典型行業(yè)含砷廢渣固化-穩(wěn)定化處理技術(shù)研究

蔣勇軍 ，俞 音 ，章媛媛 ，姜 雪

（1.新疆新能源（集團）環(huán)境發(fā)展有限公司，烏魯木齊 830026；2.新疆環(huán)境保護科學(xué)研究院；3.新疆環(huán)境污染監(jiān)控與風(fēng)險預(yù)警重點實驗室；4.新疆清潔生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830011）

砷具有較強的生物毒性，通常在有色金屬礦中大量伴生，隨著中國新型工業(yè)化進程的加快及社會經(jīng)濟的發(fā)展，金屬冶煉行業(yè)所產(chǎn)生的含砷固體廢物日益增長。據(jù)統(tǒng)計，全球每年因工業(yè)活動產(chǎn)生的砷超過120萬t被直接排入環(huán)境中，我國每年產(chǎn)生含砷固廢達50萬t，堆存量已達200萬t，存在嚴重的環(huán)境污染隱患，甚至可能引發(fā)環(huán)境事故。

目前，國內(nèi)外對含砷廢渣處理與處置的研究熱點聚焦于無機膠凝材料固化、藥劑穩(wěn)定處理、回爐熔煉等技術(shù)，其中，水泥固化輔助藥劑穩(wěn)定化處理含砷廢渣的組合技術(shù)憑借成本低、工藝成熟、技術(shù)適用等優(yōu)點，具有較好的推廣和應(yīng)用價值。本文以新疆某銅冶煉廠含砷廢渣為研究對象，采用固化-穩(wěn)定化處理技術(shù)，通過設(shè)計正交試驗，確定最佳藥劑配方和技術(shù)參數(shù)，對含砷廢渣中的有毒重金屬進行無害化處理，有效降低有毒重金屬的環(huán)境遷移速率，為砷污染控制提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為銅冶煉廠含砷廢渣，該含砷廢渣中的砷于銅礦石原料中伴生，銅礦石原料同時含有汞、鉛、鋅、銅等重金屬。這些重金屬冶煉時隨著煙氣進入廢酸液中，經(jīng)中和處理，富集于含水率約65%的含砷廢渣中。本試驗采用的固化材料為425號普通硅酸鹽水泥；電石渣為聚氯乙烯（PVC）行業(yè)干法電石渣粉，主要成分為氫氧化鈣，可與含砷廢渣反應(yīng)生成砷酸鈣沉淀；穩(wěn)定劑A為含鐵化合物，可與含砷廢渣反應(yīng)生成砷酸鐵沉淀；穩(wěn)定劑B為含硫化合物，可與含砷廢渣反應(yīng)，改變砷的化學(xué)形式，同時它可與其中重金屬反應(yīng)生成沉淀，降低重金屬毒性。試驗儀器包含JJ-5水泥膠砂攪拌機、分析天平ME204T、三聯(lián)立方試模等。

下面對含砷廢渣樣品成分進行分析，結(jié)果如表1所示。

表1 含砷廢渣主要成分分析結(jié)果

含砷廢渣中，Ca元素、As元素、S元素、Zn元素的含量較高，其中As元素含量達到11.2%。同時，對不同含砷廢渣樣品進行浸出毒性檢測，結(jié)果如表2所示。檢測結(jié)果表明，樣品中汞、砷浸出濃度超出《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）的限值，其中砷的平均浸出濃度為596.25 mg/L，平均超標倍數(shù)為119.25倍，最高超標倍數(shù)為142倍。

表2 含砷廢渣浸出毒性檢測結(jié)果

1.2 試驗方法

選取具有代表性的樣品開展固化-穩(wěn)定化試驗，具體試驗方法如下：稱取一定質(zhì)量的含砷廢渣，加入適量的水，充分攪拌均勻；按一定比例稱取電石渣、穩(wěn)定劑A、穩(wěn)定劑B，分步加入并充分攪拌；向攪拌混勻后的物料中加入水泥，并按設(shè)計水灰比補足水量，在膠砂攪拌機中攪拌均勻后停機；向三聯(lián)立方試模中注入攪拌后的物料，并進行搗實、刮平；灑水養(yǎng)護，成型后脫模，并進行自然養(yǎng)護；達到養(yǎng)護齡期后，將試樣破碎、篩分，并進行浸出毒性檢測。

處理后的樣品按照《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）制備浸出液，采用《固體廢物 金屬元素的測定 電感耦合等離子體質(zhì)譜法》（HJ 766—2015）測定浸出液中Pb、Cd、Ni、As、Cu、Zn的質(zhì)量濃度，采用《固體廢物 總鉻的測定 二苯碳酰二肼分光光度法》（GB/T 15555.5—1995）測定浸出液中Cr的質(zhì)量濃度，采用《固體廢物 總汞的測定 冷原子吸收分光光度法》（GBT 15555.1—1995）測定浸出液中Hg的質(zhì)量濃度。

2 固化-穩(wěn)定化技術(shù)優(yōu)化試驗

本試驗結(jié)合含砷廢渣中污染物特性及前期研究基礎(chǔ)，將電石渣摻量（A）、穩(wěn)定劑A摻量（B）、穩(wěn)定劑B摻量（C）、水泥摻量（D）、水灰比（E）作為影響含砷廢渣無害化處理的主要因素，通過建立5因素4水平的正交試驗，確定固化-穩(wěn)定化技術(shù)的最優(yōu)參數(shù)。

2.1 基準配比的確定

正交試驗開始前，先對含砷廢渣進行初步試驗，確定基準配比，以達到能夠固化的基本條件及可接受的處理效果，從而以基準配比為依據(jù)，設(shè)計正交試驗。本試驗按照所確定的試驗因素，通過試拌判定拌合物的稠度、成型效果，并進行重金屬浸出毒性檢測，確定當(dāng)因素A、B、C、D、E分別為0.010、0.005、0.005、0.100、0.200時，拌合物的成型效果及超標因子浸出毒性控制效果較好，因而將上述配比作為本試驗的基準配比。

2.2 因素水平的確定

本試驗以含砷廢渣為基準量，結(jié)合因素A、B、C、D、E的不同情況，分別設(shè)置4個水平，根據(jù)正交試驗設(shè)計原理，各因素和水平設(shè)計如表3所示。

表3 正交試驗因素與水平

2.3 試驗結(jié)果

在不同因素和水平下，按照試驗方法開展固化-穩(wěn)定化試驗，試驗中試體養(yǎng)護時間為28 d，對養(yǎng)護28 d后的試體進行浸出毒性檢測，正交試驗結(jié)果如表4所示，并對該試驗過程進行均值和極差分析，分析結(jié)果如表5所示。

表4 正交試驗結(jié)果

由表5可知，對于含砷廢渣處理后砷浸出濃度，各因素影響程度從大到小的排序為A＞B＞D＞E＞C，即電石渣摻量、穩(wěn)定劑A摻量是影響產(chǎn)物砷浸出濃度的主要因素，水泥摻量、水灰比對產(chǎn)物砷浸出濃度的影響次之，穩(wěn)定劑B摻量影響最小。同時，通過同因素不同水平的豎向比較可得，本次正交試驗的最佳水平組合為ABCDE，即（含砷廢渣）∶（電石渣）∶（穩(wěn)定劑A）∶（穩(wěn)定劑B）∶（水泥）=1.000∶0.025∶0.020∶0.010∶0.300，水灰比為0.4。

表5 砷浸出濃度均值和極差

3 含砷廢渣固化-穩(wěn)定化試驗的應(yīng)用

在（含砷廢渣）∶（電石渣）∶（穩(wěn)定劑A）∶（穩(wěn)定劑B）∶（水泥）=1.000∶0.025∶0.020∶0.010∶0.300，水灰比為0.4的最佳條件下，選取銅冶煉廠具有代表性且較難處理的混合樣品進行應(yīng)用研究。其中，穩(wěn)定劑A、穩(wěn)定劑B采用工業(yè)級產(chǎn)品，采用同樣的條件進行3組平行試驗，對含砷廢渣進行處理，試體養(yǎng)護28 d后的浸出毒性檢測結(jié)果如表6所示。

由表6可知，無害化處理后的含砷廢渣試體中砷的浸出濃度最低為1.07 mg/L，平均為1.09 mg/L。三組試體結(jié)果均低于《危險廢物填埋污染控制標準》（GB 18598—2019）中砷的指標限值（1.2 mg/L），其他主要重金屬浸出濃度均滿足標準要求。

表6 處理后廢渣主要重金屬指標的浸出毒性檢測結(jié)果

4 結(jié)論

本文以銅冶煉廠含砷廢渣作為研究對象，運用正交試驗原理，對固化-穩(wěn)定化處理技術(shù)的最優(yōu)配方及工藝參數(shù)進行研究。研究結(jié)果表明，向含砷廢渣中依次加入水、電石渣、穩(wěn)定劑A、穩(wěn)定劑B、水泥等穩(wěn)定劑和固化劑，可有效降低含砷廢渣中砷的浸出濃度，達到含砷廢渣無害化處理的目的。通過正交試驗得到的最優(yōu)條件處理后，含砷廢渣中砷的浸出濃度由最初的618 mg/L平均降低至1.09 mg/L，低于《危險廢物填埋污染控制標準》（GB 18598—2019）的限值（1.2 mg/L），其他主要重金屬指標均滿足要求，處理后廢渣可直接進行無害化填埋處置。含砷廢渣固化-穩(wěn)定化處理技術(shù)具有較好的應(yīng)用和推廣前景，但是固化劑和穩(wěn)定劑的添加量較大，導(dǎo)致處理后廢渣增容比大，如何降低填埋處置及管理成本是亟待解決的問題，成為后續(xù)研究的主要方向。