模擬酸雨對冶煉廢渣中重金屬溶出行為的影響

韋巖松,甘志歡，韋德陽

(河池學院 化學與生物工程學院，廣西 河池 546300)

濕法煉鋅生產過程的不同階段所產生的典型固體廢渣有銅鎘渣、凈化渣、鉛渣、中和渣和轉窯渣等[1]，其中常含有Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等有價金屬。大部分過程渣得到有效處理，最后的終渣——轉窯渣因數量巨大，結構復雜，所含有價金屬品位較低，處理成本較高[2]，企業對其實際利用率低于10%，絕大多數以堆放、圍隔堆存、填埋等方式處置[3]。

重金屬離子擴散遷移是堆場廢渣在雨水，特別是酸雨淋溶作用下產生的普遍現象和主要物理化學變化，也是固體廢物污染環境的主要途徑[4-5]。雖然廢渣對金屬離子有較強的包容固定能力，但在一定水熱作用和酸性環境下，被包容的元素會遷移釋放。廠區露天堆放的廢渣經風吹、日曬、雨淋、水浸等環境作用，其中重金屬的化學形態和穩定性會發生變化[6]，溶滲量和移動性隨堆放時間持續而不斷增大，淋溶液的排放對地表水、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害化處置等課題亟待研究。

為探索含重金屬廢渣在酸雨條件下衍生環境效應過程、機制和影響因素，提高企業對廢渣堆場管理的針對性和有效性，試驗模擬了廢渣堆場在酸雨淋浸狀態下廢渣自然堆放和壓實堆放等不同狀態，考察了廢渣粒度、含水率、渣堆壓縮比及淋浸劑pH等因素對重金屬淋溶行為的影響，以期提高對廢渣中重金屬遷移規律的認識，為優化廢渣堆場控制參數和堆存技術提供依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及裝置

鉛標準溶液、鎘標準溶液、砷標準溶液、硫脲、抗壞血酸、硝酸、鹽酸、硫酸，均為分析純；水，超純水。

工業轉窯渣，采自廣西金山銦鍺冶金化工有限公司轉窯爐廢渣渣場，經干燥、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，AFDS-9900型四道原子熒光光度計，AS-99型自動進樣器，GJ-Ⅱ型密封式制樣粉碎機，DHG-9245A型鼓風干燥箱，EL-220S型分析天平等。

為模仿自然降雨條件下廢渣堆體的動態淋溶效果，解決常用土柱淋濾試驗裝置存在的非自然堆放導致優先流通道問題、側壁流動問題[9]及高阻力導致溶液浸泡問題等，真實展現渣堆的結構特征、顆粒分布和淋濾狀況，設計和制作了一套渣堆淋浸試驗裝置。裝置的三視圖如圖1所示。

1—框架；2—容器;3—漏斗；4—活動篩斗；5—噴頭;6—閥門；7—活接頭；8—導管；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玻璃，尺寸為250 mm×200 mm×200 mm，容量約8 L；水箱底部導出管連接控制閥門和花灑噴頭；中部為φ350 mm活動渣堆篩斗和固定的錐形濾液漏斗，材質均為不銹鋼板；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玻璃燒杯。

1.2 試驗方法

試驗前，在篩斗底部鋪設數層300目過濾紗布和脫脂棉，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，淋出液經篩斗進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定濾液中鎘、鉛濃度，用原子熒光光度法測定濾液中砷濃度。

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，進行單因素淋浸試驗，每個水平下進行4次試驗，每次接取濾液1 000 mL，測定鎘、鉛、砷質量濃度，取平均值。進行壓實淋溶試驗時，另準備一定體積無底木盒模型，把渣堆分別壓縮到0.75、0.5、0.4 V，與未壓實狀態一起進行淋浸試驗。

2 試驗結果與討論

2.1 淋浸劑pH對鎘、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、砷平均質量濃度的變化如圖2所示。可以看出：隨淋浸劑pH增大，酸性逐漸減弱，對廢渣中重金屬的浸出能力降低，淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度均呈下降趨勢，其中，淋出液中砷質量濃度變化尤為明顯。

圖2 淋浸劑pH對淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度的影響

2.2 廢渣粒度對鎘、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、砷平均質量濃度的變化如圖3所示。

圖3 廢渣粒度對淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度的影響

由圖3看出，隨廢渣粒度減小，淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度升高。這是因為廢渣粒度越小，比表面積越大，淋浸劑與顆粒中的重金屬微粒接觸機會就越多，浸出過程越容易，故淋出液中重金屬質量濃度較大；當廢渣粒度為16～32目時，砷溶出量開始大幅提高。若要保持廢渣中重金屬相對穩定，淋溶浸出量少，則應保持較大廢渣粒度，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、砷質量濃度的變化如圖4所示。可以看出，隨廢渣含水率增大，淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度有升高趨勢。干燥的廢渣具有疏水性，不利于水的入滲；而水對廢渣土石具有軟化、溶蝕和水楔作用[10]，當水分子進入土石顆粒間隙后，可削弱顆粒之間的黏聚力，減小內摩擦角[11]，使廢渣堆體發生膨脹，結構變得松弛，進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程得以加強。通常，冶煉廠未處理的廢渣含水率為8%左右，此時淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度分別為0.169 1、0.116 7、0.303 3 μg/mL，均高于地表水環境Ⅴ類質量標準(GB 3838—2002)中的相應指標。生產中應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 廢渣含水率對淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度的影響

2.4 渣堆壓縮比對鎘、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、渣堆壓縮比對淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 渣堆壓縮比對淋出液中鎘、鉛、砷質量濃度的影響

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

3 結論

酸雨的淋浸作用對廢渣堆體中的鎘、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，含水率增大會使重金屬的溶浸行為加強，應采取措施保持渣堆通風、干燥。渣堆壓實可使重金屬浸出遷移能力降低，壓實比應大于50%。

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