水泥固化污泥中重金屬的浸出試驗(yàn)研究

王 晶，周永祥，王偉，何更新

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

污泥的常規(guī)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(diǎn)：土地填埋需要占用大量土地，同時(shí)投棄物受雨水沖刷和土地滲漏會(huì)引起對(duì)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(huán)境；堆肥處置時(shí)，污泥中高含量的重金屬會(huì)對(duì)土壤及微生物活動(dòng)造成影響［1－3］。而且，電鍍工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)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(huì)對(duì)環(huán)境安全和人類健康產(chǎn)生危害。而近年來，在科學(xué)發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展理念的指引下，污泥作為建筑材料原料既能為城市建設(shè)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(chǎn)水泥建材制品，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用也越來越多［4－6］。然而，由于污泥來源廣、成分復(fù)雜，污泥再生資源化利用時(shí)，其中的重金屬元素和有害金屬離子是否會(huì)溶出而釋放出來，造成對(duì)環(huán)境的二次污染，這是當(dāng)前再生建材和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域共同關(guān)心的問題［7－10］。

通過對(duì)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(yàn)，研究了水泥對(duì)污泥中的重金屬的固化作用，進(jìn)而得到水泥固化作用對(duì)污泥中重金屬浸出的影響規(guī)律，對(duì)于污泥處理處置技術(shù)和污泥在水泥基材料的資源化利用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求；河砂，產(chǎn)地武漢，細(xì)度模數(shù)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(jīng)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(chǎn)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(yàn)配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(diào)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(yàn)

2.1 制樣試驗(yàn)

浸出液的制樣方法采用國(guó)家現(xiàn)行的方法，通過GB 5086.1—1997《固體廢物浸出毒性浸出方法翻轉(zhuǎn)法》和HJ 557—2010《固體廢物浸出毒性浸出方法水平振蕩法》的對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，翻轉(zhuǎn)振蕩法的浸出效率更高；并且由于我國(guó)大部分酸雨地區(qū)以硝酸型酸雨為主，因此經(jīng)對(duì)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(rèn)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(guó)氣候環(huán)境國(guó)情。

2.2 測(cè)試試驗(yàn)

浸出液中重金屬濃度測(cè)試試驗(yàn)方法采用我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50585.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》的附錄A（電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法）進(jìn)行測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述的制樣方法和檢測(cè)方法得到的污泥原材料的重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 污泥原料的重金屬浸出濃度 /（mg·L－1）

不同養(yǎng)護(hù)齡期的電鍍污泥和生活污泥砂漿試樣重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1和圖2所示。其中對(duì)于28d齡期的生活污泥的砂漿試樣，未測(cè)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(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)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(yàn)結(jié)果分別如圖1所示。其中對(duì)于未使用污泥的基準(zhǔn)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(cè)出。而對(duì)于使用生活污泥的砂漿試樣來說，重金屬浸出濃度表現(xiàn)的規(guī)律比較類似。由圖1和圖2的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著污泥摻量比例的提高，重金屬浸出濃度表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，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(xiàn)出明顯的比例關(guān)系，此外隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，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(shì)。

3.2 水泥固化對(duì)重金屬浸出特性的影響研究

上述的重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果，是直接將采用污泥制作的砂漿試樣進(jìn)行試驗(yàn)，由于在制作砂漿試樣時(shí)，所含污泥的質(zhì)量并不相同，所用其他物質(zhì)對(duì)污泥中的重金屬有一定的物理稀釋作用，上述的試驗(yàn)結(jié)果僅直觀上反映了污泥摻加比例和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)重金屬浸出影響的一般規(guī)律，并不能有效體現(xiàn)水泥的固化作用。為了更加科學(xué)地研究水泥對(duì)污泥中有害重金屬浸出的固化作用，將上述試驗(yàn)結(jié)果折算為等質(zhì)量的污泥的重金屬浸出濃度，消除物理稀釋作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果與原狀污泥中重金屬毒性的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明，與原狀電鍍污泥的浸出濃度相比，水泥對(duì)于重金屬浸出有明顯的固化作用。通過對(duì)同齡期、電鍍污泥砂漿試樣折算后的重金屬浸出濃度的對(duì)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(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，電鍍污泥試樣的重金屬浸出濃度表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，這也表明隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥的不斷水化固結(jié)的有毒重金屬元素更加穩(wěn)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(dá)到90%；而到28d齡期時(shí)，Cr的浸出濃度降低超過了95%，而Cu的浸出濃度已達(dá)到了測(cè)不出的水平。類似的規(guī)律也適用于生活污泥試樣。

出現(xiàn)上述試驗(yàn)結(jié)果，主要是由于隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥水化程度提高，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)密實(shí)度增大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也大幅提高，固化的重金屬元素浸出濃度降低；當(dāng)達(dá)到研究的最長(zhǎng)齡期28d時(shí)，水泥水化程度最高，水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性也最好，因此對(duì)于重金屬元素的固化作用最強(qiáng)。而且隨著水化齡期的延長(zhǎng)，水泥水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化，微結(jié)構(gòu)中重金屬離子及其化合物被覆蓋和包裹。除了水泥水化對(duì)重金屬元素有上述作用外，水泥對(duì)重金屬的固化還可能包括物理吸附、復(fù)分解沉淀和同晶置換等作用。

4 結(jié) 論

a.隨著污泥摻量比例的提高，重金屬浸出濃度表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，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(xiàn)出明顯的比例關(guān)系。

b.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，相同配合比的砂漿試樣的重金屬浸出濃度呈降低的趨勢(shì)。

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(zhǎng)，污泥砂漿試樣中重金屬浸出濃度表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。

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