（水文学及水资源专业论文）火电厂干贮灰场灰水淋溶物的渗透特性研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 火电厂干贮灰场灰水淋溶物的渗透特性研究 摘要 粉煤灰是燃煤电厂排弃的主要固体废弃物。除了少量进行综合利用外， 大部分都要选址贮放。目前，虽然粉煤灰主要采用干贮灰技术，但在长期 贮放过程中，由于雨水的淋溶，其淋溶液中有害物质可能导致区域地下水 污染。 近年来新建了很多干贮灰场，由于所建灰场的地质条件各有差别，其 渗透性也有较大差别，对地下水环境的影响程度也不同，所以针对不同的 地质条件，也要采取不同的措施以防止污染。国内外对干贮灰场的环境影 响也进行过一些研究，但是多数研究是基于某一研究区域的，针对性比较 强，不具普遍性。因此，对火电厂干贮灰场粉煤灰在不同地质条件下的淋 溶物渗透特性进行研究具有非常重要的意义。 本次研究选用太原一电厂干贮灰场的干粉煤灰为样本，以f 作为研究 对象，通过浸出实验和淋溶实验研究粉煤灰的浸出特性以及粉煤灰贮放在 不同渗透性地层上的淋溶特性，从而提出在不同渗透性地层上贮放粉煤灰 所应采取的措施。同时建立粉煤灰淋溶液污染物在垂直方向运移的一维数 值模拟模型，并使用v i s u a lm o d f l o w 软件模拟并预测粉煤灰中的f 进入 地下水以前在饱水带中的垂直迁移规律，研究饱水带岩性、厚度、渗透性 能等对污染质垂直运移规律。 浸出实验表明：粉煤灰的浸出液浸出时间的长短对浸出液的p h 值和 f - 浓度的影响都很小；浸出液的p h 值对f 的浸出有一定的影响，碱性不利 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 于f 的浸出。 淋溶实验表明：粉煤灰淋溶试验中，淋出液中f 的浓度随时间变化规 ” 律符合指数曲线，随孔隙体积数变化规律符合多项式曲线。 粉煤灰贮放在不同地层上时，地层渗透系数越小，对f _ 的吸附量越大， 地层对f 一的吸附量越大。 粉煤灰贮放在渗透系数大于9 6 m d 的地层上时，淋出液中f - 浓度很大， 对环境影响较大，须采取防渗措施。粉煤灰贮放在渗透系数小于o 1 3 m d 的地层上时，设置有效的排水措施即可解决问题。粉煤灰贮放在渗透系数 小于o 0 0 6 m d 的地层上时，基本上不用采取措施。 数值模拟表明：土壤渗透系数越大，土壤的防渗性能越差，淋溶液中 f 一到达含水层的时间越短，相同入渗年限污染物到达含水层中的浓度越高； 含水层越厚，f 一入渗到含水层所用时间越长，相同年限下含水层中f 一浓度越 小。 关键词：干贮灰场，粉煤灰，浸出实验，淋溶实验，数值模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e r e s e a r c ho ni n f i i j r a t i o np r o p e r t m s o fl e a c h i n go ff i ya s hd 寸d r y d i s p o s a ls r r eo fp o w e rp l a n t a bs t r a c t t h ef l ya s hi st h em a i ns o l i dw a s t ep r o d u c e db yc o a lf i r e dp o w e rp l a n t s t h em a i no ff l ya s hw i l lb es t o r e di nd i s p o s a ls i t e ，e x c e p tt ou t i l i z e a tp r e s e n t ， a l t h o u g ht h es t o r i n go ff l ya s hm a i n l yu s e sd r yd i s p o s a lt e c h n i q u e ，b u td u r i n gt h e l o n g t e r ms t o r i n go ff l ya s h ，t h er a i nm a yp e n e t r a t et h r o u g ht of l ya s ha n dt h e t o x i ce l e m e n t si nl e a c h i n gw a t e rm a yc a u s ep o l l u t i o no fl o c a lg r o u n d w a t e r m a n yd r yd i s p o s a ls i t e sh a v e b e e nc o n s t r u c t e dr e c e n ty e a r s h o w e v e r , m e y h a v ea f f e c t e dt h el o c a lg r o u n d w a t e rt od i f f e r e n te x t e n tb e c a u s et h el e a c h i n g p r o p e r t i e sa td i f f e r e n ts i t e sa r eq u i t ed i f f e r e n tf o rt h ed i f f e r e n tg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s t h e r e f o r ed i f f e r e n tm e a s u r e ss h o u l db et a k e nt op r e v e n tt h e p o s s i b l ew a t e rp o l l u t i o nb a s e do n t h ed i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h e e n v i r o n m e n te f f e c to fd r yd i s p o s a ls i t e sh a sb e e ne x p l o r e db o t ha th o m ea n d a b r o a d ；h o w e v e r , m o s to ft h er e s e a r c h e sa r ej u s ta i m e da tac e r t a i na r e aa n da r e n o to fu n i v e r s a l i t y s oi ti sr a t h e rs i g n i f i c a n tt or e s e a r c ht h el e a c h i n gp r o p e r t i e s 太原理工大学硕士研究生学位论文 o f f l ya s hf r o md r yd i s p o s a ls i t e su n d e rd i f f e r e n tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si n g e n e r a l f l ya s hs a m p l e sw e r ec o l l e c t e df r o mt h ed r yd i s p o s a ls i t eo ft h ef i r s t t h e r m a lp o w e r p l a n to ft a i y u a n t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h el e a c h i n gp r o p e r t i e s o ff l ya s ht h r o u g hl i x i v i a t i o nt e s ta n dl e a c h i n gt e s to ff - t h u sm e a s u r e so nh o w t os t o r et h ef l ya s ho nt h es t r a t aw i t hd i f f e r e n tl e a c h i n gc a p a c i t i e sa r ea d v a n c e d s e t t i n gu p o n e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l ，w es t u d yt h ev e r t i c a l t r a n s p o r tr e g u l a r i t yo fl e a c h a t ei nu n s a t u r a t e dl a y e rb e f o r ef o fc o a la s hl e a c h e s i n t og r o u n d w a t e ra n dt h ee f f e c to ff a c t o r ss u c ha sl i t h o l o g y ，t h i c k n e s s ，o s m o s i s o fu n s a t u r a t e dl a y e ro nt h er e g u l a r i t yb yt h ev i s u a lm o d f l o ws o f t w a r e t h er e s u l t so fl i x i v i a t i o nt e s ti n d i c a t et h a tt h el i x i v i a t i o nt i m eo f f l ya s hh a s l i t t l ee f f e c to nt h ep ha n dt h ec o n c e n t r a t i o no ff - t h ep hh a sa l le f f e c to n l i x i v i a t i o no ff - a n da l k a l i n i t yi sa d v e r s et ol i x i v i a t i o no ff t h er e s u l t so fl e a c h i n gt e s to f f e rt h ev a r i a t i o nr u l eo ft h ec o n c e n t r a t i o no ff i nt h el e a c h a t ec o n f o r m st ot h ee x p o n e n t i a lc u r v ea l o n gw i t ht h et i m ev a r i a t i o n r u l ea n dc o n f o r m st ot h em u l t i n o m i a lc u r v ea l o n gw i t ht h ev o i dv o l u m en u m b e r c h a n g er u l e w h e nf l ya s hi ss t o r e do nd i f f e r e n ts t r a t a ，t h es m a l l e rt h ep e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n ti s ，t h es m a l l e rt h efc o n c e n t r a t i o ni nt h el e a c h a t ei sa n dt h eg r e a t e r t h ef a d s o r p t i o na m o u n to ft h es t r a t ai s v v h e nf l ya s hi ss t o r e di nt h es t r a t a w i t ha p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tg r e a t e rt h a n9 6m d a y , t h ef c o n c e n t r a t i o no f t h el e a c h a t ei sg r e a ta n dh a sa g r e a t e ri m p a c to nt h ee n v i r o n m e n t ，s oi m p e r v i o u s 太原理工大学硕士研究生学位论文 m e a s u r e sm u s tb et a k e n w h e nf l ya s hi ss t o r e di nt h es t r a t aw i t ha p e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n tl e s st h a n0 13m d a y , t h es e t t i n gu po fa ne f f e c t i v ed r a i n a g ec a n s o l v et h ep r o b l e m s w h e nf l ya s hi ss t o r e di nt h es t r a t aw i t hap e r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n tl e s st h a n0 0 0 6m d a y , t h e r ei sn on e e dt ot a k em e a s u r e sb a s i c a l l y t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h eb i g g e rt h es o i lo s m o t i c c o e f f i c i e n ti s ，t h ew o r s eo s m o t i cp r e v e n t i o ni s ，t h es h o r t e rt h et i m ew h e nf l e a c h e si n t oa q u i f e r , t h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o no fc o n t a m i n a n tw h i c hl e a c h e s i n t oa q u i f e ra f t e rt h es e v e r a ly e a r si s t h et h i c k e rt h eu n s a t u r a t e dl a y e ri s ，t h e l o n g e rt h et i m ew h e nf l e a c h e si n t oa q u i f e ri s ，t h el o w e rt h ec o n c e n t r a t i o no ff - w h i c hl e a c h e si n t oa q u i f e ra f t e rs e v e r a ly e a r si s k e yw o r d s ：d r yd i s p o s a l s i t e ，f l ya s h ，l i x i v i a t i o nt e s t ，l e a c h i n gt e s t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：臼逝日期：乏塑尘：皇 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：鱼墨壁垒圣 导师签名：主建壑i 垦日期： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1研究的目的和意义 第一章绪论 电力工业是国民经济的基础产业，在经济建设中具有十分重要的地位和作用，而我 国的电力仍以燃煤的火力发电为主。随着电力工业的发展，电厂规模不断扩大，火电厂 粉煤灰的排放量亦急剧增长。装机容量每增加i o m w ，粉煤灰的排放量每年就会增加近 万吨。粉煤灰排放量的急剧增长引起了很多问题。粉煤灰是电厂排放的固体废弃物，除 了少量的进行综合利用外，大部分都要选址贮放。而粉煤灰的排放贮存又是影响火电厂 选址、建设、运行、管理和投资规模的主要因素之一，并且在很大程度上影响着电厂周 围的环境，尤其是大气、土壤和地下水环境。因此，如何贮存火电厂的粉煤灰已经成为 一个很重要的问题。 目前粉煤灰的贮放大都采用干贮灰方式。在贮放过程中，干贮灰所用水量虽然大大 减少了，但是雨水的淋滤作用仍然可能引起渗漏，粉煤灰中的有害物质，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，在短期内对地下水污染不会有较大 影响。但长期滞存灰水，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。 而且地下水流动性差，一旦被污染将很难治理，尤其对于我国水资源缺乏的地区，必须 引起重视。另外，由于干贮灰场的地质条件不同，其渗透性不同，贮灰后对环境的影响 也不同，这就要求采取不同的措施来防止污染。而在污染控制这方面，有些灰场虽然采 取了一些措施，但是也没有充分的依据，没有全面的对其考虑，有些造成了浪费而有些 则达不到控制污染的目的。国内外对干贮灰场的环境影响也进行过一些研究，但是多数 研究是基于某一研究区域的，针对性比较强，不具有普遍性。因此，对火电厂干贮灰场 粉煤灰在不同地质条件下的淋溶特性进行研究具有非常重要的意义。 本课题研究是山西省水利厅的科研项目“电厂干贮灰场灰水渗透特性及其控制技术 研究 的一部分。本次研究通过粉煤灰的浸出实验和淋溶实验研究粉煤灰中污染物的溶 出规律：通过粘土和粉煤灰的击实实验确定其最优含水率和最大干密度，为灰场的碾压 太原理工大学硕士研究生学位论文 设计提供依据；通过渗透实验研究粉煤灰在不同压实情况下的渗透性和各种土样在一定 压实度下的渗透性；模拟灰场在不同工况下，包括采取防渗处理措施下和没有防渗措施 下，粉煤灰的渗透情况，研究灰场在不同渗透系数的地层条件下的淋溶特性，通过对比 分析在不同渗透系数的地层条件下粉煤灰淋溶水对地下水环境的影响，为干贮灰场建设 的可行性和地下水资源的保护提供依据。同时，提出一些渗水控制措施，对于不同的灰 场环境和地质条件下，可以相应的采取不同的措施，以便更好的控制水污染，确保在工 业发展的同时，不会带来新的问题。 1 2国内外研究现状 国内外对粉煤灰的物理化学特征、矿物组成、浸出特性及粉煤灰中有害物质在地下 水中迁移规律和数值模拟模型等方面均有不同程度的研究。6 0 年代，国外学者对粉煤灰 的物理特性、化学组成、相组成、活性等研究取得了诸多有价值的研究，为今后粉煤灰 的污染研究奠定了理论基础。7 0 年代之后，由于许多发电厂都转向以煤炭为主要燃料， 伴随着大量灰渣的排放，因此粉煤灰的污染逐渐受到人们的重视和关注。总之，各国尤 其是一些以燃煤为主的国家特别重视粉煤灰中有害物质对环境影响方面的研究。 1 1 3 1 物理化学性质研究 d a v i s o n ( 1 9 7 4 ) ，g l a d n e y ( 1 9 7 6 ) 等在研究天空中不同粒级飞灰中的微量元素分布时， 发现有些元素如p b ，s e ，c d ，n i ，z n ，c r 等的含量随粒度减小而增加n 】。粉煤灰颗粒 小，比表面积较大，在煤的燃烧过程中很容易将煤中的微量元素吸附转移到粉煤灰中 ( g e h r s 等1 9 8 1m ，h a n s e na n df i s h e r19 8 0 t 3 1 ，h o l c o m b e 等1 9 8 5 t 4 j ) ，因此一些有害的微量 元素易在粉煤灰中富集。微量元素常富集于飞灰表面，且随粒度减小含量增加，而有些 元素则常分布在表面和下伏基质之间。富集在燃煤产物表面的元素，其可溶性与元素在 表面的浓度和其存在的化学形式有关，它们优先进入溶液；富集在基质中的元素，其可 溶性与基质的溶解速度、晶格离子向表面扩散的速率有关【5 】。z i e l i n s k i ( 1 9 9 7 ) 等对美国西 部2 1 0 0 多种原煤试样进行分析，结果显示有1 8 左右煤种的有机物u 含量非常高【6 】。 s w a i n e 认为煤中有2 6 种微量元素应引起环境关注，包括a s 、b 、b a 、b e 、c d 、c i 、c o 、 c r 、c u 、f 、h g 、m n 、m o 、n i 、p 、p b 、s b 、s e 、s n 、t h 、t 1 、u 、v 、i 、r a 及z n t n 袁春林等 8 1 ( 1 9 9 8 ) 通过全国1 0 0 多家火力发电厂的3 6 5 个粉煤灰样品化学分析资 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 料，系统地统计了我国粉煤灰中的主要化学成分，并分别计算了不同电厂粉煤灰化学成 分的平均值，首次获得了我国火电厂粉煤灰各种平均化学成分。王起超等 9 1 ( 1 9 9 6 ) 研 究了炉底飞灰和底灰中1 5 种微量元素的含量和分布，分析表明飞灰和底灰中微量元素 含量与煤中微量元素含量呈线性关系，微量元素含量不仅与煤有关，还受锅炉燃烧方式、 炉温等人为因素影响。齐立强等【l 明( 2 0 0 3 ) 在对国内几家电厂电除尘器收集的燃煤飞灰 的化学成分进行了分析。结果发现：飞灰中s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，f e o ，c a o 和m g o 等化学 成分的含量随电场及飞灰的粒度呈一定规律分布，并针对造成这种分布规律的机理进行 了初步的分析。张威等【l l 】( 2 0 0 4 ) 以河南省永城矿区为例研究了地下水中氟含量与温度、 p h 值、( n r + k + ) c a 2 + 的关系，从定性和定量方面讨论了矿区地下水中的氟从固相转入 液相的过程，详细讨论了水温、p h 值、及地下水的水化学成分对该过程的影响。得出： 水中氟的存在形态在很大程度上依赖于水体的p h 值、酸碱性。偏碱性水环境有利于呈 吸附态氟的解吸与富集，且在这种环境中氟以离子形态存在并迁移。 1 1 3 2 浸出特性研究 为了评价贮灰引起的环境影响，很多研究人员进行了粉煤灰中元素的浸出特性的研 究工作。有关研究发现，灰中化学成分浸出浓度随时间的变化规律多为下列三种模式： ( 1 ) 浸出过程中浸出浓度由高到低。可溶性物质的快速溶解一般属于该模式。( 2 ) 开始浸出 浓度增加而后减少。属于这种模式的元素的化合物一般也具有较高的溶解性。( 3 ) 开始浸 出浓度增加至最大值后降低，再缓慢增加。元素的浸出浓度依赖浸出液的p h 值。 荣鸿敏n 2 1 ( 1 9 9 4 ) 通过具有代表性的粉煤灰的浸出特性试验，研究了粉煤灰理化特 性对浸出浓度的影响规律；朱法华等( 1 9 9 6 ) 取各电厂有代表性的干灰，通过淋溶释 放模型，发现s 0 4 2 、f 、硬度、p h 值、c r 6 + 等项目经常超标，是粉煤灰淋出液中的主 要污染因子。陈德放掣州以内蒙古呼和浩特发电厂排灰场为试验基地，进行了现场采样， 勘查及室内模拟试验，得出：火力发电厂排灰场的粉煤灰对排灰场周围土壤和浅层地下 水的影响主要取决于当地土壤的类型及污染物的种类和性质。蔡红，温彦锋，魏迎奇等 【1 5 1 对国家电力公司控股的2 1 7 个火电厂函调结果，粉煤灰灰水的污染因子主要有：p h 、 f 、p b 2 + 、c d 2 + 、c r 6 + 、s 0 4 2 、总硬度等j 傅嘉媛，董榕1 6 1 ( 2 0 0 4 ) 通过系统模拟实验研 究了粉煤灰中主要有害元素在灰场正常运行条件下的浸出与迁移规律。结果表明，这种 废水中的主要污染物是f 和c d ，废水的p h 值严重超标。 郭建新n 7 1 ( 2 0 0 5 ) 通过浸出试验，发现粉煤灰浸出液的p n 值与粉煤灰中的c a o 和 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 s 0 3 含量有关；浸出液p n 值的高低对粉煤灰微量元素的浸出速度和浸出浓度均有较大 影响：粉煤灰的粒度对浸出液浓度也有影响。李敬，刘铁雷n 明( 2 0 0 5 ) 研究了c a o 对 飞灰重金属元素浸出特性的影响。结果发现，飞灰中添加c a o ，增强了浸出液体中重金 属痕量元素a s 、s e 和c r 等与飞灰不溶部分的c a 发生置换作用，有效地降低了飞灰浸 出液体中重金属痕量元素a s 、s e 和c r 的含量。p r e d r a gs p o l i c ，m a r i n ar i l i c ，a l e k s a n d a r r p o p o v i c ( 2 0 0 5 ) t 1 9 1 在研究中，以n i k o l at e s l a 热电厂的褐煤粉煤灰样作为研究对象，通 过烧结方法来减少粉煤灰中元素的浸出浓度。试验采用酸碱中和法测定浸出液的性质。 分析结果表明在不同温度下烧结的粉煤灰样的浸出液浓度比原粉煤灰样的浸出液浓度 低的多。 1 1 - 3 3 对环境影响的研究 贮灰场的建设是为了保护环境，但是在粉煤灰长期堆放的过程中，通过灰水及雨水 的淋溶尤其是酸雨的淋溶作用，粉煤灰中的有害物质，将会溶出入渗，这样就可能造成 对土壤和地下水环境的污染。近年来国内外对贮灰场灰水的水质及环境影响都有一定的 研究，发现电厂灰水对地下水的影响主要取决于以下几个因素，即灰水水质及水量、灰 场环境、水文地质条件及自然环境对污染物的净化能力一即土壤对污染物的吸附、截留 和转化。 粉煤灰贮放方式的不同，对地下水环境的影响有着一定差别。虽然干法贮灰在堆灰 时，用水较少，主要是雨水的淋滤作用可能造成地下水的污染，像降雨较少的北方地区， 如果地质条件不是很差则污染的可能性就很小。干法贮灰在节约用水和对环境污染方面 都比水力贮灰具有优势，但是干贮灰方式同样对环境也存在一定的影响。 国外对燃煤电厂水力贮灰场的观测调查发现，灰场天然地质条件较好的，灰渣浸出 液对地下水水质的影响较小；但地质条件较差的，如不设专门的隔渗层则可能造成污染 2 0 1 。国内调查也发现一些地质条件差的灰场，因运行期间渗漏严重，不得不投入大量资 金加以治理。 n g u l e q ，b ( g a n c i ) g u n a l ，a e r l e r 在2 0 0 1 年以s e y i t o m e r 电厂为例对灰场周围的 土壤和水作了影响分析，说明c d ，p b ，z n ，c u 主要来自灰场的粉煤灰，c r 、c o 尽管 浓度较高但对水和土壤不构成污染，p b ，c u 对土壤有中等程度的污染【2 1 1 。 土耳其的y a t a g a n 热电厂的粉煤灰场是一个山谷型灰场，建立在变质岩层上。对灰 坝中及周围采集的水样进行化学分析，分析表明在同种样品中c a 2 + ，c d 2 + ，p b 2 + ，s b 2 + 和 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 s 0 4 2 一的浓度超过土耳其饮用水的标准。采用同位素分析来决定水的起源，分析指出污 染就发生在贮灰场附近【2 2 1 。 贮灰场对地下水环境的污染，具有地区广、范围大、时间长等特点，地下水污染一 般不容易被发觉，受监测井分布数量的限制，当污染物到达井孔而被检测出时，污染可 能已经持续很长时间，污染范围已经扩大很多，这种教训国内外屡见不鲜。虽然在污染 物通过土壤入渗的过程中存在各种自净效应，但是地下水一旦被污染，其水质的恢复将 极为困难且费用昂贵。因此，要认真做好燃煤电厂排灰场的选址和防渗工作，在灰场运 行前要进行预测评价，从而相应的采取一定措施以确保地下水不受污染。 2 0 0 2 年，朱莉娜等应用环境同位素理论，研究了灰场灰水对周围地下水的影响程度、 范围和主要途径【2 3 j 。李定龙博士1 2 4 1 ( 2 0 0 0 ) 在对淮南市窑河灰场环境水文地质调研基础 上，对拟建窑河洼灰场及该区浅层地下水环境质量现状进行了模糊数学评价，以f 作为 模拟因子，对其5 a 后的污染范围和程度进行了预测评价。结果表明，拟建新灰场运行 后对周围地下水环境将会产生一定程度的影响，而且从长远看，这种影响不可忽视。黄 爽瞄1 等( 2 0 0 1 ) 以某电厂粉煤灰场为例，通过模拟现有灰场在运行期间对地下水水位水 质影响的基础上，研究了治理平原型灰场对周围地下水环境影响的措施。所有这些研究 揭示了粉煤灰场对该区土壤及地下水的影响，对电厂环境保护及对污染物的综合防治具 有十分重要的意义。 1 9 9 3 年，水利部水质试验研究中心通过现场和室内模拟灰场人工降雨实验，对火电 厂的干灰调湿碾压贮灰场的排水水质及其对地表水的影响进行了研究。有个别试验表 明，压实不久的干贮粉煤灰的抗冲蚀性能较差，其冲蚀系数比易冲蚀土高两倍以上。所 以干法贮灰由于降雨和其他一些原因容易造成灰的流失，而污染附近的地表水，须设置 有效的截流和水回收处理措施，做到防排结合。2 0 0 4 年，赵谦，蔡红在盘山发电厂对干 贮灰现场进行了碾压试验时，优化了碾压参数、进行了各季节的复核试验、研究了各种 特殊气候对碾压施工的影响及碾压后粉煤灰的承载力，确定了干贮灰碾压的运行参数。 为干贮灰场的碾压提供了依据【2 6 1 。 杨维网、李斌嘲等借助于利用a q u a 3 d 水流模型或和溶质运移模型对研究去进行 模拟，最后表明该软件模拟的结果是令人满意的；朱高峰圆1 等应用a r c v i e wg i s 与 m o d f l o w 模拟了民勤绿洲2 0 0 0 年地下水位动态演化特征，得出：利用这两个软件对 地下水的模拟结果与实测数值比较吻合；但是，在干贮灰场的研究方面还存在一些问题。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于灰场灰水对环境的污染程度不仅与粉煤灰本身的物理化学性质有关，还与地质条件 有密切的关系。国内所作的研究多数是基于某一研究区域的，针对性比较强，不具有普 遍性。不同的贮灰场所贮放的粉煤灰性质不同，所在区域的地质条件也有很大的差别， 而那些针对于某一区域的研究成果就不一定能直接为新建的灰场提供有力的依据。 所以，在建设灰场时，要针对不同的地质条件，做到充分的预测评价，采取相应的 措施，以防患于未然。 大量的实践表明，在一些底部未采取防渗措施的灰场，如果存在下覆透水地层，则 会形成地下水污染的通道，灰水向下通过包气带可直接进入含水层，在含水层中随地下 水流作横向迁移，就会形成羽状体形状的地下水污染晕。此种污染晕长度可达几千米， 深度可达几十米。一般，贮灰场周围的部分水井中f 含量已超出生活饮用水的标准。对 国家电力公司控股的2 1 7 个火电厂函调结果，粉煤灰灰水的污染因子主要有：p h 值超 标，f 、p b 2 + 、c d 2 + 、q 伊、s 0 4 2 、总硬度等。例如，以渭河电厂一期灰场灰水所作的 浸提试验成果表明，灰水中p h 值超标，f 超标，当地3 0 m 以上潜水层受影响，影响范 围约1 0 0 m - 1 3 5 m ，当地居民患氟斑牙较普遍。 针对贮灰场灰水污染这个突出的环境问题，探索粉煤灰淋溶液在包气带及地下水中 的迁移规律，并且建立灰水污染物在垂直方向运移的一维数值模拟模型将是以后研究的 重点，也是本文研究的主要内容。 1 3研究的内容 本课题将采集太原一电厂的干粉煤灰，在对其进行物理测定的基础上，进行室内模 拟实验，包括浸出实验和淋溶实验。探讨火电厂粉煤灰堆放对地下水环境的影响及其发 展变化规律。主要内容如下： ( 1 ) 分析粉煤灰的物理、化学特征，通过浸出实验，研究粉煤灰的酸碱性、粒度 等理化性质对浸出液中污染物浓度的影响规律； ( 2 ) 运用淋溶柱形式模拟灰场粉煤灰的淋溶过程，摸清淋溶液对土壤及地下水环 境的影响规律。根据实验结果，探讨粉煤灰淋溶液浓度的变化规律和污染物在土壤中的 分布规律，并对粉煤灰场的渗透性进行研究； ( 3 ) 建立灰水污染物在垂直方向运移的一维数值模拟模型，研究粉煤灰水中污染 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 物进入地下水以前在饱水带中的垂直迁移规律，研究饱水带岩性、厚度、渗透性能等对 污染质垂直运移规律的影响。根据模拟试验结果，提出灰场工程建设、运行以及水源地 保护的合理化建议。 1 4 研究的技术路线与方法 本课题研究分为：资料收集；准备试验器具；确定取样位置、方法并估计取样的数 量；采集样品；测定样品的一些物理性质，进行必要的基础实验确定模拟实验所需要的 数据；模拟实验。 ( 一) 采集土样和粉煤灰样。根据贮灰场地质环境条件的不同，取四种不同的土样 测其渗透系数来模拟不同的地层。并测定土样和粉煤灰样的物理性质指标。 ， c - ) 击实实验，测定粘土和粉煤灰的最优化含水率和最大干密度。 ( 三) 渗透实验，分别采用定水头和变水头实验，测定土样和粉煤灰样的渗透性。 ( 四) 浸出实验，依据中国浸出毒性实验方法，结合本次研究课题的需要，制定浸 ! 出试验方法。具体为：将试样风干混匀后，取定量样品，按一定灰水比混合。浸取剂用 当地自来水。在室温条件下，模拟振荡后，静置一定的时间，测定土样和粉煤灰样中 f 的含量，研究粉煤灰中氟的浸出特性。 ( 五) 淋溶实验，模拟三种工况：纯灰实验；灰土实验( 不加防渗层) ；灰 土实验( 加防渗层) 。通过模拟灰场粉煤灰的淋溶过程，摸清淋溶液对土壤及地下水环境 的影响规律。根据实验结果，探讨粉煤灰淋溶液浓度随时间的变化规律和污染物在土壤 中的分布规律，并对各种地层的渗透性和吸附性进行研究。 ( 六) 采用一维数值模型，模拟粉煤灰场灰水污染物质在饱水带中的垂直运移规律。 一 ， 灰水对下部含水层的垂直入渗视为一连续污染源，水流在垂直方向上具有稳定的渗透流 速，水流流态为层流，且满足达西定律，并考虑污染物在下渗过程中土壤介质对其的吸 附作用。以氟离子作为模拟因子，采用一维数值模型，预测灰水污染物在饱水带中的时 空变化趋势，研究饱水带岩性、厚度、渗透性能等对污染质垂直运移规律的影响。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章实验材料的基本性质 本论文通过室内模拟干贮灰场的淋溶实验分析其对地下水的影响，实验所用原材料 主要有模拟地层所用的粗砂、细砂、粉土、粘土和取自太原一电厂的粉煤灰。我们首先 要掌握粉煤灰的一些基本特征及属性，另外还对实验所用的原材料的一些与本实验有关 的性质作了相应的实验，已取得相关数据。、 2 1实验材料的物质组成与基本性质 本实验模拟地层所用的材料有粗砂、细砂、粉土和粘土，实验所用粉煤灰取自太原 一电厂干灰场，淋溶液采用自来水。根据时红 3 0 l 等研究：粒度小的粉煤灰不仅化学成分 和微量元素含量较高，而且灰的比表面积大，混合过程中各元素易浸出。而粒度大的灰 粒内部组分与水接触机会少，难以浸出或待外层溶解后方可缓慢浸出。而土的物理性质 指标主要有：! 比重、容重、粒径分布。土的水力学性质主要为渗透系数，因为渗透系数 与污水在土中的滞留时间有关。所以实验材料的颗分情况，比重与渗透系数都是与之后 f 要进行的干贮灰场的粉煤灰对地下水污染的模拟实验中的重要影响因素，我们进行了二 系列相关实验，以便取得这些因素的相关数据。 2 1 1 实验材料的物质组成 2 1 1 1 粉煤灰的物质组成及基本性质( 3 1 h 钟j 粉煤灰是煤燃烧排放出的一种粘土类火山灰质材料。狭义地讲，就是指锅炉燃烧时 - 烟气中带出的粉状残留物质，简称灰或飞灰：广义地讲，它还包括锅炉底部排出的颗粒 较大或呈块状的炉渣【3 1 1 。灰约占总量的8 5 ，炉渣约占1 5 ，炉渣除颗粒较大外，其基 本性质与灰接近( 以下统称粉煤灰) 。粉煤灰性能不仅与煤种、煤源有关，同时亦取决 于锅炉的类型、运行条件、收尘及排灰方式，具有较大的波动性。因此，各电厂粉煤灰 的性能不同。同一电厂由于锅炉类型及容量的差别，或同一锅炉由于运行条件不一，其 性能亦可能有较大的差别。 粉煤灰作为电厂的固体废物，其内还含有一些有害微量元素，会严重污染水体与大 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 气，危害人体健康及动、植物生长。经测定，实验所用粉煤灰中一些微量元素的含量见 表2 1 。 表2 - 1 粉煤灰中一些微量元素的含量( m g k g ) t a b l e 2 1t h ec o n t e n to fs o m et r a c ee l e m e n ti nf l ya s h ( m g k g ) 元素名称a g 银a s 砷b 硼 b a c d 镉c o 钴c r 铬c u 铜f 氟h g 汞 平均含量 o 24 4 51 6 11 6 0 0o 8 62 41 2 06 8 15 0 0 0 2 3 元素名称m n 锰m o 钼m i 镍 p b s e 硒s r 锶t i 钛v 钒z n 锌 平均含量2 9 7 3 93 87 1 o 6 08 0 02 o1 4 19 9 6 粉煤灰是燃煤颗粒中所含矿物质经历了一系列变化而形成的。由于过程的特殊性， 粉煤灰以富铝玻璃体存在，是一种松散的固体集合物，由硅、铝、铁、钙、镁等元素的 氧化物以及一些微量元素、稀有元素组成的细颗粒，还含有少量未燃烧或燃烧不完全的 细小黑色不透明、形状不规则的炭粒，为海绵状和空心玻璃球状( 占3 0 - 8 0 ) ，这 些颗粒中还含有不同数量的微小气泡和微小活性通道，因此粉煤灰表面呈多孔结构。其 孔隙率一般为6 0 - - 7 0 ，比重为2 1 5 - 2 3 6 9 c m 3 ，容重为5 6 2 - 9 4 7 k g m3 ，比表面积 为3 4 8 3 - - - , 3 9 8 0 c m z g ，强度可达7 0 0 0 k g m 2 。由于粉煤灰表面上的原子力都呈未饱和状态， 使得粉煤灰具有较高的比表面能和较好的表面活性。经测量可得粉煤灰的基本物理性质 与我国7 0 个火电厂的统计数据一致，见表2 2 。 表2 - 2 粉煤灰的物理性能 t a b l e 2 - 2t h ep h y s i c a lp r o p e r t yo ff l ya s h 项目范围均值 密 度( g c m 3 ) 1 9 - 2 92 1 堆积密度f g c m 3 ) 5 1 1 1 2 6 17 8 0 密实度( g c m 3 ) 2 5 6 - 4 7 03 6 5 氧吸附法 8 0 0 - 1 9 5 0 0 03 绷 透气法 1 1 8 0 - 6 5 1 03 3 0 0 原灰标准稠度( ) 2 7 3 6 6 7 4 8 0 需水量( )8 9 - 1 3 01 0 6 2 8 天抗压强度比( ) 3 7 - 8 56 6 粉煤灰主要由粒径不一的颗粒所组成，如图2 2 所示，粉煤灰的粒径波动于 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 0 0 0 1 0 1 m m 之间，与粉质粘土及粉质砂土相比，其粒径分布范围较窄，是一匀质级配 材料。 粉煤灰的元素含量与颗粒尺寸也有关。舢、b 、c a 、c s 、f e 、h f 、k 、m g 、m n 、 n a 、r b 、s c 、t a 、t h 、t i 等元素较均匀地分布于粉煤灰粒径不同的颗粒中；而a s 、s e 、 h g 、m o 、c d 等元素在细粒灰中含量较高。因为这些元素为挥发性元素，在燃烧过程中 凝于颗粒表面；b a 、c o 、c r 、c u 、s r 、u 、v 等元素介于以上两组元素之间。相对而言， 第二组元素较易溶解于水中。此外，游离c a o 的含量与粉煤灰颗粒的大小也有关系， 颗粒愈细c a o 含量愈甜峋。 粉煤灰的活性包括物理活性和化学活性【3 1 1 。物理活性是粉煤灰颗粒效应、微集料效 应等的总和，是一切与自身化学元素性质无关，又能促进制品胶凝活性和改善制品性能 ( 如强度、抗渗性、耐磨性) 的各种物理效应的总和。是粉煤灰能够直接被充分利用的 最有实际价值的活性。 化学活性是指粉煤灰中的可溶性二氧化硅、三氧化二铝等成分在常温下与水和石灰 产生化合反应，生成不溶、稳定的硅铝酸盐的性质。粉煤灰化学活性的决定因素是其中 的玻璃体含量、玻璃体中可溶性的二氧化硅、三氧化二铝以及玻璃体解聚能力。 2 1 1 2 其他材料的物质组成 我们采用比重实验对实验材料的比重进行了测定。由于我们所用的实验材料粒径都 在5 m m 以下，按照土工试验要求对于粒径小于5 m m 的土采用比重瓶法进行比重的测定， 其中，对于排除土中空气我们使用煮沸法。所得结果：粗砂比重为2 2 6 ，细砂为2 2 2 ， 粉土为2 7 0 ，粘土为2 7 2 ，粉煤灰为2 1 7 。根据经验值以及测得的数据，可将粉土归为 砂质粉土，粘土为粉质粘土。 另外还利用颗粒分析实验对实验材料的物质组成进行了进一步的分析。根据土工 试验与原位测试中土的颗粒分析试验，我们采用筛分法和密度计法对实验材料进行测 定。其中粒径大于0 0 7 5 r a m 的粗砂、细砂用筛分法，粒径小于0 0 7 5 r a m 的粉土、粘土 和粉煤灰用密度计法，测得的数据以颗粒粒径的对数为横坐标，小于某粒径的试样质量 占试样总质量的百分比为纵坐标，在单对数坐标上绘制颗粒大小分布曲线，见图2 1 和 2 2 。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 。弋 - 、1 + 粗砂 k 、+ 细砂 、 、 l 、 x 迭 l 土粒粒径d ( 衄) 图2 - 1 粗砂和细砂的颗粒分布曲线 f i 9 2 1t h eg r a i ns i z ed i s t r i b u t i o nc u i v eo fc o a r s es