电厂粉煤灰堆放对水环境的影响及防治对策

2010-02-05郝永艳陈军锋孔春梅臧红飞

山西水利 2010年11期

郝永艳，郝峰，陈军锋，孔春梅，臧红飞

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024；2.鄂尔多斯市水利局，内蒙古鄂尔多斯 017000）

1 概况

目前，我国电力以燃煤发电为主，大同第二发电厂是华北电网的主力电厂，于1978年建成，装机容量370万kW，多年来向京、津、唐等地区输送了大量的电能。同时，发电产生的粉煤灰年产量达73万t，其处置方法为贮灰场储放。粉煤灰灰场是电厂的必要附属设施，大同第二发电厂的灰场是党留庄灰场和田村灰场。灰场对周边水环境及人类生存环境产生污染是人所共知的，其污染程度主要取决于灰场位置、灰场存在的时间、灰水中主要污染物的浓度、灰场与周边地下水位的联系等因素。粉煤灰的污染途径、污染机理及其有效的防治措施一直没有很好地解决，因此以大同二电厂粉煤灰堆放问题为切入点，进行粉煤灰对水环境污染机制的研究具有重要的现实意义。

2 粉煤灰的特点

2.1 粉煤灰的主要成分及含量

粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废弃物。其中有害的重金属和放射性物质以较高浓度留存于粉煤灰中。我国火电厂粉煤灰的主要成分是氧化硅、氧化铝、氧化铁、氧化钙、氧化钛、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫和氧化锰等。大同第二发电厂新近排放至田村灰场的粉煤灰样本检测结果显示：粉煤灰含有钡、硼、铬、钴、铜、锰、钼、镍、钒、锌等金属元素；党留庄灰场粉煤灰除了上述元素外，还含有铅、汞、硫酸盐、氟化物等金属元素及化合物。原煤中的钍和铀元素在燃烧过程中会形成不溶解、不挥发的化合物留存在粉煤灰中，这些天然放射性核素的浓度大约是原煤的3～10倍。

2.2 粉煤灰对水体的污染状况

大同第二发电厂粉煤灰年产量达73万t，湿排粉煤灰需耗用大量的水，每湿排1 t粉煤灰需20 t水，这些排灰水一部分蒸发，一部分渗入地下和进入河道。灰水中主要超标污染项目为pH值、悬浮物、氟化物，其中以pH值超标量最为突出。

2.2.1 地表水水质状况

大同第二发电厂粉煤灰灰场排灰水有一部分排入杜庄水库，水体颜色为蓝色，pH值为8，空气中伴有刺激性的气味。火电厂灰场附近采集的地表水样本检测结果表明，其污染物为金属元素及化合物，包括铝，锑、钡、硼、钙、铬、钴、铜，铁、铅、锂、镁、锰、汞、钼、镍、钾、硒、钠、锶、铊、钒、锌、硝酸盐、氯化物、氟化物、硫化物和硫酸盐。

《农田灌溉水质标准》把农作物分为三个等级：对硼敏感作物不可高于1 000 ug/L；对硼耐受性较强的作物不可高于2 000 ug/L；对硼耐受性强的作物不可高于3 000 ug/L。相比《农田灌溉水质标准》最高允许浓度，党留庄灰场地表水的硼含量为3 510 ug/L，超标17%，田村灰场地表水的硼含量为5 360 ug/L，超标78.7%，直接影响作物生长。

2.2.2 地下水水质状况

燃煤电厂是微量元素产生的重要场所。排灰水及降雨渗水通过包气带进入地下水体是粉煤灰灰场污染地下水的重要形式。大同第二发电厂五种国家重点监控重金属年排放总量（估算）：铬5.45 t，汞0.17 t，铅8.03 t，镉和砷为0。此外，固体废弃物中还含有SO2，NO2，SS，油，COD，BOD5等有害有毒元素。可溶解性物质随雨水淋溶迁移进入土壤、渗入地下含水层，使水质遭到污染。

表1为2010年党留庄和田村地下水水质分析结果。根据地下水监测的实际情况，选择了对人体健康影响较大且能客观反映饮用水水质状况的10项因子作为评价参数，对地下水水质进行评价。

表1 地下水水质分析结果单位：mg/L

按照《生活饮用水卫生标准》水质限值评价结果，党留庄地下水氟化物为超标项，其他均符合生活饮用水卫生标准要求；田村地下水硫酸盐、固溶物和总硬度超标。根据《地下水质量标准》的地下水分类指标及地下水水质评价方法，党留庄地下水氟化物超过Ⅲ类标准，得出F值为1.86，地下水综合评价类别为良好。田村地下水含盐量偏高，硫酸盐、固溶物和总硬度超过Ⅲ类标准，得出F值为2.04，地下水综合评价类别为良好。

3 粉煤灰堆放对水环境影响的途径和机理分析

3.1 党留庄水文地质条件及地理环境

党留庄位于冲湖积平原孔隙水分布区，为一套河流相及河湖相细粒堆积物，含水层以下中更新统中、细砂为主，形成上细下粗的二元结构。经抽水试验，古河道发育的党留庄一带，单井涌水量50 t/h。地下水化学类型为 HCO3-Ca·Mg和 HCO3-K·Ca·Mg型水，矿化度0.45~0.98 g/L，pH值为7.8~8.2。

党留庄水源地是向大同市供水的中小型水源地之一，位于御河东岸的大同县西部党留庄村，黄土丘陵地貌，地形平缓，地下水位埋深小，地下水多为浅层承压水，地下水流向基本与地形一致。含水介质为中砂、细砂，渗透系数K=9.413 m/d。在其东侧有大同第二发电厂冲灰场，党留庄灰场溢流排放口及附近水沟没有采取任何防范措施，对水源地地下水水质存在潜在威胁。

3.2 污染途径和污染机理

3.2.1 粉煤灰的物理化学特性

粉煤灰是一种大小不等、形状不规则的银灰色和灰色粒状体，颗粒粒径为0.5～300 μm，颜色越深其含碳量越高。粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，所以吸附活性较强，粉煤灰的物理性质见表2。粉煤灰中 SiO2，A12O3，Fe2O3成分占到 70%以上，CaO和MgO等的含量较小，变化在0.2%～10%之间，与原煤的组成和产出时代有关。粉煤灰主要由非晶态玻璃相构成，其中石英为主要结晶相，pH值可从弱碱性向强碱型过渡。

表2 粉煤灰的物理性质

3.2.2 粉煤灰对水环境的污染途径和污染机理

大量的粉煤灰经运输到达灰场，如不加以处理，遇风会产生扬尘，污染大气，降落到地面，使土壤盐碱化，人体吸收后令危害健康；湿灰灰场的防渗措施不当，粉煤灰中的有害物质会渗透到水体中，粉煤灰中潜在毒性物质会对水环境造成污染。粉煤灰对水环境的污染主要通过以下几种形式进行：

第一，易溶有害有毒物质的直接溶解。粉煤灰直接排入水体是对地表水体最直接最恶劣的污染方式。干灰在运输到灰场和堆放的过程中，在日晒、风吹、雨淋、淋溶等作用下，粉煤灰颗粒会随风飘落到河流、湖泊等地表水体中，粉煤灰中所含的有毒元素如汞、砷溶于水中，使水质恶化，不但降低了水体的使用功能，而且极易被水生生物富集进入食物链最终毒害人类。

由于粉煤灰的颗粒细腻、体轻、粒度范围大，排入水体后会使河道淤塞，水生生物窒息死亡。2002年大同第二发电厂粉煤灰贮存场灰水泄露，含有大量粉煤灰的污水进入下游鱼塘，使鱼的鱼鳃堵塞造成严重死鱼事件，损失27万元。

第二，风化、淋溶及浸泡作用。干贮灰场及停运灰场的粉煤灰受到自然风化和降水的淋溶作用，矿物的内部结构被破坏，使矿物晶格中的离子分解游离出来，由原来的化合态转化为游离态，使污染组分的能量系数降低，溶解度升高，迁移能力增强。在此过程中发生一系列的物理化学反应，淋溶液中溶解的无机物、有毒物质及其中含有的有毒重金属（如镉、铬、砷、汞、铅等）随滤液会进入水体。

粉煤灰和大量的水混合后经由管道输排至湿灰场，灰水小部分蒸发，随着灰场中积水的增多，长时间的浸泡令粉煤灰中的重金属等有害物质渗入水中，对灰场附近的浅层地下水和地表水造成污染，地表水体中的水生生物受到威胁。粉煤灰中的有害物质渗透到村民的饮用水中，使井水出现悬浮物增多、氟化、碱化等情况。

第三，对地下水体的污染。在贮放过程中，由于灰水的淋滤作用可能引起渗漏，粉煤灰中的无机物和有毒有害物质，将会通过包气带向下入渗。由于垂向入渗系数小，渗透速度很慢，在短期内对地下水不会有较大影响。但灰场区长期滞存灰水，土壤的环境容量将逐渐减小，对地下水污染可能会逐渐加重。而地下水流动性差，粉煤灰堆放时间越长，对于地下水的污染越严重。根据环境评估结果，党留庄集中供水水源存在重大环境风险。

由于大同第二发电厂粉煤灰中含有大量的无机物和重金属元素，是无机盐类污染的主要物质来源，且粉煤灰中的无机盐易溶于水，可被大气降水淋滤溶解，并随溢流水外泄而污染环境。正常情况下，贮灰场对党留庄水源地影响相对较小，一旦被污染将很难治理，必须引起重视。

4 粉煤灰污染的治理措施

4.1 法律的约束和政策的完善

第一，在现有法律框架下提高重视，加大环境执法力度，督促各地方、各部门积极履行法定职责。

第二，加大对煤灰污染环境的治理力度和环境治理设施投入。

第三，进一步完善粉煤灰治理的相关政策法规。借鉴美国、欧盟等发达国家煤灰污染治理的经验，设计更有针对性的操作规范、制度与标准。

4.2 提高粉煤灰综合利用率

第一，加大投入科技开发力度，大力提高能源使用效率和发展可再生能源，促进能源结构的优化，逐步减少对煤炭的过度依赖，从源头上控制粉煤灰污染，营造良性发展氛围。

第二，提高粉煤灰综合利用率，增加经济效益的同时达到间接节约土地和其它矿产资源的目的。

第三，利用粉煤灰回填沟壑和地下采空区，一方面可以复土造田，扩大耕地面积，避免发生地面塌陷的地质灾害，另一方面可以大量使用粉煤灰，解决粉煤灰的堆放问题。

4.3 总结借鉴经验，进一步做好粉煤灰的规范管理

做好灰场防渗、防洪及灰水回收利用等工程措施，为防止灰场飞灰污染，采取洒水灭尘和植树绿化的措施。现场配备洒水汽车和绞盘式洒水装置，将运灰公路及灰场内的飞灰及时地洒水灭尘。另外，在灰场四周和运灰公路两侧种植成活率较高的高低不同的树木，以挡风灭尘、美化净化环境。灰场运行完毕，灰面要按照水土保持方案，进行覆土还田，造福于民。

5 结语

国电电力大同湖东上大压小2×1 000 MW电厂工程正在建设，将于2012年投产，机组设计每年排灰68.03万t、脱硫石膏16.5万t，总量为84.53万t。建设的兴胜村南灰场占地面积约1.6 km2，随着中国火电装机的进一步扩张，火电厂征地贮存粉煤灰所导致的水环境问题也将日趋严重，同时灰场方圆数百米内的土地也会受到飘落降尘影响。由于粉煤灰高盐高碱，且土壤对氟、砷等污染物的吸附能力较强，下渗、扩散到土地导致周边土地盐碱化、水体污染化，不再适于农作物的种植，严重影响农业生产和生态环境。所以粉煤灰污染问题必须引起足够的重视，我们既然无力改变粉煤灰排放量，那就要提高粉煤灰的综合利用率、改进粉煤灰堆放的条件，科学选址，采取防扬散、防渗漏、防流失等措施，有效防治其对环境的影响，减少对人体健康的损害。