水泥和堿渣固化含鉛重金屬污染土特性試驗(yàn)研究

邊天奇 安曉宇 元光宗

摘 要：【目的】改良重金屬污染土修復(fù)工程中常用的水泥固化/穩(wěn)定法技術(shù)。【方法】以“氨堿法”制堿工藝的堿渣作為添加劑，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究水泥固化含鉛重金屬污染土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及毒性浸出特性?！窘Y(jié)果】固化土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大逐漸提高，隨鉛離子含量的增大逐漸減?。慌c單一水泥固化含鉛重金屬污染土相比，堿渣的摻入使水泥固化土早期強(qiáng)度提高10%～25%，長(zhǎng)期強(qiáng)度降低20%～30%，固化土對(duì)鉛離子的吸附性能得到提高，不同浸出方法中浸出液鉛離子濃度隨堿渣摻入量的增大逐漸降低?！窘Y(jié)論】堿渣的摻入提高了固化劑對(duì)鉛離子的吸附性能，與等量單一水泥相比，其浸出液中鉛離子濃度大幅度降低。

關(guān)鍵詞：固化/穩(wěn)定技術(shù)；含鉛重金屬污染土；水泥；堿渣；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；毒性浸出

中圖分類號(hào)：X53? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）10-0083-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.017

Abstract： [Purposes] To improve the The Solidification and Stabilization （S/S） immobilization technologies that are the most commonly selected treatment options for metals-contaminated sites. [Methods] The unconfined compressive strength and leaching toxicity characteristics of lead-contaminated soil stabilized/solidified by using cement and soda residue are studied. [Findings] The unconfined compressive strength gradually increases along with curing age， but decreases with the lead concentration of the spiked soil; Comparing with soil solidified by using cement， the addition of soda residue results in increasing in the early strength of cement solidified soil by? 10% ～ 25%， but results in reducing in its long-term strength by 20% ～ 30%， and the addition of soda residue reduces lead concentration of leachate and increases the cement adsorption performance. [Conclusions] The addition of soda residue improves the adsorption performance of the curing agent on Pb2+， and compared with the same amount of single cement， the concentration of Pb2+ in the leachate is greatly reduced.

Keywords： stabilized/solidified;lead-contaminated soil;cement;soda residue;unconfined compressive strength; leaching characteristics

0 引言

水泥基材料固化/穩(wěn)定重金屬污染土技術(shù)是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家較為常用的一種污染土修復(fù)技術(shù)，其機(jī)理及工程應(yīng)用已有系統(tǒng)的研究［1］。國(guó)內(nèi)研究起步相對(duì)較晚，近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者結(jié)合我國(guó)重金屬污染日趨嚴(yán)重的形勢(shì)開展一系列水泥及其他添加劑固化重金屬污染土技術(shù)研究，取得豐富的研究成果［2-8］，推動(dòng)固化/穩(wěn)定技術(shù)在我國(guó)污染土修復(fù)及治理工程中的進(jìn)一步發(fā)展。

“氨堿法”制堿工藝在發(fā)達(dá)國(guó)家已被淘汰，我國(guó)仍大量使用，堿渣作為該工藝排放的廢棄物對(duì)環(huán)境已造成影響［9］。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)堿渣廢棄物治理及資源化利用研究主要集中在堿渣的工程力學(xué)性質(zhì)［10］及其作為填埋場(chǎng)防滲墊層［11］、地基填墊材料［12-13］適用性方面，利用堿渣作為水泥固化重金屬污染土的添加劑研究不多。曹煊［14］研究堿渣對(duì)重金屬離子的動(dòng)力吸附作用及pH值、溫度等影響因素，其結(jié)果表明，堿渣對(duì)重金屬離子具有很強(qiáng)的截留能力，重金屬離子穿透單一堿渣層時(shí)間在66 h以上；方迪等［15］以堿渣為添加劑研究水泥固化脫硫底泥特性，其結(jié)果顯示以堿渣作為添加劑水泥固化底泥重金屬離子析出量與以粉煤灰、膨潤(rùn)土作為添加劑的效果相當(dāng)。上述文獻(xiàn)均表明堿渣對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的吸附作用，但未就堿渣作為添加劑水泥固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化及機(jī)理進(jìn)行分析。

基于以上分析，本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，以堿渣作為添加劑，研究水泥固化含鉛重金屬污泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及毒性浸出特性。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的不含鉛土樣取自天津市濱海新區(qū)中心生態(tài)城，土樣物理化學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。試驗(yàn)前先將土樣放入烘箱中，在105 ℃下烘干，過(guò)1 mm多孔篩。

試驗(yàn)固化劑采用水泥和堿渣，摻量為干土質(zhì)量（Sb/Sb）的7.5%、10%、15%、20%。試驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽325水泥（OPC），主要組成成分質(zhì)量比為：SiO2（21.5%）、Al2O3（5.14%）、Fe2O3（3.35%）、CaO（64.5%）、MgO（1.13%）；添加劑堿渣（SR）取自天津港東疆港區(qū)堿渣堆場(chǎng)，其干基化學(xué)成分質(zhì)量比分別為：CaCO3（43.6%）、CaSO4（8.2%）、CaCl2（11.2%）、CaO（7.2%）、NaCl（4.3%）、Al2O3（2.6%）、Fe2O3（0.8%）、SiO2（6.4%）、Mg（OH）2（13.6%）、H2O（6.3%）。固化劑中堿渣含量（Ss/Sb）分別為10%、20%、30%、40%。

試驗(yàn)中鉛污染源采用硝酸鉛［16］，其在干土中的含量（WP）分別為800、2 000、5 000、25 000、50 000 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣制備。制樣前，先根據(jù)不同固化劑設(shè)計(jì)配比方案，采用K型坍落度測(cè)試儀測(cè)定混合土流動(dòng)性在10%時(shí)的去離子水摻入量［17］。將硝酸鉛溶入去離子水中，在磁力攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?，得到硝酸鉛溶液。按設(shè)計(jì)配比方案摻入水泥、堿渣，烘干土樣，攪拌至均勻（25 min），裝入成型筒內(nèi)，靜壓3 min后脫模制成直徑5 cm、高度10 cm的柱狀試樣。

1.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將制備好的試樣裝入塑料袋中，密封后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)（溫度20 ℃，相對(duì)濕度大于85%），養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d。試驗(yàn)方法參照ASTM D2166-06，軸向應(yīng)變速率為1%/min。

1.2.3 毒性浸出試驗(yàn)。毒性浸出試驗(yàn)采用TCLP［18］和SPLP［19］，TCLP浸提劑分別采用去離子水（pH=6.80）和優(yōu)級(jí)純冰醋酸（pH=2.88）；SPLP浸提劑采用去離子水稀釋硝酸和硫酸混合液（pH=5.00）。試驗(yàn)前，將養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d的試樣風(fēng)干，粉碎研磨，過(guò)1 mm多孔篩；試驗(yàn)時(shí)，液固比為20∶1，浸提時(shí)間為18 h；試驗(yàn)完成后，采用原子吸收光譜儀測(cè)定上清液中重金屬離子含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

固化劑為單一水泥時(shí)，不同Sb/Sd和WP條件下，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化曲線如圖1所示。由圖1可以看出，固化土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大逐漸增大，但隨著WP的增加，固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。污染土經(jīng)水泥固化后其強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)齡期均比未污染土低，且隨著WP的增加，其降低程度也越大，這與Tashiro等［20］研究結(jié)果一致，其主要原因在于Pb等的重金屬氧化物與水泥漿發(fā)生反應(yīng)，影響水泥水化初期的硬化和強(qiáng)度的發(fā)展。

固化劑為水泥和堿渣時(shí)，Sb/Sd=20%、WP=50 000 mg/kg、不同Ss/Sb條件下，固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化曲線如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，堿渣的摻入提高了水泥固化土的早期強(qiáng)度，但降低了固化土的長(zhǎng)期強(qiáng)度，固化土14 d強(qiáng)度提高10%～25%，90 d強(qiáng)度降低20%～30%，且隨著堿渣摻入量的增加，其提高和降低程度也越大。其原因在于堿渣屬于高吸水、高堿性材料，堿渣的摻入提高了水泥水化初期的硬化速度，提高了水泥固化土的早期強(qiáng)度。同時(shí)，堿渣中又含有NaCl等易溶于水的鹽類，影響了水泥固化土長(zhǎng)期強(qiáng)度的發(fā)展。

2.2 毒性浸出特性

固化劑為單一水泥時(shí)，不同Sb /Sd和WP條件下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中濃度如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同浸提方法浸出液中Pb2+濃度隨Sb /Sd的增大逐漸減小；隨著WP的增加，浸出液中Pb2+濃度也逐漸變大，且當(dāng)WP=50 000 mg/kg時(shí)，浸出液中Pb2+濃度均大于5 mg/L，超出我國(guó)《危險(xiǎn)廢物填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》允許值。

對(duì)比三種不同浸提劑試驗(yàn)結(jié)果可以看出，浸提劑為冰醋酸時(shí)，水泥固化土粉末浸出液中濃度小于其他兩種方法；浸提劑為去離子水時(shí)，浸出液中Pb2+濃度略大于硝酸和硫酸混合液，這與文獻(xiàn)［16］研究結(jié)果一致。

固化劑為水泥和堿渣時(shí)，Sb/Sd=20%、WP=? 50 000? mg/kg、不同Ss/Sb條件下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的固化土粉末TCLP和SPLP浸出液中Pb2+濃度如圖4所示。與單一摻入水泥固化劑相比，三種浸提劑試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，即冰醋酸最小，去離子水最大，且浸出液中Pb2+濃度均未超過(guò)5 mg/L。

隨著固化劑中堿渣摻入量的增大，浸出液中Pb2+濃度逐漸下降，堿渣摻入量達(dá)到固化劑總量的40%時(shí)，Pb2+濃度下降200%，說(shuō)明堿渣對(duì)重金屬Pb2+離子的吸附性能大于等量的水泥。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于堿渣的摻入提高了固化土粉末浸出液的pH值，激發(fā)了水泥、堿渣、土的重金屬離子交換的化學(xué)反應(yīng)，Pb2+被置換，從而被固定。

3 結(jié)論

以堿渣為添加劑，研究水泥固化含鉛重金屬污染土的強(qiáng)度及毒性浸出特性，分析堿渣摻入量對(duì)固化土的影響，得出以下結(jié)論。

①水泥和堿渣固化含鉛重金屬污染土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大逐漸提高，但隨著鉛污染源含量的增大，強(qiáng)度逐漸減小。

②堿渣的摻入提高了水泥固化土的早期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但降低了水泥固化土的長(zhǎng)期強(qiáng)度。

③浸出液中Pb2+濃度隨固化劑摻量的增加而減小，但隨著鉛污染源含量的增大而增大。

④堿渣的摻入提高了固化劑對(duì)Pb2+的吸附性能，與等量單一水泥相比，其浸出液中Pb2+濃度大幅度降低。

參考文獻(xiàn)：

［1］杜延軍，金飛，劉松玉，等.重金屬工業(yè)污染場(chǎng)地固化/穩(wěn)定處理研究進(jìn)展［J］.巖土力學(xué)，2011，32（1）：116-124.

［2］陳蕾，劉松玉，杜延軍，等.水泥固化重金屬鉛污染土的強(qiáng)度特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32（12）：1898-1903.

［3］朱偉，李磊，林城.生物與化學(xué)作用對(duì)污泥固化體滲透性的影響［J］.巖土力學(xué)，2006，27（6）：933-938.

［4］李磊，朱偉，吉順健，等.微生物對(duì)固化/穩(wěn)定化污泥長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（12）：1778-1782.

［5］魏明俐，杜延軍，張帆.水泥固化/穩(wěn)定鋅污染土的強(qiáng)度和變形特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（S2）：306-312.

［6］陳蕾，杜延軍，劉松玉，等.水泥固化鉛污染土的基本應(yīng)力-應(yīng)變特性研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（3）：715-721.

［7］查甫生，許龍，崔可銳.水泥固化重金屬污染土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2012，33（3）：652-656，664.

［8］劉兆鵬，杜延軍，劉松玉，等.淋濾條件下水泥固化鉛污染高嶺土的強(qiáng)度及微觀特性的研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（3）：547-554.

［9］匡少平，張朝杰，蔣志剛，等.堿廠白泥的資源化綜合利用技術(shù)［J］.中國(guó)資源綜合利用，2006，24（3）：20-24.

［10］王芳，徐竹青，嚴(yán)麗雪，等.堿渣土工試驗(yàn)方法及其工程土特性研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（8）：1211-1214.

［11］劉興超，金春姬，曹煊，等.堿廠白泥作為填埋場(chǎng)襯層防滲土料的探索研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（6）：776-779.

［12］侯晉芳.堿渣代替工程土進(jìn)行填墊的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2004.

［13］閏澍旺，侯晉芳，劉潤(rùn).堿渣與粉煤灰拌合物的巖土工程及環(huán)境特性研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（12）：2305-2308.

［14］曹煊.堿渣對(duì)重金屬吸附特性的研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2006.

［15］方迪，趙亮，楊俊杰，等.以堿渣為添加劑水泥固化/穩(wěn)定化生物脫毒底泥的初步研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，17（6）：859-866.

［16］YIN C Y，MAHMUD H B，SHAABAN M G.Stabilization/solidification of lead-contaminated soil Using cement and rice husk ash［J］. J Hazard Mater，2006，137（3）：1758-1764.

［17］American Society of Testing and Materials （ASTM）. ASTM C143/C143M-20：Standard Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete［S］. West Conshohocken， PA，USA：American Society of Testing and Materials （ASTM），2000.

［18］United States Environmental Protection Agency （USEPA）. Method 1311： Toxicity Characteristic Leaching Procedure， SW-846： Test Methods for Evaluating Solid Waste Physical/Chemical Methods［S］. Washington， DC： United States Environmental Protection Agency （USEPA）， 1998.

［19］United States Environmental Protection Agency （USEPA）. Method 1312： Synthetic Precipitation Leaching Procedure， SW-846： Test Methods for Evaluating Solid Waste Physical/Chemical Methods［S］. Washington， DC： United States Environmental Protection Agency （USEPA），1994.

［20］TASHIRO C， OBA J， AKAWA K. The effects of several heavy metal oxides in formation of ettingite and the microstructure of hardened ettingite［J］. Cem Concr Res，1979，9（3）：303-308.

收稿日期：2023-02-23

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目（TKS20220102）。

作者簡(jiǎn)介：邊天奇（1995—），男，本科，工程師，研究方向：環(huán)境巖土工程。

通信作者：安曉宇（1988—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)。