利用累托石固化含砷石灰铁盐渣的研究

阮福辉，欧阳作梁，杜冬云

(1.中南民族大学 环境科学与工程研究所，湖北 武汉 430074；2.中南民族大学化学与材料科学学院 催化材料科学国家民委-教育部共建重点实验室，湖北 武汉 430074)

在利用冶炼烟气生产硫酸的过程中会产生大量的酸性废水，简称污酸。该类废水不仅含有大量的稀酸，且含有砷、镉、铜、铅等多种有毒物质[1,2]。含砷废水的处理方法主要有石灰法、石灰-铁盐法、硫化法、离子交换法等[3～6]，其中污酸废水大多采用石灰-铁盐法处理，因此产生了数量巨大的含砷石灰铁盐渣(砷渣)[7]。在自然条件下，砷渣中的砷及重金属会再次浸出进入环境，造成二次污染，因此对砷渣的安全处理与处置研究有着重要的现实意义。

目前，国内外对砷渣的处理主要采用固化处理技术，如水泥固化、药剂固化、塑性固化、熔融固化等[8～11]，其中水泥固化技术因其固化材料廉价易得、处理成本低且效果好得到广泛的应用[12]。Choi等[13]以水泥固化含砷尾矿，研究了水泥添加量对重金属砷、铅等浸出率的影响，结果发现，当水泥添加量为7.5％(质量分数)时，砷、铅的浸出浓度低于危险废物限定值。Palfy等[11]将含砷污泥与水泥、亚铁盐混合固化，固化后砷的浸出浓度从处理前的6430 mg·L-1降到了0.823 mg·L-1。近几年，不少研究者在水泥固化砷渣中添加粉煤灰、火山灰、沸石等，以增强固化效果[14,15]。

累托石属钠钙层状构造铝硅酸盐矿物，其晶体结构由钠云母与蒙皂石单元层有规则地交替堆积而成，具有较强的吸附性与分散性[16]，常作为废水处理的吸附剂[17，18]。作者以水泥体系对含砷石灰铁盐渣进行固化处理，并添加累托石以期增强固化效果，同时探讨了固化材料配比、陈化时间对固化效果的影响。

1 实验

1.1 供试砷渣与固化材料

砷渣取自于湖北某有色金属公司硫酸生产含砷废水处理后的废渣。渣样经自然晾干、粉碎、研磨，粒度小于180 μm，在105 ℃下烘干，备用。

水泥为普通硅酸盐水泥。累托石为无机不改性钙基累托石。粉煤灰是从锅炉烟气中收集的粉状灰粒，属于人工火山灰质混合材料。黄砂为建筑用普通河砂。

1.2 试剂与仪器

二乙基二硫代氨基甲酸银、氯仿、无砷锌粒、氯化亚锡、碘化钾、冰醋酸，均为分析纯。

恒温振荡器，国华企业；AA-6300型原子吸收光谱仪、UV-1750型紫外分光光度计，日本岛津公司。

1.3 方法

将砷渣、水泥、累托石、粉煤灰、黄砂等按配比称量混合，加入一定量的蒸馏水，搅拌均匀，将搅拌后的物料注入模具，室温下养护10 d，将试样破碎后用于浸出毒性实验，测定浸出液中有毒成分的浓度。

1.4 分析检测

浸出毒性参照HJ/T 299-2007《固体废物浸出毒性浸出方法——硫酸硝酸法》测定，并与GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准——浸出毒性鉴别》进行比较。

浸出液中砷的测定采用GB 15555.3-1995《二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法》。浸出液中重金属的测定采用原子吸收光谱法。

2 结果与讨论

2.1 砷渣的化学成分及浸出毒性

采用X-射线荧光光谱仪测定砷渣的化学成分，结果见表1。

表1 砷渣的化学成分/％

由表1可知，砷渣中含有砷以及其它重金属有害成分，其中砷的含量高达3.07％。

对砷渣进行浸出毒性鉴定，结果见表2。

表2 砷渣的浸出毒性/mg·L-1

由表2可知，浸出液中砷的浓度高达18.8 mg·L-1，高于危险废物鉴别限定值，表明砷渣存在高浸出危险性，因此应将此类固体废物妥善处理，以免对人类和自然环境造成危害。

2.2 最佳物料配比

采用正交实验，考察ω(水泥)(A)、ω(累托石)(B)、ω(粉煤灰)(C)、ω(黄砂)(D)等因素对砷渣中砷浸出的影响。正交实验的因素与水平见表3，结果与分析见表4。

表3 正交实验的因素与水平/％

表4 正交实验的结果与分析

由表4可知，各因素对固化体中砷浸出的影响大小依次为：A>B>C>D，即ω(水泥)>ω(累托石)>ω(粉煤灰)>ω(黄砂)。确定的最佳物料配比为：A4B4C4D3，即ω(水泥)=35％，ω(累托石)=20％，ω(粉煤灰)=25％，ω(黄砂)=15％，其余为砷渣[即ω(砷渣)=5％]。虽然这样得出的砷浸出浓度最低，但砷渣的处理量很小，在实际应用中太不经济，为此进行了经济可行性配比的研究。

2.3 经济最佳物料配比实验结果(表5)

表5 经济最佳物料配比实验结果

由表5可知，1#～9#实验砷的浸出浓度均低于国标危险废物鉴别标准，但9#实验处理的砷渣量最大，因此，9#实验的物料配比为经济最佳物料配比。

2.4 陈化时间对固化体中砷浸出的影响

将砷渣与累托石加水搅拌陈化一定时间，晾干研磨后再与粉煤灰、黄砂、水泥混合固化，养护10 d后，再将固化体破碎进行浸出实验，考察陈化时间对固化体中砷浸出的影响，结果见图1。

图1 陈化时间对固化体中砷浸出浓度的影响

由图1可以看出，固化体中砷的浸出浓度随陈化时间的延长有所降低。这是因为，累托石对砷有吸附作用，随着陈化时间的延长，累托石对砷的吸附量增加，因而砷的浸出浓度降低。陈化时间超过2 h后，砷的浸出浓度降低幅度不大。因此，选择陈化时间为2 h。

3 结论

以水泥、累托石、粉煤灰、黄砂等固化硫酸生产废水处理过程中产生的含砷石灰铁盐渣，效果良好，固化材料对砷浸出的影响大小依次为：ω(水泥)>ω(累托石)>ω(粉煤灰)>ω(黄砂)。含砷石灰铁盐渣固化的最佳物料配比为：ω(砷渣)=45％、ω(水泥)=35％、ω(累托石)=10％、ω(粉煤灰)=5％、ω(黄砂)=5％。固化体中砷的浸出浓度随陈化时间的延长而降低，陈化时间为2 h时，固化后砷的浸出浓度低于国家限定值。

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