株洲市清水塘工業區某水塘重金屬污染底泥固化/穩定化處理研究

趙文偉 王宏輝 李玫瑰 劉歡歡 韓彬

（中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南 長沙 410007）

株洲清水塘工業區是全國著名的冶煉、化工老工業基地，總面積約38km2，地處長株潭城市群的結合部，東、西、北三面環山，南瀕湘江，地勢由北向南傾斜。株洲清水塘工業區以有色冶煉、化工、建材等高能耗、高污染產業為主導，工業結構性污染十分嚴重。上世紀80年代以前，工業“三廢”基本處于無序排放狀態，區域內地表水體及底泥受到重金屬的嚴重污染。

底泥是地表水體中重金屬的主要宿體，重金屬經過一系列物理、化學及生物作用，沉積于地表水體底部。底泥與水體兩相界面進行著一系列的遷移轉化過程，如吸附–解吸作用，沉淀–溶解作用，分配–溶解作用，絡合–解絡作用，離子交換作用及氧化還原作用等，其它過程還包括如生物降解和生物富集等。近年來，清水塘工業區加大了對工業污染的整治力度，區域內工業廢水排放達標率大幅上升、工業廢渣基本得到安全處置，重金屬排放量顯著下降，多年沉積的底泥成為區域地表水體中重金屬污染的主要來源。底泥沉積物中的重金屬在水文條件、水質參數等發生變化的情況下，會向水體中釋放大量的重金屬，存在嚴重的環境風險隱患。2006年年初，區域內湘江一級支流——株洲霞灣港在清淤過程中由于施工不當，導致含鎘嚴重超標的底泥和污水排入湘江，造成下游株洲霞灣港至長沙段湘江水質鎘超標，嚴重影響到下游湘潭市、長沙市的飲用水源安全。底泥重金屬污染成為一個世界性的環境問題[1]。

水泥固化/穩定化技術是處理含重金屬廢物的應用最廣泛的技術之一[2]。該方法是將廢物和水泥混合，經水化反應后形成堅硬的水泥試塊，從而達到降低廢物中危險成分浸出的目的。

本研究以株洲清水塘工業區某水塘底泥為研究對象，該水塘是清水塘工業區一處典型的納污水體，周邊分布有多家冶煉鋅、化工等工業企業。面積為202畝，總容量為59.4萬m3，與湘江一級支流——老霞灣港相連通。水源補給主要為大氣降水、以及少量生活污水與工業廢水，水量受季節性降水影響大。本研究采用粉煤灰、水泥、硫化鈉為添加劑，對底泥進行固化/穩定化試驗研究，考察固化體的浸出毒性與抗壓強度，為重金屬污染底泥的后續安全處理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

底泥取自株洲市清水塘工業區某水塘截流抽水作業完成后的塘底上層0～20cm，采樣點共8處，每處采樣點采集1個樣品，樣品采集后分揀出礫石、植物等雜質后裝入聚乙烯塑料袋中保存備用。各底泥樣品的含水率、重金屬浸出濃度見表1，其中底泥重金屬浸出濃度的測定參照《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T 99-2007）。由表1可知，底泥重金屬浸出濃度未超過《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》（GB5085.3-2007），但1#、5#、7#樣品浸出液中Zn的濃度已接近《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》（GB5085.3-2007）規定的濃度限值，潛在威脅較大。所用水泥為中材株洲水泥有限公司生產的325#普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為株洲華銀火力發電有限公司的脫硫粉煤灰；硫化鈉為株洲市當地某化工廠生產。

表1 底泥含水率及重金屬浸出濃度

1.2 試驗方法

固化/穩定化配比為絕干底泥：水泥：粉煤灰：硫化鈉=1：0.54：0.06：0.01，底泥樣品經測定含水率后，按配比將底泥、水泥、粉煤灰和硫化鈉混合。攪拌均勻后分多次填入150mm×150mm×150mm立方體模具中，每次填料后于振動臺上震動成型，成型后24h脫模，脫模后于室內自然條件下養護，養護7d后進行抗壓強度試驗。抗壓強度試驗后，將固化樣品破碎過9mm篩，參照《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》（HJ/T299-2007）對樣品進行重金屬浸出毒性試驗。

2 結果與討論

2.1 固化體抗壓強度

固化體抗壓強度是衡量固化體填埋處理的一個基本指標。各樣品固化體7d抗壓強度見圖1。由圖1可知，在相同固化配比條件下，底泥初始含水率對固化體7d抗壓強度影響較顯著，當底泥初始含水率小于60%時，固化體7d抗壓強度超過1.2MPa，當底泥初始含水率大于100%時，固化體7d抗壓強度下降明顯，低于0.8MPa。這可能是由于底泥中的水分主要以孔隙水的形式存在，初始含水率越高，底泥的孔隙越就越多，水泥的水化產物不能有效填充孔隙，水化產物無法形成連續的網狀結構，導致固化體抗壓強度降低[3]。

圖1 初始含水率與固化體抗壓強度的關系

2.2 浸出毒性

重金屬浸出濃度是評價底泥固化體重金屬固化/穩定化效果的重要指標，表2為參照HJ/T 299-2007方法得到的固化體重金屬浸出濃度。

表2 固化體重金屬浸出濃度

表2結果表明，固化體重金屬浸出濃度與原底泥相比明顯減小，且均低于《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）中最高允許排放濃度。與原底泥重金屬浸出濃度相比（見表1），養護7d后固化體中Pb的浸出濃度降低了55.6%～78.2%，Cd的浸出濃度降低了33.3%～79.9%，Zn的浸出濃度降低了94.2%～98.1%。

水泥的水化過程中，重金屬可以通過吸附、化學吸收、沉降、離子交換、鈍化等多種方式與水泥發生反應，最終以氫氧化物或絡合物的形式停留在水泥水化形成的水化硅酸鹽膠體C—H—S表面上[4]。在酸性環境下，氫氧化物和C—H—S的溶解，會導致重金屬以離子態溶出。重金屬離子與硫離子之間具有較強的親和力，重金屬硫化物溶度積遠小于其氫氧化物溶度積。在酸性環境下，重金屬硫化物較之其氫氧化物具有更好的穩定性。通過在固化/穩定化過程中添加硫化鈉，將重金屬轉化為硫化物的形態，可增強固化/穩定化效果。

3 結論

（1）底泥初始含水率對底泥固化體的抗壓強度有顯著影響，固化體的抗壓強度隨底泥初始含水率的增大而降低。底泥固化/穩定化現場施工時，應對底泥進行脫水處理，使固化體滿足一定的抗壓強度要求。

（2）原底泥中Pb、Cd、Zn含量較高，對地表水環境潛在威脅大。固化/穩定化配比為絕干底泥：水泥：粉煤灰：硫化鈉=1：0.54：0.06：0.01時，底泥固化體的3種重金屬浸出濃度明顯降低，均低于《污水綜合排放標準》（GB8978-1996）中最高允許排放濃度。

[1] Akcay H, Oguz A, Karapire C.Study of heavy metal pollution andspeciation in Buyak Menderes and Gediz river sediments [J].Water Research, 2003,23,813-822.

[2] WILES C C.A review of solidification/stabilization technology [J].Journal of hazardous materials, 1987, 14(1): 5-21.

[3]張春雷.基于水分轉化模型的淤泥固化機理研究[博士論文[D].南京:河海大學,2007.

[4]汪莉.重金屬廢渣硫固定穩定化研究[碩士論文[D].長沙:中南大學,2009.