复配固化/稳定剂处理复合放射性重金属污染底泥: 以信江流域为例

摘 要：目前,国内外对信江河流域的研究仅限于沉积物重金属及核素污染特征研究,对信江流域疏浚后底泥沉积物中重金属的处理研究甚少。因此本文以信江（鹰潭段）底泥沉积物为研究对象,采用三种稳定剂协同硅酸盐水泥固化/稳定化重金属污染底泥,研究一种河流底泥重金属固化/稳定化技术,可以用于河流底泥重金属修复治理工作。通过开展室内无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验,确定了水泥和三种稳定剂的最优配比,并结合固相形貌特征、矿相组成和固化/稳定化前后的重金属形态变化,据此分析底泥重金属Pb、U的固化/稳定化机制。研究表明：本实验条件下,适用于信江（鹰潭段）底泥重金属的最佳硅酸盐水泥复配固化体掺比配方为:水泥30%、磷酸二氢钾1:1 (磷与重金属摩尔比M(P)/M(重))、膨润土5%、粉煤灰5%。复配试剂处理后底泥中Pb、U两种重金属活性态比例降低约30%,该方法有效地限制了底泥中重金属Pb、U的迁移。扫描电镜(Scanning Electron Microscope)和X射线衍射(X-ray Diffraction)分析表明,固化体中主要水化产物为水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(Aft)和膨润土团块体, 三者相互胶结从而起到提高固化体强度和对重金属进行吸附、包覆的作用。本研究阐明了河流底泥重金属固化/稳定化技术的作用机理,并发现该技术对放射性核素也有较好的稳定效果,能为信江流域疏浚底泥工程及其周边场地土壤治理提供参考依据及技术支撑。     

水泥固化含铅污染土无侧限抗压强度预测方法

针对污染土的水泥固化稳定法修复技术,对水泥固化稳定重金属铅污染土的强度预测方法进行了研究.水泥固化含铅污染土强度由室内无侧限抗压强度试验所得,试验所用污染土通过人工制备而成,考虑了1.0×102,1.0×103,1.0×104,3.0×104mg/kg四种质量比和5%,7.5%,10%三种水泥掺量.结果表明:不同龄期水泥固化含铅污染土的无侧限抗压强度间大致呈线性关系,而2个不同水泥掺入比水泥固化含铅污染土的无侧限抗压强度比值与水泥掺入比呈幂函数关系;通过对不同配合比、不同龄期试样强度的进一步拟合分析,得到了根据某一龄期强度预测另一龄期强度的经验公式和根据某一水泥掺量的强度预测另一水泥掺量强度的经验公式,以上公式同时适用于普通水泥固化土和含铅水泥固化污染土.     

原位固化/稳定污染土不同深度下强度和浸出特性

采用原位固化/稳定化技术处理Yorkshire郡的重金属及有机物复合污染土.使用的材料包括水泥、粉煤灰、氧化镁及改性黏土等,选取固化/稳定化1.5年后的试样开展了无侧限抗压强度和浸出试验,研究了场地深度对固化/稳定化复合污染土的强度和浸出特性的影响.研究结果表明,各组分固化剂处理的污染土的无侧限抗压强度均满足英国设计规范限值,场地深度对修复后污染土强度的影响微弱;而浸出结果表明Cu,Zn和Pb均达到英国饮用水标准,部分Ni不达标;通过对比不同固化剂的处理效果发现改性黏土修复Ni效果好,但是其处理大分子有机物的能力未达预期.     

水泥固化粉质土的无侧限抗压强度预测

对以粉质土为原料的水泥固化土进行了不同水泥掺入比、水灰质量比、龄期的系列试验.水泥掺入比相同时,水灰质量比越大,水泥固化粉质土的无侧限抗压强度越低;水灰质量比相同时,水泥掺入比越大,水泥固化粉质土的无侧限抗压强度越高,同时得出了水泥固化粉质土的无侧限抗压强度与似水灰质量比的倒数呈现线性关系,对于某一原料土,最大似水灰质量比是一个常值.基于似水灰质量比概念研究了水泥固化粉质土的强度预测方法,在28 d龄期下,已知在某一水泥掺入比和水灰质量比的条件下的水泥固化粉质土的无侧限抗压强度值,即可用该方法预测其他龄期、水泥掺入比、水灰质量比条件下的水泥固化粉质土的无侧限抗压强度;水泥固化粉质土最大似水灰质量比尺.与粉质土液限%,的关系不能用已有的经验关系式表示,其变化规律与已有的经验关系式给出的规律相反.     

城市垃圾焚烧飞灰的水洗脱氯与水泥固化技术

利用水洗脱氯和水泥固化对垃圾焚烧飞灰进行固化/稳定化处理,研究了液固比对焚烧飞灰中氯和重金属的脱除效果的影响,以及水泥添加量和养护时间对固化体密度、抗压强度和重金属浸出毒性的影响。结果表明：水洗过程对氯离子的脱除率为60.11-74.64%,当液固比L/S=20 mL/g时,氯离子的脱除率达到最高的74.64%,但重金属Cr、Cu、Ni 和Zn在水洗过程的脱除率都小于2%。随着水泥添加量和养护时间的增加,固化体密度和抗压强度呈逐渐增大趋势。当水洗焚烧飞灰含量为10-70%时,固化体中重金属Cr、Cu、Ni 和Zn的浸出浓度远低于GB5085.3-2007规定的浸出阈值。     

电镀行业污染土固化体无侧限抗压强度演化规律研究

电镀行业在生产过程中会对周边区域的土壤造成严重的重金属污染。以电镀行业重金属复合污染土壤为研究对象,选用水泥作为固化/稳定化胶凝材料对污染土进行固化稳定化处理,以污染土固化体的无侧限抗压强度(UCS)为目标,通过对固化材料配比的优化,在实验室中对不同养护龄期重金属污染土固化体的UCS进行了测试,并通过X射线衍射分析,探讨了重金属对固化体强度的影响及水泥对重金属的稳定化机理。结果表明：材料配比优化后的重金属污染土固化体在养护3天时的UCS即可满足EPA的推荐值;重金属离子会在养护初期(1天)对水泥的水化形成明显的阻滞作用,从而使固化体在养护初期的UCS显著降低;此外,重金属离子会使水泥的水化向次级反应进行,生成强度较低的钙钒石,并降低固化体在整个养护期内的UCS;水泥的水化反应对于重金属Pb的稳定化作用除了会使其转化氢氧化物的沉淀之外,还会使其转化为稳定的化合物。     

植酸酶诱导磷酸铵镁修复铅锌尾矿砂的试验研究

以铅锌尾矿砂为研究对象,提出一种新型植酸酶诱导磷酸铵镁(PIMAP)技术对其进行修复,并与传统磷酸铵镁水泥(MAPC)进行比较,通过无侧限抗压强度试验、重金属浸出毒性试验以及微观分析等手段,研究PIMAP和MAPC处理后铅锌尾矿砂的固化特性和重金属稳定化效果。研究结果表明：经PIMAP处理后重金属铅、锌、镉浸出毒性显著降低,均满足地下水标准要求;重金属从较活跃的离子交换态和碳酸盐结合态向较稳定形态转化。在固化剂质量分数为8%时,尾矿砂的无侧限抗压强度可达2.45 MPa,较MAPC处置后强度提升20%以上,可用作路基底基层;PIMAP固化过程产生的磷酸铵镁较MAPC的多,晶体尺寸更大,且固化后试样p H约为7.5,明显比MAPC固化试样的低。     

MC固化高浓度锌铅镉污染土的浸出和强度特性

为了研究新型固化剂MC处理某高浓度Pb、Zn、Cd污染土的固化稳定化效果,通过开展MC固化污染土室内酸碱度试验、醋酸缓冲溶液法和硫酸硝酸法毒性浸出试验以及无侧限抗压强度试验,研究MC固化污染土的pH值、浸出毒性及强度特性,同时探讨其特性间相互关系,并结合改进BCR多步提取法分析其作用机理.试验结果表明,MC固化土pH值随龄期先快速增长后缓慢降低,其28 d pH值在8.93~9.03间;同时MC能够显著降低污染土的重金属浸出浓度值;MC能有效降低重金属弱酸提取态含量,增加其残渣态含量;MC固化土养护28 d的qu值在620.63~1 004.76 kPa间,显著高于未固化土,且其随固化土pH值增长而增长;而醋酸缓冲溶液法及硫酸硝酸法浸出液pH值与其重金属浸出浓度间呈现良好负相关性;固化土弱酸提取态的重金属提取率显著高于2种毒性浸出方法,且其差异性随MC掺量增加而增大.     

固化/稳定化重金属污染土力学及浸出特性试验研究

为解决传统固化剂在固化/稳定化法处理重金属复合污染土和重度污染土方面存在的不足,研发了一种新型固化剂。以人工制备的Pb、Cd、Cu复合重金属污染土壤为研究对象,开展了室内无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验。在此基础上分析了固化体力学特性、浸出特性等随养护龄期、污染土粒径、重金属污染水平的变化规律。以某金矿区三处重金属污染土壤为治理对象,开展了相关测试,验证了新型固化剂对于重金属污染土的固化效果。研究表明：新型固化剂对于复合重金属污染土和重度污染土的效果较好;固化体无侧限抗压强度随养护龄期的增加而增大,随重金属污染水平、污染土粒径的增加而降低,固化体强度达17.35-33.45 MPa,均能满足固废填埋标准及建筑材料强度要求;重金属浸出浓度随养护龄期的增加而降低,随着污染土粒径和污染水平的增加而增加,浸出浓度均远低于（<0.1%）浸出安全标准限值,固化率>99.99%。所研发的高效重金属污染土固化剂,可用于重金属污染场地的固化修复及资源化利用。     

电镀行业污染土固化体无侧限抗压强度演化规律

电镀行业在生产过程中会对周边区域的土壤造成严重的重金属污染。以电镀行业重金属复合污染土壤为研究对象,选用水泥作为固化/稳定化胶凝材料对污染土进行固化稳定化处理,以污染土固化体的无侧限抗压强度(UCS)为目标,通过对固化材料配比的优化,在实验室中对不同养护龄期重金属污染土固化体的UCS进行了测试,并通过X射线衍射分析,探讨了重金属对固化体强度的影响及水泥对重金属的稳定化机理。结果表明:材料配比优化后的重金属污染土固化体在养护3 d时的UCS即可满足EPA的推荐值。重金属离子会在养护初期(1 d)对水泥的水化形成明显的阻滞作用,从而使固化体在养护初期的UCS显著降低;此外,重金属离子会使水泥的水化向次级反应进行,生成强度较低的钙钒石,并降低固化体在整个养护期内的UCS;水泥的水化反应对于重金属Pb的稳定化作用除了会使其转化为氢氧化物的沉淀之外,还会使其转化为稳定的化合物。     

医疗垃圾焚烧飞灰的水泥固化效果实验

为检验医疗垃圾焚烧飞灰的水泥固化处理效果,对不同飞灰/水泥配比下水泥固化体的凝结时间、抗压强度、重金属浸出毒性等特性方面进行了实验研究.结果表明:掺60%飞灰的水泥固化体终凝时间长达63 h,超出48 h的限值;掺40%飞灰、60%飞灰的水泥固化体7 d的抗压强度仅为0.187 MPa、0.16 MPa,未达到0.2 MPa的要求值;掺40%飞灰、60%飞灰的水泥固化体中Pb的渗沥浓度分别为5.634 mg/L、6.032 mg/L,均超过5 mg/L的限值.根据本实验结果,医疗垃圾焚烧飞灰水泥固化中水泥掺量宜在70%左右,若按照目前国内生活垃圾焚烧飞灰水泥固化工艺的配比(水泥掺量40%以下),各项固化指标均不能达到填埋要求.     

新型复合絮凝剂对疏浚底泥脱水和重金属固化的研究

模拟实际工程条件, 在实验室考察3种化学调节剂(聚合硫酸铁(PFS)、聚丙烯酰胺(PAM)和一种自配的复合絮凝剂(S003))对实际污染河流底泥的脱水效果。结果表明, 使用PFS和PAM处理后, 泥饼含水率分别为60.22%和64.77%; 用S003处理后, 泥饼的含水率为52.67%; 与PFS和PAM相比, S003处理的脱水速度更快, 具有更好的除浊效果。S003优良的脱水效果主要是由于其含有的无机成分的骨架作用和有机成分的桥接作用, 使底泥形成多孔结构的大絮体, 加快底泥沉降速度, 提高了底泥过滤性能。此外, 受污染的疏浚底泥经S003固化后, 固化体中Cr, Cu, Zn, Ni, Pb和Cd的浸出浓度分别减少55.8%, 92.1%, 89.2%, 61.4%, 34.2%和56.3%。研究结果表明, S003对底泥具有高效的脱水作用和重金属良好的稳定效果。     

冻融循环下磷酸镁水泥固化铜污染土的淋滤特性研究

将自制磷酸镁水泥用于铜污染土的固化稳定,研究其淋滤特性和微观结构。以磷酸镁水泥固化铜污染土为研究对象,研究冻融循环条件下磷酸镁水泥掺量、初始铜离子浓度等因素对固化后重金属铜污染土的淋滤特性及固化稳定性的影响。结果表明:冻融循环和磷酸镁水泥掺量会影响磷酸镁水泥固化铜污染土的浸出液中铜离子浓度和上清液pH,随着冻融循环次数和铜离子浓度的减少及水泥掺量的增多,铜离子浓度显著降低;浸出液的pH随冻融循环次数的增多而降低,随磷酸镁水泥水泥掺量的增多而提高,随铜离子浓度的增大而降低。最后与扫描电镜试验结果结合解释了水分迁移对固化机制的影响。     

外加剂对水泥固化铁矾渣性能的影响

在硅酸盐水泥熟料中加入铁矾渣,制备成胶凝材料.分别以粉煤灰沸石、硫化钠和粉煤灰为外加剂,研究其对水泥固化体强度和浸出毒性的影响.在胶凝材料中铁矾渣加入量为60%时,加入沸石、硫化钠为稳定剂,均可提高重金属离子的稳定性,不同固化体的浸出毒性值均低于国家标准.在胶凝材料中加入粉煤灰,粉煤灰掺量增加,固化体强度下降,不同固化体的浸出毒性值也均低于国家标准.     

水泥浆体有效固结炉渣基复合废弃物中有害金属离子

通过能够模拟真实状况的浸出试验对混凝土材料中有害金属离子的浸出进行测量,来衡量水泥和混凝土材料在利用炉渣以及垃圾焚烧灰、电镀污泥、城市污水河底泥、建筑垃圾、建材废料、电池废渣、污水处理厂污泥等配制成的复合废弃物过程中,对其中的有害金属离子的固化程度,并对水泥净浆试块的基本性能力学强度进行了测试,肯定了在不影响水泥混凝土材料基本的力学性能的前提下综合利用废弃物的可行性和对减少污染保护环境所起的促进作用.     

水泥固化铅污染粘土的pH-Dependent试验研究

通过pH-dependent试验,研究水泥固化铅污染土的溶出特性.对滤出液pH的研究结果表明,滤出液pH随加酸量增加而下降,且试样C12Pb2较C12Pb0、试样C18Pb2较C18Pb0的碱性/酸缓冲能力弱.对滤出液中铅浓度（[Pb]）随滤出液pH、水泥掺量的变化特征进行分析,结果表明,[Pb]随滤出液pH增大而先减小后增加;且试样C18Pb2较C12Pb2,其溶出的[Pb]显著减小,铅最大溶出率小5个百分点,表明水泥掺量的增大使得水泥对铅的固定效果更好,使固化土中可溶出的铅减少.     

冻融侵蚀作用下工业矿渣固化/稳定化铅污染土固化体的工程特性

为了探明冻融侵蚀作用下工业矿渣固化/稳定化铅污染土固化体的工程特性的变化规律,采用高炉矿渣、氧化镁和磷酸二氢钾(简称GPM)对某工业铅污染土固化/稳定化修复,采用室内试验评估了冻融侵蚀作用对工业矿渣铅污染土固化体水力特性、溶出特性和孔隙特性的影响规律,并将普通硅酸盐水泥(简称OPC)做为对比固化剂。结果表明：冻融侵蚀会劣化铅污染土固化体的工程特性,GPM固化体的耐侵蚀能力高于OPC固化体,冻融侵蚀后的GPM固化体的损失量和水力特性均明显好于OPC固化体。溶出试验结果表明：OPC对高含量的铅污染土修复效果极差,且冻融侵蚀前后OPC固化体内Pb溶出浓度均高于5mg/L,而GPM对于高含量的铅污染土修复效果显著,冻融侵蚀前后GPM固化体内Pb溶出浓度均高于0.1mg/L。孔隙试验结果表明,冻融侵蚀会增大铅污染土固化体的孔隙体积,但冻融侵蚀后的GPM固化体的孔隙体积明显小于OPC固化体。GPM铅污染土固化体良好的工程特性和较低的环境风险,具有在重金属铅污染场地推广使用的潜力。     

重金属沉渣土著微生物浸出后余渣的潜在毒性

在pH值为3.0、温度为30 ℃、矿浆质量分数为7%的优化浸出条件下,通过摇瓶试验,结合X射线衍射分析、BCR法3步连续提取,研究了土著微生物浸出重金属沉渣后余渣中重金属的潜在毒性。结果表明：土著微生物浸出7 d后,沉渣中Cd,Mn,Cu,Pb,Zn含量分别由原来的4 530,7 650,830,29 530,62350 mg/kg降低至730,1280,390,13 810,15650 mg/kg.浸出过程沉渣中Cd,Mn,Cu,Pb,Zn等重金属的酸可提取态相对含量显著降低,残渣态相对含量提高.余渣环境活性和潜在危害低于《危险废物鉴别标准》（GB 5085.3-2007）的规定,土著微生物浸出能有效实现重金属沉渣的资源化和无害化.