鄧 兵，王宏輝，趙文偉，白 兵

（1. 中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南 長沙 410007；2. 湖南省水處理過程與裝備工程技術研究中心，湖南 長沙 410007；3. 長沙市水處理過程與裝備技術創(chuàng)新中心，湖南 長沙410007）

1 工程背景概述

清水塘工業(yè)區(qū)位于新中國成立后首批重點建設的八大工業(yè)城市之一的株洲腹地，長期粗獷的經濟增長方式給環(huán)境帶來了較大污染，2011 年，國務院批準的《湘江流域重金屬治理實施方案》將其列為七大重點治理區(qū)域之首。清水塘工業(yè)區(qū)某廢渣場西側隔防洪堤外為霞灣港，霞灣港下游不到1 km為株洲市人民的母親河湘江，區(qū)域內有4個飲用水取水口。廢渣場占地面積2.660×104m2、堆存廢渣量1.032×106m3，為第I類一般工業(yè)固體廢物和Pb、Cd、As 浸出濃度超標或pH 超標的第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物混合廢渣，成分主要為冶煉廢渣、電石渣、鹽泥等。場地未采取人工防滲、滲濾液收集處理、封場覆蓋等工程措施，為典型的簡易廢渣堆場。廢渣場對周邊大氣環(huán)境、土壤與生態(tài)環(huán)境產生了一定影響，威脅湘江下游飲用水安全，場地無法二次利用，故對廢渣場進行治理十分必要。

2 廢渣場特性與工程設計參數

2.1 廢渣屬性

根據《株洲清水塘生態(tài)科技新城控制性詳細規(guī)劃》，場地所在區(qū)域規(guī)劃用地性質為G1（公園綠地）。

該廢渣場廢渣主要來源于20 世紀70 年代至90年代的株洲冶煉廠、株洲化工廠及下游資源加工與產業(yè)配套企業(yè)，包括冶煉水淬渣、窯渣、硫鐵礦渣、電石渣、其他工業(yè)混合廢渣，以及混入的建筑垃圾、生活垃圾等。廢渣外觀為灰黑、灰白、松散、稍濕。根據廢渣土工試驗結果，廢渣理化性質見表1。

表1 廢渣理化性質Table 1 Physical and chemical properties of waste residue

為了判別廢渣屬性，將廢渣堆分為若干層，各分層內采用網格法布點、鉆孔法采樣，采用HJ/T 299—2007 固體廢物 浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法提取浸出液，浸出液中的pH，Pb、Cd、As 浸出濃度均未超過GB 5085.3—2007 危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別的標準限值；采用HJ 557—2010固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法提取浸出液，30%的樣品浸出液中pH，Pb、Cd、As 浸出濃度超過GB 18599—2020 一般工業(yè)固體廢物貯存與填埋污染控制標準的標準限值，即28.6%廢渣堆為第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物，其余為第I 類一般工業(yè)固體廢物。

2.2 廢渣分布與數量

廢渣場原為制磚廠的取土場，為了解廢渣分布情況，對廢渣高出地坪部分的范圍與標高進行了測量。采用鉆孔法對廢渣的垂直分布情況進行調查，將相關數據進行匯總，繪制廢渣分布3D圖。計算得廢渣總量為1.032×106m3，其中第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物2.950×105m3，第I 類一般工業(yè)固體廢物7.370×105m3，廢渣高于地坪最大高度為3.0 m，下埋最大深度為23.0 m。第Ⅱ類一般工業(yè)固體廢物分布相對集中，為廢渣的分類處理創(chuàng)造條件。

2.3 工程地質與水文地質

該區(qū)域黏土分布廣泛，黏土層厚度大，采用鉆孔法對廢渣場場底分布情況進行調查?？辈靾蟾骘@示，廢渣場場底主要為粉質黏土層和強風化泥質粉砂巖層，場區(qū)粉質黏土層由北往南、由東至西逐漸變厚，由1.0 m 變?yōu)?.0 m，滲透系數K為1.32×10-7cm/s，屬于極微透水層。

在廢渣場內及周邊共設置了9個地下水位監(jiān)測井，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.5～6.4 m。廢渣場與周邊地下水存在水力聯系。地下水采樣結果分析如表2所示。地下水水質滿足GB/T 14848—2017地下水質量標準Ⅳ類水質要求。

表2 治理前地下水采樣結果Table 2 Groundwater sampling results before treatment

2.4 治理目標

采取工程措施，阻隔廢渣場與周邊地下水的水力聯系，防止廢渣場滲濾液污染地下水環(huán)境；阻隔廢渣中的污染物與人體、環(huán)境空氣接觸；對廢渣進行穩(wěn)定化固化，降低廢渣毒性。穩(wěn)定化固化后的廢渣采用HJ 557—2010 中的方法進行分析，浸出液中的重金屬濃度不高于GB 8978—1996污水綜合排放標準最高允許排放濃度，處理后廢渣重金屬浸出濃度標準值見表3。

表3 重金屬浸出超標Ⅱ類渣處理后浸出濃度標準值Table 3 Standard value of leaching concentration after treatment of heavy metal leaching exceeding class II slag

2.5 工程技術方案選擇

通過取樣調查，廢渣屬性為第Ⅱ類一般工業(yè)固廢。通過工程地質調查，廢渣場場底均分布有黏土層，但局部黏土較薄；場地地下水埋深較淺，廢渣場與周邊存在水力聯系。為達到工程治理目標，初選出原位（方案1）、異位（方案2）兩種工程技術方案，進行優(yōu)缺點比較（表4）。

表4 工程技術方案比較Table 4 Comparison of engineering and technical solutions

從節(jié)約用地、加快工程進度、控制投資的角度出發(fā)，推薦采用方案1，即“垂直防滲+堆體整形+第II 類固廢原位穩(wěn)定化固化+滲濾液降水+封場+生態(tài)恢復”方案。

2.6 工藝流程

本項目工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Figure 1 Flow chart

3 工程技術措施及實施效果

3.1 垂直防滲帷幕

常用的垂直防滲帷幕有高壓旋噴防滲墻、水泥土攪拌防滲墻、HDPE 土工膜—膨潤土復合墻等，其特點見表5。

表5 垂直防滲帷幕類型比選表Table 5 Comparison of types of vertical barriers

綜合工程防滲性能需要、土質條件、施工難度、工程造價等多方面因素，選擇高壓旋噴防滲墻作為垂直防滲帷幕。由于防滲墻深度達23 m，采用三管法施工防滲墻。

沿廢渣堆邊界、場底黏土厚度較薄處設置防滲墻，采用雙排樁布置，孔中心間距0.7 m。高壓噴射灌漿固結體的旋噴直徑0.9 m（有效影響范圍直徑0.9 m）。旋噴漿液采用水泥+膨潤土+還原劑，其強度等級可為42.5級或以上。

垂直防滲帷幕進入強風化泥質粉砂巖層不小于1.50 m，中心線長約773.68 m，其平面示意如圖2 所示。共設置1 150 根樁，平均樁長約11.90 m，樁總長13 685 m。

圖2 垂直防滲帷幕平面示意Figure 2 Plane schematic of vertical barriers

3.2 原位穩(wěn)定化/固化

原位穩(wěn)定化/固化具體做法如下：

1）高壓灌注水泥漿與穩(wěn)定化藥劑采用三管高壓旋噴法，場地內有高壓線經過的廢渣堆體采用雙管高壓旋噴法。原位穩(wěn)定化固化鉆孔點采用梅花形布置，橫向間距為1.5 m，縱向間距為1.0 m。廢渣鉆孔孔徑為0.3 m。

2）三管高壓旋噴法水泥灌注量為90～100 kg/m3，雙管高壓旋噴法水泥灌注量為70～80 kg/m3。

3）穩(wěn)定化藥劑投加量暫定為15～20 kg/m3，穩(wěn)定劑為無機硫基復合藥劑。

4）原位穩(wěn)定化固化底標高可根據廢渣實際分布情況進行調整，至老土層不再進行。

對粉質黏土層缺失區(qū)，采用帷幕灌漿法對其進行處理。帷幕灌漿孔的孔中心間距為1.0 m，在帷幕的先灌排或者主帷幕孔中布設先導孔，其間距為16～24 m，孔深不小于2.0 m。帷幕灌漿采用自上而下分段灌漿法灌漿，同一排相鄰的兩個次序孔之間，以及后序排的第一序孔與其相鄰部分前序排的最后次序孔之間，在巖石中鉆孔灌漿的高度不得小于15 m。

3.3 滲濾液收集

在廢渣場垂直防滲墻內設置多條滲濾液收集溝，以及2座滲濾液收集井，井中設提升水泵，確保防滲墻內水位低于防滲墻外水位2 m 左右，用于廢渣場內水質的監(jiān)測取樣，以及降低廢渣場內水位。由于場底屬極微透水層，渣場四周設置了垂直防滲帷幕，切斷了渣場與周邊環(huán)境的水力聯系，使渣場成為一個獨立的水文地質單元，為滲濾液的收集創(chuàng)造了條件。收集井內地下水中重金屬濃度不高于GB 8978—1996最高允許排放濃度，即滿足標準中表1的要求，可直接排放；若不滿足，則采用槽罐車運至清水塘工業(yè)廢水處理廠進行處理達標后排放。

3.4 封場覆蓋

穩(wěn)定化/固化處理完成的廢渣堆體表面首先進行整形、場地平整，形成中間高、四周低的形狀，堆體表面坡度不小于3%。堆體表面平整完成后，進行封場覆蓋。

為防止固體廢物直接暴露和雨水滲入堆體內，堆體表面設置2層覆土［2-4］，由下至上分別為：第1層為壓實黏土防滲層，采用50 cm 厚黏土，壓實黏土防滲層的滲透系數不大于1.0×10-7cm/s，壓實度≥90%，以防止雨水滲入廢渣堆體；第2 層為覆蓋層，采用種植土，厚度根據植株要求確定。封面覆蓋層斷面示意見圖3，封場覆蓋層與邊坡防滲層連接示意見圖4。

圖3 封場覆蓋層斷面示意Figure 3 Cross-sectional schematic of the closed field cover layer

圖4 封場覆蓋層與邊坡防滲層連接示意Figure 4 The connection schematic of the closed field cover layer and the anti-seepage layer of the slope

3.5 運行效果分析

通過本項目采取的工程措施，切斷了廢渣堆體與外環(huán)境的水力聯系，有效地控制了重金屬向外環(huán)境的遷移，避免堆體通過粉塵、地表徑流、地下水污染周邊環(huán)境及危害人群健康。修復后的場地滿足規(guī)劃用地性質要求，用于綠地公園，減少了土地占用。

本項目對1.032×106m3的重金屬廢渣進行原位治理和風險管控，廢渣中的Pb、Cd、As 遷移至水體進入環(huán)境的比例按20%計算。采取本項目工程技術措施后，可有效控制Pb、Cd、As 不遷移至外環(huán)境，初步核算重金屬污染物減排量Pb 2 598.48 t、Cd 7.31 t、As 1 091.36 t；帷幕滲透系數K為1×10-7cm/s，抗壓強度2.0 MPa（28 d），雙排樁厚度可滿足30 a滲透距離（0.95 m）。

項目實施后，對廢渣場上游的本底井和下游的污染擴散井進行了地下水連續(xù)采樣分析，水質結果見表6。根據檢測結果，渣場外圍地下水水質滿足GB/T 14848—2017 中的Ⅲ類水質要求。說明廢渣經治理后，未對周邊的地下水產生影響。

表6 治理后地下水采樣結果Table 6 Groundwater sampling results after treatment

4 結論

1）儲存1.032×106m3Ⅱ類、I 類一般工業(yè)固體廢物混合渣的廢渣場，廢渣最大埋深為地坪下23.0 m，地下水穩(wěn)定水位埋深為1.5～6.4 m，且與周邊地下水存在水力聯系。場地為存在1.0～9.0 m 粉質黏土層的極微透水層，周邊存在飲用水水源地湘江，環(huán)境敏感。

2）采用“垂直防滲帷幕+原位穩(wěn)定化/固化+滲濾液收集處理+封場”方案對廢渣場進行治理后能有效控制Pb、Cd、As 不遷移至外環(huán)境，初步核算重金屬污染物減排量Pb 2 598.48 t、Cd 7.31 t、As 1 091.36 t。

3）通過實施滲透系數1×10-7cm/s、抗壓強度2.0 MPa（28 d）的雙排樁帷幕，可滿足30 a 滲透距離（0.95 m）；通過對渣場外圍的地下水監(jiān)測井采樣分析，水質滿足GB/T 14848—2017Ⅲ類水質的要求。