污染淤泥固化后重金屬的形態(tài)變化及溶出規(guī)律

在河湖治理過程中，清除已經(jīng)進(jìn)入水體的內(nèi)源污染物已成為重要的手段，而清淤工程成為常用的治理措施之一。很多情況下清淤淤泥含有較多的重金屬污染物和N、P污染物，對這些污染物如不進(jìn)行妥善的控制，勢必形成二次污染的風(fēng)險。在我國大規(guī)模進(jìn)行河湖治理的現(xiàn)狀下，污染淤泥的無害化處理和資源化利用成為迫在眉睫又非常重要的技術(shù)需求。 通過酸洗等原理將淤泥中含有的重金屬類物質(zhì)進(jìn)行去除的方法需要很高的代價，尚不能廣泛地進(jìn)行使用。較為現(xiàn)實(shí)的方法是允許重金屬賦存于淤泥中，但不再產(chǎn)生環(huán)境或生態(tài)危害。由于重金屬的形態(tài)會影響其浸出特性以及對環(huán)境、生態(tài)的危害程度，掌握改變重金屬形態(tài)和浸出特性的基本規(guī)律，就會產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)重金屬穩(wěn)定化的處理方法。基于這一思想，開展淤泥中重金屬賦存形以及通過添加穩(wěn)定化材料使其轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律研究。 研究針對較為典型的黃石磁湖、東莞運(yùn)河、無錫太湖、大鵬灣4種淤泥，作為城市湖泊、城市河流、大面積淡水湖和海洋沉積物的代表，研究了①淤泥中重金屬賦存形態(tài)與溶出特性之間的關(guān)系；②固化穩(wěn)定化處理中重金屬形態(tài)的變化規(guī)律；③污染底泥固化后磷形態(tài)的變化和浸出特性；④污染底泥中重金屬的環(huán)境穩(wěn)定性及模擬。 對以上4種淤泥的研究表明，通常淤泥中非穩(wěn)定態(tài)重金屬含量在50%左右，浸出量與非穩(wěn)定態(tài)重金屬的含量有著明顯關(guān)系，而間隙水中重金屬的含量僅達(dá)到總量的1~3%。說明重金屬的環(huán)境、生態(tài)危害主要來源于非穩(wěn)定態(tài)，同時這一類重金屬向間隙水中的析出是主要的輸出途徑。 使用水泥、膨潤土、石灰等材料對淤泥進(jìn)行穩(wěn)定化處理。發(fā)現(xiàn)Cd、Cr、Ni 和Zn 的穩(wěn)定態(tài)重金屬明顯增加，而Cu和Pb 的形態(tài)變化不大。隨著非穩(wěn)定態(tài)重金屬向穩(wěn)定態(tài)重金屬的轉(zhuǎn)化，重金屬浸出量大大減少。在添加量為100kg/m3的范圍，重金屬污染最嚴(yán)重的東莞運(yùn)河淤泥也能滿足重金屬浸出的標(biāo)準(zhǔn)。說明添加形態(tài)轉(zhuǎn)化材料能夠達(dá)到無害化的目的。對于富營養(yǎng)化湖泊中產(chǎn)出的富P淤泥，通過水泥、生石灰及硫鋁硅酸鹽水泥的處理，淤泥中的Org-P明顯減少，Ca-P增加，P的浸出量顯著減少，能夠抑制淤泥中P再次返回水體。通過對處理后淤泥中重金屬遷移－彌散特性的研究，更加證實(shí)了這一方法在避免二次污染中的作用。 本研究明確了污染淤泥重金屬的形態(tài)以及轉(zhuǎn)化規(guī)律，開發(fā)出相應(yīng)的固化/穩(wěn)定化技術(shù)，并進(jìn)行了工程應(yīng)用，已完成的4個重金屬污染淤泥固化/穩(wěn)定化工程并取得了良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會效益。 2100433B

由于中小企業(yè)的無序排放，我國的湖泊、河流、水庫污染嚴(yán)重，甚至于一些飲用水水源地也遭受較為嚴(yán)重的重金屬污染，水體底泥重金屬超標(biāo)現(xiàn)象較為普遍，清淤工程正在大量實(shí)施。同時，由于底泥清淤產(chǎn)生的大量的污染淤泥的處理的問題也越來越為重要，安全、無害、資源化處理和利用技術(shù)成為重要的工程需求。由于將底泥中的重金屬從淤泥中去除的方法過于昂貴，進(jìn)行無害化、穩(wěn)定化處理消除其對環(huán)境不再產(chǎn)生二次污染危害的方法成為主要的探索方向。在這一方向中，非常重要的理論問題就是淤泥經(jīng)過固化處理后其中的重金屬發(fā)生的形態(tài)變化，以及在其后的環(huán)境條件下產(chǎn)生的溶出問題。本研究基于固化處理的原理，研究重金屬在處理過程中發(fā)生的形態(tài)變化以及重金屬賦存形態(tài)與溶出特性之間存在的必然規(guī)律，研究經(jīng)過不同固化材料和工藝進(jìn)行處理后重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律，明確經(jīng)過處理后淤泥中重金屬的環(huán)境行為，為污染淤泥處理技術(shù)應(yīng)用以及二次污染的評價提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

圖1為《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》所述淤泥固化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》所述管道攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》涉及一種淤泥固化劑及其在淤泥固化處理中的應(yīng)用，屬于污水處理領(lǐng)域。

淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝專利目的

截至2014年6月10日，淤泥的處理方式主要有農(nóng)業(yè)焚燒和填埋，還有很大量的淤泥沒有經(jīng)過任何處理，隨意丟棄。由于淤泥的含水率高，土力學(xué)性能差，污染物含量高，現(xiàn)在的處理方式都存在環(huán)境污染，處理成本過高的技術(shù)不足，同時也容易引起填埋場工程地質(zhì)災(zāi)害。淤泥能否填埋取決于淤泥或者淤泥與其它添加劑形成的混合體的巖土力學(xué)性能，淤泥填埋時要求十字板抗剪強(qiáng)度≥25kpa，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥50kpa。淤泥經(jīng)過常規(guī)脫水后，含水率80%以上，字板抗剪強(qiáng)度<10kpa，不能滿足填埋的最低的要求。為此，需要提高淤泥的力學(xué)性質(zhì)，降低含水率。傳統(tǒng)的方式是添加水泥和石灰等固化劑，也使用礦化垃圾作為添加混合料，這些方式需要添加大量的材料，添加量<30%，增加了垃圾量，如果再遇水，將轉(zhuǎn)變成淤泥。采用添加化學(xué)藥劑的方式固化淤泥，可以使淤泥迅速達(dá)到填埋要求的強(qiáng)度和含水率，其在淤泥處理的實(shí)踐中也越來越被接受。

《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》的技術(shù)目的是針對現(xiàn)實(shí)情況淤泥處理中存在的技術(shù)不足，提供一種成本低、固化效果好的淤泥固化劑，其可直接用于高含水量泥漿的固化，如來自污水處理廠、工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的污泥或淤泥，來自河道、湖泊等產(chǎn)生的淤泥，并同樣適用于水泥漿的固化，具有廣闊的應(yīng)用前景。

淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝技術(shù)方案

一種淤泥固化劑，其包括以下重量配比的組分：25～45份的粉煤灰、20～30份的膨脹樹脂，15～20份的水泥，7～9份的水玻璃，10～12份的硅藻土，10～12份的生石灰，6～9份氫氧化鈉，3～8份的硫酸鋁，8～10份的聚丙烯酰胺，6～8份的高氯酸鎂，5～15份的石英砂。

《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》上述所述的淤泥固化劑中，水泥的作用是增加淤泥的膠黏性，使淤泥粘合在一起，并使淤泥硬化。

粉煤灰包括很多密實(shí)顆粒，其粒徑非常小，會發(fā)生水化作用，除此以為還存在多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)。粉煤灰內(nèi)含一些金屬氧化物可以與水發(fā)生反應(yīng)，因此，其可以吸水。粉煤灰可以很好的填充膨脹石墨中孔隙中，由于其內(nèi)也存在多孔結(jié)構(gòu)，其可以作為更小顆粒的二級寄生載體。粉煤灰在膨脹石墨的孔隙中吸收水份的水份的時候存在物理吸水和化學(xué)吸水兩種方式。由于粉煤灰是用于寄生在膨脹石墨中的，因此，其用量不宜多，應(yīng)少于膨脹石墨的用量。

生石灰，其主要是用于吸水，并產(chǎn)生大量熱量，使淤泥處于一個溫度較高的環(huán)境中，溫度較高有利于提高微粒之間的化學(xué)反應(yīng)速度和效果，以及也可以加速水份的蒸發(fā)。其還用于調(diào)節(jié)淤泥的酸度，使環(huán)境呈堿性。當(dāng)生石灰顆粒存在于膨脹石墨的孔隙中的時候，其可以吸收由膨脹石墨表面擴(kuò)散過來的水份，并與之反應(yīng)產(chǎn)生熱量，熱能蒸發(fā)周圍的水份，這個過程能夠加速水份在膨脹石墨的孔隙中的擴(kuò)散速度，有利于其它吸水物質(zhì)吸收水份。

膨脹樹脂用于吸收淤泥中對于固化劑其它成份來說不能吸收的過量的水。由于可膨脹石墨主要是用于作為其它吸水物質(zhì)的寄生載體，其吸水能力有限。對于含水量不同的淤泥，并不完全適用。為了適應(yīng)更寬含水量范圍的淤泥，加入一定量的膨脹樹脂作為對可膨脹石墨的補(bǔ)充顯得尤為必要。但是膨脹樹脂吸水后柔軟松散，其會減弱淤泥的硬度，即抵消膨脹石墨對淤泥產(chǎn)生的硬度影響。為了加強(qiáng)淤泥的硬度，因此，加入水玻璃作為淤泥的硬度調(diào)節(jié)。水玻璃同時可以吸收一部分的水。

發(fā)明人根據(jù)上述淤泥固花的處理效果，對淤泥固化劑進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)選，所述的淤泥固化劑包括以下重量配比的組分：35份的粉煤灰、25份的膨脹樹脂，18份的水泥，8份的水玻璃，11份的硅藻土，11份的生石灰，8份氫氧化鈉，6份的硫酸鋁，9份的聚丙烯酰胺，7份的高氯酸鎂，10份的石英砂，淤泥的固化效果更好。

《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》上述所述的淤泥固化劑可應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)中所公開的淤泥處理系統(tǒng)，均能取得滿意的淤泥固化效果。發(fā)明人經(jīng)過大量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》淤泥固化劑使用下述所述的淤泥固化系統(tǒng)處理時，其對淤泥的固化處理效果更佳，該淤泥固化處理系統(tǒng)包括貯泥池（1）、砼泵（2）、螺旋攪拌機(jī)（3）、粉料供給機(jī)（5）、固化劑儲存罐（10）和恒壓恒流泵（8），其中貯泥池（1）通過第一輸料裝置（4）與砼泵（2）連接并可將淤泥送入砼泵（2），砼泵（2）通過管路（6）與螺旋攪拌機(jī)（3）連接，螺旋攪拌機(jī)（3）還與粉料供給機(jī)（5）和恒壓恒流泵（8）連接，并有一出口（7）；螺旋攪拌機(jī)（3）的出口（7）正對著第二輸料裝置（9）的入料口，第二輸料裝置（9）連接卸料裝置（11）。所述的固化劑儲存罐（10）通過管路（12）與粉料供給機(jī)（5）連接用以將粉料加入供給機(jī)中。

上述所述的淤泥固化處理方法中，所述的螺旋攪拌機(jī)（3）優(yōu)選為單軸螺旋攪拌機(jī)。所述的第一輸料裝置（4）為挖掘機(jī)、皮帶輸送機(jī)或螺旋輸送機(jī)。所述的第二輸料裝置（9）為砼泵車或皮帶輸送機(jī)。

《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》還公開一種利用《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》所述淤泥固化劑的淤泥固化處理的方法，其使用上述所述的淤泥固化系統(tǒng)，其包括以下步驟：

a.將含水70%-90%的淤泥通過淤泥泵從進(jìn)料口送至預(yù)處理格柵進(jìn)行清除雜物的預(yù)處理后再送入貯泥池（1）；

b.將淤泥通過第一輸料裝置（4）將貯泥池（1）中的淤泥送至砼泵（2），再通過管路（6）送至螺旋攪拌機(jī)（3），同時將粉體固化劑通過粉料供應(yīng)機(jī)將粉體固化劑及恒壓恒流泵將《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》所述的固化劑一并通過固化劑添加入口（18）加入螺旋攪拌機(jī)（3）中進(jìn)行攪拌；

c.通過第二輸料裝置（9）將固化后的泥漿送至堆填場。

其中，所述的螺旋攪拌機(jī)（3）包括一臺電機(jī)（13），用以驅(qū)動攪拌軸（14）在攪拌桶（15）內(nèi)轉(zhuǎn)動；一個入料口（16）、一個出料口（17）及一個固化劑添加入口（18），攪拌軸（14）上靠近入料口（16）處為螺旋葉片（19），攪拌軸（14）上靠近出料口（17）處為攪拌葉片（20）。

該淤泥固化系統(tǒng)及淤泥固化工藝，其優(yōu)點(diǎn)如下：其能夠?qū)⒕目闪鲃拥挠倌嗤ㄟ^管道攪拌機(jī)的攪拌使之與固化劑充分拌合，讓固化劑能夠發(fā)揮高效作用而達(dá)到固化淤泥的目的；其能連續(xù)作業(yè)，自動化程度比較高，主體設(shè)備之間的連接是管道連接，容易實(shí)現(xiàn)半自動化施工；系統(tǒng)所述攪拌機(jī)采用單軸螺旋，設(shè)備的前半部分為螺旋推進(jìn)，后部分為攪拌，同時將推進(jìn)和攪拌功能結(jié)合在一起，減少了占地面積，提高了功效；與管道攪拌機(jī)配套的主要設(shè)備粉料供應(yīng)機(jī)的供料系統(tǒng)是連續(xù)計(jì)量供料的，能保證整個系統(tǒng)可連續(xù)作業(yè)的要求；通過泵與管道配合輸送，最大限度的降低了淤泥運(yùn)輸對道路的要求，能提高淤泥的輸送效率。

有鑒于此，《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》還請求保護(hù)一種上述淤泥固化劑的應(yīng)用，即所述的淤泥固化劑在淤泥固化處理中的應(yīng)用。

淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝改善效果

1、《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》所述的淤泥固化劑的組成簡單，所述的組分廉價易得，其用于淤泥固化處理時不僅工藝簡單，而且處理成本大大降低，適合應(yīng)用到水利上淤泥固化處理單元。

2、《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》所述的淤泥固化劑中含有多種固化組分，如吸水劑生石灰，水玻璃、酸堿調(diào)節(jié)劑、金屬鹽類以及樹脂等，其對于淤泥的處理通過多種方式發(fā)揮作用從而起到固化效果，因此其對于淤泥特別是城市淤泥的固化處理效果較好。

3、《淤泥固化劑及使用淤泥固化劑的淤泥固化工藝》所述的淤泥固化劑處理后的淤泥不僅無限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)能夠滿足填埋要求，而且無限抗壓強(qiáng)度隨時間延長迅速增大，淤泥固化產(chǎn)品的力學(xué)性能基本趨向穩(wěn)定。其中當(dāng)淤泥固化劑包括以下重量配比的組分：35份的粉煤灰、25份的膨脹樹脂，18份的水泥，8份的水玻璃，11份的硅藻土，11份的生石灰，8份氫氧化鈉，6份的硫酸鋁，9份的聚丙烯酰胺，7份的高氯酸鎂，10份的石英砂，淤泥的固化效果更好。