模拟酸雨对冶炼废渣中重金属溶出行为的影响

韦岩松,甘志欢，韦德阳

(河池学院 化学与生物工程学院，广西 河池 546300)

湿法炼锌生产过程的不同阶段所产生的典型固体废渣有铜镉渣、净化渣、铅渣、中和渣和转窑渣等[1]，其中常含有Cd、Cr、Cu、Pb、Zn等有价金属。大部分过程渣得到有效处理，最后的终渣——转窑渣因数量巨大，结构复杂，所含有价金属品位较低，处理成本较高[2]，企业对其实际利用率低于10%，绝大多数以堆放、围隔堆存、填埋等方式处置[3]。

重金属离子扩散迁移是堆场废渣在雨水，特别是酸雨淋溶作用下产生的普遍现象和主要物理化学变化，也是固体废物污染环境的主要途径[4-5]。虽然废渣对金属离子有较强的包容固定能力，但在一定水热作用和酸性环境下，被包容的元素会迁移释放。厂区露天堆放的废渣经风吹、日晒、雨淋、水浸等环境作用，其中重金属的化学形态和稳定性会发生变化[6]，溶渗量和移动性随堆放时间持续而不断增大，淋溶液的排放对地表水、土壤及地下水存在污染隐患[7-8]。因此，冶炼废渣、废水重金属污染控制及无害化处置等课题亟待研究。

为探索含重金属废渣在酸雨条件下衍生环境效应过程、机制和影响因素，提高企业对废渣堆场管理的针对性和有效性，试验模拟了废渣堆场在酸雨淋浸状态下废渣自然堆放和压实堆放等不同状态，考察了废渣粒度、含水率、渣堆压缩比及淋浸剂pH等因素对重金属淋溶行为的影响，以期提高对废渣中重金属迁移规律的认识，为优化废渣堆场控制参数和堆存技术提供依据。

1 试验部分

1.1 试验材料及装置

铅标准溶液、镉标准溶液、砷标准溶液、硫脲、抗坏血酸、硝酸、盐酸、硫酸，均为分析纯；水，超纯水。

工业转窑渣，采自广西金山铟锗冶金化工有限公司转窑炉废渣渣场，经干燥、粉碎，筛分至2～5目、5～16目、16～32目、32～60目、60～120目、150～200目。

GGX-800 AA5型火焰原子吸收分光光度计，AFDS-9900型四道原子荧光光度计，AS-99型自动进样器，GJ-Ⅱ型密封式制样粉碎机，DHG-9245A型鼓风干燥箱，EL-220S型分析天平等。

为模仿自然降雨条件下废渣堆体的动态淋溶效果，解决常用土柱淋滤试验装置存在的非自然堆放导致优先流通道问题、侧壁流动问题[9]及高阻力导致溶液浸泡问题等，真实展现渣堆的结构特征、颗粒分布和淋滤状况，设计和制作了一套渣堆淋浸试验装置。装置的三视图如图1所示。

1—框架；2—容器;3—漏斗；4—活动筛斗；5—喷头;6—阀门；7—活接头；8—导管；9—水箱。

渣堆淋溶装置的整体框架用25 mm不锈钢方通制作；上部水箱材料为透明有机玻璃，尺寸为250 mm×200 mm×200 mm，容量约8 L；水箱底部导出管连接控制阀门和花洒喷头；中部为φ350 mm活动渣堆筛斗和固定的锥形滤液漏斗，材质均为不锈钢板；筛斗高200 mm，底部冲压钻孔φ6 mm×96 mm，锥形漏斗上径φ450 mm，下径φ50 mm；下部为支承板及收集溶液用的大号玻璃烧杯。

1.2 试验方法

试验前，在筛斗底部铺设数层300目过滤纱布和脱脂棉，将一定量废渣自然堆放于筛斗中央；水箱中加入一定量仿酸雨溶液，由阀门控制溶液流出速度，固定喷头淋洒溶液于废渣堆体，淋出液经筛斗进入滤液漏斗后收集于下方大玻璃容器中。

用原子吸收分光光度法测定滤液中镉、铅浓度，用原子荧光光度法测定滤液中砷浓度。

废渣粒度16～32目，滤渣含水率2%，溶液pH=5，废渣质量600 g且自然堆放，分别改变淋浸剂pH、废渣粒度范围、废渣含水率、渣堆压缩比，进行单因素淋浸试验，每个水平下进行4次试验，每次接取滤液1 000 mL，测定镉、铅、砷质量浓度，取平均值。进行压实淋溶试验时，另准备一定体积无底木盒模型，把渣堆分别压缩到0.75、0.5、0.4 V，与未压实状态一起进行淋浸试验。

2 试验结果与讨论

2.1 淋浸剂pH对镉、铅、砷淋溶效果的影响

仿酸雨淋浸剂pH分别为3、4、5、6、7，淋出液中镉、铅、砷平均质量浓度的变化如图2所示。可以看出：随淋浸剂pH增大，酸性逐渐减弱，对废渣中重金属的浸出能力降低，淋出液中镉、铅、砷质量浓度均呈下降趋势，其中，淋出液中砷质量浓度变化尤为明显。

图2 淋浸剂pH对淋出液中镉、铅、砷质量浓度的影响

2.2 废渣粒度对镉、铅、砷淋溶效果的影响

废渣粒度为2～5、5～16、16～32、60～120、150～200目，淋出液中镉、铅、砷平均质量浓度的变化如图3所示。

图3 废渣粒度对淋出液中镉、铅、砷质量浓度的影响

由图3看出，随废渣粒度减小，淋出液中镉、铅、砷质量浓度升高。这是因为废渣粒度越小，比表面积越大，淋浸剂与颗粒中的重金属微粒接触机会就越多，浸出过程越容易，故淋出液中重金属质量浓度较大；当废渣粒度为16～32目时，砷溶出量开始大幅提高。若要保持废渣中重金属相对稳定，淋溶浸出量少，则应保持较大废渣粒度，粒径以不小于1 mm(16目)为宜。

2.3 废渣含水率对镉、铅、砷淋溶效果的影响

废渣含水率分别为0、1%、2%、4%、8%，淋出液中镉、铅、砷质量浓度的变化如图4所示。可以看出，随废渣含水率增大，淋出液中镉、铅、砷质量浓度有升高趋势。干燥的废渣具有疏水性，不利于水的入渗；而水对废渣土石具有软化、溶蚀和水楔作用[10]，当水分子进入土石颗粒间隙后，可削弱颗粒之间的黏聚力，减小内摩擦角[11]，使废渣堆体发生膨胀，结构变得松弛，进而增大水分子入渗速率和入渗量[12]；废渣含水率增大可使重金属溶出过程得以加强。通常，冶炼厂未处理的废渣含水率为8%左右，此时淋出液中镉、铅、砷质量浓度分别为0.169 1、0.116 7、0.303 3 μg/mL，均高于地表水环境Ⅴ类质量标准(GB 3838—2002)中的相应指标。生产中应尽可能控制渣堆含水率低于2%，以减弱重金属的溶浸迁移行为。

图4 废渣含水率对淋出液中镉、铅、砷质量浓度的影响

2.4 渣堆压缩比对镉、铅、砷淋溶效果的影响

渣堆压缩比分别为0.4、0.5、0.75、1.0、渣堆压缩比对淋出液中镉、铅、砷质量浓度的影响试验结果如图5所示。

图5 渣堆压缩比对淋出液中镉、铅、砷质量浓度的影响

由图5看出：渣堆体积压缩25%时，淋出液中重金属质量浓度有小幅下降；渣堆体积压缩50%时，重金属质量浓度有较大幅度降低，其中砷平均质量浓度下降幅度最大。压实可导致废渣密实度增大，空隙率降低，比表面积减小，当淋浸剂喷洒时液体不能很快渗入废渣堆体内部，与废渣颗粒接触面积减小、接触时间缩短，故金属浸出量降低。

3 结论

酸雨的淋浸作用对废渣堆体中的镉、铅、砷等重金属的浸出迁移行为有显著影响，酸雨pH越小，重金属浸出量越大，渣堆应避免露天堆放或采取覆膜避雨措施。

废渣颗粒越小，重金属浸出迁移行为越易发生，颗粒粒径以不小于1 mm(16目)为宜。废渣含水率以不大于2%为宜，含水率增大会使重金属的溶浸行为加强，应采取措施保持渣堆通风、干燥。渣堆压实可使重金属浸出迁移能力降低，压实比应大于50%。

参考文献：

[1] 韦岩松，吕雪丽，王振峰，等.锌铟冶炼过程中镉砷的流向及在废渣中的分布[J].湿法冶金，2014，135(3)：219-221.

[2] 卢宇飞，熊国焕，何艳明.锌冶炼浸出渣资源化利用技术分析[J].云南冶金，2014，43(1)：93-96.

[3] 何启贤，陆玺争.铅锑冶金生产技术[M].北京:冶金工业出版社,2005.

[4] ZVERD A,ERDEM M.Environmental risk assessment and stabilization/solidification of zinc extraction residue：Ⅰ：environmental risk assessment[J].Hydrometallurgy,2010,100 (3/4):103-109.

[5] 饶中秀，朱奇宏，黄道友，等.模拟酸雨条件下海泡石对污染红壤镉铅淋溶的影响[J].水土保持学报，2013，27(3)：23-27.

[6] 刘爱明，杨柳，庄红波，等.生态环境中重金属的化学形态转化及影响因素研究[J].安徽农业科学，2011，39(22)：13644-13645.

[7] 黄奎贤，覃柳妹，吴少珍，等.广西河池市重金属污染现状分析与治理对策[J].广西科学院学报,2012,28(4):320-324.

[8] 项萌，张国平，李玲，等．广西河池铅锑矿冶炼区土壤中锑等重金属的分布特征及影响因素分析[J].地球和环境，2010，38(4)：495-500.

[9] 聂静，曾强，光布加甫·珊珠，等.土柱淋滤实验应用进展与展望[C]//中国环境科学学会.中国环境科学学会学术年会论文集.北京：中国环境科学学会，2014：6370-6374.

[10] 李天斌，陈子全，陈国庆，等.不同含水率作用下砂岩的能量机制研究[J].岩土力学，2015，36(增刊2)：229-236.

[11] 肖军华，刘建坤，彭丽云，等.黄河冲积粉土的密实度及含水率对力学性质影响[J].岩土力学，2008，29(2)：409-414.

[12] 高朝侠，徐学选，赵传普，等.土壤初始含水率对优先流的影响[J].中国水土保持科学，2014，12(1)：46-54.