水泥固化污泥中重金屬的浸出試驗研究

王 晶，周永祥，王偉，何更新

（中國建筑科學研究院，北京 100013）

污泥的常規處置包括土地填埋、焚燒、堆肥等，但這些處置方式都存在著自身的缺點：土地填埋需要占用大量土地，同時投棄物受雨水沖刷和土地滲漏會引起對地表水和地下水的污染；焚燒將使得大量二噁英和硫化物排入空氣中污染環境；堆肥處置時，污泥中高含量的重金屬會對土壤及微生物活動造成影響［1－3］。而且，電鍍工業、冶金工業、化學工業等排放的污水所形成的污泥中含有大量的重金屬，這些重金屬一旦浸出，會對環境安全和人類健康產生危害。而近年來，在科學發展和可持續發展理念的指引下，污泥作為建筑材料原料既能為城市建設提供建材，又能減少城市污泥污染。其中部分污泥以較高的消納率用于生產水泥建材制品，具有顯著的經濟效益和社會效益，在國內應用也越來越多［4－6］。然而，由于污泥來源廣、成分復雜，污泥再生資源化利用時，其中的重金屬元素和有害金屬離子是否會溶出而釋放出來，造成對環境的二次污染，這是當前再生建材和環境保護領域共同關心的問題［7－10］。

通過對摻加不同比例的電鍍污泥和生活污泥的砂漿試件的重金屬浸出試驗，研究了水泥對污泥中的重金屬的固化作用，進而得到水泥固化作用對污泥中重金屬浸出的影響規律，對于污泥處理處置技術和污泥在水泥基材料的資源化利用具有重要的指導意義。

1 試驗原材料和配合比

1.1 原材料

水泥，冀東P·O42.5水泥，燒失量、三氧化硫、氯離子、氧化鎂含量、堿含量和安定性均符合標準要求；河砂，產地武漢，細度模數2.6，含泥量0.3%，泥塊含量為0；污泥，原狀生活污泥和原狀電鍍污泥共兩種，自然晾干后，經破碎通過篩孔公稱直徑為5mm金屬方孔篩；外加劑，西卡公司生產的聚羧酸系高效減水劑，減水率25%以上；拌合水，清潔的自來水。

1.2 試驗配合比

試驗設計了不同摻量比例的電鍍污泥和生活污泥的砂漿配合比，不同系列的砂漿配合比見表1。用水量均考慮了所摻污泥的含水量，通過摻加減水劑調整砂漿工作性，使其易于成型。

表1 水泥砂漿試件配合比

2 試 驗

2.1 制樣試驗

浸出液的制樣方法采用國家現行的方法，通過GB 5086.1—1997《固體廢物浸出毒性浸出方法翻轉法》和HJ 557—2010《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》的對比實驗證明，翻轉振蕩法的浸出效率更高；并且由于我國大部分酸雨地區以硝酸型酸雨為主，因此經對HJ/T 300—2007《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》和HJ/T 299—2007《固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》比較研究確認HJ/T 299—2007《固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》硝酸硫酸浸提液模擬的條件更符合我國氣候環境國情。

2.2 測試試驗

浸出液中重金屬濃度測試試驗方法采用我國現行標準GB 50585.3—2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》的附錄A（電感耦合等離子體原子發射光譜法）進行測定。

3 試驗結果及分析

按照上述的制樣方法和檢測方法得到的污泥原材料的重金屬浸出試驗結果見表2。

表2 污泥原料的重金屬浸出濃度 /（mg·L－1）

不同養護齡期的電鍍污泥和生活污泥砂漿試樣重金屬浸出試驗結果分別如圖1和圖2所示。其中對于28d齡期的生活污泥的砂漿試樣，未測出其中的重金屬浸出濃度。

3.1 不同試樣的重金屬浸出試驗結果

標準養護齡期分別為7d和28d的摻加電鍍污泥的砂漿試樣的重金屬浸出濃度試驗結果分別如圖1所示。其中對于未使用污泥的基準砂漿試樣來說，除Al、Fe和Ca等金屬元素溶出值較大外，有毒重金屬浸出含量均為未測出。而對于使用生活污泥的砂漿試樣來說，重金屬浸出濃度表現的規律比較類似。由圖1和圖2的試驗結果可知，隨著污泥摻量比例的提高，重金屬浸出濃度表現為增大的趨勢，但不同摻量比例的污泥制作的砂漿試樣的重金屬浸出濃度并未表現出明顯的比例關系，此外隨著養護齡期的延長，相同污泥種類、相同配合比所制試樣的重金屬浸出濃度呈降低的趨勢。

3.2 水泥固化對重金屬浸出特性的影響研究

上述的重金屬浸出試驗結果，是直接將采用污泥制作的砂漿試樣進行試驗，由于在制作砂漿試樣時，所含污泥的質量并不相同，所用其他物質對污泥中的重金屬有一定的物理稀釋作用，上述的試驗結果僅直觀上反映了污泥摻加比例和養護齡期對重金屬浸出影響的一般規律，并不能有效體現水泥的固化作用。為了更加科學地研究水泥對污泥中有害重金屬浸出的固化作用，將上述試驗結果折算為等質量的污泥的重金屬浸出濃度，消除物理稀釋作用對試驗結果的影響。以毒性較大和重金屬元素種類較多的電鍍污泥為例，折算后的重金屬浸出試驗結果與原狀污泥中重金屬毒性的對比結果如圖3所示。

圖3的試驗結果表明，與原狀電鍍污泥的浸出濃度相比，水泥對于重金屬浸出有明顯的固化作用。通過對同齡期、電鍍污泥砂漿試樣折算后的重金屬浸出濃度的對比可知，不同摻加比例的電鍍污泥砂漿試樣折算后的重金屬浸出濃度比較接近。但隨著養護齡期的延長，電鍍污泥試樣的重金屬浸出濃度表現為降低趨勢，這也表明隨著齡期的延長，水泥的不斷水化固結的有毒重金屬元素更加穩定，浸出濃度越來越小。以電鍍污泥中的Cr和Cu為例，與污泥原材料的浸出濃度相比，7d齡期試樣折算后的Cr和Cu的浸出濃度降低幅度達到90%；而到28d齡期時，Cr的浸出濃度降低超過了95%，而Cu的浸出濃度已達到了測不出的水平。類似的規律也適用于生活污泥試樣。

出現上述試驗結果，主要是由于隨著齡期的延長，水泥水化程度提高，水化產物的結構密實度增大，結構穩定性也大幅提高，固化的重金屬元素浸出濃度降低；當達到研究的最長齡期28d時，水泥水化程度最高，水化產物的穩定性也最好，因此對于重金屬元素的固化作用最強。而且隨著水化齡期的延長，水泥水化產物的微觀結構也產生了相應的變化，微結構中重金屬離子及其化合物被覆蓋和包裹。除了水泥水化對重金屬元素有上述作用外，水泥對重金屬的固化還可能包括物理吸附、復分解沉淀和同晶置換等作用。

4 結 論

a.隨著污泥摻量比例的提高，重金屬浸出濃度表現為增大的趨勢，但不同摻量比例的污泥制作的砂漿試樣的重金屬浸出濃度并未表現出明顯的比例關系。

b.隨著養護齡期的延長，相同配合比的砂漿試樣的重金屬浸出濃度呈降低的趨勢。

c.不考慮物理稀釋作用，不同摻加比例的污泥砂漿試樣折算后的重金屬浸出濃度比較接近；隨著齡期的延長，污泥砂漿試樣中重金屬浸出濃度表現為降低的趨勢。

［1］ 余 杰，田寧寧，王凱軍.我國污泥處理處置技術政策探討［J］.中國給水排水，2005，21（8）：84－87.

［2］ 馬 娜，陳 玲，何培松，等.城市污泥資源化利用研究［J］.生態學雜志，2004，23（1）：86－89.

［3］ 許曉路，申秀英.污泥中金屬的生物瀝濾處理［J］.中國給水排水，2000，16（3）：54－56.

［4］ 施惠生，袁 玲.垃圾焚燒飛灰膠凝活性和水泥對其固化效果的研究［J］.硅酸鹽學報，2003，31（11）：1021－1025.

［5］ 楊 雷，羅樹瓊，張印民.利用城市污泥燒制頁巖陶粒［J］.環境工程學報，2010，4（5）：1177－1180.

［6］ 朱建平.利用城市垃圾、污泥燒制生態水泥［J］.硅酸鹽通報.2003（2）：58－59.

［7］ 余其俊.水泥和粉煤灰中重金屬和有毒離子的溶出問題及思考［J］.水泥.2003（1）：8－15.

［8］ 李 磊，朱 偉，趙 建，等.西五里湖疏浚底泥資源化處理的二次污染問題研究［J］.河海大學學報（自然科學版），2005，33（2）：127－130.

［9］ 賈金平，楊 驥，孟 超.電鍍重金屬污泥的水泥穩定化處理［J］.上海環境科學，1999，18（5）：229－232.

［10］任劍章.污泥中潛在的二噁英污染物質［J］.環境科學研究，1998，11（3）：11－14.