典型行业含砷废渣固化-稳定化处理技术研究

蒋勇军 ，俞 音 ，章媛媛 ，姜 雪

（1.新疆新能源（集团）环境发展有限公司，乌鲁木齐 830026；2.新疆环境保护科学研究院；3.新疆环境污染监控与风险预警重点实验室；4.新疆清洁生产工程技术研究中心，乌鲁木齐 830011）

砷具有较强的生物毒性，通常在有色金属矿中大量伴生，随着中国新型工业化进程的加快及社会经济的发展，金属冶炼行业所产生的含砷固体废物日益增长。据统计，全球每年因工业活动产生的砷超过120万t被直接排入环境中，我国每年产生含砷固废达50万t，堆存量已达200万t，存在严重的环境污染隐患，甚至可能引发环境事故。

目前，国内外对含砷废渣处理与处置的研究热点聚焦于无机胶凝材料固化、药剂稳定处理、回炉熔炼等技术，其中，水泥固化辅助药剂稳定化处理含砷废渣的组合技术凭借成本低、工艺成熟、技术适用等优点，具有较好的推广和应用价值。本文以新疆某铜冶炼厂含砷废渣为研究对象，采用固化-稳定化处理技术，通过设计正交试验，确定最佳药剂配方和技术参数，对含砷废渣中的有毒重金属进行无害化处理，有效降低有毒重金属的环境迁移速率，为砷污染控制提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为铜冶炼厂含砷废渣，该含砷废渣中的砷于铜矿石原料中伴生，铜矿石原料同时含有汞、铅、锌、铜等重金属。这些重金属冶炼时随着烟气进入废酸液中，经中和处理，富集于含水率约65%的含砷废渣中。本试验采用的固化材料为425号普通硅酸盐水泥；电石渣为聚氯乙烯（PVC）行业干法电石渣粉，主要成分为氢氧化钙，可与含砷废渣反应生成砷酸钙沉淀；稳定剂A为含铁化合物，可与含砷废渣反应生成砷酸铁沉淀；稳定剂B为含硫化合物，可与含砷废渣反应，改变砷的化学形式，同时它可与其中重金属反应生成沉淀，降低重金属毒性。试验仪器包含JJ-5水泥胶砂搅拌机、分析天平ME204T、三联立方试模等。

下面对含砷废渣样品成分进行分析，结果如表1所示。

表1 含砷废渣主要成分分析结果

含砷废渣中，Ca元素、As元素、S元素、Zn元素的含量较高，其中As元素含量达到11.2%。同时，对不同含砷废渣样品进行浸出毒性检测，结果如表2所示。检测结果表明，样品中汞、砷浸出浓度超出《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）的限值，其中砷的平均浸出浓度为596.25 mg/L，平均超标倍数为119.25倍，最高超标倍数为142倍。

表2 含砷废渣浸出毒性检测结果

1.2 试验方法

选取具有代表性的样品开展固化-稳定化试验，具体试验方法如下：称取一定质量的含砷废渣，加入适量的水，充分搅拌均匀；按一定比例称取电石渣、稳定剂A、稳定剂B，分步加入并充分搅拌；向搅拌混匀后的物料中加入水泥，并按设计水灰比补足水量，在胶砂搅拌机中搅拌均匀后停机；向三联立方试模中注入搅拌后的物料，并进行捣实、刮平；洒水养护，成型后脱模，并进行自然养护；达到养护龄期后，将试样破碎、筛分，并进行浸出毒性检测。

处理后的样品按照《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）制备浸出液，采用《固体废物 金属元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》（HJ 766—2015）测定浸出液中Pb、Cd、Ni、As、Cu、Zn的质量浓度，采用《固体废物 总铬的测定 二苯碳酰二肼分光光度法》（GB/T 15555.5—1995）测定浸出液中Cr的质量浓度，采用《固体废物 总汞的测定 冷原子吸收分光光度法》（GBT 15555.1—1995）测定浸出液中Hg的质量浓度。

2 固化-稳定化技术优化试验

本试验结合含砷废渣中污染物特性及前期研究基础，将电石渣掺量（A）、稳定剂A掺量（B）、稳定剂B掺量（C）、水泥掺量（D）、水灰比（E）作为影响含砷废渣无害化处理的主要因素，通过建立5因素4水平的正交试验，确定固化-稳定化技术的最优参数。

2.1 基准配比的确定

正交试验开始前，先对含砷废渣进行初步试验，确定基准配比，以达到能够固化的基本条件及可接受的处理效果，从而以基准配比为依据，设计正交试验。本试验按照所确定的试验因素，通过试拌判定拌合物的稠度、成型效果，并进行重金属浸出毒性检测，确定当因素A、B、C、D、E分别为0.010、0.005、0.005、0.100、0.200时，拌合物的成型效果及超标因子浸出毒性控制效果较好，因而将上述配比作为本试验的基准配比。

2.2 因素水平的确定

本试验以含砷废渣为基准量，结合因素A、B、C、D、E的不同情况，分别设置4个水平，根据正交试验设计原理，各因素和水平设计如表3所示。

表3 正交试验因素与水平

2.3 试验结果

在不同因素和水平下，按照试验方法开展固化-稳定化试验，试验中试体养护时间为28 d，对养护28 d后的试体进行浸出毒性检测，正交试验结果如表4所示，并对该试验过程进行均值和极差分析，分析结果如表5所示。

表4 正交试验结果

由表5可知，对于含砷废渣处理后砷浸出浓度，各因素影响程度从大到小的排序为A＞B＞D＞E＞C，即电石渣掺量、稳定剂A掺量是影响产物砷浸出浓度的主要因素，水泥掺量、水灰比对产物砷浸出浓度的影响次之，稳定剂B掺量影响最小。同时，通过同因素不同水平的竖向比较可得，本次正交试验的最佳水平组合为ABCDE，即（含砷废渣）∶（电石渣）∶（稳定剂A）∶（稳定剂B）∶（水泥）=1.000∶0.025∶0.020∶0.010∶0.300，水灰比为0.4。

表5 砷浸出浓度均值和极差

3 含砷废渣固化-稳定化试验的应用

在（含砷废渣）∶（电石渣）∶（稳定剂A）∶（稳定剂B）∶（水泥）=1.000∶0.025∶0.020∶0.010∶0.300，水灰比为0.4的最佳条件下，选取铜冶炼厂具有代表性且较难处理的混合样品进行应用研究。其中，稳定剂A、稳定剂B采用工业级产品，采用同样的条件进行3组平行试验，对含砷废渣进行处理，试体养护28 d后的浸出毒性检测结果如表6所示。

由表6可知，无害化处理后的含砷废渣试体中砷的浸出浓度最低为1.07 mg/L，平均为1.09 mg/L。三组试体结果均低于《危险废物填埋污染控制标准》（GB 18598—2019）中砷的指标限值（1.2 mg/L），其他主要重金属浸出浓度均满足标准要求。

表6 处理后废渣主要重金属指标的浸出毒性检测结果

4 结论

本文以铜冶炼厂含砷废渣作为研究对象，运用正交试验原理，对固化-稳定化处理技术的最优配方及工艺参数进行研究。研究结果表明，向含砷废渣中依次加入水、电石渣、稳定剂A、稳定剂B、水泥等稳定剂和固化剂，可有效降低含砷废渣中砷的浸出浓度，达到含砷废渣无害化处理的目的。通过正交试验得到的最优条件处理后，含砷废渣中砷的浸出浓度由最初的618 mg/L平均降低至1.09 mg/L，低于《危险废物填埋污染控制标准》（GB 18598—2019）的限值（1.2 mg/L），其他主要重金属指标均满足要求，处理后废渣可直接进行无害化填埋处置。含砷废渣固化-稳定化处理技术具有较好的应用和推广前景，但是固化剂和稳定剂的添加量较大，导致处理后废渣增容比大，如何降低填埋处置及管理成本是亟待解决的问题，成为后续研究的主要方向。