太湖污染底泥固化特性探究

1、太湖污染底泥固化特性探究【摘要】研究了硅酸鹽水泥、改性粉煤灰、硫酸鋁、硫酸 鈣、硫酸鈉等幾種固化劑對太湖污染底泥固化塊抗壓強度和 重金屬浸出特性的影響。通過各固化材料的對比，結(jié)果表明, 以硅酸鹽水泥為主料，改性粉煤灰為輔料，硫酸鈣為添加劑 復配使用的固化劑效果最好，其最佳摻入量分別為60、4.8 和3g/kg （以脫水底泥計），以此制得的固化劑能較大的提高 固化塊的抗壓性能，養(yǎng)護7d的固化土強度達到136kpa,滿 足填埋的土工力學要求。改性粉煤灰的吸附及固化劑的固定 作用能使固化塊浸出液中的重金屬含量較脫水底泥浸出液 進一步降低，可對脫水底泥中的重金屬起到良好的穩(wěn)定作 用?！娟P(guān)鍵詞】污染底泥

2、；固化；抗壓強度；重金屬；穩(wěn)定 化太湖流域經(jīng)濟高速發(fā)展和環(huán)境保護相對滯后，導致湖泊 個別區(qū)域富營養(yǎng)化嚴重，污染底泥富集量大，在控源截污清 淤工作的同時，全面開展安全有效的污染控制已刻不容緩。 將清淤上岸的污染泥漿進行機械脫水處理已經(jīng)得到技術(shù)驗 證，而脫水后的干泥含有大量的有機物、病原微生物、重金 屬以及氮、磷等物質(zhì)1,如果不進行妥善處理會造成嚴重 的二次污染。目前，淤泥處置的主要手段為堆肥、填埋、焚燒2、 土地利用等3。其中填埋因操作管理方便，運行成本較低 等被較多采用4。太湖底泥的主要成分為粘土，其土工實 驗測得的各類指標都與常規(guī)土的典型范圍不同，由于其滲透 性差，淤泥在承壓過程中難以將孔隙

3、水排出，導致淤泥固結(jié) 困難，受壓易流變。為達到安全填埋的要求，淤泥填埋前須 進行改善土力學性能的預處理5。近年來，處理淤泥廢棄物的固化、穩(wěn)定化方法開始在河 湖底泥疏浚處置中得到運用，特別是水泥基固化材料的運用 67。河湖疏浚底泥經(jīng)過固化處理后，經(jīng)過一定時間的標 準養(yǎng)護即可進行填埋或用作回填覆土，能大大提高其填埋處 置的安全性8。本研究以太湖梅梁湖生態(tài)清淤工程實際獲得的機械脫 水底泥為原料（含水率45%）,以硅酸鹽水泥、改性粉煤灰作 為主要固化劑，氯化鈣、硫酸鋁、硫酸鈣分別作為添加劑， 將上述試劑復配使用，研究這幾種固化材料對固化處理后的 太湖底泥抗壓強度和重金屬浸出率的影響，取得污染淤泥穩(wěn) 定

4、化數(shù)據(jù)，以期為河湖底泥安全處置提供一種新的固化材 料。1.2實驗方法。1.2. 1淤泥固化。本實驗采用硅酸鹽水泥和改性粉煤灰作為基礎(chǔ)固化劑。先獲得硅酸鹽水泥和改性粉煤灰最佳摻入比，然后再分別研 究硫酸鈣、硫酸鋁及硫酸鈉對固化土的強度提升率。1.2.2粉煤灰改性。（1）由于粉煤灰富含以活性氧化物sio2和a1203為主 的玻璃珠、少量金屬氧化物及未燃盡炭9,具有發(fā)達的大 孔，表面積較大，表面能高，對許多污染物質(zhì)，尤其是重金 屬離子及有機物具有較強的吸附作用。通過對粉煤灰的熱處 理活化改性，粉煤灰會失去孔道中的殘余水分，使得內(nèi)部孔 道面積和活性吸附點的數(shù)量增加，進而提高粉煤灰的吸附性 能。（2）利

5、用這些優(yōu)良的性能，研究活化粉煤灰在作為脫 水底泥固化骨料時，對固化塊抗壓強度的提升，同時也研究 其作為吸附劑富集重金屬離子及有機物，改善重金屬離子浸 出率的情況。1.2.3重金屬浸出實驗。根據(jù)美國環(huán)境保護署的固體廢棄物毒性浸出（tclp）法 1013,按樣品的酸堿度和緩沖量不同采用不同的重金屬 浸出方法。當樣品ph小于5時，加入試劑1 （將5. 7ml冰醋 酸加入到500ml蒸館水中,再加入64. 3mllmol/l的naoh溶 液，用蒸憎水定容至1l值得，ph為4. 93±0. 05）；當樣品 ph大于5時，加入試劑2 （將5. 7ml冰醋酸用蒸館水定容至 1l 值得，ph 為 2

6、. 88±0. 05）o 緩沖液的 ph 用 lmol/l hn03 溶液和lmol/l naoh溶液來調(diào)節(jié)，緩沖液和樣品的質(zhì)量比為 20： 1.混合液以(30±2) r/min于常溫下振蕩(18土2) h, 離心，過濾，再用lmol/l hn03溶液調(diào)節(jié)浸出液ph約至2, 以便長期保存。1. 2. 4測試方法。本實驗將粉煤灰在300°c下焙燒60分鐘，取出冷卻，密 封保存?zhèn)溆谩２捎脃yw-2型應變控制式無側(cè)限壓力儀測定固化塊的抗 壓強度，以衡量其土力學性質(zhì)。將抗壓強度最大的固化塊研磨過篩，得到粒徑小于 425 um的粉末，用tclp法浸出其中的重金屬，并用iri

7、s advang-tage 1000感應耦合等離子體質(zhì)譜儀(icp-ms) 15 測定浸出液中的重金屬濃度。2. 結(jié)果與討論2. 1硅酸鹽水泥的最佳摻量。(1) 取lkg脫水底泥，分別摻入20、40、60、80g/kg (以脫水底泥計，下同)，考察固化塊抗壓強度的變化趨勢,結(jié)果如圖1所示。圖1硅酸鹽水泥摻量對固化塊抗壓強度的影響(2) 從圖1可以看出，當硅酸鹽水泥的摻量到達60g/kg 時，養(yǎng)護7、14、28d的固化塊抗壓強度都達到最大值，分 別為78、129、169kpa,摻入量大于60g/kg時，固化塊的抗 壓強度變化不大。這是由于水泥與淤泥中的水分發(fā)生水化反 應，生成凝膠，將有害淤泥微粒

8、分別包容，并逐步硬化形成 水泥固化體，而摻入量超過一定界值，淤泥中可利用的水分 減少，強度變化效果則不明顯。水化反應如下：2. 2改性粉煤灰的最佳摻量。(1) 分別取1.2、2.4、3.6、4.8、6. og改性粉煤灰加 入60g硅酸鹽水泥中混合均勻，將得到的混合物摻入lkg脫 水底泥中，考察其對固化塊強度的變化趨勢，結(jié)果見圖2。(2) 由圖2可以看出，粉煤灰的摻入量為4. 8g時，固 化塊的強度為最高值，分別為90、152、198kpa,在摻入量 大于4.8g時，固化塊的強度變化不大，分別為91、152、 195kpa(3) 與2.1中的最佳固化結(jié)果相比，在脫水底泥中摻 入改性粉煤灰使得制成

9、的固化塊強度較原來分別提高了 15.4%、17.8%、17. 2%o這是因為在有水存在時，粉煤灰能 與ca (oh) 2在常溫下發(fā)生反應，生成具有膠凝性的組分， 從而提高固化塊的強度。此外，改性粉煤灰同時作為微骨料 加入到固化土中，不僅增加固化塊的強度，而且提高了其抗 滲、抗化學侵蝕的耐久性能，降低了固化土中有害物質(zhì)的滲 出，還達到了除臭的目的。 2. 3硫酸鋁的最佳摻量。(1) 固定脫水底泥：水泥：粉煤灰=1000： 60： 4.8, 硫酸鋁的摻量分別是0、5、10、15、20、25、30g/kg,考察 固化塊抗壓強度的變化趨勢，結(jié)果如圖3所示。圖2改性粉煤灰摻量對固化塊抗壓強度的影響圖3硫

10、酸鋁摻量對固化塊抗壓強度的影響(2) 從圖3可以看出，當硫酸鋁摻量為10g/kg時，養(yǎng) 護7、14、28d的固化塊的抗壓強度達到最大值，分別為121、 183、227kpa,相比于不添加硫酸鋁時的抗壓強度增幅分別 為 34. 5%、20. 4%和 14. 6%(3) 從圖3還可以看出，摻入過多的硫酸鋁后，養(yǎng)護 7d的固化塊抗壓強度呈下降趨勢。這是因為摻入硫酸鋁后， 固化塊抗壓的強度增加主要通過促使水化鋁酸鈣等結(jié)晶產(chǎn) 物的迅速生成，并與硅酸鹽水化產(chǎn)物相互搭接穿插形成一定 的硬化結(jié)構(gòu)體而實現(xiàn)，但這種硬化結(jié)構(gòu)體的密實度不如正常 的凝結(jié)體。此外，早期快速形成的鋁酸鹽水化產(chǎn)物會包覆在 硅酸鹽水化產(chǎn)物表面

11、，抑制進一步的水化反應，同時它對漿 體液相環(huán)境的依賴性較強，容易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，往往導致缺 陷或空隙增大，使得抗壓強度下降。142. 4硫酸鈣的最佳摻量。(1) 固定脫水底泥：水泥：粉煤灰=1000： 60： 4.8, 硫酸鈣的摻量分別是0、1、2、3、5、8、10g/kg,考察固化 塊抗壓強度的變化趨勢，結(jié)果如圖4所示。(2) 由圖4可以看出，硫酸鈣的摻量為3g/kg時，養(yǎng) 護7、14、28d的固化塊對應的抗壓強度最高，分別為136、191、232kpa,相比于不添加硫酸鈣時的抗壓強度分別增加 了 51. 1%. 25. 7%和 17. 2%o(3) 由圖4還可以看出，養(yǎng)護7、14、28d的固

12、化塊的 抗壓強度變化趨勢相近，且硫酸鈣的固化效果主要體現(xiàn)在固 化作用的前期，這是由于硫酸鈣能與水泥中的c3a迅速反應, 生成晶體，提高了早期強度，反應方程式如下：c3a+3cas04 2 h20+ 2h20-*c3a 3cas04 31h20(4) 隨著反應的持續(xù)進行，抗壓強度穩(wěn)步增加，但其 固化結(jié)構(gòu)幾乎不變。這充分說明了硫酸鈣對固化塊能夠起到 很好的早強作用，縮短了養(yǎng)護時間。圖4硫酸鈣摻量對固化塊抗壓強度的影響2. 5硫酸鈉的最佳摻量。(1) 固定脫水底泥：水泥：粉煤灰=1000： 60： 4.8, 硫酸鋁的摻量分別是 0、0. 6、1. 2、1. 8、2. 4、3. 6、4. 8g/kg,

13、 考察固化塊抗壓強度的變化趨勢，結(jié)果如圖5所示。圖5硫酸鈉摻量對固化塊抗壓強度的影響圖6各固化塊浸出液中重金屬的去除情況(2) 由圖5可以看出，硫酸鈉的摻量為1.8g/kg時， 養(yǎng)護7、14、28d的固化塊對應的抗壓強度最高，分別為118、 179、219kpa,相比于不添加硫酸鈉時的抗壓強度分別增加 了 31. 1%、17. 8%和 10. 6%o(3) 由圖5可以看出，養(yǎng)護7、14、28d的固化塊抗壓強度變化趨勢相近，且固化效果主要體現(xiàn)在前期。這是由于 硫酸鈉在固化時發(fā)生了置換反應，方程式如下：na2s04+ca (oh) 2+2h202na0h+cas04 2h20na2s04+ca (

14、oh) 2 2na0h+cas04(4) 反應中生成的石膏具有更高的分散性，有助于水 化硫鋁酸鈣的形成，加快了硬化過程。但隨著摻入量的增加, 固化強度呈下降趨勢，這可能是由于硫酸鈉對水泥中的混合 材料有激發(fā)其潛在活性的作用，添加量過多對后期固化強度 的增加不利；此外，由于固化材料中含有改性粉煤灰，粉煤 灰富含活性氧化物si02,硫酸鈉的加入使得固化過程中的堿 性提高，提供了堿性骨料si02反應的條件，故使得最終的 固化塊強度不及使用硫酸鈣的固化效果。2.6固化塊中重金屬的浸出情況。(1) 采用icp-ms分析太湖脫水底泥、脫水底泥浸出液 和各類固化劑組合下得到的固化塊浸出液中重金屬的濃度， 結(jié)

15、果見表2,各固化塊浸出液的重金屬去除率見圖6。(2) 從表2可以看出，太湖脫水底泥浸出液中的重金 屬含量低于危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別(gb5085. 3-2007)的要求，而固化過程中由于改性粉煤灰 的加入，重金屬含量進一步下降，則說明其作為骨料增加了 固化塊強度的同時，更有效的吸附了淤泥中的重金屬，起到 了良好的固定作用。此外，實驗所用的固化材料均對太湖脫 水底泥中的重金屬起到了良好的固定作用。這可能是由于固 化劑中含有的鹽類與重金屬離子發(fā)生了化學反應，生成了難 溶于水的重金屬鹽，從而使固化塊中的有害重金屬離子難以 溶出，同時，固化過程中水化反應產(chǎn)生的水化硅酸鈣等凝膠 態(tài)物質(zhì)也能阻礙重金

16、屬離子的溶出。3種固化添加劑中，硫 酸鈉的效用稍差，這可能是由于在固化過程中形成的堿性條 件提供了改性粉煤灰的反應條件，而產(chǎn)生了對固化及重金屬 浸出的不利影響。3. 結(jié)論(1) 太湖脫水底泥固化劑硅酸鹽水泥及改性粉煤灰的 最佳摻量分別為60和4. 8g/kg,制得的淤泥固化塊養(yǎng)護7、 14、28d的強度分別為91、152、195kpa。添加的固化材料 硫酸鋁、硫酸鈉、硫酸鈣的最佳摻量分別為10、1.8和3g/kg, 其中制得的固化塊強度改善以硫酸鈣為最佳，養(yǎng)護7、14、 28d的固化塊強度分別為136、191、232kpa,固化處理后的 脫水底泥能充分滿足填埋的土工力學強度要求17。(2) 固

17、化塊浸出液中的重金屬含量較太湖脫水底泥的 浸出液有所下降，特別是改性粉煤灰的加入對重金屬起到了 吸附固定。由此證明，固化劑可以對太湖脫水底泥中的重金 屬起到良好的固定作用。(3通過對實驗數(shù)據(jù)的對比整理，最終確定以硅酸鹽水 泥為主料(60g/kg)、以改性粉煤灰為輔料(4. 8g/kg)、硫酸鈣為添加劑(3g/kg)復配使用的固化劑對太湖脫水底泥 的固化及重金屬的浸出改善最為明顯。參考文獻1 程謙真淺談淤泥處置方式及資源化利用j.江蘇 環(huán)境科技 2006, 19 (2)： 127129.2 jiang jiangguo, wang jun, xu xin, et al. heavy metal

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