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历史遗留含砷危险废渣安全处置工程案例

2017-09-01史学峰刘晓月

湖南有色金属 2017年4期
关键词:废渣填埋场危险废物

邵 乐,史学峰,李 娟,刘晓月,韩 凤

(航天凯天环保科技股份有限公司,湖南长沙 410100)

历史遗留含砷危险废渣安全处置工程案例

邵 乐,史学峰,李 娟,刘晓月,韩 凤

(航天凯天环保科技股份有限公司,湖南长沙 410100)

在对原场址含砷废渣进行详细调查的基础上,确定了化学氧化+稳定化固化+就地安全填埋的处置方案。项目选择过硫酸钠为氧化剂,很好地将高毒性的三价砷氧化为相对低毒性的五价砷,通过稳定化固化试验研究,确定了七水硫酸亚铁为稳定剂,其最佳添加量为8%,水泥为固化剂,其最佳添加量为10%(质量比)。根据国内外安全填埋场的设计经验,填埋场采用HDPE双层防渗技术,并设计了雨污分流系统、地下水导排系统、渗滤液收集处理系统、封场系统,该项目设计合理,对周围环境的影响小,取得了良好的社会效益和环境效益,并对含砷废渣处理处置工程设计中应注意的问题提出了建议。

含砷废渣;化学氧化;稳定化固化;安全填埋

我国砷矿资源丰富,探明储量为世界总储量的70%,其中广西、云南、湖南三省储量分别占全国总储量的41.5%、15.5%和8.8%,合计占全国总储量的2/3。砷在农业、电子、医药、冶金、化工等领域具有特殊用途,可用于制取杀虫剂、木材防腐剂、玻璃澄清脱色剂等[1]。随着科技的发展,砷的市场需求不断增加。在砷的冶炼及其化合物的生产使用过程中,大量的砷化物被引入环境,污染水源,危害人体健康,因此人们对砷毒危害已给予了极大关注[2]。

湖南省某雄黄矿,自1950年成立以来,就开始开采雄黄,冶炼砒霜,1972年停止砒霜冶炼。长达22年之久的砒霜冶炼在给国家赢得丰厚利润的同时也给环境造成了无法挽回的损失。近20万t的含砷砒霜冶炼废渣未经处理填埋在地下,分布在厂区空旷地带及部分建筑物底下,经风化、雨水冲刷有些已暴露于地表,且从砷渣浸出的水中含砷量高,污染周边土壤、地表水及地下水,导致周边农作物产量低,几乎所有粮食作物不能食用。考虑到该项目砷渣量大、含量高,且安全土地填埋成本相对较低,工艺较成熟,因此选择安全填埋法安全处置历史遗留砷渣。

由于该项目含砷废渣砷浸出浓度极高,需进行稳定化固化预处理,使其达到进入填埋场的入场标准。稳定化固化技术是通过物理和化学作用来固定土壤中污染物的技术组合。稳定化和固化试剂能与土壤中的重金属污染物发生化学或物理反应,使之转化为不易溶解、迁移能力弱、毒性更小的形态[3]。

目前,常用的固化剂有水泥、石灰、沥青、以及酚醛塑料等有机物聚合物[4]。其中,水泥是最常用的固化剂,其固化原理是碱性的水泥在水化过程中能通过吸附、沉降、离子交换、钝化等多种方式与重金属发生反应,最终使得重金属以稳定的氢氧化物或络合物的形式停留在水泥水化胶体表面,进而抑制重金属的渗滤[5,6]。水泥固化法已被广泛用于电镀污泥、铬渣、砷渣、汞渣、镉渣等重金属废物的固化处理,同时根据国内大量的研究结果[7,8]以及国内几个已开始运行的危险废物填场工程的经验表明:用水泥固化成本低,固化效果好,易于操作,适合我国的国情。因此,该项目选择水泥做固化剂。

常用的砷的稳定化添加剂有含铁材料(铁盐、零价铁、铁氧化物)、含铝材料(铝盐、铝氧化物)、含锰材料(二氧化锰)、碱性材料(氧化钙、碳酸钙、粉煤灰、赤泥、电石渣等)、粘土矿物(蒙脱石、高岭土、人工沸石、白云石等)、含硫材料(硫化钠、硫化亚铁)等。同时在处理过程中还需要添加一些氧化剂,pH调节剂等试剂,使砷反应更加充分[9]。大量研究表明,含铁材料对砷的稳定效果明显,在查阅大量文献资料的基础上,从成本及效果方面综合考虑,该项目选择七水硫酸亚铁做稳定化药剂。Fe2+全部氧化生成水合铁氧化物,再通过铁氧化物表面吸附及共沉淀作用除砷,但Fe2+发生水解释放出H+离子,使废渣变酸:4Fe2++O2+6H2O→4FeOOH+8H+[10],加入碱性水泥,刚好可以发生中和反应,使得稳定化固化处理后的废渣pH满足填埋场入场要求。

1 含砷废渣定性分析

废渣呈灰褐色,粒径较细,渣中含砂砾较多,含水率较低。采用李氏比重法测得废渣密度为2.800 t/m3。废渣pH按玻璃电极法测得为7~10,说明废渣的碱性较强,高碱性对废渣的水泥固化是有利的。废渣中的主要矿物成分为CaMg(CO3)2、CaCO3、SiO2以及少量的Mg3(AsO4)2·8H2O和CaPO3(OH)2· H2O,其中的砷主要以稳定的砷酸盐存在。

对项目区进行均匀布点采集砷渣样品并送检,其砷含量为0.26%~7.26%,其中废渣混合样中As含量为3.5%左右。

同时,采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)[11]对废渣样品进行浸出,其酸浸值为12.07~138.6 mg/L,均超过《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中砷的浸出浓度限值(5 mg/L)[12],该含砷废渣是危险废物。采用《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2009)[13]对废渣样品进行浸出,其浸出液中砷的浓度为3.36~54.59 mg/L,均超过《危险废物填埋污染控制标准》(GB18598-2001)中允许进入填埋场的浓度限值(2.5 mg/L)[14],需进行稳定化固化预处理后达到入场标准方可入场填埋。

2 化学氧化

三价砷的迁移性和毒性较五价砷强,为了达到更好的稳定效果,该项目选择加入氧化剂,将三价砷氧化为五价砷,提高稳定效率。氧化剂选择过硫酸钠,氧化能力强、稳定性好,能将砷渣中毒性较强的三价砷氧化成毒性相对较弱的五价砷,而高价砷酸盐如A比亚砷酸A等更容易形成稳定的固体[15];在此基础上,结合铁盐固定砷,生成稳定的砷酸铁沉淀。过硫酸钠添加量为1%(质量比),为了氧化剂与废渣混匀并充分反应,将过硫酸钠固体药剂溶于水后配成溶液加入。

3 稳定化固化设计

3.1 稳定化固化小试研究

对现场采集回来废渣样混合后进行稳定化固化小试试验,以确定稳定化固化药剂最佳药剂添加量。该试验设计在砷渣中加入同等量的氧化剂和几种不同添加量的七水硫酸亚铁、水泥,加适量蒸馏水混合搅拌均匀后,反应养护7 d,采用《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(HJ557-2009)[13]对其进行浸出,旨在找到既能满足填埋场入场要求,又经济合理的药剂添加量。具体设计及检测结果见表1。

表1 稳定化固化小试试验结果

从表1中可以看出,通过稳定化固化处理后,废渣中砷的浸出浓度大大降低了,所有药剂添加量下浸出液中砷的浓度均能满足《危险废物安全填埋污染控制标准》(GB18598-2001)中填埋物进场要求(2.5 mg/L)[14],但是浸出液pH满足入场要求的只有6%的七水硫酸亚铁+15%水泥与8%的七水硫酸亚铁+10%水泥组合。考虑到工程现场实施条件比实验室要复杂多变,且从效果上和经济上综合考虑,拟选用8%的七水硫酸亚铁添加量及10%的水泥添加量作为本项目稳定化固化现场工程实施时的药剂添加量。

3.2 稳定化固化工艺流程

含砷废渣通过抓斗被送进混合搅拌设备,根据重量和成分按比例加入水泥,水泥通过贮仓下的定量下料装置和螺旋输送机被送进混合搅拌设备,稳定剂从配制槽通过计量泵输送至混合搅拌设备。

经稳定化/固化处理后的危险废物,检测达到填埋控制标准后再通过自卸汽车运至填埋场进行安全填埋处置,达不到入场控制标准的需调整稳定化固化药剂比例后返回重新搅拌处理,直到满足入场要求。在稳定化固化作业过程中,为避免混合搅拌机进料口扬尘,在进料口设通风除尘收尘点,废气中的细微颗粒经布袋除尘器过滤后,净化尾气排空。

稳定化/固化处理工艺流程如图1所示。

图1 稳定化/固化处理工艺流程图

4 填埋场设计方案

4.1 库容

需填埋的含砷废渣总量约20万t,压实容重2 t/m3左右,则废渣填埋所需库容为10万m3,另外,考虑到防渗与导排系统所占的体积,且加入水泥后废渣体积会膨胀,填埋场总库容设计为13万m3。

4.2 库区整形

为了便于防渗层的铺设和渗滤液的收集,在铺设防渗层之前必须对填埋库区进行场地整形,包括清除库区内植被及其根系、挖除表层耕植土、场底平整及地基处理、边坡修整处理。

填埋库场底基本上沿沟底布置,谷底线向沟上游形成2%的纵向坡度,谷底线两侧形成2%的横坡,有利渗滤液收集系统和地下水疏排系统的布置。

边坡平整从场底开始,结合地形坡度和工程地质情况,修整坡度,边坡按最陡1∶1考虑。每升高5 m设置锚固平台。边坡必须平整,以免对防渗膜造成破坏。

填埋库整形后,部分位于岩层的开挖地段将岩石裸露,为避免裸露的岩石坚硬棱角对防渗膜造成损坏,边坡平整要求没有突出坚硬物。填埋库库底的淤泥及表层耕植土需要挖除,粉质粘土和需要的回填土需进行平整和压实,压实度不小于93%,达到所需地基承载力的要求。

4.3 拦渣坝设计

为便于填埋作业、排水、渗滤液收集及取得一定的初始容积,需在填埋谷口建一拦渣坝(也叫基本坝)。基本坝坝高应考虑两个因素,一是保证固废堆坡度脚稳定和免遭雨水冲刷;另外一个是要形成一定的填埋库容,并可调节渗滤液的流出量。

根据工程场址地质条件与现场其它条件,并考虑到经济性,拦渣坝选择碾压式土石坝。坝顶宽4.5 m,最大坝高12 m,长213.5 m,上下游边坡均为1∶1.8。坝外侧为菱形网格草皮护坡,内侧防渗。

4.4 防渗层结构设计

根据《危险废物填埋污染控制标准》(GB18598-2001)[14]中对防渗层的要求,双人工防渗衬层将选用GCL与HDPE防渗膜构成复合防渗衬层,其中场底防渗层结构由上向下依次为:(1)300 g/m2无纺布保护层;(2)500 mm碎石渗滤液收集排水层;(3)600 g/m2无纺布保护层;(4)2.0 mm HDPE防渗膜;(5)500 g/m2无纺布保护层;(6)HDPE土工网格(5 mm)渗滤液检测层;(7)600 g/m2无纺布保护层;(8)1.0 mm HDPE防渗膜;(9)GCL(6 mm)膨润土垫。

考虑到边坡坡度较陡,边坡的防渗层与平缓的底部防渗层有所不同,借鉴国外填埋场边坡防渗层的经验,边坡防渗层结构由上向下设置如下:(1)150 mm袋装粗沙层;(2)600 g/m2无纺布保护层;(3)2 mm HDPE防渗膜;(4)500 g/m2无纺布保护层;(5)HDPE土工网格(5 mm)渗滤液检测层;(6)600 g/m2无纺布保护层;(7)1.0 mm HDPE防渗膜;(8)GCL(6 mm)膨润土垫。

HDPE防渗膜性能应满足《垃圾填埋场用高密度聚乙烯土工膜》(CJ/T234-2006)[16]的要求,膨润土垫性能应满足《钠基膨润土防水毯》(JG/T193-2006)[17]的要求,无纺布性能应满足于《土工合成材料长丝纺粘针刺非织造土工布》(GB/T17639-2008)[18]的要求。

4.5 地下水导排系统

地下水导排工程主要作用是在填埋场使用过程中和终场后,将通过边坡和地下水渗透进入填埋区的雨水和部分可能存在的地下水安全排出场外,以保证填埋基底的稳定性。地下水导排系统位于防渗系统以下,包括地下水导流层与地下水导排盲沟,地下水导流层采用卵石等材料,材料的碳酸钙含量不大于10%,渗透系数k≥10-3m/s,粒径为15~40 mm,导流层厚为0.5 m。场底只设导排主盲沟,主盲沟中设DN315HDPE穿孔花管,孔径Φ20 mm,轴向间距100 mm,圆周方向除底部120°夹角范围内不开孔外,其余均匀布7孔,管周围用20~40 mm卵石填充,盲沟断面为矩形断面,宽1.2 m,高1.5 m,沟用300 g/m2土工布包裹。HPDE管性能应满足《垃圾填埋场用高密度聚乙烯管材》(GB/T371-2011)[19]的要求,其连接方式采用热熔焊接。

填埋场地下水通过地下水导排主盲沟中的HDPE管穿过拦渣坝直接排至填埋场低处的地下水集水井排出。地下水导排管穿过拦渣坝时,采用DN315的HDPE不开孔实管外套D400×8钢管,施工前外套钢管作防锈处理。

4.6 渗滤液收集导排系统

该项目设置的填埋场渗滤液集排系统包括位于填埋废物与主防渗层之间的渗滤液主集排系统和位于两层防渗层之间的渗滤液辅助集排系统以及渗滤液移出系统。

渗滤液主集排系统由排水层、过滤层加导排盲沟组成,其中场底排水层为0.5 m厚的碎石层,采用级配反滤结构,大粒径者在上,小粒径者在下,形成反滤层,以防止堵塞而影响导流。排水层上铺设400 g/m2无纺布作为过滤层,以防止填埋场的废物进入排水层内而造成透水性下降,整个排水层透水系数不小于1 cm/s。为了提高渗滤液的收集效率,在场底设置纵向导渗主盲沟及横向支盲沟,主盲沟一条,沿库底谷沟地形坡向拦渣坝设置;支盲沟每间隔一定距离布设,与纵沟交错相连。主盲沟中设DN315HDPE穿孔花管,孔径Φ20 mm,轴向间距100 mm,圆周方向除底部120°夹角范围内不开孔外,其余均匀布7孔,管周围用20~40 mm卵石填充,盲沟断面为矩形断面,宽1.2 m,高1.5 m,沟用300 g/m2土工布包裹;渗滤液导排支盲沟中铺设DN200的HDPE穿孔花管,管周围用20~40 mm卵石填充,同为矩形断面,宽0.5 m,高0.5 m,沟用300g/m2土工布包裹。

石料的渗透系数k≥10-3m/s。HDPE管应满足《垃圾填埋场用高密度聚乙烯管材》(GB/T371-2011)[19]的要求,其连接方式采用热熔焊接。

渗滤液辅助集排系统又称为检测系统,主要是检测主防渗层是否遭到破坏而发生渗漏,以便及时采取补救措施。采用HDPE复合排水网作为渗滤液辅助集排系统排水层,其优点在于有一定的导水能力,又不占用填埋场容积,且易于施工。采用HDPE复合排水网性能应满足《垃圾填埋场用土工排水网》(CJ/T452-2014)[20]的要求。

通过设置两根穿坝管(其中一根为渗滤液辅助集排管),将渗滤液引至设于场外的渗滤液收集池中。穿过拦渣坝时采用DN315不开孔的HDPE管,为防止损坏HDPE管,管外套D400×8钢管,施工前外套钢管作防锈处理;拦渣坝至渗滤液收集池之间采用DN315不开孔的HDPE管。

4.7 填埋场清污分流设计

在填埋作业时如果不采取措施将会导致大量渗滤液的产生,在设计中主要考虑以下清污分流措施[21]:

1.在填埋场外侧设置环场永久性截洪沟,将场区以外汇集的雨水排出场外。截洪沟采用矩形断面,浆砌块石结构,最大断面尺寸为800 mm×800 mm。截洪沟坡度可根据现场实际地形布置,原则上不得小于0.01。

2.对分区填埋完毕的区域,采用0.5 mm厚HDPE膜进行临时覆盖,以减少雨水渗透,并及时对填埋场封场。

4.8 填埋作业方式

实行分区填埋,按统一调度卸入填埋区作业点,然后依次由机械进行摊铺、压实等作业。摊铺和压实作业要求分层进行,每层填埋厚度不大于0.5 m,碾压过程一般要求进行3~7个来回,压实系数应≥0.92。当填埋物压实厚度达到2.5 m时,覆盖0.5 mm厚LDPE膜,构成1个2.5 m厚的填埋单元。一般以一日作业量为一个填埋单元,下雨时对已填埋区域采用0.5 mm厚HDPE膜进行临时覆盖,覆盖材料循环使用。填埋作业时,外坡面按1∶3放坡。

4.9 封场设计

填埋场在废物填埋达到设计标高后需进行封场处理,其作用在于减少大气降雨进入填埋场废物层内,从而减少渗滤液的产生量,并可尽快进行复垦和土地利用,恢复地表景观。

封场覆盖系统包括顶部隔断层、地表水集排系统和表面覆土与植被等。

顶部隔断层由0.3 m厚压实粘土层和1.0 mm厚的HDPE防渗膜复合构成,用来阻挡地表降水渗入废物层,以有效减少渗滤液的产生量。

在隔断层表面铺设300 mm卵石作疏水层,在填埋场四周设置雨水排水盲沟,沟内铺设排水管,地表水入渗至隔断层后,在疏水层内沿场顶坡度流进排水盲沟,经排水管引出场外。

疏水层上覆盖0.5 m厚的回填土层,为防止雨水冲刷,表层覆盖营养土壤并植草绿化。

4.10 渗滤液处理系统

利用渗滤液产生量计算公式,得出渗滤液产生量为70 m3/d,另外考虑到渗滤液处理的安全性,矿井渗水、厂区内预处理车间及运输道路初期雨水、生产污水等的处理,经过综合平衡,该工程废水处理总规模定为100 m3/d,间歇运行。

该项目渗滤液及废水主要含有砷等重金属离子,拟采用“次氯酸钠氧化—铁盐—石灰法—PAM絮凝”化学处理工艺处理含砷废水,经处理后出水砷能稳定达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)第一类污染物最高允许排放浓度,加盐酸调节废水pH值至6~9后外排。沉淀池内的底泥经压滤机进行压滤,压滤后的污泥在施工期过程中送往稳定化固化车间处理后与含砷废渣一起填埋,在填埋场封场后,压滤后的污泥送往专业处理中心处理,压滤后的上清液自流至调节池。

5 施工过程砷渣二次污染防治措施

该项目主要建设内容为含砷废渣开挖、稳定化固化处理以及安全填埋,施工过程砷渣可能对环境产生二次污染,主要有含砷粉尘及含砷废水,需做好二次污染防治措施,拟采取的具体措施如下:

1.在施工过程中,作业场地将采取围挡、围护以减少扬尘扩散,围挡、围护对减少扬尘对环境的污染有明显作用,当风速为2.5 m/s时,可使影响距离缩短40%。

2.定期在泥土地面和路面洒水,以减少道路扬尘。

3.含砷废渣运输车辆及运送水泥等粉状建筑材料车辆加盖蓬布,同时废渣暂存场所及施工场地粉状建筑材料堆场均加盖篷布,防止风蚀扬尘。

4.安装运输车辆冲洗装置,避免车轮粘带含砷废物对道路造成污染。

5.运输车辆进入场地应低速行驶或限速行驶,减少扬尘产生。

6.开挖前含砷废渣堆存点周边修筑临时截洪沟。截洪沟将挖掘作业期间废渣堆场外围雨水收集导排至周边地表水体。

7.废渣开挖作业时四周设置排水沟,以收集开挖期间产生的废水,并用专用罐车将这些废水运至渗滤液处理设施进行处理。

8.雨天停止施工,并对开挖面覆盖防雨材料。

6 结 语

1.目前国内危险废物处置多是建设集中危废处置中心,集中处理处置。但是往往单个危废产生企业地处偏僻,远离城区,单纯的外运难以支付巨额费用,考虑就地安全填埋的方法达到无害化目的[22]。关键是对场地进行充分调查,确定原址是否满足危险废物填埋场的选址要求,是否有足够大的库容满足安全填埋的需求。

2.该项目针对历史遗留下来的废渣,在充分采样调查的基础上,确定了废渣的性质及需要处理处置的废渣的量,进而根据原场址的地形特征,在详细勘探和充分论证基础上,采用就地安全填埋的处置方案,大大节省了处置费用,消除了危险废物的环境隐患,取得了良好的环境效益与社会效益。

3.该项目含砷废渣经过七水硫酸亚铁与水泥稳定化固化预处理后,大大降低了砷的浸出,能满足危险废物填埋场的入场要求。

4.现场工程应用中稳定化固化药剂通常很难与废渣充分混合,可能难以达到小试的试验效果。另外,药剂的添加量也需要针对现场废渣砷含量有所变化。因此,在实际工程应用中还需要充分考虑现场环境和工程因素,必要的情况下,应该深入现场进行中试,以获取实际工程设计施工中更符合现场条件的技术参数。

5.从该项目设计经验来看,危险废物填埋场的设计标准规范体系不够健全,大多参考垃圾填埋场设计规范,尤其是土工材料方面,应进一步健全危险废物填埋场设计规范体系。

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An Engineering Case of the Safe Disposal of Arsenic Hazardous W aste Residue Left Over by History

SHAO Le,SHIXue-feng,LI Juan,LIU Xiao-yue,HAN Feng
(Aerospace Kaitian Environmental Technology Co.,Ltd.,Changsha 410100,China)

On the basis of the detailed investigation of the properties of arsenic waste residue in site,the disposal scheme of'chemical oxidation+stabilization/solidification+in-situ safe landfill'was chosen in this project.Trivalent arsenic with high toxicity was primely oxidized into pentavalent arsenic with relatively low toxicity by using sodium persulfate as oxidant.Based on the experimental study of stabilization/solidification,the ferrous sulfa was selected as the stabilizer,and the optimum adding amount is 8%;the cement was selected as curing agent,and the optimum adding amount is 10%(weight ratio).According to the domestic and international experience of safe landfill design,the double-layer high density polyethylene membrane as impervious layer was used in this project.The rainfallwastewater distributary system,underground water drainage system,leachate collection-diversion system,and final cover system were also designed.To conclude,this project was reasonable designed,and achieved good social and environmental benefits with minimum impact on the surrounding environment.Finally,some suggestions are put forward for the engineering design of the disposal of arsenic waste residue.

arsenic waste residue;chemical oxidation;stabilization/solidification;safe landfill

X758

A

1003-5540(2017)04-0058-06

2017-04-28

邵 乐(1984-),女,注册环保工程师,主要从事重金属污染治理项目设计工作。

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