利用累托石固化含砷石灰鐵鹽渣的研究

阮福輝，歐陽作梁，杜冬云

(1.中南民族大學 環境科學與工程研究所，湖北 武漢 430074；2.中南民族大學化學與材料科學學院 催化材料科學國家民委-教育部共建重點實驗室，湖北 武漢 430074)

在利用冶煉煙氣生產硫酸的過程中會產生大量的酸性廢水，簡稱污酸。該類廢水不僅含有大量的稀酸，且含有砷、鎘、銅、鉛等多種有毒物質[1,2]。含砷廢水的處理方法主要有石灰法、石灰-鐵鹽法、硫化法、離子交換法等[3～6]，其中污酸廢水大多采用石灰-鐵鹽法處理，因此產生了數量巨大的含砷石灰鐵鹽渣(砷渣)[7]。在自然條件下，砷渣中的砷及重金屬會再次浸出進入環境，造成二次污染，因此對砷渣的安全處理與處置研究有著重要的現實意義。

目前，國內外對砷渣的處理主要采用固化處理技術，如水泥固化、藥劑固化、塑性固化、熔融固化等[8～11]，其中水泥固化技術因其固化材料廉價易得、處理成本低且效果好得到廣泛的應用[12]。Choi等[13]以水泥固化含砷尾礦，研究了水泥添加量對重金屬砷、鉛等浸出率的影響，結果發現，當水泥添加量為7.5％(質量分數)時，砷、鉛的浸出濃度低于危險廢物限定值。Palfy等[11]將含砷污泥與水泥、亞鐵鹽混合固化，固化后砷的浸出濃度從處理前的6430 mg·L-1降到了0.823 mg·L-1。近幾年，不少研究者在水泥固化砷渣中添加粉煤灰、火山灰、沸石等，以增強固化效果[14,15]。

累托石屬鈉鈣層狀構造鋁硅酸鹽礦物，其晶體結構由鈉云母與蒙皂石單元層有規則地交替堆積而成，具有較強的吸附性與分散性[16]，常作為廢水處理的吸附劑[17，18]。作者以水泥體系對含砷石灰鐵鹽渣進行固化處理，并添加累托石以期增強固化效果，同時探討了固化材料配比、陳化時間對固化效果的影響。

1 實驗

1.1 供試砷渣與固化材料

砷渣取自于湖北某有色金屬公司硫酸生產含砷廢水處理后的廢渣。渣樣經自然晾干、粉碎、研磨，粒度小于180 μm，在105 ℃下烘干，備用。

水泥為普通硅酸鹽水泥。累托石為無機不改性鈣基累托石。粉煤灰是從鍋爐煙氣中收集的粉狀灰粒，屬于人工火山灰質混合材料。黃砂為建筑用普通河砂。

1.2 試劑與儀器

二乙基二硫代氨基甲酸銀、氯仿、無砷鋅粒、氯化亞錫、碘化鉀、冰醋酸，均為分析純。

恒溫振蕩器，國華企業；AA-6300型原子吸收光譜儀、UV-1750型紫外分光光度計，日本島津公司。

1.3 方法

將砷渣、水泥、累托石、粉煤灰、黃砂等按配比稱量混合，加入一定量的蒸餾水，攪拌均勻，將攪拌后的物料注入模具，室溫下養護10 d，將試樣破碎后用于浸出毒性實驗，測定浸出液中有毒成分的濃度。

1.4 分析檢測

浸出毒性參照HJ/T 299-2007《固體廢物浸出毒性浸出方法——硫酸硝酸法》測定，并與GB 5085.3-2007《危險廢物鑒別標準——浸出毒性鑒別》進行比較。

浸出液中砷的測定采用GB 15555.3-1995《二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法》。浸出液中重金屬的測定采用原子吸收光譜法。

2 結果與討論

2.1 砷渣的化學成分及浸出毒性

采用X-射線熒光光譜儀測定砷渣的化學成分，結果見表1。

表1 砷渣的化學成分/％

由表1可知，砷渣中含有砷以及其它重金屬有害成分，其中砷的含量高達3.07％。

對砷渣進行浸出毒性鑒定，結果見表2。

表2 砷渣的浸出毒性/mg·L-1

由表2可知，浸出液中砷的濃度高達18.8 mg·L-1，高于危險廢物鑒別限定值，表明砷渣存在高浸出危險性，因此應將此類固體廢物妥善處理，以免對人類和自然環境造成危害。

2.2 最佳物料配比

采用正交實驗，考察ω(水泥)(A)、ω(累托石)(B)、ω(粉煤灰)(C)、ω(黃砂)(D)等因素對砷渣中砷浸出的影響。正交實驗的因素與水平見表3，結果與分析見表4。

表3 正交實驗的因素與水平/％

表4 正交實驗的結果與分析

由表4可知，各因素對固化體中砷浸出的影響大小依次為：A>B>C>D，即ω(水泥)>ω(累托石)>ω(粉煤灰)>ω(黃砂)。確定的最佳物料配比為：A4B4C4D3，即ω(水泥)=35％，ω(累托石)=20％，ω(粉煤灰)=25％，ω(黃砂)=15％，其余為砷渣[即ω(砷渣)=5％]。雖然這樣得出的砷浸出濃度最低，但砷渣的處理量很小，在實際應用中太不經濟，為此進行了經濟可行性配比的研究。

2.3 經濟最佳物料配比實驗結果(表5)

表5 經濟最佳物料配比實驗結果

由表5可知，1#～9#實驗砷的浸出濃度均低于國標危險廢物鑒別標準，但9#實驗處理的砷渣量最大，因此，9#實驗的物料配比為經濟最佳物料配比。

2.4 陳化時間對固化體中砷浸出的影響

將砷渣與累托石加水攪拌陳化一定時間，晾干研磨后再與粉煤灰、黃砂、水泥混合固化，養護10 d后，再將固化體破碎進行浸出實驗，考察陳化時間對固化體中砷浸出的影響，結果見圖1。

圖1 陳化時間對固化體中砷浸出濃度的影響

由圖1可以看出，固化體中砷的浸出濃度隨陳化時間的延長有所降低。這是因為，累托石對砷有吸附作用，隨著陳化時間的延長，累托石對砷的吸附量增加，因而砷的浸出濃度降低。陳化時間超過2 h后，砷的浸出濃度降低幅度不大。因此，選擇陳化時間為2 h。

3 結論

以水泥、累托石、粉煤灰、黃砂等固化硫酸生產廢水處理過程中產生的含砷石灰鐵鹽渣，效果良好，固化材料對砷浸出的影響大小依次為：ω(水泥)>ω(累托石)>ω(粉煤灰)>ω(黃砂)。含砷石灰鐵鹽渣固化的最佳物料配比為：ω(砷渣)=45％、ω(水泥)=35％、ω(累托石)=10％、ω(粉煤灰)=5％、ω(黃砂)=5％。固化體中砷的浸出濃度隨陳化時間的延長而降低，陳化時間為2 h時，固化后砷的浸出濃度低于國家限定值。

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