磷石膏渗滤液对黏土防渗层的影响研究

磷石膏渗滤液对黏土防渗层的影响研究
李亚园1 张勋忠2 孙娉娉1 杨云碧1
(1．云南省环境科学研究院，昆明650034;2. 云南云天化国际化工股份有限公司富瑞分公司，昆明650309)
摘要:磷石膏是磷肥工业产生的固体废弃物，目前我国磷石膏的综合利用率仍较低，云南现有磷石膏渣场主要采用集中
堆存处理，并采用黏土层防渗。

因此了解渗滤液对黏土层防渗性能的影响，对渣场环境保护有着非常重要的作用。

结果表
明，磷石膏渗滤液与黏土层的相互作用是酸性水和氟、磷、硫及磷石膏中重金属元素流入环境的关键因素。

渗滤液作用于黏
土使其渗透性大大降低，同时渗出液酸性减弱，渗出液中的氟、磷和硫等元素含量减少，使得对环境的污染减弱。

关键词:磷石膏;渗滤液;渗透系数F
ＲE S EAＲCH I N T O EFFECT OF P HOSPHOGYPSUM LEACHATE ON
CLAY SEEPAGE CON TＲO L L A Y EＲ
Li Yayuan1 Zhang X un z h o n g2Sun P i n g p i n g1Yang Y unb i1
(1．Yunnan I n s t i tut e of E nv i r o nm e nt a l Sc i e n c e，K unm i n g650034，Ch i n a;
2. YTH INT'L C HE M，K unm i n g650309，Ch i n a)
A b s t r a c t:Ph o spho g yp su m i s a so li d wa ste pr odu ce d by the phosphate f e r t ili ze r i ndu s t r y． At present，the co mp r e h e n-
s i v e ut ili za t i o n r a t i o of ph ospho gy psu m in Ch i n a i s s t ill l o w．Now the phosphogypsum in Yunnan i s m a i n l y treated by ce nt r a li ze d s t o r a ge and i s used a s c l a y seepa ge co nt r o l l a y e r．Th e r e f o r e，und e r s t a nd i n g the e ffect o f l eac h a t e on see p a ge p r o p e r t i es of c l a y has a very i mp o r t a nt r o l e in e nv i r o nm e nt a l p r o t ec t i o n of r es i du e f i e l d．The r e s u l t s show that ph os ph o- gypsum l eac h a t e i nt e r ac t s with c l a y l a y e r i s the key factor for m a k i n g heavy m e t a l s in ac i d i c w a t e r，s u l fu r and ph os- phorus and f l u o r i n e g yp su m get i nt o in the e nv i r o nm e nt．Leachate on c l a y make i t s p e r m ea b ili ty be re duce d g r ea t l y，exudate ac i d i ty d ec r ease at the sa me t i m e，th e exudate f l u o r i d e and p ho sph oru s an d s u l fu r reduce，thus d ec r eas i n g p o ll ut i o n to the e nv i r o nm e nt．
K e y wo r d s:ph os ph og yp s um;l eac h a t e;p e r m ea b ili ty coe ff i c i e nt F
磷石膏是磷酸生产时排放的固体废弃物，生产 1
吨P2O5 约产生5 吨磷石膏。

近年来，随着我国磷肥行
业的发展，磷石膏的排放量日益增大。

虽然国内磷石
膏的综合利用率在逐年提高，但仍有大量磷石膏需要
堆存。

磷石膏的主要成分为C aSO4·2H2O，同时含有
P
2O
5
、F、Al
2
O
3
、Fe
2
O
3
、SiO
2
、有机物等杂质及少量铀、
镭、镉、铅、铜等元素［1］。

磷石膏堆入渣场后的渗滤液pH 值在2 左右，对环境的特征污染物主要体现在 F 和pH 上。

本文就磷石膏酸性渗滤液对渣场黏土层渗透的影响和F 的入渗量做了初步研究和分析，对磷石膏渣场的安全和周围环境的保护有一定的现实意义。

T 50123—1999《土工试验方法标准》进行。

试验1:土料物理性试验。

本次土料取自渣场界区范围内，试验按GB / T 50123—1999 进行土料的物理性试验。

试验2:土料的击实及常规渗透试验。

在待用料中选取试样，每组各配置 6 种不同含水率，拌匀后闷料一夜备用。

试验用内径为102 mm，筒高为116 mm，击锤质量为2. 5 kg，落距305 mm 的轻型击实仪进行，分三层击实，每层25 击，单位体积击实功能为592. 21 kJ /m3 ，如图3 所示。

试验中将每层所需试样倒入击实筒内，并稍加压紧，然后按规定的击数进行击实。

击实后，齐筒顶削平试样，称量，再用推土器推出筒内试样，从试样中心取样测其含水率，计算绘图。

利用南55 型变水头渗透仪测定渗透系数。

渗透试样为人工制备，控制干密度为最大干密度的95% 。

制样方法为:将待用料配制成一定含水率的试料，按以上干密度用击样
试验方案
查阅相关资料对磷石膏特性进行了解，主要采用取自云南安宁杨家箐磷石膏渣场界区内的土壤和磷石膏渗滤液作为试验材料进行研究。

因目前国内没有专门针对磷石膏试验研究的方法标准，本研究参照GB / 1
环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊
759
法直接制备在渗透环刀内，装入渗透仪放入抽气缸内，
采用真空抽气法饱和。

试验 3:三轴渗透试验。

渗透试样为人工制备，控
制干密度为最大干密度的 95% 。

制样方法如下:将待 用料配制成一定含水率的试料，按以上干密度用击样 法分六层制样，然后分二种饱和方式，一种为抽气饱和 法，抽气饱和时所用液体为纯净水;一种为反压饱和， 反压饱和时所用液体为委托方提供的酸性渗滤液。

渗透试验使用仪器为改造的三轴压缩仪。

试验 前，将试验用的透水石和滤纸充分饱和，然后依次将透 水石、滤纸、试样安放在压力室底座上，套好橡皮膜，扎 橡皮圈，安装压力室，向室内注水至顶部。

仔细检查各 通水管线，确保无气泡。

安装结束，开始渗透样的饱 和，试验用水为现场所送酸性渗滤液，逐步增加围压和 反压(反压作用在试样顶部和底部)，直至围压最后加 到 120 kP a ，反压加至 100 kP a 。

保持围压 120 kPa 和 试样内反压 100 kPa 12 小时，使试样能完全完成水化 作用达到饱和。

试样饱和后，进行渗透测试，渗透系数 采用常水头试验测定。

具体做法是将试样顶部水压力
降至 85 kP a ，待稳定后，按时间分别读取排水管读数。

经 计 算，可得该试样的渗透 系 数，其 计 算 方 法
见式(1)。

= Q L
(1)
k HAt
式中: k 为水温 T ℃ 时试样的渗透系数，
cm / s ;Q 为时 间 t 内的渗透水量，
cm 3 ; L 为试样厚度，c m ;H 为水位 差，(渗透压力为 15 kPa 时，水位差为 153 cm )，
cm ; t 为时间，
s 。

正常渗透试验后，拆除试样，由上至下用渗透环刀 切取试样，再用南 55 型渗透仪进行常规渗透试验，同 时测定渗透后试样的密度变化情况，并选取适量代表 性试样，进行化学试验测试。

试验内容
试验研究内容为液限、塑限、塑性指数、颗粒、土壤 分类、击实试验、常规渗透试验和三轴渗透试验。

2 试验结果统计分析 土料物理性试验
土料物理性质指标见表 1。

从表 1 可知:供试土 3 3. 1 壤的粒径主要分布范围为 0. 075 ～ 0. 005 mm ，该土壤 为含砂的高液限黏土。

表
1 土料的物理性质指标 液限
塑限
塑性指数 颗粒分析粒径大小 / mm
土的分类
w l w p I p ＞ 5 5 ～ 2 2 ～ 0. 5 0. 5 ～ 0. 25 0. 25 ～ 0. 075 0. 075 ～ 0. 005
＜ 0. 005
3. 2 土料的击实及常规渗透试验
土料击实及常规渗透试验指标见表 2。

由表 2 可
知:供试土壤最大干密度为 1. 53 g / c m 3 ，最优含水率为
26. 1% ;经南 55 型试验得出渗透系数约为 3. 4 × 10 － 5 cm / s 。

表
2 土料的击实及常规渗透试验指标 结构明显偏松，从渗流后的密度试验可以看出，渗流后 的土体干密度有所降低(见表 3)。

3
表
3 三轴渗透样试验后密度 g / c m
试样名称 A B C 制样干密度
试验后渗透样干密度
1. 45 1. 41
1. 45 1. 44
1. 45 1. 41
击实试验
3. 3. 2 渗滤液对土料渗透性的影响
本次试验共进行 3 组三轴渗透试验，试验结果见 表 4。

由试验结果可知:渗透系数随渗透时间的增加 而逐步减小。

其渗透性逐渐降低的主要原因是渗滤液 与土样发生化学反应，并在土体底部形成板结，使得土 体的孔隙率减小即渗流通道缩小。

表
4 土料三轴渗透试验 制样干密度
ρd / (g ·cm － 3 ) 渗透系数(南 55 型) k 20 / (cm ·s － 1 ) 最大干密度 ρdmax / (g ·cm － 3
) 最优含水率
w o p
/ % 4. 20 × 10 － 5 2. 60 × 10 － 5
1. 53 26. 1 1. 45
3. 3 三轴渗透试验
渗滤液对土料密度的影响
3. 3. 1 渗滤液在土体中渗流方向是由土体的底部向顶
部，即由下向上发生渗流。

土样在渗滤液长期作用下， 土体底部与渗滤液接触部分产生了化学反应，出现板 结，渗透时间越长，样品底部的板结硬化现象越明显， 板结硬化区域也越大，以 B 号样为例，经过 37 天渗流 后，土样底部板结高度约为 10 c m ，呈硬化，无法削切。

而其中上部土体在渗滤液渗透压力作用下则相比底部
稳定后渗透系数 k 20 / (cm ·s － 1 ) 渗出液体 pH 值
试样名称 渗流天数 饱和方法
4. 92 × 10 － 5 0. 132 × 10 － 5 0. 146 × 10 － 5
A
B
C
23 37 75
反压饱和 反压饱和 反压饱和
5 5 5
环境工程
2014 年第32 卷增刊
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A 样渗流1 天后测得其渗透系数为 6. 47 ×10 － 5
cm/s，渗流第5 天的测试表明，随着渗流时间延长，渗
透系数逐渐增大，第 5 天测试值达到最大，为9. 35 ×
10 － 5 cm/s，是渗流1 天后渗透系数的1. 45 倍;其后，
随着渗流时间的延长，渗透系数逐渐下降，第23 天测
得样品渗透系数为4. 92 ×10 － 5 cm/s，较渗流1 天后渗
透系数大大降低(见图1)。

从上述3 组试验结果可以看出:磷石膏渗滤液与
黏土作用初期，黏土的渗透性能增强，在试验的 4 ～ 7 d
土壤渗透系数达到最大值，约为渗流 1 d 后的1. 4 倍;
其后渗透系数迅速下降至第 1 天渗透系数的约2% 时
达到稳定状态。

渗滤液对土料矿物成分的影响
3. 3. 3
分别取渗滤液作用下土样不同部位( 上、中、下)
进行矿物成分( C a、F、P、S)，测试结果见表6、表7、图
4。

从图4 可以看出:土体经过渗滤液作用后，C a、F、
P、S 均有增加，且其含量随渗滤液作用时间的延长而
增加，其中F 和P 增加最多，以B 样为例，土样底部 F
含量是原土样的近10 倍，P 含量约是原土样的13 倍
(详见表6 )。

不同部位间土料的矿物成分( C a、F、P、
S)增长比例不同，接近渗滤液渗入点即试样底部的矿
物成分(C a、F、P、S)增加明显高于土料顶部。

图1 A 样渗透系数变化曲线
表5 土样化学成分%样品B 的测试结果与样品 A 类似，其第4 天的渗
透系数为11. 6 ×10 － 5 cm/s，是第1 天渗透系数8. 31 ×
10 － 5 cm/s的1. 4 倍，随后渗透系数逐渐下降，第37 天
降至0. 132 ×10 －5 cm/s，为第1 天的1. 6% (见图2)。

试样名称Ca F P S
土料1
A 上
A 下
B 上
B 中
B 下
C 上
C 中
C 下
0. 14
0. 20
0. 55
0. 12
0. 38
0. 37
0. 18
0. 40
0. 41
0. 14
0. 23
0. 94
0. 22
1. 32
1. 32
0. 20
0. 19
1. 15
0. 095
0. 11
1. 25
0. 11
1. 31
1. 19
0. 087
0. 087
1. 08
0. 034
0. 051
0. 051
0. 095
0. 084
0. 088
0. 62
0. 19
0. 23
表6 土料矿物成分统计表
渗后土样矿物含量(下部) /原土样含量
试样名称渗流天数
Ca F P S
A
B
C
23
37
75
3. 9
2. 7
2. 93
6. 7
9. 4
8. 21
13. 2
13. 8
11. 37
1. 5
2. 5
6. 76
图2 B 样渗透系数变化曲线
C 样试验与A、B 样的结果类似，第7 天渗透系数
达到9. 58 ×10 －5 cm/s，是第1 天6. 90 ×10 － 5 cm/s的
1. 39 倍;第75 天降至0. 146 ×10 － 5 cm/s，为渗流1 天
后渗透系数的2. 1% (见图3)。

图4 土料矿物成分含量
从表7 可以看出:随着渗流时间的延长，钙、氟、磷
和硫在土壤中的含量有较大幅度上升，其中氟和磷的
含量在渗流37 天时达到最大值，分别为原土样的9. 4图3 C 样渗透系数变化曲线
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761
倍和 13. 8 倍;渗流 23 天时的钙含量达到最大值，为原
土样的 3. 9 倍;硫的含量随渗流时间延长逐渐增加，其 中渗流
75 天时达到原土样的 6. 76 倍。

显，板结硬化区域也越大，渗透系数也有明显下降，第
75 天降至 0. 146 × 10 － 5
cm / s ，为渗流 1 天后渗透系数 的 2. 1% 。

同时渗滤液带入的钙、氟、磷和硫四种成分 通过物理或化学的方式停留在供试土壤中，使土样中 的钙、氟、磷和硫都有不同程度地增加;而渗出液带出 的上述元素大大降低。

从云南省磷肥工业的发展现状来看，磷石膏渣场 的污染物防治已经成为企业发展的重点，而磷石膏渣 场对周围地下水和土壤的污染主要体现在渗滤液的 pH 值和 F 两项指标。

本研究发现:随着酸性渗滤液与 渣场黏土层作用的进一步加强，渗透系数逐步降低，渗 滤液带出的钙、氟、磷和硫元素也有明显减少，这对减 轻渣场的对环境的污染有着积极作用。

3. 3. 4 渗滤液性质的变化
通过对渗滤液原液和渗出水 pH 值的测定，渗滤
液的原 pH 值在 1. 8 ～ 2. 0，为强酸性;渗出水的 pH 值 在
4 ～ 5。

同时通过对 C 样渗流后液体的 F － 、PO 3 － 、 4 Ca 2 + 与原样渗滤液对比( 表 7 ) 后可明显看出，原渗滤
液中大量的 F － 、PO 3 － 、Ca 2 +
结合在了土壤中，降低了 4
渗出液中污染物的含量。

表
7 水样的化学成分分析 m g / L
PO 3 － 试样名称
Ca 2 + F 4
酸液原液
渗流后液体(C 样) 渗
流后液体占原液比例
3506
528 15%
10522 35. 8 0. 34%
1083
446 41%
结束语
磷石膏渣场对环境的主要危害因素是渗滤液［4］
的 pH 值及其所含的 F 。

本次试验完全是在实验室内 的模拟研究，与渣场的实际情况有一定差距，同时我们 只针对酸性渗滤液和防渗黏土做了初步的研究，没有
考虑渣场的地质［5］、气候、水文［6］
、人文、历史等可能 对渣场安全稳定运行有影响的因素。

因此，若要详细 掌握渣场防渗黏土层与酸性渗滤液相互作用的机制， 还需更进一步的研究。

5 4 结论与讨论
我国大多数现存湿堆磷石膏渣场均采用黏土底垫 层作为防渗层，渣场黏土性质对磷石膏渗滤液的渗透
系数有着较大的影响。

据研究［3］
，年蓄渣量在 200 万
t 以上的磷石膏渣场，占地面积为 0. 5 km 2
，采用
5 m 厚， 防渗系数 10 － 6
cm / s 左右的天然黏土垫层，渣场运行
10 年后，每年释放到环境中的酸水量可达到 15 × 105
m 3 ;若采用 1. 5 m 夯实的黏土垫层，则释放到环境中
的酸水量可减少到 5 × 105 m 3。

经分析，取自渣场的土 样为含砂的高液限黏土，基本能达到防渗材料的要求。

渣场防渗黏土经过磷石膏酸性渗滤液长时间的渗流作 用后，土壤板结，孔隙率大大降低，渗透系数下降，将会 使渣场酸性渗滤液进入环境的量大大减少。

通过土样击实实验和常规渗透实验得出，土样最
大干密度为 1. 53 g / cm 3
，最优含水率为 26. 1% ;在制
样干密度为 1. 45 g / c m 3 的条件下，渗透系数为 2. 60 ～
4. 60 × 10 － 5
cm / s 。

土样经磷石膏渗滤液作用后，干密 度有所下降，土壤与渗滤液接触部分产生化学反应，形 成板结，渗透时间越长，样品底部的板结硬化现象越明
参考文献
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2005(1)． ［2］ GB / T 50123—1999 土工试验方法标准［S ］． ［3］ 刘宁，徐文龙． 湿堆磷石膏渣场黏土防渗层效果分析［J ］． 环境工
程
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作者通信处 杨云碧 650034 昆明市西山区王家坝 23 号云南省环境科 学研究院
E-mail 1004122608@ qq ． c o m
2013 － 08 － 07 收稿
(上接第 736 页)
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究［J ］． 采矿技术，
2008，8(5):101 － 102． 作者通信处 张羽 100027 北京市朝阳区工体北路 4 号 电话 (010)85235221
E-mail zhangyu@ bme i ． net ． cn
2014 － 06 － 03 收稿。