磷石膏堆存安全风险现状分析及治理对策*

2022-05-08国亚非赵泽阳张正虎闫雅雯罗惠华

现代矿业 2022年4期

国亚非赵泽阳张正虎闫雅雯罗惠华

（武汉工程大学兴发矿业学院）

磷石膏主要来源于湿法磷酸工艺产生的一般工业固体废物，其成分主要为CaSO4·2H2O，还含有少量的磷、氟、有机物、氧化物以及少量重金属和放射性物质等杂质，对环境有较大的影响。我国磷石膏产量较大，据统计，2016 年之后，每年的磷石膏产生量基本维持在7 500～7 800万t［1］。虽然磷石膏的利用率呈逐步上升的趋势，但是消耗量有限，现阶段依然以堆存为主。磷石膏的堆存导致较大的环境、安全风险压力，随着对安全生产和生态环境越来越重视，迫切解决磷石膏堆存的安全问题。本研究对堆存的磷石膏库进行安全风险分析，为治理磷石膏库的安全与污染问题提出依据。

1 磷石膏库安全风险分析

磷石膏的堆存有干法和湿法2种，湿法堆存的磷石膏库有利于废水以及磷等回收利用，并且运行费用较低，操作也更加简单，大部分企业选用湿法筑坝堆存磷石膏。由于堆积的磷石膏库往往会储存很高的势能，如果发生溃坝造成泥石流，不仅会造成重大的生态问题，还会严重威胁周边居民的生命安全；同时，磷石膏浸出液会污染水源和土壤，以及产生扬尘和溢出有毒有害气体，污染大气环境。近年来，由于湿法堆存磷石膏库时有安全事故和污染事件发生，磷石膏的干法堆存开始受到关注。干法堆存的磷石膏库产生废液较少，其产生渗透破坏和浸出污染的危险较小。但是，储学群等［2］认为，干法堆存的实践经验较少，相对来说积累的技术和经验不足，且干法堆存的磷石膏力学性质等尚不明确；同时，干法堆存存在扬尘污染、边坡失稳等新问题。

1.1 磷石膏库的溃坝

磷石膏库类似于尾矿库，通过对1965 年以来国内外尾矿库溃坝事故的统计［3-6］，尾矿库溃坝的事故类型可大致分为渗透破坏、洪水漫顶、地震液化、坝体上升速度过快和坝坡过陡造成的边坡失稳等四大类，统计结果如图1所示。

磷石膏自身性质特殊，与其他的尾矿渣相比，沉积的磷石膏有更高的摩擦角和更强的抗液化能力，并且板结的磷石膏具有较大的黏聚力，在一定程度上保证了磷石膏库的稳定性，通常不会发生大规模的地震液化破坏。因此，磷石膏库溃坝的事故主要集中为洪水漫顶、渗透破坏和边坡失稳三大类［7］。

1.2 磷石膏库的污染

磷石膏库对环境的污染主要体现在浸出液和扬尘污染等方面，由于磷石膏中含有少量的磷、氟、有机物、氧化物以及少量重金属和放射性物质等杂质，在降雨和长期堆存中，磷石膏浸出液会污染地表水、土壤和地下水［8-9］。通过对四川某磷化工聚集区调查发现［10］，其磷石膏库堆场附近地表水、地下水和土壤中的氟、磷超标率最为严重，并且浸出的酸性液体也对环境有较大影响。磷石膏堆场进行机械操作以及遇到干燥大风等天气时，还会产生扬尘，造成大气污染；同时，由于磷石膏库长期的腐蚀，造成含有重金属、氟化氢等有毒有害物质的气体溢出，同样会对大气环境造成危害［11］。

2 磷石膏库的风险治理对策

磷石膏库的堆存处理方式不同，在治理其溃坝风险和环保问题时的侧重点也会有所区别。

2.1 磷石膏库的防洪

吴宗之等［12］对尾矿库洪水漫顶引发溃坝进行了成因分析，发现汛期超蓄、干滩长度过短、库水位过高等因素是引发洪水漫顶的重要原因。使用干法堆存的磷石膏库通常不会在表面产生水体，不用考虑以上风险因素。因此，采用干法堆存磷石膏库的防洪压力相较于湿法堆存要低很多。采用干法堆存的磷石膏库通常不用在堆场设置排洪井等排洪系统，但是需要设置截洪沟等截排洪系统，防止大量雨水汇集流入磷石膏库或洪水瞬间冲击堆积体，引发滑坡甚至垮塌等事故；在雨季或突发强降雨时，也需要增加临时的排水设施，保障库区安全。而湿法堆存磷石膏库发生洪水漫顶溃坝的可能性较高，因为其正常运行期间难以保证低水位运行，极易造成干滩长度不符合要求；且磷石膏库的废水为酸性，容易腐蚀排水设施，造成排水设施的损坏；酸性废水还可能与其他物质发生化学反应产生结垢，堵塞排水管道［13］。因此，采用湿法堆存的磷石膏库应更加重视防洪问题，应严格按照《尾矿库安全技术规程》等的规定，结合当地水文部门的建议，严格把控库水位高度和干滩长度。在遇到突发强降雨或超标洪水时，应加固排洪设施，紧急情况下应开挖溢洪道，并做好下游群众的疏散转移工作。若排洪构筑物出现损坏，采用灌浆、加筋喷浆等方式处理，必要时采取开挖后加固。

2.2 磷石膏库的防渗透

通过对云南某公司磷石膏干堆场进行稳定性分析发现［14］，干法堆存的磷石膏库中不会长期存在过多的积水，所以，降雨是干堆场发生渗透破坏的主要原因。随着降雨强度增大和时间延长，堆场的稳定性系数呈加速下降趋势，因此，采用干法堆存的磷石膏库也需要重视防渗设施的建设。并且受堆存方式的影响，干法堆存的磷石膏库通常存在临时边坡，且随着磷石膏的不停堆积，防渗与排渗系统可能要覆盖整个堆场，规模反而要远远大于湿法堆存。采用湿法堆存的磷石膏库会有较多的废水聚积在库内，会造成坝体浸润线较高，其渗透破坏的风险要高于采用干堆法的磷石膏库。在日常管理时，要严格管理浸润线高度，若发现坝体浸润线超出控制高度时，首先应降低库水位，同时还要增设临时排渗设施［12］。如果已经出现渗漏的情况，应及时将土工布或天然反滤料铺设在渗水部位，再把石料堆积在上面进行压坡，并立即进行排渗处理。

2.3 磷石膏库的防边坡失稳

边坡失稳是干法堆存的磷石膏库需要特别注意的事项。干法堆存是采用自上而下的堆积方式，在作业过程中，随着堆积的向前推进会产生不断变化的临时边坡，这种临时边坡必然会产生局部的滑坡［2］。如果不对这种临时边坡的高度加以限制，则难以将这种局部滑坡限制在可控范围以内。超出限制高度的边坡必须进行转运降坡处理，同时应该在上部的作业面上设置监测和警示区域，保证作业安全。梅国栋［15］在进行溃坝机理分析时发现，边坡过陡和坝体上升过快是湿法堆存磷石膏库边坡稳定问题的主要诱因。如果设计失误或者施工时管理不到位，会使得坝体坡度过陡，整体稳定性降低。通常坝体上升过快是企业盲目组织生产导致，旧的磷石膏还未来得及固结就排入新的磷石膏，超静孔隙水压力来不及消散，使得磷石膏库的抗剪强度下降，稳定性变差。为了保证磷石膏库的边坡稳定性，在平时管理时应该严格按设计施工，并合理规划生产，避免磷石膏在短时间内大量堆积。在坝体发现裂缝时，如果裂缝较浅，可采取开挖回填的处理方式，若裂缝较深，则需要在上部进行开挖回填，同时在下部进行灌浆处理［16］；如果已经出现滑坡，应立刻遵循“上部减重、下部压重”的抢险原则［17］，在裂缝部位采取削坡的方式放缓边坡，并且在坝脚部位采取压坡的方式保证稳定性，同时还要降低库内水位。

2.4 磷石膏库的浸出液污染防治

磷、氟是磷石膏浸出液中对环境影响较大的主要污染物。通过对云南、四川等地磷石膏堆场的渗漏分析进行归纳总结［18-20］，发现不同地区磷石膏达到释放量最大值的水土比略有差异，但是总体来说磷石膏中含水量越高，磷、氟的释放量就越高，通常认为干堆磷石膏库的总体污染量会比湿堆磷石膏库少。但是在遇到降雨时，雨水渗入依旧有可能导致磷石膏中的污染物大量释放，且干堆磷石膏库没有废水回收系统，所以依旧有不小的环境压力。结合干堆磷石膏库的特点，可以在堆场底部铺设防渗膜，并在侧方设置导排渗装置，将污水引导至集水库进行处理，降低浸出液对环境的污染。含有大量酸性废水的湿法堆存磷石膏库存在较大的浸出液污染，可采取在磷石膏中添加碱性螯合剂，提高浸出液的pH，并降低磷石膏中污染物的溶解度等措施［21］。尹朝阳等［22］研究发现，碱性螯合剂和磷石膏的比例在（1∶50）～（1∶100）时，稳定化效果最好。还可以在堆场顶部设置喷淋装置，使可溶性污染物随淋溶水渗透到底部，经过管道收集至淋溶水收集池，这些收集的淋溶水通过加药或膜渗透处理后，还可以循环使用，提高磷收率［23］。

2.5 扬尘污染处治

干堆磷石膏库的扬尘较湿法堆存更加严重。与湿法堆积主要使用管道运输不同，干法堆积在运输时还要使用转运机械和车辆运输，并且其本身含水量较低，在遇到旱季时扬尘十分严重［24］。通过对现阶段的抑尘技术进行总结，将其大致分为减小堆场区域的风速、增加堆料中的含水量、减小堆料间隙3类，而在企业中应用较广泛的是洒水抑尘和加装防风网这2 种抑尘技术［25-26］。洒水抑尘增加干燥细小粉尘的含水量，增大其相对密度，使之不易飘散到空中，是最容易实施的方法。虽然此方法操作简单、见效较快，但有效抑尘时间较短，长期采用洒水抑尘会造成水资源的浪费，此方式在缺水地区难以广泛应用。宋翀芳等［27］通过对防风抑尘网进行动力学数值模拟，发现防风网可以对大尺度、高强度的旋涡进行削弱和梳理，从而减弱风速和流场湍流度，减少粉尘飞散到空中。但是建设防风网的前期投入较高，且建设周期较长，建成后只能对固定风向的大风起作用，因此在建设前需要进行周密的勘测与规划。湿法堆存磷石膏库的扬尘相对较小，如确实需要进行治理可以参考干堆磷石膏库的抑尘措施。