楊秀紅 何 洋 柯 然

(合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 概述

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，重金屬污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)峻。固化/穩(wěn)定法是目前常用的治理重金屬污染土的技術(shù)之一。固化/穩(wěn)定法采用機(jī)械攪拌將重金屬污染土與固化劑攪拌處理，通過(guò)一系列物理化學(xué)反應(yīng)達(dá)到固化污染物的目的。常用的固化劑有水泥、粉煤灰、石灰等[1,2]。關(guān)于利用水泥、粉煤灰、石灰等固化污染土已開展了大量的研究。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[3]：利用水泥固化低濃度的重金屬污染土，其工程特性都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；但對(duì)于高濃度的重金屬污染土，濾出液的重金屬濃度較高，不符合標(biāo)準(zhǔn)。只能通過(guò)提高水泥摻量來(lái)滿足要求，水泥摻量的提高就會(huì)大大增加治理成本，所以，必須研制新的固化劑來(lái)滿足穩(wěn)定的工程特性和低成本的雙重要求。查閱資料發(fā)現(xiàn)[4]，堿渣中含有大量的CaCO3,CaCl2,SiO2,CaO等化學(xué)成分，具有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，可用于土體的改良。而且，堿渣是氨堿法制堿過(guò)程中排放的廢棄物，大量的堿渣堆積形成一片白海，對(duì)周圍的環(huán)境造成了極大的污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年用于堿渣排放的費(fèi)用約為1 000萬(wàn)元[5]。所以，用堿渣代替水泥作為新的固化劑改良污染土可以變廢為寶，一舉兩得。

因此，針對(duì)堿渣固化鋅污染土的強(qiáng)度特性、淋濾特性，本文通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、TCLP試驗(yàn)，主要研究了初始鋅離子濃度與堿渣摻量對(duì)堿渣固化鋅污染土的工程特性、淋濾特性及微觀結(jié)構(gòu)變化的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自蕪湖市某小區(qū)工地粘土，取土深度3.0 m～3.5 m，呈黃褐色，硬塑狀態(tài),原狀土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

堿渣取自山東市濰坊某堿廠，主要成分有CaCO3,CaCl2,SiO2,CaO等，具體成分如表2所示。污染物選用六水合硝酸鋅(Zn(NO3)2·6H2O)。

表2 堿渣的化學(xué)組成[7] %

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1設(shè)計(jì)配合比

為比較不同堿渣摻量和不同鋅離子濃度對(duì)固化鋅污染土工程特性、淋濾特性及微觀結(jié)構(gòu)變化的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)堿渣與干土的質(zhì)量比為20%,30%,40%,50%,60%；污染物采用六水合硝酸鋅，含量分別為5 000 mg/kg,10 000 mg/kg,20 000 mg/kg,30 000 mg/kg。

2.2.2試樣制備

首先將試驗(yàn)用土和堿渣放在烘干箱(溫度100 ℃)中烘干24 h，取出土樣碾碎，過(guò)2 mm篩。根據(jù)設(shè)計(jì)的含水率(30%)和鋅離子濃度，將水與硝酸鋅混合攪拌，使其充分溶解。根據(jù)設(shè)計(jì)的堿渣摻量，將干土與堿渣攪拌均勻，加入鋅離子溶液，繼續(xù)攪拌使各摻量混合均勻。以試驗(yàn)用土的最大干密度的90%為標(biāo)準(zhǔn)，將土樣制成φ5×5 cm的柱狀試樣，放入密封的塑料袋中，放在養(yǎng)護(hù)箱(溫度20%，相對(duì)濕度95%)中養(yǎng)護(hù)28 d。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 堿渣固化鋅污染土的強(qiáng)度特性分析

圖1為鋅離子濃度和堿渣摻量對(duì)固化鋅污染土的無(wú)側(cè)限強(qiáng)度影響。從圖1中可以看出，對(duì)任一鋅離子濃度，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著堿渣摻量的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),在堿渣摻量為30%時(shí)取到峰值，所以本試驗(yàn)中堿渣的最優(yōu)配比為30%。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的明顯增加，是因?yàn)閴A渣中的一些物質(zhì)與土體顆粒質(zhì)之間存在離子交換或水化反應(yīng)等，生成具有膠結(jié)作用的凝膠體，使試樣整體變得更加密實(shí)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的減小是因?yàn)榧儔A渣的強(qiáng)度幾乎沒(méi)有，所以摻入大量的堿渣后，沒(méi)有參與水化反應(yīng)的多余堿渣由于本身的性質(zhì)使得試樣強(qiáng)度降低。

從圖1中可以得到，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨鋅離子濃度的增加而減小。查閱文獻(xiàn)可知，鋅離子屬于兩性金屬，這一特征使得鋅的部分氫氧化物可逐漸溶解于水中，形成Ca[Zn(OH)3H2O]2等沉淀，這些沉淀物包裹了堿渣顆粒，使之不能與土中的水結(jié)合，從而抑制了水化反應(yīng)的進(jìn)行，所以無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨鋅離子的增大呈下降趨勢(shì)。這一結(jié)果也與魏明俐等研究的高于臨界濃度0.05%，強(qiáng)度隨鋅離子濃度的增加而減小的試驗(yàn)結(jié)果相一致。

3.2 堿渣固化鋅污染土的淋濾特性分析

如圖2所示為不同鋅離子摻量、不同堿渣摻量下浸出液中鋅離子的濾出濃度。從圖2可以看出，浸出液中鋅離子濃度隨堿渣摻量的增加而減小，這一結(jié)果說(shuō)明堿渣對(duì)于鋅離子有著良好的固化作用。初始鋅離子濃度低于1%時(shí)，浸出液中鋅離子的濾出濃度隨堿渣摻量的增加變化不大，較為穩(wěn)定，且濾出濃度低于環(huán)境允許限值100 mg/L。這是因?yàn)閴A渣與土的一系列物理化學(xué)反應(yīng)形成了CSH類的水化凝膠體，這些微孔隙物質(zhì)具有極大的比表面積和表面能，一方面可以吸附重金屬離子，另一方面還可以通過(guò)膠結(jié)包裹作用將金屬離子穩(wěn)定在土體內(nèi)。所以堿渣摻量越高，固化效果越好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)人工制備的不同堿渣摻量與不同Zn2+濃度的污染土進(jìn)行無(wú)側(cè)限試驗(yàn)、淋濾實(shí)驗(yàn)研究，來(lái)探索鋅污染土的工程性質(zhì)。得到了如下結(jié)論：

1)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著鋅離子濃度的增加呈下降趨勢(shì)。2)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著堿渣摻量的增加先增大后減小，在堿渣摻量為30%時(shí)得到最大值。3)鋅離子含量較低時(shí)，固化效果良好；鋅離子含量較高時(shí)，濾出液中鋅離子濃度隨堿渣摻量的增加而下降。