CN114085673B - 用于地下污水和/或污染土治理的防治材料及其制备方法与应用 - Google Patents

用于地下污水和/或污染土治理的防治材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于地下污水和/或污染土治理的防治材料及其制备方法与应用，防治材料由以下重量份的组分组成：赤泥30‑60份，熔融钢渣20‑40份，高炉矿渣10‑30份，煤矸石5‑10份，粉煤灰5‑10份，固化/稳定剂6‑10份，吸附剂4‑8份和激发剂4‑6份。以赤泥、熔融钢渣、高炉矿渣、煤矸石等固体废弃物和废水为主要原料，不仅固废利用率高、制作工艺简单、成本低，而且制备的固废基防治材料对As、Pb、Cr、Cd、Zn等重金属和有机污染物具有很好的固化效果和较高的去除率。

Description

用于地下污水和/或污染土治理的防治材料及其制备方法与 应用
技术领域
本发明涉及环境污染治理技术领域，尤其涉及一种用于地下污水和/或污染土治理的防治材料及其制备方法与应用。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
排放到水土环境中的重金属和有机污染物可以是气体、固体或液体的形式，分布于大气、土壤、水等各圈层，但由于二者一般难挥发，水溶性差，在大气和水中的重金属和有机污染物常吸附于固体悬浮物上，由此，土壤和底泥成为重金属和有机污染物的主要积累场所，如果填埋处置不当，不进行严密的场地工程处理和填埋后的科学管理，不能有效阻止重金属和有机污染物渗透迁移，将导致污染面积的不断扩大、蔓延的趋势，对环境和居民健康风险的同时，也严重威胁周边地下环境安全，成为制约我国土地资源再利用的新环境问题。
另外，我国是冶金及矿产大国，钢渣和赤泥的排放量较大。同时，冶金及矿产企业还有大量的炉渣、矿渣、粉煤灰以及煤矸石等固废排出，排放量均居世界前列。如此大量工业废渣在我国目前主要仍为填埋与露天堆放，处置方式单一，易产生一系列环境问题，占用土地资源。
目前，国内外对于土壤和地下水污染防控治理做了多方面研究。然而，发明人发现，现有污染场地风险控制技术主要包括物理/化学/材料/生物修复技术。这些技术处理复杂、易造成二次污染、修复时间长、成本高且耗能大，无法满足污染场地待开发的需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于地下污水和/或污染土治理的防治材料及其制备方法与应用。以赤泥、熔融钢渣、高炉矿渣、煤矸石等固体废弃物和废水为主要原料，不仅固废利用率高、制作工艺简单、成本低，而且制备的固废基防治材料对As、Pb、Cr、Cd、Zn等重金属和有机污染物具有很好的固化效果和较高的去除率。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种用于地下污水和/或污染土治理的防治材料，由以下重量份的组分组成：
赤泥30-60份，熔融钢渣20-40份，高炉矿渣10-30份，煤矸石5-10份，粉煤灰5-10份，固化/稳定剂6-10份，吸附剂4-8份和激发剂4-6份。
第二方面，本发明提供所述用于地下污水和/或污染土治理的防治材料的制备方法，包括如下步骤：
将赤泥、高炉矿渣、煤矸石、粉煤灰和熔融钢渣按比例混合后，置于密封容器中进行预处理；
将预处理后的固废混合料进行粉磨，然后向其中按比例加入固化/稳定剂、吸附剂和激发剂，混合均匀，得固废基防治材料。
第三方面，本发明提供所述防治材料在治理地下污水和/或污染土中的应用。
第四方面，本发明提供采用所述防治材料对地下污水和/或污染土进行治理的方法，包括如下步骤：
对污染场地四周环绕布置注浆帷幕线，沿帷幕线定点钻设注浆孔；
将固废基防治材料与水混合制备注浆浆液；
将注浆浆液通过注浆孔压入被注地层，即可。
上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
1)合理利用了赤泥、矿粉、钢渣和粉煤灰在碱激发作用下发生了地聚物反应，生成凝胶物质其水化产物Na2O-CaO-SiO2-Al2O3-H2O与重金属会发生物理包裹、化学吸附、离子交换、沉淀反应等一系列物理化学作用，达到重金属固化和有机污染物去除的效果。对受苯酚、硝基苯、重金属铬污染的地下水和污染土进行处理时，重金属铜、铬、铅的固化率分别达到99.71％、99.92％和99.82％；苯酚的去除率达到98.76％，硝基苯的去除率达到99.65％。
2)对As、Pb、Cr、Cd、Zn等重金属和有机污染物具有很好的固化效果和较高的去除率，成本低廉，制备工艺简单易于推广；此外，采用该防治材料对污水和污染土进行治理时，具有处理速度快的优势，对于改善生态环境具有重要意义。
3)固废利用率高，能够大宗利用固废，实现固废资源化利用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的地下污水与污染土治理的固废基防治材料应用的结构示意图。
其中：1-帷幕线；2-注浆孔；3-雨水入径；4-地下水水位；5-套管；6-固废基防治材料原位固化路径；7-江、河；8-污染场地；9-联通孔；10-污染水体；11-修复水体。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术所介绍的，本发明人发现目前本发明人发现：现有污染场地风险控制技术主要包括物理/化学/材料/生物修复技术。这些技术处理复杂、易造成二次污染、修复时间长、成本高、耗能大，无法满足污染场地待开发的需求。亟待突破重金属和有机污染物浸出、渗透扩散的防控治理融合分析技术瓶颈，建立岩土工程防控与固废基防治材料融合一体化分析理论，为保障水土环境安全建设提供有效解决方案。因此，本发明提供了一种处理速度快，且能适用于地下污水与污染土治理的固废基防治材料制备方法及其应用。
第一方面，本发明提供一种用于地下污水和/或污染土治理的防治材料，由以下重量份的组分组成：
赤泥30-60份，熔融钢渣20-40份，高炉矿渣10-30份，煤矸石5-10份，粉煤灰5-10份，固化/稳定剂6-10份，吸附剂4-8份和激发剂4-6份。
工业废渣主要是通过一系列的水化反应、络合反应、离子交换、共沉淀、吸附等作用，生成凝胶物质Na2O-CaO-SiO2-Al2O3-H2O，其水化产物与重金属会发生物理包裹、化学吸附、离子交换、沉淀反应等一系列物理化学作用，使重金属被束缚在凝胶物质内部，实现对重金属离子的吸附，降低重金属离子的迁移性，进一步抑制其毒性。
在一些实施例中，所述赤泥的含水率为20％-30％。若赤泥的含水率过低，将会导致赤泥压滤成本增高；赤泥滤液中含有大量碱性组分，当赤泥含水率过高，过量的碱性组分使得防治材料性能下降，出现泛碱现象。
在一些实施例中，所述熔融钢渣的温度为300-800℃。熔融钢渣在本发明中的作用是对固废活性提升提供预热及提供地聚物反应所需的铁铝氧化物。当熔融钢渣温度过高时，将会使得防治材料各组分的矿相发生改变，影响反应机理；当熔融钢渣温度过低时，容易造成固废预热不均匀，活性提升程度受到影响。
熔融钢渣为炼钢过程的副产品。
在一些实施例中，所述固化/稳定剂为石灰、碳酸钙或沸石。
石灰或碳酸钙的作用是提高土壤pH值，促使土壤中Cd、Cu、Hg等重金属元素形成氢氧化物或碳酸盐结合态盐类沉淀。而沸石是碱金属或碱土金属的水化铝硅酸盐晶体，含有大量的三维晶体结构和很强的离子交换能力，能够通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中重金属的含量。
在一些实施例中，所述吸附剂为活性炭。
活性炭是以煤炭、废弃木材、农业废弃物以及废弃轮胎等为原料，经高温炭化和活化等工艺而得到的一种碳材料。活性炭具有发达的孔隙结构和较大的比表面积，使得其对重金属具有较强的吸附能力。
在一些实施例中，所述激发剂选自碱性激发剂、酸性激发剂、盐激发剂或水泥中的一种或多种。
进一步的，所述碱性激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、钠水玻璃、钾水玻璃、碳酸钠或碳酸氢钠。
进一步的，所述酸性激发剂为醋酸或草酸。
进一步的，所述盐激发剂为偏铝酸钠、偏铝酸钾或硫酸钠。
第二方面，本发明提供所述用于地下污水和/或污染土治理的防治材料的制备方法，包括如下步骤：
将赤泥、高炉矿渣、煤矸石、粉煤灰和熔融钢渣按比例混合后，置于密封容器中进行预处理；
将预处理后的固废混合料进行粉磨，然后向其中按比例加入固化/稳定剂、吸附剂和激发剂，混合均匀，得固废基防治材料。
在一些实施例中，预处理的时间为20-60min。
优选的，预处理的时间为20-40min。
在一些实施例中，熔融钢渣的温度为300-800℃。
在一些实施例中，粉磨后的粒径为150目。
第三方面，本发明提供所述防治材料在治理地下污水和/或污染土中的应用。
第四方面，本发明提供采用所述防治材料对地下污水和/或污染土进行治理的方法，包括如下步骤：
对污染场地四周环绕布置注浆帷幕线，沿帷幕线定点钻设注浆孔；
将固废基防治材料与水混合制备注浆浆液；
将注浆浆液通过注浆孔压入被注地层，即可。
钻孔：运用钻孔设备和钻具进行钻孔工作，并固定套管，固管段孔径比下部注浆段孔径大两级，为浆液注入提供通道。在所述的固定套管垂直方向设置等距的分支注浆孔。
在一些实施例中，注浆浆液的水灰比为0.4-0.6。
注浆过程中不间断搅拌，以保证浆液的输送和灌注的连续性。
进一步的，所述水选自生活污水、工业废水或雨水。
在一些实施例中，注浆之前，还包括进行压水试验的步骤。
在正式注浆前进行的压水试验，水压缓缓地升至规定的试验压力并稳压30min，期间如有压力下降可注水补压，补压不得高于试验压力。
术语说明
术语“碱激发剂”：一般用于胶凝材料中激发活性，促进体系水化，其在本发明中是为了利用碱激发剂的催化原理，对固废的水化起催化作用，使固废的水化反应速度加快。
术语“赤泥”：是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，其在本发明中的作用是提供地聚物反应所需的铁铝氧化物。
术语“熔融钢渣”：是在炼钢过程中于1650℃左右氧化而成的复合固溶体，其矿物结晶致密、晶粒较大，被称为“过烧水泥熟料”，是一种具有潜在活性的胶凝材料。其在本发明中的作用是对固废活性提升提供预热及提供地聚物反应所需的铁铝氧化物。
术语“高炉矿渣”：是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，是一种易熔混合物。其在本发明中的作用是提供地聚物反应所需的氧化钙等。
术语“煤矸石”：是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。其在本发明中的作用是提供地聚物反应所需的硅铝氧化物。
术语“粉煤灰”：是燃煤电厂排出的细灰。其在本发明中的作用是形成稳定的孔隙并提供地聚物反应所需的铁硅铝氧化物。
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
一种适用于地下污水与污染土治理的固废基防治材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数计，称取以下原料：赤泥35份，熔融钢渣30份，高炉矿渣21份，煤矸石8份，粉煤灰6份，沸石8份，活性炭6份，氢氧化钠5份，水灰比0.4。熔融钢渣的温度为500℃。
(2)将各原料按照比例称取，倾翻至混合罐中，盖上罐盖密封，待其均热半小时后取出；
(3)将预热处理过的固废混合料置于粉磨机中进行粉磨、分级过筛，获得干混合料，再加入沸石、活性炭、氢氧化钠和水，混合均匀，得到固废基防治材料。
(4)以山东铝业有限公司和魏桥创业集团有限公司赤泥库为研究对象，通过定点(对污染场地四周环绕布置水平方向的注浆帷幕线，沿帷幕线进行定点设置直注浆孔)、钻孔(运用钻孔设备和钻具进行钻孔工作，并固定套管，固管段孔径比下部注浆段孔径大两级，为浆液注入提供通道。在所述的固定套管垂直方向设置等距的分支注浆孔)、制浆(现场不间断性搅拌，以保证浆液的传输和灌注的连续性)、压水试验(在正式注浆前进行的压水试验，水压缓缓地升至规定的试验压力并稳压30min，期间如有压力下降可注水补压，补压不得高于试验压力)、注浆。
试验结束后，通过钻孔取样分析固废基防治材料对地下污水与污染土的治理效果进行评价。
性能测试
以对污水中的PO43+、Cr3+、苯酚和硝基苯为检测对象，参照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中的相关要求，测试实施例制备的固废基防治材料的对上述重金属的固化率和有机质污染物的去除率，结果如表1所示。
表1
Figure GDA0003839462350000091
Figure GDA0003839462350000101
从表1的测试数据可以看出，本发明实施例制备的固废基防治材料对Cu2+、Cr3+和Pb2+表现出了优异的固化率，对有机质苯酚和硝基苯具有较高的去除率。
实施例2
与实施例1的区别在于：
固废基防治材料的组成为：按重量份数计，由以下组分组成：赤泥30份，熔融钢渣35份，高炉矿渣30份，煤矸石5份，粉煤灰10份，沸石8份，活性炭4份，氢氧化钠5份，水灰比0.5。
采用与实施例1相同的检测方法，以对污水中的PO43+、Cr3+、苯酚和硝基苯为检测对象，测试实施例制备的固废基防治材料的对上述重金属的固化率和有机质污染物的去除率，结果如表2所示。
表2
Figure GDA0003839462350000102
实施例3
与实施例1的区别在于：
固废基防治材料的组成为：按重量份数计，由以下组分组成：赤泥50份，熔融钢渣40份，高炉矿渣20份，煤矸石5份，粉煤灰5份，沸石8份，活性炭4份，氢氧化钠5份，水灰比0.6。
采用与实施例1相同的检测方法，以对污水中的PO43+、Cr3+、苯酚和硝基苯为检测对象，测试实施例制备的固废基防治材料的对上述重金属的固化率和有机质污染物的去除率，结果如表3所示。
表3
Figure GDA0003839462350000111
对比例1
与实施例1的区别在于：
将熔融钢渣替换为常温钢渣，温度为30℃左右。
采用与实施例1相同的检测方法，以对污水中的PO43+、Cr3+、苯酚和硝基苯为检测对象，测试实施例制备的固废基防治材料的对上述重金属的固化率和有机质污染物的去除率，结果如表4所示。
表4
Figure GDA0003839462350000112
对比例2
与实施例1的区别在于：
将熔融钢渣替换为常温钢渣，温度为30℃左右。
将各组分混合后，置于密闭容器中，对其进行加热，使混合料的温度与实施例1的预热处理的温度相同。
采用与实施例1相同的检测方法，以对污水中的PO43+、Cr3+、苯酚和硝基苯为检测对象，测试实施例制备的固废基防治材料的对上述重金属的固化率和有机质污染物的去除率，结果如表5所示。
表5
Figure GDA0003839462350000113
对比例3
与实施例1相比，省略其步骤(2)将各原料按照比例称取，倾翻至混合罐中，盖上罐盖密封，待其均热半小时后取出。
其他均与实施例1相同。
采用与实施例1相同的检测方法，以对污水中的PO43+、Cr3+、苯酚和硝基苯为检测对象，测试实施例制备的固废基防治材料的对上述重金属的固化率和有机质污染物的去除率，结果如表6所示。
表6
Figure GDA0003839462350000121
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于地下污水和/或污染土治理的防治材料，其特征在于：由以下重量份的组分组成：
赤泥30-60份，熔融钢渣20-40份，高炉矿渣10-30份，煤矸石5-10份，粉煤灰5-10份，固化/稳定剂6-10份，吸附剂4-8份和激发剂4-6份；
所述赤泥的含水率为20％-30％；
所述熔融钢渣的温度为300-800℃；
所述固化/稳定剂为石灰、碳酸钙或沸石；
所述吸附剂为活性炭；
所述激发剂选自碱性激发剂、酸性激发剂、盐激发剂或水泥中的一种或多种；
所述碱性激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、钠水玻璃、钾水玻璃、碳酸钠或碳酸氢钠；
所述酸性激发剂为醋酸或草酸；
所述盐激发剂为偏铝酸钠、偏铝酸钾或硫酸钠；
所述防治材料对地下污水和/或污染土进行治理的方法包括如下步骤：
对污染场地四周环绕布置注浆帷幕线，沿帷幕线定点钻设注浆孔；
将固废基防治材料与水混合制备注浆浆液；
将注浆浆液通过注浆孔压入被注地层，即可。
2.权利要求1所述用于地下污水和/或污染土治理的防治材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
将赤泥、高炉矿渣、煤矸石、粉煤灰和熔融钢渣按比例混合后，置于密封容器中进行预处理；
将预处理后的固废混合料进行粉磨，然后向其中按比例加入固化/稳定剂、吸附剂和激发剂，混合均匀，得固废基防治材料。
3.根据权利要求2所述的用于地下污水和/或污染土治理的防治材料的制备方法，其特征在于：预处理的时间为20-60min。
4.根据权利要求3所述的用于地下污水和/或污染土治理的防治材料的制备方法，其特征在于：预处理的时间为20-40min。
5.根据权利要求2所述的用于地下污水和/或污染土治理的防治材料的制备方法，其特征在于：熔融钢渣的温度为300-800℃；
粉磨后的粒径为150目。
6.权利要求1所述防治材料在治理地下污水和/或污染土中的应用。
7.采用权利要求1所述防治材料对地下污水和/或污染土进行治理的方法，其特征在于：包括如下步骤：
对污染场地四周环绕布置注浆帷幕线，沿帷幕线定点钻设注浆孔；
将固废基防治材料与水混合制备注浆浆液；
将注浆浆液通过注浆孔压入被注地层，即可。
8.根据权利要求7所述的对地下污水和/或污染土进行治理的方法，其特征在于：注浆浆液的水灰比为0.4-0.6；
注浆之前，还包括进行压水试验的步骤。
9.根据权利要求8所述的对地下污水和/或污染土进行治理的方法，其特征在于：所述水选自生活污水、工业废水或雨水。
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