CN103833274A - 一种重金属污染土固化剂及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种重金属污染土固化剂及其使用方法，固化剂为胶凝材料、生物碳、植物纤维和稳定剂的组合，固化剂中各物质的质量按照重金属污染土干重的百分含量添加，胶凝材料10-15%，生物碳5%，植物纤维10%，稳定剂1%。添加顺序依次为稳定剂、生物碳、植物纤维和胶凝材料。在稳定过程中加入化学稳定剂和生物碳，能吸附重金属并使其钝化，失去迁移性，制备重金属污染土泥浆为后期化学反应提供条件，整个处理过程无粉尘污染，无富余污水排放。加入植物纤维，能够有效防止常规固化剂固化重金属污染土后的开裂，提高了固化体的耐久性。本发明可操作性强，成本低，适用性广，资源化利用率高，环境风险低，易于大规模推广。

Description

一种重金属污染土固化剂及其使用方法

技术领域

本发明公开了一种重金属污染土固化剂及其使用方法，属于工程材料及环境工程技术领域。

背景技术

随着城市化、工业化进程的加快，越来越多的土地遭受重金属污染，城市战略布局重新调整，大量的重金属遗留场地急需治理。目前，我国受铬、镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2000万公顷，据估算，全国每年因土壤污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。重金属污染土的修复治理方法主要有固化稳定化、淋洗、动电修复、植物修复、玻璃固化和蒸汽浸提等方法，在众多修复方法中，固化稳定化方法被认为是最为有效的修复方法之一。目前的固化稳定化处理技术，存在以下问题：1)固化剂添加量过大；2)固化体在长期应力荷载以及干湿循环作用下导致的开裂，加速了固化体中重金属离子的浸出；3）环境风险高。

据统计，我国城市餐厨垃圾的年产量不低于6000万吨，市政污泥量每年至少140万吨（干泥），两者对于我国的环境以及人类的健康造成巨大的威胁，如何高效处理餐厨垃圾和市政污泥已迫在眉睫。

我国四川、广西有不少糖厂，有大量的甘蔗渣，从其成份上属于纤维，是糖厂的废弃物；大部分富含纤维素的秸秆被作为废弃物焚烧掉或是仅仅当作燃料，不仅造成了自然资源的浪费，而且污染日益恶化的人类生存环境，这就急需一种更为有效的秸秆处理方法。

发明内容

针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种重金属污染土固化剂及其使用方法，采用经处理后的餐厨垃圾、市政污泥、甘蔗渣和秸秆作为添加物，该方法具有成本低，资源化利用率高，环境风险低的优点，为实现上述目的，其技术解决方案为：

一种重金属污染土固化剂及其使用方法，所述的重金属污染土固化剂为胶凝材料、生物碳、植物纤维和稳定剂的组合。

其中，所述的胶凝材料为水泥或石灰或石膏中的一种。

所述生物碳为市政污泥或压滤后的厨余垃圾在500℃缺氧条件下高温热解而成的多孔碳，生物碳粒径小于50目。

所述植物纤维为甘蔗渣或秸秆经碱煮法获得。

所述的稳定剂为磷酸二氢钾或硫化钠中的一种。

一种重金属污染土固化剂使用方法，所述的使用方法按照以下步骤进行：

A）重金属污染土泥浆制备

采用烘干法测量重金属污染土的含水率ω₀，称取重金属污染土m₀kg，并根据公式

$m_w=\frac{m_0}{1+0.01{\mathrm{\ω}}_0}\×0.01({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_0)---\left(1\right)$

式中：m_w——制备重金属污染土泥浆所需的加水量（kg）

m₀——重金属污染土的质量（kg）

ω₀——重金属污染土含水率（%）

ω₁——重金属污染土泥浆含水率（%），在100-120%范围内选取

计算重金属污染土泥浆制备所需的加水量，根据计算所需的加水量向重金属污染土中添加水，用强力搅拌机搅拌5-10分钟形成重金属污染土泥浆。

B）重金属污染土泥浆稳定化

根据公式

$m_d=\frac{m_0}{1+0.01{\mathrm{\ω}}_0}---\left(2\right)$

式中：m_d——重金属污染土干重（kg）

m₀——重金属污染土的质量（kg）

计算重金属污染土的干重，向重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的1%添加的稳定剂，搅拌5-10分钟，向重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的5%添加的生物碳，搅拌5-10分钟，静置30分钟。

C）重金属污染土泥浆固化

向经B)步骤稳定化后的重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的10-15%和10%分别添加胶凝材料和植物纤维，强力搅拌20分钟，静置。

由于采用了以上技术方案，本发明一种重金属污染土固化剂使用胶凝材料、生物碳、植物纤维和稳定剂的组合，在稳定过程中采用化学稳定剂和污染土泥浆中的重金属反应，使重金属钝化，失去迁移性，制备重金属污染土泥浆为后期化学反应提供条件，整个处理过程无粉尘污染，无富余污水排放。采用厨余垃圾和市政污泥经过高温缺氧热解过程制取生物碳，为餐厨垃圾和市政污泥的处理难题提供了出路，生物碳能够有效吸附稳定污染土中的重金属离子，且生物碳表面积大，具有微集料效应，可降低后期固化污染土孔隙率，提高固化污染土强度。在固化过程中通过添加水泥等胶凝材料，将重金属包裹于固化污染土中，大大降低污染土中重金属离子的迁移性，减小固化污染土中重金属的浸出风险，且水化产物可和生物碳中的活性氧化物发生反应，提高固化污染土强度。采用废弃甘蔗渣和秸秆制取植物纤维，不仅减少了因焚烧带来的环境污染，还实现了废弃物的资源化利用，节约了能源，重金属污染土固化过程中添加植物纤维，能够有效减缓固化体在长期应力荷载及干湿循环作用下的开裂，降低了固化体中重金属的浸出风险，提高了固化体的耐久性。此种组合固化剂不仅能够有效固化重金属污染土，解决了废弃物的处理难题，还实现了废弃物的资源化利用，达到了以废治废的目的；本发明可操作性强，成本低，资源化利用率高，适用性强，环境风险低，易于大规模推广。

具体实施方式

一种重金属污染土固化剂及其使用方法，所述的重金属污染土固化剂为胶凝材料、生物碳、植物纤维和稳定剂的组合。

其中，所述的胶凝材料为水泥、石灰或石膏中的一种，胶凝材料为水泥、石灰或石膏中的一种，水泥、石灰和石膏都是经济性和工程性质均比较好的胶凝材料，在众多修复案例中，这三种胶凝材料都能够满足固化稳定化处理的要求，并且在近年来的国内外重金属污染土修复案列中得到了广泛的应用。

所述生物碳为市政污泥或压滤后的厨余垃圾在500℃缺氧条件下高温热解而成的多孔碳，生物碳粒径小于50目。生物碳为高温热解而成的多孔碳粉碎过50目筛所得筛下物，选择500℃热解厨余垃圾和市政污泥是因为较低的温度会使厨余垃圾和市政污泥中有机质碳化不完全，而温度过高会导致生物碳的产率降低，同时降低了生物碳的吸附效果，而500℃这一温度能够在兼顾生物炭产率的同时，使有机质大量碳化，并且，500℃能够将厨余垃圾中的骨头等一类硬质垃圾碳化完全，便于处理。粉碎至粒径小于50目是为了增加生物碳的比表面积，从而增强生物碳对重金属的吸附能力。

所述植物纤维为甘蔗渣或秸秆经碱煮法获得，甘蔗渣和秸秆均为富含纤维的废弃物，常规的焚烧处理不仅浪费资源，还造成了环境污染。通过常规碱煮法处理甘蔗渣和秸秆，能够经济有效地提取甘蔗渣或秸秆中的纤维，作为固化剂的粘结材料，可提高固化体抗拉强度，防止固化体开裂，从而达到资源化利用的目的。

所述的稳定剂为磷酸二氢钾或硫化钠中的一种，磷酸二氢钾及硫化钠均为有效的重金属稳定剂。磷酸根离子和硫离子均能够在重金属污染土泥浆与众多种类的重金属离子反应生成沉淀，降低重金属离子的迁移性，从而降低固化体的环境风险。

一种重金属污染土固化剂使用方法，所述的使用方法按照以下步骤进行：

A）重金属污染土泥浆制备

采用烘干法测量重金属污染土的含水率ω₀，称取重金属污染土m₀kg，并根据公式

$m_w=\frac{m_0}{1+0.01{\mathrm{\ω}}_0}\×0.01({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_0)---\left(1\right)$

式中：m_w——制备重金属污染土泥浆所需的加水量（kg）

m₀——重金属污染土的质量（kg）

ω₀——重金属污染土含水率（%）

ω₁——重金属污染土泥浆含水率（%），在100-120%范围内选取

计算重金属污染土泥浆制备所需的加水量，根据计算所需的加水量向重金属污染土中添加水，用强力搅拌机搅拌5-10分钟形成重金属污染土泥浆，重金属污染土泥浆的含水率在100%-120%之间，既能保证固化过程中泥浆的流动性，又能保证固化剂的各物质组分能够在此含水率的条件下搅拌均匀。

B）重金属污染土泥浆稳定化

根据公式

$m_d=\frac{m_0}{1+0.01{\mathrm{\ω}}_0}---\left(2\right)$

式中：m_d——重金属污染土干重（kg）

m₀——重金属污染土的质量（kg）

计算重金属污染土的干重，向重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的1%添加的稳定剂，搅拌5-10分钟，向重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的5%添加的生物碳，搅拌5-10分钟，静置30分钟。稳定剂为磷酸二氢钾或硫化钠中的一种，稳定剂和污染土泥浆中的重金属反应，使重金属钝化，失去迁移性，从而降低了重金属离子在固化体中的环境风险。生物碳能够吸附中重金属污染土中的重金属离子，在生物碳吸附完成后，水泥的固化能够将吸附了重金属的生物碳固化于重金属污染土中，从而降低了固化体中重金属离子的浸出风险。

C）重金属污染土泥浆固化

向经B)步骤稳定后的重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的10-15%和10%分别添加胶凝材料和植物纤维，强力搅拌20分钟，静置。在水泥固化重金属污染土的同时加入植物纤维，均匀混合并固化于重金属污染土中，植物纤维能在固化成型后均匀分布于固化体中，植物纤维的存在能够大大提高固化的抗拉性能，有效减缓了固化体在长期应力荷载及干湿循环作用下的开裂而导致的耐久性降低的问题，固化体的开裂能够增加重金属的环境浸出风险，因此，纤维的添加能够有效减小这一问题，提高重金属污染土故固化体的耐久性。

下面结合具体实施案例进一步详细叙述：

实施案例1

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为15%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为100%，按照公式（1）计算得加水量为182.61kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重260.87kg，。将称量好的182.61kg水与重金属污染土混合，搅拌5分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.61kg硫化钠溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌5分钟；搅拌完成30分钟后加入13.04kg生物碳，再次搅拌5分钟；三十分钟后加入26.09kg甘蔗渣纤维和26.09kg水泥，强力搅拌20分钟即可。

实施案例2

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为18%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为110%，按照公式（1）计算得加水量为188.14kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重254.24kg。将称量好的188.14kg水与重金属污染土混合，搅拌7分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.54kg磷酸二氢钾溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌7分钟；搅拌完成30分钟后加入12.71kg生物碳，再次搅拌7分钟；三十分钟后加入25.42kg秸秆纤维和25.42kg石灰，强力搅拌20分钟即可。

实施案例3

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为21%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为120%，按照公式（1）计算得加水量为193.39kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重247.93kg。将称量好的193.39kg水与重金属污染土混合，搅拌8分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.48kg硫化钠溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌8分钟；搅拌完成30分钟后加入12.40kg生物碳，再次搅拌8分钟；三十分钟后加入24.79kg甘蔗渣纤维和24.79kg石膏，强力搅拌20分钟即可。

实施案例4

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为23%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为100%，按照公式（1）计算得加水量为131.71kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重243.90kg。将称量好的131.71kg水与重金属污染土混合，搅拌5分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.44kg磷酸二氢钾溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌5分钟；搅拌完成30分钟后加入12.20kg生物碳，再次搅拌5分钟；三十分钟后加入24.39kg秸秆纤维和26.83kg水泥，强力搅拌20分钟即可。

实施案例5

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为19%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为110%，按照公式（1）计算得加水量为181.51kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重252.10kg。将称量好的181.51kg水与重金属污染土混合，搅拌10分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.52kg硫化钠溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌10分钟；搅拌完成30分钟后加入12.61kg生物碳，再次搅拌10分钟；三十分钟后加入25.21kg甘蔗渣纤维和27.73kg石灰，强力搅拌20分钟即可。

实施案例6

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为18%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为120%，按照公式（1）计算得加水量为213.56kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重254.24kg。将称量好的213.56kg水与重金属污染土混合，搅拌9分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.54kg磷酸二氢钾溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌9分钟；搅拌完成30分钟后加入12.71kg生物碳，再次搅拌9分钟；三十分钟后加入25.42kg秸秆纤维和27.97kg石膏，强力搅拌20分钟即可。

实施案例7

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为18%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为100%，按照公式（1）计算得加水量为162.71kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重254.24kg。将称量好的162.71kg水与重金属污染土混合，搅拌6分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.54kg硫化钠溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌6分钟；搅拌完成30分钟后加入12.71kg生物碳，再次搅拌6分钟；三十分钟后加入25.42kg甘蔗渣纤维和30.51kg水泥，强力搅拌20分钟即可。

实施案例8

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为19%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为110%，按照公式（1）计算得加水量为181.51kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重252.10kg。将称量好的181.51kg水与重金属污染土混合，搅拌7分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.52kg磷酸二氢钾溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌7分钟；搅拌完成30分钟后加入12.61kg生物碳，再次搅拌7分钟；三十分钟后加入25.21kg秸秆纤维和30.25kg石灰，强力搅拌20分钟即可。

实施案例9

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为15%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为120%，按照公式（1）计算得加水量为234.78kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重260.87kg。将称量好的234.78kg水与重金属污染土混合，搅拌10分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.61kg硫化钠溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌10分钟；搅拌完成30分钟后加入13.04kg生物碳，再次搅拌10分钟；三十分钟后加入26.09kg甘蔗渣纤维和31.30kg石膏，强力搅拌20分钟即可。

实施案例10

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为17%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为100%，按照公式（1）计算得加水量为169.23kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重256.41kg。将称量好的169.23kg水与重金属污染土混合，搅拌5分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.56kg磷酸二氢钾溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌5分钟；搅拌完成30分钟后加入12.82kg生物碳，再次搅拌5分钟；三十分钟后加入25.84kg秸秆纤维和33.33kg水泥，强力搅拌20分钟即可。

实施案例11

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为20%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为110%，按照公式（1）计算得加水量为175.00kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重250.00kg。将称量好的175.00kg水与重金属污染土混合，搅拌9分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.50kg硫化钠溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌9分钟；搅拌完成30分钟后加入12.50kg生物碳，再次搅拌9分钟；三十分钟后加入25.00kg甘蔗渣纤维和32.50kg石灰，强力搅拌20分钟即可。

实施案例12

采用烘干法测得待处理重金属污染土的含水率为20%，称量得重金属污染土质量为300kg，固化时重金属污染土泥浆含水率为120%，按照公式（1）计算得加水量为200.00kg，根据公式（2）计算得重金属污染土干重250.00kg。将称量好的200.00kg水与重金属污染土混合，搅拌10分钟形成重金属污染土泥浆，再将2.50kg磷酸二氢钾溶解于重金属污染土泥浆中，搅拌10分钟；搅拌完成30分钟后加入12.50kg生物碳，再次搅拌10分钟；三十分钟后加入25.00kg秸秆渣纤维和32.50kg石膏，强力搅拌20分钟即可。

Claims (2)

1.一种重金属污染土固化剂及其使用方法，其特征在于：所述的重金属污染土固化剂为胶凝材料、生物碳、植物纤维和稳定剂的组合； 

其中，所述的胶凝材料为水泥或石灰或石膏中的一种； 

所述生物碳为市政污泥或压滤后的厨余垃圾在500℃缺氧条件下高温热解而成的多孔碳，生物碳粒径小于50目； 

所述植物纤维为甘蔗渣或秸秆经碱煮法获得； 

所述的稳定剂为磷酸二氢钾或硫化钠中的一种。 

2.一种重金属污染土固化剂使用方法，其特征在于，所述的使用方法按照以下步骤进行： 

A）重金属污染土泥浆制备 

采用烘干法测量重金属污染土的含水率ω₀，称取重金属污染土m₀kg，并根据公式 

式中：m_w——制备重金属污染土泥浆所需的加水量（kg） 

m₀——重金属污染土的质量（kg） 

ω₀——重金属污染土含水率（%） 

ω₁——重金属污染土泥浆含水率（%），在100-120%范围内选取 

计算重金属污染土泥浆制备所需的加水量，根据计算所需的加水量向重金属污染土中添加水，用强力搅拌机搅拌5-10分钟形成重金属污染土泥浆； 

B）重金属污染土泥浆稳定化 

根据公式 

式中：m_d——重金属污染土干重（kg） 

m₀——重金属污染土的质量（kg） 

计算重金属污染土的干重，向重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的1%添加的稳定剂，搅拌5-10分钟，向重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的5%添加的生物碳，搅拌5-10分钟，静置30分钟； 

C）重金属污染土泥浆固化 

向经B)步骤稳定化后的重金属污染土泥浆中按照重金属污染土干重的 10-15%和10%分别添加胶凝材料和植物纤维，强力搅拌20分钟，静置。