水泥固化污泥中重金属的浸出试验研究

王 晶，周永祥，王伟，何更新

（中国建筑科学研究院，北京 100013）

污泥的常规处置包括土地填埋、焚烧、堆肥等，但这些处置方式都存在着自身的缺点：土地填埋需要占用大量土地，同时投弃物受雨水冲刷和土地渗漏会引起对地表水和地下水的污染；焚烧将使得大量二噁英和硫化物排入空气中污染环境；堆肥处置时，污泥中高含量的重金属会对土壤及微生物活动造成影响［1－3］。而且，电镀工业、冶金工业、化学工业等排放的污水所形成的污泥中含有大量的重金属，这些重金属一旦浸出，会对环境安全和人类健康产生危害。而近年来，在科学发展和可持续发展理念的指引下，污泥作为建筑材料原料既能为城市建设提供建材，又能减少城市污泥污染。其中部分污泥以较高的消纳率用于生产水泥建材制品，具有显著的经济效益和社会效益，在国内应用也越来越多［4－6］。然而，由于污泥来源广、成分复杂，污泥再生资源化利用时，其中的重金属元素和有害金属离子是否会溶出而释放出来，造成对环境的二次污染，这是当前再生建材和环境保护领域共同关心的问题［7－10］。

通过对掺加不同比例的电镀污泥和生活污泥的砂浆试件的重金属浸出试验，研究了水泥对污泥中的重金属的固化作用，进而得到水泥固化作用对污泥中重金属浸出的影响规律，对于污泥处理处置技术和污泥在水泥基材料的资源化利用具有重要的指导意义。

1 试验原材料和配合比

1.1 原材料

水泥，冀东P·O42.5水泥，烧失量、三氧化硫、氯离子、氧化镁含量、碱含量和安定性均符合标准要求；河砂，产地武汉，细度模数2.6，含泥量0.3%，泥块含量为0；污泥，原状生活污泥和原状电镀污泥共两种，自然晾干后，经破碎通过筛孔公称直径为5mm金属方孔筛；外加剂，西卡公司生产的聚羧酸系高效减水剂，减水率25%以上；拌合水，清洁的自来水。

1.2 试验配合比

试验设计了不同掺量比例的电镀污泥和生活污泥的砂浆配合比，不同系列的砂浆配合比见表1。用水量均考虑了所掺污泥的含水量，通过掺加减水剂调整砂浆工作性，使其易于成型。

表1 水泥砂浆试件配合比

2 试 验

2.1 制样试验

浸出液的制样方法采用国家现行的方法，通过GB 5086.1—1997《固体废物浸出毒性浸出方法翻转法》和HJ 557—2010《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》的对比实验证明，翻转振荡法的浸出效率更高；并且由于我国大部分酸雨地区以硝酸型酸雨为主，因此经对HJ/T 300—2007《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》和HJ/T 299—2007《固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》比较研究确认HJ/T 299—2007《固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》硝酸硫酸浸提液模拟的条件更符合我国气候环境国情。

2.2 测试试验

浸出液中重金属浓度测试试验方法采用我国现行标准GB 50585.3—2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的附录A（电感耦合等离子体原子发射光谱法）进行测定。

3 试验结果及分析

按照上述的制样方法和检测方法得到的污泥原材料的重金属浸出试验结果见表2。

表2 污泥原料的重金属浸出浓度 /（mg·L－1）

不同养护龄期的电镀污泥和生活污泥砂浆试样重金属浸出试验结果分别如图1和图2所示。其中对于28d龄期的生活污泥的砂浆试样，未测出其中的重金属浸出浓度。

3.1 不同试样的重金属浸出试验结果

标准养护龄期分别为7d和28d的掺加电镀污泥的砂浆试样的重金属浸出浓度试验结果分别如图1所示。其中对于未使用污泥的基准砂浆试样来说，除Al、Fe和Ca等金属元素溶出值较大外，有毒重金属浸出含量均为未测出。而对于使用生活污泥的砂浆试样来说，重金属浸出浓度表现的规律比较类似。由图1和图2的试验结果可知，随着污泥掺量比例的提高，重金属浸出浓度表现为增大的趋势，但不同掺量比例的污泥制作的砂浆试样的重金属浸出浓度并未表现出明显的比例关系，此外随着养护龄期的延长，相同污泥种类、相同配合比所制试样的重金属浸出浓度呈降低的趋势。

3.2 水泥固化对重金属浸出特性的影响研究

上述的重金属浸出试验结果，是直接将采用污泥制作的砂浆试样进行试验，由于在制作砂浆试样时，所含污泥的质量并不相同，所用其他物质对污泥中的重金属有一定的物理稀释作用，上述的试验结果仅直观上反映了污泥掺加比例和养护龄期对重金属浸出影响的一般规律，并不能有效体现水泥的固化作用。为了更加科学地研究水泥对污泥中有害重金属浸出的固化作用，将上述试验结果折算为等质量的污泥的重金属浸出浓度，消除物理稀释作用对试验结果的影响。以毒性较大和重金属元素种类较多的电镀污泥为例，折算后的重金属浸出试验结果与原状污泥中重金属毒性的对比结果如图3所示。

图3的试验结果表明，与原状电镀污泥的浸出浓度相比，水泥对于重金属浸出有明显的固化作用。通过对同龄期、电镀污泥砂浆试样折算后的重金属浸出浓度的对比可知，不同掺加比例的电镀污泥砂浆试样折算后的重金属浸出浓度比较接近。但随着养护龄期的延长，电镀污泥试样的重金属浸出浓度表现为降低趋势，这也表明随着龄期的延长，水泥的不断水化固结的有毒重金属元素更加稳定，浸出浓度越来越小。以电镀污泥中的Cr和Cu为例，与污泥原材料的浸出浓度相比，7d龄期试样折算后的Cr和Cu的浸出浓度降低幅度达到90%；而到28d龄期时，Cr的浸出浓度降低超过了95%，而Cu的浸出浓度已达到了测不出的水平。类似的规律也适用于生活污泥试样。

出现上述试验结果，主要是由于随着龄期的延长，水泥水化程度提高，水化产物的结构密实度增大，结构稳定性也大幅提高，固化的重金属元素浸出浓度降低；当达到研究的最长龄期28d时，水泥水化程度最高，水化产物的稳定性也最好，因此对于重金属元素的固化作用最强。而且随着水化龄期的延长，水泥水化产物的微观结构也产生了相应的变化，微结构中重金属离子及其化合物被覆盖和包裹。除了水泥水化对重金属元素有上述作用外，水泥对重金属的固化还可能包括物理吸附、复分解沉淀和同晶置换等作用。

4 结 论

a.随着污泥掺量比例的提高，重金属浸出浓度表现为增大的趋势，但不同掺量比例的污泥制作的砂浆试样的重金属浸出浓度并未表现出明显的比例关系。

b.随着养护龄期的延长，相同配合比的砂浆试样的重金属浸出浓度呈降低的趋势。

c.不考虑物理稀释作用，不同掺加比例的污泥砂浆试样折算后的重金属浸出浓度比较接近；随着龄期的延长，污泥砂浆试样中重金属浸出浓度表现为降低的趋势。

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