn如表3所示。

表3 降雨量計算結(jié)果Tab.3 Rainfall calculation results

由圖2可知，在渣場年平均降雨量不變的情況下，隨著每年渣場堆存高度上升，匯水面積擴大，降雨量也在逐年增加。

圖2 降雨量隨時間變化趨勢Fig.2 Rainfall trends over time

（2）蒸發(fā)量En

式（3）中，為渣場年平均蒸發(fā)量，根據(jù)宜都市近20年平均蒸發(fā)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，ˉ取值800 mm，有效蒸發(fā)面積Se-n如表4所示，經(jīng)計算，未來10年磷石膏渣場的蒸發(fā)情況見表4。

表4 蒸發(fā)量計算結(jié)果Tab.4 Evaporation calculation results

蒸發(fā)量變化趨勢圖如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)量隨時間變化趨勢Fig.3 Evaporation trends over time

2.1.2 干基磷石膏含水量Rn

式（4）中，m干基為干基磷石膏量，W干基為干基磷石膏含水率，根據(jù)渣場物料狀況，若W干基為25%，渣場每年進入的m干基取值1.75×109kg/a，ρ液為孔隙水密度取值1kg/m3，由公式（4）可得［10］：

2.1.3 孔隙截留水量In

式（5）中，m0為飽和初始磷石膏量，W0為飽和初始磷石膏含水率，由渣場物料狀況，若W0為48.83%，渣場每年進入的m0取值2.08×109kg/a，ρ液為孔隙水密度取值1 kg/m3，由公式（5）計算可得［11］：

2.1.4 沉降擠出水量Sn

（1）磷石膏堆體的分層設(shè)定

將渣場磷石膏堆體在本次計算中分為10層，假設(shè)忽略渣場固結(jié)沉降引起的高度降低，根據(jù)背景僅取每年向渣場添加的飽和初始磷石膏量體積V0為1.28×106m3/a。計算渣場磷石膏體積的多年累計量［12］。

上式中，假定每層層高不變，i為渣場使用年份，1≤i≤10，j為磷石膏堆體層數(shù)，1≤j≤10，e0為初始磷石膏孔隙比，取值1.123，ei，j為第i年第j層孔隙比，取值見表5，Vi，j為第i年第j層磷石膏堆體體積，計算出第n年磷石膏堆體總體積Vn［13］，結(jié)果如表6所示，磷石膏堆體總體積逐年平穩(wěn)增長。

表5 第i年第j層孔隙比ei，jTab.5 Porosity ratio ei，j on i layer in j year

表6 每年磷石膏堆體總體積演算結(jié)果Tab.6 Calculation result of total volume of phosphogypsum heap every year 10 000 m3

（2）“沉降擠出水”基本計算原理

根據(jù)背景取每年進入渣場的飽和初始磷石膏體積V0［14］為1.28×106m3/a。將第n年磷石膏堆體總體積Vn計算結(jié)果代入到公式：

2021-2030年間磷石膏渣場沉降擠出水量Sn，如表7所示。

表7 磷石膏堆體沉降擠出水量Sn演算結(jié)果Tab.7 Calculation results of water extruded by settlement of phosphogypsum heap 10 000 m3

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)磷石膏堆場水平衡因素演算結(jié)果和公式［9］：

進行磷石膏渣場滲濾液產(chǎn)生量計算［15］，計算結(jié)果見表8。

2.3 結(jié)果分析

由上表8可得到下圖4磷石膏渣場滲濾液產(chǎn)量Qn隨時間的變化，由圖可知沉降擠出水在初始2021-2022年期間由16萬立方米減少到12萬立方米，原因可能是在磷石膏渣場運行初期磷石膏堆體體積較小，壓力不足以產(chǎn)生大量沉積擠出水。因此在2021-2022年滲濾液產(chǎn)生量也只有少量增加。在2023-2030年期間隨著磷石膏堆體的不斷增加，沉降擠出水呈上升趨勢由13萬立方米增加到29萬立方米，同時滲濾液產(chǎn)生量也持續(xù)增加。

表8 磷石膏堆場滲濾液產(chǎn)量Tab.8 Leachate output of phosphogypsum storagefield m3

圖4 磷石膏堆場滲濾液產(chǎn)量Qn隨時間的變化Fig.4 Variation of leachate yield in phosphogypsum storage field with time

3 結(jié) 論

通過對該磷石膏渣場未來10年滲濾液產(chǎn)生量進行預(yù)測分析，初步得出相關(guān)結(jié)論。

（1）在濕法磷石膏渣場中滲濾液主要來源于降水、干基磷石膏含水以及固結(jié)沉降擠出水。

（2）在磷石膏渣場使用期間，滲濾液產(chǎn)生量主要受沉降擠出水量影響，在渣場使用初期2021-2022年由于擠出水量由初始16萬立方米減少了30%左右，該期間滲濾液產(chǎn)生量較少。在渣場使用后期2023-2030年由于磷石膏堆體體積增大使得沉降擠出水量平均每年增加18%左右，滲濾液產(chǎn)生量平均每年增加23%左右，部分滲濾液回用，部分經(jīng)污水處理站處理后外排。

（3）由計算結(jié)果可知，為防止因滲濾液產(chǎn)生量過多引起的危害，可以在雨季設(shè)置攔截設(shè)施導(dǎo)排雨水來減少滲濾液產(chǎn)生量，同時也可適當增加防滲層以防管理不當導(dǎo)致滲濾液發(fā)生泄漏，對周邊土壤及地下水造成難以挽回的污染。