模擬酸雨對(duì)冶煉廢渣中重金屬溶出行為的影響

韋巖松,甘志歡，韋德陽(yáng)

(河池學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 河池 546300)

濕法煉鋅生產(chǎn)過(guò)程的不同階段所產(chǎn)生的典型固體廢渣有銅鎘渣、凈化渣、鉛渣、中和渣和轉(zhuǎn)窯渣等[1]，其中常含有Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等有價(jià)金屬。大部分過(guò)程渣得到有效處理，最后的終渣——轉(zhuǎn)窯渣因數(shù)量巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所含有價(jià)金屬品位較低，處理成本較高[2]，企業(yè)對(duì)其實(shí)際利用率低于10%，絕大多數(shù)以堆放、圍隔堆存、填埋等方式處置[3]。

重金屬離子擴(kuò)散遷移是堆場(chǎng)廢渣在雨水，特別是酸雨淋溶作用下產(chǎn)生的普遍現(xiàn)象和主要物理化學(xué)變化，也是固體廢物污染環(huán)境的主要途徑[4-5]。雖然廢渣對(duì)金屬離子有較強(qiáng)的包容固定能力，但在一定水熱作用和酸性環(huán)境下，被包容的元素會(huì)遷移釋放。廠區(qū)露天堆放的廢渣經(jīng)風(fēng)吹、日曬、雨淋、水浸等環(huán)境作用，其中重金屬的化學(xué)形態(tài)和穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生變化[6]，溶滲量和移動(dòng)性隨堆放時(shí)間持續(xù)而不斷增大，淋溶液的排放對(duì)地表水、土壤及地下水存在污染隱患[7-8]。因此，冶煉廢渣、廢水重金屬污染控制及無(wú)害化處置等課題亟待研究。

為探索含重金屬?gòu)U渣在酸雨條件下衍生環(huán)境效應(yīng)過(guò)程、機(jī)制和影響因素，提高企業(yè)對(duì)廢渣堆場(chǎng)管理的針對(duì)性和有效性，試驗(yàn)?zāi)M了廢渣堆場(chǎng)在酸雨淋浸狀態(tài)下廢渣自然堆放和壓實(shí)堆放等不同狀態(tài)，考察了廢渣粒度、含水率、渣堆壓縮比及淋浸劑pH等因素對(duì)重金屬淋溶行為的影響，以期提高對(duì)廢渣中重金屬遷移規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為優(yōu)化廢渣堆場(chǎng)控制參數(shù)和堆存技術(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及裝置

鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液、鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液、砷標(biāo)準(zhǔn)溶液、硫脲、抗壞血酸、硝酸、鹽酸、硫酸，均為分析純；水，超純水。

工業(yè)轉(zhuǎn)窯渣，采自廣西金山銦鍺冶金化工有限公司轉(zhuǎn)窯爐廢渣渣場(chǎng)，經(jīng)干燥、粉碎，篩分至2～5目、5～16目、16～32目、32～60目、60～120目、150～200目。

GGX-800 AA5型火焰原子吸收分光光度計(jì)，AFDS-9900型四道原子熒光光度計(jì)，AS-99型自動(dòng)進(jìn)樣器，GJ-Ⅱ型密封式制樣粉碎機(jī)，DHG-9245A型鼓風(fēng)干燥箱，EL-220S型分析天平等。

為模仿自然降雨條件下廢渣堆體的動(dòng)態(tài)淋溶效果，解決常用土柱淋濾試驗(yàn)裝置存在的非自然堆放導(dǎo)致優(yōu)先流通道問(wèn)題、側(cè)壁流動(dòng)問(wèn)題[9]及高阻力導(dǎo)致溶液浸泡問(wèn)題等，真實(shí)展現(xiàn)渣堆的結(jié)構(gòu)特征、顆粒分布和淋濾狀況，設(shè)計(jì)和制作了一套渣堆淋浸試驗(yàn)裝置。裝置的三視圖如圖1所示。

1—框架；2—容器;3—漏斗；4—活動(dòng)篩斗；5—噴頭;6—閥門；7—活接頭；8—導(dǎo)管；9—水箱。

渣堆淋溶裝置的整體框架用25 mm不銹鋼方通制作；上部水箱材料為透明有機(jī)玻璃，尺寸為250 mm×200 mm×200 mm，容量約8 L；水箱底部導(dǎo)出管連接控制閥門和花灑噴頭；中部為φ350 mm活動(dòng)渣堆篩斗和固定的錐形濾液漏斗，材質(zhì)均為不銹鋼板；篩斗高200 mm，底部沖壓鉆孔φ6 mm×96 mm，錐形漏斗上徑φ450 mm，下徑φ50 mm；下部為支承板及收集溶液用的大號(hào)玻璃燒杯。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，在篩斗底部鋪設(shè)數(shù)層300目過(guò)濾紗布和脫脂棉，將一定量廢渣自然堆放于篩斗中央；水箱中加入一定量仿酸雨溶液，由閥門控制溶液流出速度，固定噴頭淋灑溶液于廢渣堆體，淋出液經(jīng)篩斗進(jìn)入濾液漏斗后收集于下方大玻璃容器中。

用原子吸收分光光度法測(cè)定濾液中鎘、鉛濃度，用原子熒光光度法測(cè)定濾液中砷濃度。

廢渣粒度16～32目，濾渣含水率2%，溶液pH=5，廢渣質(zhì)量600 g且自然堆放，分別改變淋浸劑pH、廢渣粒度范圍、廢渣含水率、渣堆壓縮比，進(jìn)行單因素淋浸試驗(yàn)，每個(gè)水平下進(jìn)行4次試驗(yàn)，每次接取濾液1 000 mL，測(cè)定鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度，取平均值。進(jìn)行壓實(shí)淋溶試驗(yàn)時(shí)，另準(zhǔn)備一定體積無(wú)底木盒模型，把渣堆分別壓縮到0.75、0.5、0.4 V，與未壓實(shí)狀態(tài)一起進(jìn)行淋浸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 淋浸劑pH對(duì)鎘、鉛、砷淋溶效果的影響

仿酸雨淋浸劑pH分別為3、4、5、6、7，淋出液中鎘、鉛、砷平均質(zhì)量濃度的變化如圖2所示?？梢钥闯觯弘S淋浸劑pH增大，酸性逐漸減弱，對(duì)廢渣中重金屬的浸出能力降低，淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度均呈下降趨勢(shì)，其中，淋出液中砷質(zhì)量濃度變化尤為明顯。

圖2 淋浸劑pH對(duì)淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度的影響

2.2 廢渣粒度對(duì)鎘、鉛、砷淋溶效果的影響

廢渣粒度為2～5、5～16、16～32、60～120、150～200目，淋出液中鎘、鉛、砷平均質(zhì)量濃度的變化如圖3所示。

圖3 廢渣粒度對(duì)淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度的影響

由圖3看出，隨廢渣粒度減小，淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度升高。這是因?yàn)閺U渣粒度越小，比表面積越大，淋浸劑與顆粒中的重金屬微粒接觸機(jī)會(huì)就越多，浸出過(guò)程越容易，故淋出液中重金屬質(zhì)量濃度較大；當(dāng)廢渣粒度為16～32目時(shí)，砷溶出量開(kāi)始大幅提高。若要保持廢渣中重金屬相對(duì)穩(wěn)定，淋溶浸出量少，則應(yīng)保持較大廢渣粒度，粒徑以不小于1 mm(16目)為宜。

2.3 廢渣含水率對(duì)鎘、鉛、砷淋溶效果的影響

廢渣含水率分別為0、1%、2%、4%、8%，淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度的變化如圖4所示?？梢钥闯?，隨廢渣含水率增大，淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度有升高趨勢(shì)。干燥的廢渣具有疏水性，不利于水的入滲；而水對(duì)廢渣土石具有軟化、溶蝕和水楔作用[10]，當(dāng)水分子進(jìn)入土石顆粒間隙后，可削弱顆粒之間的黏聚力，減小內(nèi)摩擦角[11]，使廢渣堆體發(fā)生膨脹，結(jié)構(gòu)變得松弛，進(jìn)而增大水分子入滲速率和入滲量[12]；廢渣含水率增大可使重金屬溶出過(guò)程得以加強(qiáng)。通常，冶煉廠未處理的廢渣含水率為8%左右，此時(shí)淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度分別為0.169 1、0.116 7、0.303 3 μg/mL，均高于地表水環(huán)境Ⅴ類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)中的相應(yīng)指標(biāo)。生產(chǎn)中應(yīng)盡可能控制渣堆含水率低于2%，以減弱重金屬的溶浸遷移行為。

圖4 廢渣含水率對(duì)淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度的影響

2.4 渣堆壓縮比對(duì)鎘、鉛、砷淋溶效果的影響

渣堆壓縮比分別為0.4、0.5、0.75、1.0、渣堆壓縮比對(duì)淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 渣堆壓縮比對(duì)淋出液中鎘、鉛、砷質(zhì)量濃度的影響

由圖5看出：渣堆體積壓縮25%時(shí)，淋出液中重金屬質(zhì)量濃度有小幅下降；渣堆體積壓縮50%時(shí)，重金屬質(zhì)量濃度有較大幅度降低，其中砷平均質(zhì)量濃度下降幅度最大。壓實(shí)可導(dǎo)致廢渣密實(shí)度增大，空隙率降低，比表面積減小，當(dāng)淋浸劑噴灑時(shí)液體不能很快滲入廢渣堆體內(nèi)部，與廢渣顆粒接觸面積減小、接觸時(shí)間縮短，故金屬浸出量降低。

3 結(jié)論

酸雨的淋浸作用對(duì)廢渣堆體中的鎘、鉛、砷等重金屬的浸出遷移行為有顯著影響，酸雨pH越小，重金屬浸出量越大，渣堆應(yīng)避免露天堆放或采取覆膜避雨措施。

廢渣顆粒越小，重金屬浸出遷移行為越易發(fā)生，顆粒粒徑以不小于1 mm(16目)為宜。廢渣含水率以不大于2%為宜，含水率增大會(huì)使重金屬的溶浸行為加強(qiáng)，應(yīng)采取措施保持渣堆通風(fēng)、干燥。渣堆壓實(shí)可使重金屬浸出遷移能力降低，壓實(shí)比應(yīng)大于50%。

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