专利名称：重金属污染底泥固化剂及其固化方法
技术领域：
本发明涉及一种污泥的处理剂及处理方法，尤其涉及一种含重金属污泥的固化剂 及固化方法。
背景技术：
随着经济的快速发展和人口的逐年增长，工业废水及生活污水带来的环境问题日 益严重，城市河道污染也在逐步加剧。水体底泥中的重金属污染，已成为世界关注的环境 问题。底泥是指水体底部的表层沉积物质，是由腐殖质、微生物、泥沙及土壤等组成。水体 底泥中的重金属可来自于大气降尘、大气降水、土壤冲刷、地表径流、各类污水、农药、固体 垃圾等，在某种程度上底泥可以看作是重金属的储存库。当底泥的氧化还原条件发生变化 时，重金属重新转化为溶解状态而释放；另外，重金属不能被生物降解，但具有生物累积的 特性，可以通过水体食物链产生生物富集和浓缩效应，最终影响到“食物链”的顶级生物或 者人类。我国现在的大部分河流都流经城市工业区，而工业区内冶金企业、化工企业等排 出的含大量重金属的工业废水最终汇集到河流中。经过几十年的积累，很多河流的河床底 泥中沉积了大量有毒有害重金属，成为沿河居民饮用水的主要威胁。因此，对河流清淤底泥 进行安全处理就显得至关重要。目前，固定方法处理重金属污染底泥是国内外应用较广的技术之一。但现有固化 用的胶凝材料不仅来源单一，而且造价过高，同时也会使底泥固化体浸出液PH值过高。在 固化底泥再利用过程中，固化体与地下水或地表水接触产生的强碱性会危害生态系统中的 水质，同时还可能存在固化效果不理想的情况。因此，如何改进现有的固化工艺开始受到本 领域技术人员的关注。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种对重金属污染底泥处 理成本低、固化效果理想、能降低底泥固化体浸出液PH值的重金属污染底泥固化剂，还提 供一种操作简单、方便、效果好的该固化剂的固化方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种重金属污染底泥固化剂，所 述固化剂包括水泥和粉煤灰，所述粉煤灰和水泥的质量比为1 (0.5 11)。在该配比范 围内的固化剂，其固化效果均能满足国家标准的相关要求。上述的固化剂中，所述粉煤灰和水泥的质量比优选为1 (5 11)。在该优选配 比范围内的固化剂，其固化效果不仅能满足国家标准的相关要求，而且比采用纯水泥作固 化剂时的固化效果都要更好。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的重金属污染底泥固化剂的固化 方法，其步骤是向所述重金属污染底泥中直接添加所述的固化剂，所述固化剂的用量为所 述重金属污染底泥质量的0. 4 1. 5倍，将添加所述固化剂后的混合物至少养护3d，完成固化过程。上述固化方法的养护过程中，所述混合物的表层优选用薄膜覆盖。因为在塑料薄 膜覆盖下进行养护能阻止水分的蒸发，而高湿度的环境有助于水和反应的发生，从而更易 维持固化体内的碱性环境。上述的固化方法中，所述养护的时间优选在25d以上。上述固化方法固化完成后得到的固定体，可以考虑直接填埋或者进行回收再利用 (例如铺路作为路基)。本发明的上述技术方案正是利用了粉煤灰改进水泥固化的原理。粉煤灰是我国目 前排放量最大的一种工业废料，不仅具有较强的金属吸附能力，而且在高温条件下生成具 有火山灰活性的物质，主要成分为二氧化硅和三氧化二铝，与偏高岭土相似，且大部分处于 无定形态。通过我们的研究发现，粉煤灰的固化机制最主要的是能生成金属氢氧化物沉淀 以及絮凝体表面物质的表面络合作用，通过采用添加工业粉煤灰作为辅助固化剂，与水泥 混合后对所述重金属污染底泥进行固化，这不仅能提高固化体的整体强度，而且能使固化 体的抗压强度也有一定程度的提高；尤其是当水泥含量较低时(例如10%)，加入适量的粉 煤灰比不加粉煤灰的效果明显要更优。与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的技术方案通过利用粉煤灰和水泥 对重金属污染底泥进行固化，既处理了重金属的污染问题，同时又利用了粉煤灰这类工业 废料，一举两得，变废为宝，为废弃资源的回收利用和环境保护提供了一个新的思路。此外， 本发明的固化剂及固化方法不仅原料来源广泛，制造成本低，而且固化处理成本更是相对 低廉，经过固化后的重金属底泥，在极端条件下其重金属浸出浓度仍低于危险废物鉴别标 准中的限值，毒性危险明显降低，固化效果较为理想。
图1为本发明实施例2中试样固化3d后的GANC曲线。
具体实施例方式实施例1一种本发明的重金属污染底泥固化剂，该固化剂包括水泥(长沙狮峰水泥厂生产 的425#普通硅酸盐水泥)和粉煤灰，粉煤灰和水泥的质量比分别按1 11、1 5、1 2、 1 1和2 1进行配制，分别得到S2、S3、S4、S5、S6五种本发明的固化剂(见下表1)。与 此同时，按照粉煤灰和水泥的质量比为5 1和不添加粉煤灰配制两种固化剂S7和Si，作 为本发明固化剂的对比例(见下表1)。一种本发明的重金属污染底泥固化剂的固化方法，本实施例所用重金属污染底泥 的重金属浸出情况如下表2所示，向七份40g的重金属污染底泥中分别直接添加上述的固 化剂Sl S7,固化剂的用量为重金属污染底泥质量的1. 5倍，将添加固化剂后的混合物于 薄膜覆盖下养护至少28d，完成固化过程。表1 实施例1中的固化剂配方及用量
4 表2 实施例1供试底泥的重金属浸出情况 在本实施例的固化过程中，对经过7d、28d养护后的固化体分别用固体废物浸出 毒性浸出方法-醋酸缓冲溶液方法(HJ/T300-2007)浸出液和维持浸出液(pH = 4)对其进 行重金属浸出情况测试，测试结果如下表3和下表4所示。表3 实施例1采用HJ/T300-2007方法固化体重金属浸出情况 注nd表示未检出由上表3可见，固体废物浸出毒性浸出方法_醋酸缓冲溶液方法(HJ/T300-2007) 浸出液的PH值随着粉煤灰掺入量的增加而逐渐降低，但pH值的变化范围均在12 7之 间，是重金属易形成沉淀的最佳PH值区域。因此，固化后重金属Cd、Pb和Zn的浸出浓度 与原底泥相比均明显减小，远低于GB5085. 3-2007中规定的限值。不论养护7d还是28d， Zn都基本不浸出；Pb的最大浸出浓度为0. 235mg/L ；Cd的最大浸出浓度为0. 089mg/L,且 养护28d后的Cd浸出浓度明显低于养护7d后的Cd浸出浓度。当粉煤灰用量占固化体质 量的5%时，养护7d、28d时的重金属浸出浓度甚至低于纯水泥作为固化剂时浸出浓度，可 见添加粉煤灰不仅能使成本降低，而且强化了固化效果；而当粉煤灰用量占固化体质量的 5 % 40 %时，养护28d时的重金属浸出效果也要优于纯水泥作固化剂时的固化效果(仅仅 是Zn含量有微小的增加)；但是，当粉煤灰的用量在固化剂中占比过大或过小时，重金属浸 出浓度均有所增高。表4 维持浸出液(pH = 4)时固化体重金属的浸出结果 由上表4可见，在维持浸出液(pH = 4)浸出的情况下，三种重金属浸出浓度相比 固体废物浸出毒性浸出方法实验均有明显提高。在这种极端条件下，所有固化体中Cd和Zn的浸出浓度全部低于GB 5085. 3-2007中规定的限值；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，作为对比例的固化剂所得固化 体的Pb浸出浓度超过GB 5085. 3-2007中规定的限值(见S1、S7)，但本发明固化剂所得固 化体中Pb的浸出浓度均低于GB 5085. 3-2007中规定的限值，但固化成本却大大减小。和 固体废物浸出毒性浸出方法试验结果类似，本发明的S2、S3固化剂所得固化体的重金属浸 出效果甚至要好于纯水泥作为固化剂时的浸出效果，这说明以低含量粉煤灰部分替代水泥 不仅能大大减小固化成本，而且能提高重金属的固定效果。但是当粉煤灰的用量过多或过 少时，会对重金属的固定效果产生消极影响。而且由表4可见，适当延长养护时间也能降低 固化体中重金属浸出的风险，尤其对于Pb和Cd这类毒性较大的重金属。实施例2一种本发明的重金属污染底泥固化剂，该固化剂包括水泥和粉煤灰，粉煤灰和水 泥的质量比分别按3 7、3 2、1 4和1 1进行配置，分别得到M2、M3、M4、M5四种本 发明的固化剂(见下表5)。与此同时，按照不添加粉煤灰配制一种纯水泥固化剂M1，作为 本发明固化剂的对比例(见下表5)。表5 实施例2中的固化剂配方及用量
样品底泥(g)水泥(g)粉煤灰(g)Ml50500M2503515M3502030M450205M5501010一种本发明的重金属污染底泥固化剂的固化方法，本实施例所用重金属污染底泥 的重金属浸出情况如下表6所示，向五份50g的重金属污染底泥中分别直接添加上述的固 化剂Ml M5，其中Ml M3固化剂的用量与重金属污染底泥的质量相等，M4、M5固化剂的 用量分别为重金属污染底泥质量的50%和40%，将添加固化剂后的混合物于薄膜覆盖下 固化养护3d，完成固化过程。表6 实施例2的TCLP实验中固化体重金属浸出结果
样品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可见，随着固化剂中水泥成分在固化体中质量分数的减小，TCLP (固体废 物浸出毒性浸出方法)浸出液的PH值呈减小趋势(从12.5减小到11. 07)，但是远高于原 泥浸出液的PH值(仅为6. 29)。浸出液中重金属的浸出浓度都很低，原泥中锌的浸出浓度 为2. 558mg/L，但固化体中Zn的最大浸出浓度为0. 029mg/L，浸出量减小了约98%，几乎被 完全固定；而毒性较大的Cd的浸出浓度原泥中为0. 297mg/L,固化后浓度减小了约91 %；原 泥中铅的浸出浓度为0. 09mg/L，固化后浓度同样比固化前大幅减小，这说明本发明的固化 剂及固化方法能够很好地满足固定要求。另外，图1显示了本实施例Ml M5样品在室内养护3d后的GANC实验(常规酸 中和容量实验)结果，比较不同样品的GANC曲线可以看出各样品间的缓冲能力相差较大， GANC结果能从另一个方面说明固化体固定重金属的效果好坏。图1显示的结果与抗压强度 结果类似即当底泥与固化剂质量比为1时，M1、M2、M3三者随粉煤灰替代量的增加，缓冲能 力逐渐减小；但由图1又发现M4的缓冲能力大于M3，说明过量的粉煤灰会破坏水泥-粉煤 灰体系的碱性环境，当外界环境为酸性时，体系内的碱性环境很容易被破坏进而导致重金 属的溶出。
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权利要求
一种重金属污染底泥固化剂，其特征在于所述固化剂包括水泥和粉煤灰，所述粉煤灰和水泥的质量比为1∶(0.5～11)。
2.根据权利要求1所述的重金属污染底泥固化剂，其特征在于所述粉煤灰和水泥的 质量比为1 (5 11)。
3.—种如权利要求1或2所述的重金属污染底泥固化剂的固化方法，其步骤是向所 述重金属污染底泥中直接添加所述的固化剂，所述固化剂的用量为所述重金属污染底泥质 量的0. 4 1. 5倍，将添加所述固化剂后的混合物至少养护3d，完成固化过程。
4.根据权利要求3所述的固化方法，其特征在于所述养护过程中，所述混合物的表层 用薄膜覆盖。
5.根据权利要求3或4所述的固化方法，其特征在于所述养护的时间在25d以上。全文摘要
本发明涉及含重金属污泥的处理剂及处理方法，具体公开了一种重金属污染底泥固化剂，该固化剂包括水泥和粉煤灰，粉煤灰和水泥的质量比为1∶(0.5～11)。该固化剂的固化方法包括以下步骤向重金属污染底泥中直接添加本发明的固化剂，固化剂的用量为重金属污染底泥质量的0.4～1.5倍，将添加固化剂后的混合物至少养护3d，完成固化过程。本发明的固化剂及固化方法不仅处理成本低，固化效果理想。
文档编号C04B18/08GK101921090SQ20101024235
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月3日 优先权日2010年8月3日
发明者官嵩, 张盼月, 曾光明, 范佳琦, 贾晓蕾, 陈安伟, 陈桂秋 申请人:湖南大学