粉煤灰中污染离子淋释试验及其运移模型

表2　粉煤灰中微量元素含量

w／10^－6

图1　淋释试验装置
1——介质液；2——控制阀；3——淋滤头；4——淋滤器；
　　5——粉煤灰；6——过滤网；7——淋释液

2.3　淋滤介质的选取
　　考虑到粉煤灰受大气降雨尤其是工业城市上空的酸雨淋释，以及灰水本身的淋释，我们选取了下述3种介质进行试验：蒸馏水、酸雨水(用HCl＋HNO₃按6∶2体积配比)和灰厂中的灰水(pH=11.5)。

3　试验分析

　　通过对洛河电厂二叠系煤的粉煤灰进行淋滤试验，绘制出污染离子瞬时渗出浓度与液固比的淋滤曲线(图2)。在实际试验中有些离子，如Na^＋，K^＋，淋释浓度很低，这主要是粉煤灰中粘土吸附作用的结果；而另一些离子，如Ca^2＋、Mg^2＋，开始浓度大，随着淋释时间的增长而逐渐降低；还有一些离子的淋释浓度，开始低而后逐渐增大，随后又逐渐降低。

图2　不同淋释介质条件下污染离子的淋释曲线
1——蒸馏水；2——酸雨水；3——灰水

　　由图2可以看出：
　　a.　酸雨与蒸馏水相比，由于pH值低，对Ca^2＋、Mg^2＋离子有明显的淋释作用。Ca^2＋、Mg^2＋离子一方面受酸雨介质的影响，更受灰水背景值(其值为190 mg／L)的影响；
　　b.　在不考虑各淋滤介质背景值的前提下，各曲线的斜率坡度各不相同，对SO₄^2－来说其中以蒸馏水淋释介质斜率最大，而灰水最小；
　　c.　Cl^－在酸雨介质中，曲线陡度较大，这说明酸性介质有利于Cl^－的淋释作用，主要原因是酸雨对氯化物(CaCl₂、MgCl₂)的电离分解起促进作用；而灰水中的Ca^2＋、Mg^2＋浓度高，容易形成氯化物，这对Cl^－淋释起阻碍作用；
　　d.　对Cr^6＋来说，在酸性条件下容易被还原成Cr^3＋，因此对淋释作用不利；而在灰水条件下，Cr^3＋容易形成Cr^6＋，因此Cr^6＋释放能力大；
　　e.　从As的淋滤曲线看，由于在酸性条件下，As以AsO₄^3－形式存在，而灰水条件下多以带负电的络合阴离子存在，所以无论在酸性条件下还是在碱性条件下，曲线变化趋势很缓，不利于砷的淋释作用。
　　必须指出，粉煤灰在不同介质条件下的淋滤过程非常复杂，污染离子除受到介质影响外，还受离子交换作用、同离子效应、混合作用等影响。

4　污染物淋释模型

　　试验(表3)表明，在不同的淋滤介质条件下，粉煤灰中的污染因子在淋滤过程中虽然有不同的特点，但却有一定规律可循，即随着淋滤时间的增加，淋滤曲线最终趋于一致。通过淋释试验，得出粉煤灰中污染因子淋释曲线呈指数形式，即：

C_a=C_oe^blna,　　(1)

式中　C_a——液固比为a时，淋出液中某污染因子的瞬时浓度；
　　　C_o——某污染因子淋释的初始浓度；
　　　b——淋释系数；
　　　a——液固比。

表3　粉煤灰中污染因子淋释模型

　　式中　W_a——液固比，为0～a范围某种污染因子的淋释量，其它符号同前。

5　粉煤灰中污染因子在地下水中运移理论模型

5.1　物理模型
　　火力发电厂粉煤灰的排放场一般布置在基岩露头区，或松散层覆盖的冲积平原地段，本文以后一种选址为例进行分析。这种灰址一般为具一定深度的灰池。冲积平原的上层为一弱隔水层。粉煤灰经淋释后，污染物可经弱隔水层入渗注入上层含水层(如图3)。

图3　粉煤灰淋释过程物理模型示意图
1——灰池；2——抽水井；3——弱隔水层；
4——含水层；5——隔水层

　　考虑到：
　　a.　农田灌溉、生活用水以及含水层补给排泄河水的影响，上层含水层的水流以一定流速呈近似稳定流动；
　　b.　冲积平原范围很开阔，而灰场面积很小，可把灰场看作为点污染源；
　　c.　大气降雨时间长短不一，如秋冬两季降雨时间较短，而春夏季节降雨时间较长。我们把灰池分别作为平面连续点源和瞬时点源来处理。按上述物理模型可作以下两点假设：一是含水层为均质且各向同性的承压含水层；二是地下水流呈二维流动，其平均流速为u，在x方向上纵向弥散系数为D_L,y方向横向弥散系数为D_T。
5.2　污染物作为平面瞬时点源考虑的数学模型
　　由公式(2)可知，当有n种污染因子时，则污染因子总容量为：

式中　m——污染因子总容量；
　　　n——污染因子个数；
　　　Z_i——弱隔水层对污染因子影响系数；
依物理模型，其数学模型为：

式中　M——含水层的厚度；
　　　n——含水层有效空隙率。
通过变换可以得出：

由(5)式可知：
　　a.　C(x,y,t)是二维正态分布的单峰曲线，在(ut,0)处出现对称峰值；
　　b.　当x→∞，y→∞或x→－∞，y→－∞时，C(x,y,t)→0；均方差，反映了浓度的分散程度，σ越大分布越分散，随着t的增大，浓度C也越分散；
　　c.　当t和C为定值时，(6)式右端记为A，则变为：，与标准椭圆方程相比，；
　　d.　当机械弥散大于分子扩散时，沿着x右轴方向移动。污染面积为
，污染面积随着时间的增长而增大(图4)，而浓度则减小。

图4　一维稳定流平面流场中污染物
瞬时入渗浓度变化趋势

5.3　污染因子作为平面连续点源时数学模型
　　把连续点源看作无数瞬时点源作用之和，设单位时间内，渗入污染因子质量为m，则在dt′时间内，其质量为mdt′，依(5)式解，通过变换和简化可得出平面稳定入渗连续点源解：
　
式中　K₀(β)——第二类零阶修正贝塞尔函数；
　——第一类越流系统井函数。
　　当时间较长时，可化简为：

6　结语

　　实际上，粉煤灰中污染因子在饱气带入渗过程中，粘土对不同的污染因子吸附作用是不相同的，因此需要对不同的污染因子乘以不同的吸附系数；其次，多次大气降雨，污染因子的浓度随之变化，因而，也要乘以一定的系数；再者，模型中D_L、D_T值要依实际情况进行室内弥散试验测得。污染离子从淋滤到对地下水发生影响，过程很复杂，但从理论上探讨对其实际研究有一定的指导意义。

　　*中国地质大学博士生
　　中国图书资料分类法分类号　P641.3
　　作者简介　许光泉　男　31岁　讲师　博士研究生　水文环境工程

作者单位：许光泉^*　桂和荣　(淮南工学院　232001)
　　　　　黄文辉　李禄荣　(中国地质大学　北京　100083)

　　
参考文献
　[1]　薛禹群.地下水动力学.北京：地质出版社，1992：271～274
　[2]　王秉忱.地下水水质模型.沈阳：辽宁科技出版社，1985
　[3]　李国敏，陈崇希.孔隙介质水动力弥散尺度效应的分形特征及弥散度初步估计.地球科学，1995；(4)：405～409
　[4]　Sauty J P.An analysis hydrodispersive transfer in aquifers.Water Resources Research,1980;16(1):145～158