赤泥在砷渣的水泥固定/穩(wěn)定化中應(yīng)用研究

呂偉業(yè)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083）

赤泥在砷渣的水泥固定/穩(wěn)定化中應(yīng)用研究

呂偉業(yè)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 北京 100083）

采用水泥、赤泥固定/穩(wěn)定化處理含砷廢渣，研究了水泥用量、赤泥摻加比例對(duì)處理效果的影響，確定了最佳的工藝條件。結(jié)果表明：固化體的As浸出濃度隨水泥用量的增加而降低，最佳水泥用量為0.5 g·g-1，此時(shí)浸出濃度為2.08mg·L-1，滿(mǎn)足安全填埋標(biāo)準(zhǔn)；As浸出濃度隨赤泥摻加量的增加而升高，抗壓強(qiáng)度則隨之降低，最佳的赤泥摻加量為30%，此時(shí)浸出濃度為2.05mg·L-1。

砷渣；水泥；赤泥；固定/穩(wěn)定化；浸出濃度

砷是一種毒害作用很強(qiáng)的致癌、致畸物質(zhì)，對(duì)人體健康危害極大。由于合理處置方法的缺乏，使得一些有色金屬冶金企業(yè)將冶煉產(chǎn)生的含砷廢渣隨意堆置。經(jīng)過(guò)雨水的沖刷，廢渣中的砷會(huì)浸入土壤，嚴(yán)重污染周邊環(huán)境，對(duì)居民健康造成威脅。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用固定/穩(wěn)定化處理技術(shù)對(duì)有毒廢渣進(jìn)行處理，其中水泥固定穩(wěn)定化技術(shù)由于具有材料廉價(jià)易得、處理效果好的特點(diǎn)，在砷渣的穩(wěn)定化中得到廣泛的應(yīng)用[1,2]。

赤泥是氧化鋁工業(yè)排放的紅色粉泥狀廢料，是生產(chǎn)氧化鋁時(shí)產(chǎn)生的一種副產(chǎn)品[3]。赤泥中含有大量的Ca、Fe、Al等的氧化物，具較好的吸附性能，可以有效吸附去除重金屬離子。張書(shū)武、Altundogan[4,5]等人的研究表明，改性赤泥吸附劑對(duì)As(V)具有強(qiáng)烈的吸附能力，可有效去除溶液中的As。鑒于赤泥對(duì)砷較好的吸附效果，考慮到如果能對(duì)其加以利用，則可實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣的資源再利用，降低治理成本。

本實(shí)驗(yàn)以此為目的，在砷渣的水泥固化/穩(wěn)定化體系中摻入赤泥，對(duì)處理效果進(jìn)行了研究，確定了最佳的工藝條件。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥采用市售425號(hào)普通硅酸鹽水泥；赤泥取自山東某鋁業(yè)公司副產(chǎn)品堆置場(chǎng)，主要化學(xué)成分為CaO(30.66%)、SiO2(12.45%)、Fe2O3(10.63%)、Al2O3(8.05%)、MgO(1.37%)、Ti2O(12.84%)、Na2O (5.35%)、K2O(0.38%)，燒失量15.41%，將其用去離子水洗滌干凈，除去過(guò)量的堿后烘干待用。

實(shí)驗(yàn)所用砷渣取自廣西某冶煉廠，按照國(guó)家環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術(shù)規(guī)范》(HJ/T20-1998)對(duì)其進(jìn)行采樣，剔除石塊和雜物，自然風(fēng)干備用。

1.2 固化體試塊制作方法

將實(shí)驗(yàn)原料倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌均勻，按0.4液固比加入適當(dāng)去離子水，開(kāi)機(jī)攪拌360±5s，將攪拌好的漿料裝入模具，將模具放到實(shí)臺(tái)上振動(dòng)120±5s后停車(chē)。振動(dòng)完畢后，用刮刀將漿體刮平，養(yǎng)護(hù)約一天，之后將試體從模具中取出，在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至7天。采用《固體廢物浸出毒性浸出方法-水平震蕩法》（GB 5086.2-1997）進(jìn)行浸出濃度測(cè)定。

為評(píng)價(jià)對(duì)砷渣的固定穩(wěn)定化處理效果，分別調(diào)整水泥的使用量、赤泥的摻加比例，通過(guò)測(cè)定固化體的As浸出濃度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 水泥使用量的影響

在砷渣只加入水泥，調(diào)整水泥用量分別為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 g·g-1（m水泥：m總固體），按成型步驟制作試體并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，對(duì)固定/穩(wěn)定化處理效果進(jìn)行比較。

1.3.2 赤泥摻加比例的影響

以水泥用量為0.5，分別調(diào)整赤泥的摻加比例為10%、20%、30%、40%、50%（m赤泥：m水泥+赤泥），對(duì)砷渣進(jìn)行固定/穩(wěn)定化處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砷渣的浸出毒性鑒別

按照《固體廢物浸出毒性浸出方法-水平震蕩法》（GB 5086.2-1997）對(duì)樣品主要重金屬浸出濃度進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，砷渣中As的浸出濃度遠(yuǎn)超《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)-浸出毒性鑒別》（GB 5085.3-2007）規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，屬于危險(xiǎn)廢物，需要將其進(jìn)一步處理，滿(mǎn)足《危險(xiǎn)廢物填埋標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18598-2001）規(guī)定要求后才能進(jìn)行處置填埋。

表1 砷渣中As浸出濃度與危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)

2.2 水泥用量對(duì)固定/穩(wěn)定化效果的影響

按照1.2.1的方法，獲得水泥的用量對(duì)砷渣固定/穩(wěn)定化處理效果的影響，結(jié)果圖1所示。

圖1 水泥用量對(duì)固化效果的影響

由圖1可以看出，固化體的浸出濃度隨水泥用量的增加而降低，用量為0.3～0.4 g·g-1時(shí)浸出濃度變化比較明顯，在0.4～0.6 g·g-1之間時(shí)變化相對(duì)平緩，且在用量為0.5時(shí)浸出濃度為2.08mg/L，可以達(dá)到填埋標(biāo)準(zhǔn)要求(2.5mg/L)，用量為0.6～0.7g·g-1時(shí)浸出濃度低于檢出限。因此從處理成本方面考慮，選擇0.5的水泥用量即可。

2.3 赤泥摻加比例對(duì)固定/穩(wěn)定化效果的影響

按1.2.2的方法，用赤泥替代部分水泥對(duì)砷渣進(jìn)行固定/穩(wěn)定化處理，結(jié)果如圖2所示。

圖2 赤泥摻加比例對(duì)固化效果的影響

由圖2可知，固化體的浸出濃度隨赤泥摻加比例的增加而升高。

赤泥摻加比例在10%、20%、30%時(shí)，固化體浸出濃度分別為0.68、0.75、2.05mg/L，比僅用水泥處理的固化體浸出濃度（2.08mg/L）分別降低52.23%、63.94%、1.44%，當(dāng)摻加比例為40%、50%時(shí)，浸出濃度為3.18、3.77mg/L，高于僅用水泥處理的浸出濃度?？梢钥闯?，少量的赤泥摻加有助于提高穩(wěn)定處理效果，降低As浸出濃度。因此選擇可30%為最佳替代比例。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 根據(jù)《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)-浸出毒性鑒別》（GB 5085.3-2007），實(shí)驗(yàn)所用砷渣為具有浸出毒性的危險(xiǎn)廢物，需要進(jìn)行處理后才能滿(mǎn)足安全填埋處置標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 固化體的浸出濃度隨水泥用量的增加而降低，最佳水泥用量為0.5 g·g-1，此時(shí)浸出濃度為2.08mg·L-1，可滿(mǎn)足安全填埋標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 摻加少量赤泥有助于強(qiáng)化固定穩(wěn)定化處理效果，降低固化體的As浸出濃度。最佳的摻加比例為30%，此時(shí)固化體的浸出濃度為2.05mg·L-1，可滿(mǎn)足填埋標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]李柏林,李曄,汪海濤,等.含砷廢渣的固化處理[J].化工環(huán)保, 2008,28(2):153-157.

[2]Tony Sarvinder Singh,K.K.Pant.Solidification/stabilization of arsenic containing solid wastes using portland cement,fly ash and polymeric materials[J].JournalofHazardousMaterials,B131(2006):29-36.

[3]南相莉,張廷安,劉燕,等.我國(guó)主要赤泥種類(lèi)及其對(duì)環(huán)境的影響[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào),2009,9(S1):459-464.

[4]Lombi,E.,Zhao,F.,Wieshammer,G.,Zhang,G.,McGrath,S.P., 2002a.In situ fixation ofmetals in soilsusing bauxite residue:biologicaleffects.EnvironmentalPollution 118(3),445-452.

[5]Garau,G.,Castaldi,P.,Santona,L.,Deiana,P.,Melis,P.,2007.Influence of red mud,zeolite and lime on heavy metal immobilization, culturable heterotrophicmicrobial populations and enzyme activities in a contaminated soil.Geoderma 142(1-2),47-57.

圖1 沉積物中Cr的形態(tài)分布

圖2 沉積物中Cd的形態(tài)分布

圖3 沉積物中Cu的形態(tài)分布

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)十字河長(zhǎng)江師范學(xué)院段采樣點(diǎn)1～4的底泥沉積物中重金屬的總量和形態(tài)分布的分析，得到如下結(jié)論：

3.1 沉積物中Pb、Cr、Cd、Zn、Cu含量明顯超標(biāo)，而其中Pb本來(lái)已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)，在加上由于周?chē)h(huán)境的汽車(chē)污染有增無(wú)減，其含量在將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)不斷累加，是最值得警惕的重金屬危害。

3.2 在沉積物重金屬形態(tài)分布上，Cr、Cd和Cu三種金屬都主要是以不穩(wěn)定的可交換態(tài)存在，容易釋放析出對(duì)水體產(chǎn)生新的污染，這其中以Cr最為明顯（可交換態(tài)含量高達(dá)50%～70%）。而易穩(wěn)定存在的殘?jiān)鼞B(tài)的含量有限，最多也只在20%左右。

通過(guò)對(duì)形態(tài)分布進(jìn)行分析可知，在本段河流之中沉積物中重金屬由土壤本身所含的量比較少，主要是由于外部污染的排入而形成的累積。在沉積物累積過(guò)程中，重金屬主要以不穩(wěn)定的形態(tài)存在，沉積物中的重金屬易于從新釋放析出對(duì)水體環(huán)境造成新的污染，尤其是由于水體中含有大量有機(jī)質(zhì)，由于這些有機(jī)質(zhì)的作用又使得水體酸性程度加大，更易于沉積物中重金屬的析出。因此，應(yīng)重視沉積物中重金屬的從新析出以及有機(jī)污染物的排放對(duì)水體重金屬的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]金相燦.沉積物污染化學(xué) [M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 1992：147-208.

[2]奚旦立,孫裕生，劉秀英，等.環(huán)境監(jiān)測(cè)[M].北京：高等教育出版社，2010：135-136.

[3]中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社第二編輯室.環(huán)境監(jiān)測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2006：18-23.

[4]劉恩峰，沈吉，朱育新.重金屬元素BCR提取法及在太湖沉積物研究中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)研究.2005，18（2）：57-60.

徐中華（1992—），女，重慶涪陵(408100),學(xué)生，長(zhǎng)江師范學(xué)院，化學(xué)化工學(xué)院。

時(shí)建偉（1979—），男，河北人，碩士，工程師，化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心主任，主要從事化工教學(xué)與研究工作。