專利名稱：重金屬污染底泥固化劑及其固化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種污泥的處理劑及處理方法，尤其涉及一種含重金屬污泥的固化劑 及固化方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的逐年增長，工業(yè)廢水及生活污水帶來的環(huán)境問題日 益嚴(yán)重，城市河道污染也在逐步加劇。水體底泥中的重金屬污染，已成為世界關(guān)注的環(huán)境 問題。底泥是指水體底部的表層沉積物質(zhì)，是由腐殖質(zhì)、微生物、泥沙及土壤等組成。水體 底泥中的重金屬可來自于大氣降塵、大氣降水、土壤沖刷、地表徑流、各類污水、農(nóng)藥、固體 垃圾等，在某種程度上底泥可以看作是重金屬的儲存庫。當(dāng)?shù)啄嗟难趸€原條件發(fā)生變化 時(shí)，重金屬重新轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)而釋放；另外，重金屬不能被生物降解，但具有生物累積的 特性，可以通過水體食物鏈產(chǎn)生生物富集和濃縮效應(yīng)，最終影響到“食物鏈”的頂級生物或 者人類。我國現(xiàn)在的大部分河流都流經(jīng)城市工業(yè)區(qū)，而工業(yè)區(qū)內(nèi)冶金企業(yè)、化工企業(yè)等排 出的含大量重金屬的工業(yè)廢水最終匯集到河流中。經(jīng)過幾十年的積累，很多河流的河床底 泥中沉積了大量有毒有害重金屬，成為沿河居民飲用水的主要威脅。因此，對河流清淤底泥 進(jìn)行安全處理就顯得至關(guān)重要。目前，固定方法處理重金屬污染底泥是國內(nèi)外應(yīng)用較廣的技術(shù)之一。但現(xiàn)有固化 用的膠凝材料不僅來源單一，而且造價(jià)過高，同時(shí)也會使底泥固化體浸出液PH值過高。在 固化底泥再利用過程中，固化體與地下水或地表水接觸產(chǎn)生的強(qiáng)堿性會危害生態(tài)系統(tǒng)中的 水質(zhì)，同時(shí)還可能存在固化效果不理想的情況。因此，如何改進(jìn)現(xiàn)有的固化工藝開始受到本 領(lǐng)域技術(shù)人員的關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種對重金屬污染底泥處 理成本低、固化效果理想、能降低底泥固化體浸出液PH值的重金屬污染底泥固化劑，還提 供一種操作簡單、方便、效果好的該固化劑的固化方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種重金屬污染底泥固化劑，所 述固化劑包括水泥和粉煤灰，所述粉煤灰和水泥的質(zhì)量比為1 (0.5 11)。在該配比范 圍內(nèi)的固化劑，其固化效果均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。上述的固化劑中，所述粉煤灰和水泥的質(zhì)量比優(yōu)選為1 (5 11)。在該優(yōu)選配 比范圍內(nèi)的固化劑，其固化效果不僅能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，而且比采用純水泥作固 化劑時(shí)的固化效果都要更好。作為一個(gè)總的技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的重金屬污染底泥固化劑的固化 方法，其步驟是向所述重金屬污染底泥中直接添加所述的固化劑，所述固化劑的用量為所 述重金屬污染底泥質(zhì)量的0. 4 1. 5倍，將添加所述固化劑后的混合物至少養(yǎng)護(hù)3d，完成固化過程。上述固化方法的養(yǎng)護(hù)過程中，所述混合物的表層優(yōu)選用薄膜覆蓋。因?yàn)樵谒芰媳?膜覆蓋下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)能阻止水分的蒸發(fā)，而高濕度的環(huán)境有助于水和反應(yīng)的發(fā)生，從而更易 維持固化體內(nèi)的堿性環(huán)境。上述的固化方法中，所述養(yǎng)護(hù)的時(shí)間優(yōu)選在25d以上。上述固化方法固化完成后得到的固定體，可以考慮直接填埋或者進(jìn)行回收再利用 (例如鋪路作為路基)。本發(fā)明的上述技術(shù)方案正是利用了粉煤灰改進(jìn)水泥固化的原理。粉煤灰是我國目 前排放量最大的一種工業(yè)廢料，不僅具有較強(qiáng)的金屬吸附能力，而且在高溫條件下生成具 有火山灰活性的物質(zhì)，主要成分為二氧化硅和三氧化二鋁，與偏高嶺土相似，且大部分處于 無定形態(tài)。通過我們的研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰的固化機(jī)制最主要的是能生成金屬氫氧化物沉淀 以及絮凝體表面物質(zhì)的表面絡(luò)合作用，通過采用添加工業(yè)粉煤灰作為輔助固化劑，與水泥 混合后對所述重金屬污染底泥進(jìn)行固化，這不僅能提高固化體的整體強(qiáng)度，而且能使固化 體的抗壓強(qiáng)度也有一定程度的提高；尤其是當(dāng)水泥含量較低時(shí)(例如10%)，加入適量的粉 煤灰比不加粉煤灰的效果明顯要更優(yōu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的技術(shù)方案通過利用粉煤灰和水泥 對重金屬污染底泥進(jìn)行固化，既處理了重金屬的污染問題，同時(shí)又利用了粉煤灰這類工業(yè) 廢料，一舉兩得，變廢為寶，為廢棄資源的回收利用和環(huán)境保護(hù)提供了一個(gè)新的思路。此外， 本發(fā)明的固化劑及固化方法不僅原料來源廣泛，制造成本低，而且固化處理成本更是相對 低廉，經(jīng)過固化后的重金屬底泥，在極端條件下其重金屬浸出濃度仍低于危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo) 準(zhǔn)中的限值，毒性危險(xiǎn)明顯降低，固化效果較為理想。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例2中試樣固化3d后的GANC曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種本發(fā)明的重金屬污染底泥固化劑，該固化劑包括水泥(長沙獅峰水泥廠生產(chǎn) 的425#普通硅酸鹽水泥)和粉煤灰，粉煤灰和水泥的質(zhì)量比分別按1 11、1 5、1 2、 1 1和2 1進(jìn)行配制，分別得到S2、S3、S4、S5、S6五種本發(fā)明的固化劑(見下表1)。與 此同時(shí)，按照粉煤灰和水泥的質(zhì)量比為5 1和不添加粉煤灰配制兩種固化劑S7和Si，作 為本發(fā)明固化劑的對比例(見下表1)。一種本發(fā)明的重金屬污染底泥固化劑的固化方法，本實(shí)施例所用重金屬污染底泥 的重金屬浸出情況如下表2所示，向七份40g的重金屬污染底泥中分別直接添加上述的固 化劑Sl S7,固化劑的用量為重金屬污染底泥質(zhì)量的1. 5倍，將添加固化劑后的混合物于 薄膜覆蓋下養(yǎng)護(hù)至少28d，完成固化過程。表1 實(shí)施例1中的固化劑配方及用量
4 表2 實(shí)施例1供試底泥的重金屬浸出情況 在本實(shí)施例的固化過程中，對經(jīng)過7d、28d養(yǎng)護(hù)后的固化體分別用固體廢物浸出 毒性浸出方法-醋酸緩沖溶液方法(HJ/T300-2007)浸出液和維持浸出液(pH = 4)對其進(jìn) 行重金屬浸出情況測試，測試結(jié)果如下表3和下表4所示。表3 實(shí)施例1采用HJ/T300-2007方法固化體重金屬浸出情況 注nd表示未檢出由上表3可見，固體廢物浸出毒性浸出方法_醋酸緩沖溶液方法(HJ/T300-2007) 浸出液的PH值隨著粉煤灰摻入量的增加而逐漸降低，但pH值的變化范圍均在12 7之 間，是重金屬易形成沉淀的最佳PH值區(qū)域。因此，固化后重金屬Cd、Pb和Zn的浸出濃度 與原底泥相比均明顯減小，遠(yuǎn)低于GB5085. 3-2007中規(guī)定的限值。不論養(yǎng)護(hù)7d還是28d， Zn都基本不浸出；Pb的最大浸出濃度為0. 235mg/L ；Cd的最大浸出濃度為0. 089mg/L,且 養(yǎng)護(hù)28d后的Cd浸出濃度明顯低于養(yǎng)護(hù)7d后的Cd浸出濃度。當(dāng)粉煤灰用量占固化體質(zhì) 量的5%時(shí)，養(yǎng)護(hù)7d、28d時(shí)的重金屬浸出濃度甚至低于純水泥作為固化劑時(shí)浸出濃度，可 見添加粉煤灰不僅能使成本降低，而且強(qiáng)化了固化效果；而當(dāng)粉煤灰用量占固化體質(zhì)量的 5 % 40 %時(shí)，養(yǎng)護(hù)28d時(shí)的重金屬浸出效果也要優(yōu)于純水泥作固化劑時(shí)的固化效果(僅僅 是Zn含量有微小的增加)；但是，當(dāng)粉煤灰的用量在固化劑中占比過大或過小時(shí)，重金屬浸 出濃度均有所增高。表4 維持浸出液(pH = 4)時(shí)固化體重金屬的浸出結(jié)果 由上表4可見，在維持浸出液(pH = 4)浸出的情況下，三種重金屬浸出濃度相比 固體廢物浸出毒性浸出方法實(shí)驗(yàn)均有明顯提高。在這種極端條件下，所有固化體中Cd和Zn的浸出濃度全部低于GB 5085. 3-2007中規(guī)定的限值；和原底泥浸出相比，Cd的浸出量降低 了 67 % 84 %，Zn的浸出量降低了 75 % 90 %。在表4中，作為對比例的固化劑所得固化 體的Pb浸出濃度超過GB 5085. 3-2007中規(guī)定的限值(見S1、S7)，但本發(fā)明固化劑所得固 化體中Pb的浸出濃度均低于GB 5085. 3-2007中規(guī)定的限值，但固化成本卻大大減小。和 固體廢物浸出毒性浸出方法試驗(yàn)結(jié)果類似，本發(fā)明的S2、S3固化劑所得固化體的重金屬浸 出效果甚至要好于純水泥作為固化劑時(shí)的浸出效果，這說明以低含量粉煤灰部分替代水泥 不僅能大大減小固化成本，而且能提高重金屬的固定效果。但是當(dāng)粉煤灰的用量過多或過 少時(shí)，會對重金屬的固定效果產(chǎn)生消極影響。而且由表4可見，適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間也能降低 固化體中重金屬浸出的風(fēng)險(xiǎn)，尤其對于Pb和Cd這類毒性較大的重金屬。實(shí)施例2一種本發(fā)明的重金屬污染底泥固化劑，該固化劑包括水泥和粉煤灰，粉煤灰和水 泥的質(zhì)量比分別按3 7、3 2、1 4和1 1進(jìn)行配置，分別得到M2、M3、M4、M5四種本 發(fā)明的固化劑(見下表5)。與此同時(shí)，按照不添加粉煤灰配制一種純水泥固化劑M1，作為 本發(fā)明固化劑的對比例(見下表5)。表5 實(shí)施例2中的固化劑配方及用量
樣品底泥(g)水泥(g)粉煤灰(g)Ml50500M2503515M3502030M450205M5501010一種本發(fā)明的重金屬污染底泥固化劑的固化方法，本實(shí)施例所用重金屬污染底泥 的重金屬浸出情況如下表6所示，向五份50g的重金屬污染底泥中分別直接添加上述的固 化劑Ml M5，其中Ml M3固化劑的用量與重金屬污染底泥的質(zhì)量相等，M4、M5固化劑的 用量分別為重金屬污染底泥質(zhì)量的50%和40%，將添加固化劑后的混合物于薄膜覆蓋下 固化養(yǎng)護(hù)3d，完成固化過程。表6 實(shí)施例2的TCLP實(shí)驗(yàn)中固化體重金屬浸出結(jié)果
樣品PHZn (mg/L)Pb(mg/L)Cd(mg/L)原泥6. 292. 5580. 0900. 297Ml12. 500. 0210. 0200. 026M212. 080. 0190. 0200. 025M311. 490. 0190. 0180. 023M411. 780. 0160. 0140. 024M511. 070. 0290. 0280. 024由上表6可見，隨著固化劑中水泥成分在固化體中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小，TCLP (固體廢 物浸出毒性浸出方法)浸出液的PH值呈減小趨勢(從12.5減小到11. 07)，但是遠(yuǎn)高于原 泥浸出液的PH值(僅為6. 29)。浸出液中重金屬的浸出濃度都很低，原泥中鋅的浸出濃度 為2. 558mg/L，但固化體中Zn的最大浸出濃度為0. 029mg/L，浸出量減小了約98%，幾乎被 完全固定；而毒性較大的Cd的浸出濃度原泥中為0. 297mg/L,固化后濃度減小了約91 %；原 泥中鉛的浸出濃度為0. 09mg/L，固化后濃度同樣比固化前大幅減小，這說明本發(fā)明的固化 劑及固化方法能夠很好地滿足固定要求。另外，圖1顯示了本實(shí)施例Ml M5樣品在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)3d后的GANC實(shí)驗(yàn)(常規(guī)酸 中和容量實(shí)驗(yàn))結(jié)果，比較不同樣品的GANC曲線可以看出各樣品間的緩沖能力相差較大， GANC結(jié)果能從另一個(gè)方面說明固化體固定重金屬的效果好壞。圖1顯示的結(jié)果與抗壓強(qiáng)度 結(jié)果類似即當(dāng)?shù)啄嗯c固化劑質(zhì)量比為1時(shí)，M1、M2、M3三者隨粉煤灰替代量的增加，緩沖能 力逐漸減小；但由圖1又發(fā)現(xiàn)M4的緩沖能力大于M3，說明過量的粉煤灰會破壞水泥-粉煤 灰體系的堿性環(huán)境，當(dāng)外界環(huán)境為酸性時(shí)，體系內(nèi)的堿性環(huán)境很容易被破壞進(jìn)而導(dǎo)致重金 屬的溶出。
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權(quán)利要求
一種重金屬污染底泥固化劑，其特征在于所述固化劑包括水泥和粉煤灰，所述粉煤灰和水泥的質(zhì)量比為1∶(0.5～11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重金屬污染底泥固化劑，其特征在于所述粉煤灰和水泥的 質(zhì)量比為1 (5 11)。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述的重金屬污染底泥固化劑的固化方法，其步驟是向所 述重金屬污染底泥中直接添加所述的固化劑，所述固化劑的用量為所述重金屬污染底泥質(zhì) 量的0. 4 1. 5倍，將添加所述固化劑后的混合物至少養(yǎng)護(hù)3d，完成固化過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固化方法，其特征在于所述養(yǎng)護(hù)過程中，所述混合物的表層 用薄膜覆蓋。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的固化方法，其特征在于所述養(yǎng)護(hù)的時(shí)間在25d以上。全文摘要
本發(fā)明涉及含重金屬污泥的處理劑及處理方法，具體公開了一種重金屬污染底泥固化劑，該固化劑包括水泥和粉煤灰，粉煤灰和水泥的質(zhì)量比為1∶(0.5～11)。該固化劑的固化方法包括以下步驟向重金屬污染底泥中直接添加本發(fā)明的固化劑，固化劑的用量為重金屬污染底泥質(zhì)量的0.4～1.5倍，將添加固化劑后的混合物至少養(yǎng)護(hù)3d，完成固化過程。本發(fā)明的固化劑及固化方法不僅處理成本低，固化效果理想。
文檔編號C04B18/08GK101921090SQ20101024235
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者官嵩, 張盼月, 曾光明, 范佳琦, 賈曉蕾, 陳安偉, 陳桂秋 申請人:湖南大學(xué)