CN106007276A - 一种重金属污染河道底泥的预处理及固化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于，采用芬顿氧化法对河道底泥进行预处理，向预处理得到的预处理底泥中加入固化剂并搅拌均匀，在养护室中进行养护后得到固化底泥；其中，固化剂的配方为：每100重量份数的预处理底泥中，加入8‑15重量份数的水泥，3‑10重量份数的粉煤灰，3‑10重量份数的硫酸钙，3‑8重量份数的生石灰。采用该方法可以对重金属污染的河道底泥进行预处理及固化，得到的固化底泥强度良好，并且重金属浸出符合标准，可以作为填方材料使用，从而达到治理河道污染、固体废弃物资源化利用的目的。

Description

一种重金属污染河道底泥的预处理及固化方法
技术领域
本发明属于环境工程领域，涉及一种河道底泥的预处理及固化方法，尤其涉及一种重金属污染的河道底泥的预处理及固化方法。
背景技术
污水排放、大气沉降等过程将许多污染物带入至城市河流，并富集在水体底泥中，导致河道底泥严重污染。长期富集的污染物还可能释放出来，成为主要污染源，影响河水水质。
目前治理受污染的河道底泥的方法主要有物理、化学和生物三大类，通常互相结合运用。其中，环保疏浚技术被广泛应用于污染底泥的治理，其过程中产生的底泥通常作为固体废料堆积在贮泥场，不仅占用大量土地，而且易产生二次污染，如雨水冲刷、淋滤等过程可释放其中的污染物，导致土壤及地下水的污染。
环保疏浚技术的处理方法主要有生物处理、物理处理和化学处理，具体包括堆放、农用、园林绿化、制作建筑材料或污水处理材料等。其中，将污染底泥固化后用作建筑材料已经成为目前消耗量最大的资源化方式之一。
传统的底泥固化过程中，使用的固化剂多为水泥、石灰、粉煤灰或其组合，固化的强度大小往往取决于水泥的添加量，但水泥添加过量可能导致大量水化热的产生，其干缩特性也可能导致干缩裂缝的产生。研究表明，添加粉煤灰可以降低水泥的水化热，从而避免温度裂缝的产生，且粉煤灰的加入量越大，对水化热的降低作用越强。但水泥、石灰、粉煤灰组合或其中二者的组合而成的传统固化剂的固化效果较不理想，得到的固化物抗压强度有限，不能很好地运用于实际生活和工业生产中。此外，研究发现，底泥中的有机物含量对其固化效果有很大影响，有机物含量过高则导致底泥的固化效果降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
一种重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，用于对重金属污染的河道底泥进行预处理及固化，包括如下步骤：
步骤1，采用芬顿氧化法，对河道底泥进行预处理，得到预处理底泥；
步骤2，向步骤1中得到的预处理底泥中加入固化剂，以预处理底泥的干重计，每100重量份数的预处理底泥中，加入8-15重量份数的水泥，3-10重量份数的粉煤灰，3-10重量份数的硫酸钙，3-8重量份数的生石灰，混合均匀，得到固化混合物；
步骤3，将步骤2中得到的固化混合物放入养护室进行养护，得到固化底泥。
进一步地，本发明提供的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，还可以具有如下技术特征：
用于处理的重金属河道底泥为受重金属污染严重的高含水率河道底泥，含水率为65％～80％，有机物含量为4％～12％，铜含量为0.1g/kg～0.57g/kg，铅含量为0.1g/kg～0.70g/kg，镉含量为0～0.36g/kg，铬含量为0～1.66g/kg。
进一步地，步骤1包括如下子步骤：
步骤1.1，用酸性废水将河道底泥的pH调节至2～4.5；
步骤1.2，向河道底泥中加入过氧化氢溶液和硫酸铁，搅拌均匀，硫酸铁的加入量为0.4g/L-1.0g/L，过氧化氢溶液的加入量为4ml/L-8ml/L；
步骤1.3，保持搅拌30分钟后，静置30分钟使固液分离，倾去液体，得到预处理底泥。
其中，过氧化氢溶液中的过氧化氢含量为30％。
进一步地，在步骤1.1中，酸性废水为含硫酸的工业废水，其中硫酸含量为4～8g/L。
进一步地，在步骤2中，水泥为42.5号普通硅酸盐水泥；粉煤灰为钙类一级粉煤灰，来源于火电厂废渣；硫酸钙采用脱硫废石膏，其中二水硫酸钙的含量≥93％；生石灰中，氧化钙的含量≥90％。
进一步地，在步骤3中，养护室内的温度为15℃-25℃，湿度为70％-100％。
进一步地，在步骤3中，养护的时间为7天-28天。
进一步地，在步骤3中，固化混合物的表面还覆盖有薄膜。
发明作用与效果
根据本发明提供的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，由于改变了传统的固化剂配方，将一部分粉煤灰替换为硫酸钙，使得加入底泥后，硫酸钙迅速与水反应，降低底泥中的含水率。此外，在碱性条件下，硫酸钙可以与水泥、粉煤灰和生石灰中的氧化铝反应生成钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)，还可以与水泥的水化产物氯酸钙反应生成钙矾石，而钙矾石能够产生轻微的膨胀作用，一定程度上弥补了底泥固化过程中的收缩现象，并填充了底泥颗粒间的空隙，有利于提高抗压强度。另外，在固化剂中的生石灰能够调节底泥的pH，使固化过程中底泥保持为碱性，同时也作为重要反应剂参与到固化过程的胶结反应中。
本发明提供的方法还包含有采用芬顿氧化法进行预处理的步骤，该预处理步骤能够有效降低底泥中的有机物含量，改善其理化性质，使固化后的底泥强度增加，并减少固化剂的添加量，降低固化成本。
具体实施方式
以下结合实施例来说明本发明的具体实施方式。
【实施例一】
采用上海黄浦江支流重金属污染河道底泥，该底泥的含水率为80％，有机物含量为4.0％，含铜0.45g/kg，铅0.62g/kg，镉0.21g/kg，铬1.23g/kg。
首先用酸性废水将底泥的pH调节至2，然后向每1L底泥中加入0.6g FeSO4和6mL 30％的过氧化氢溶液，搅拌均匀；持续搅拌反应30分钟后，静置30分钟进行固液分离。倾去上层的液体，得到下层的固体为预处理底泥。该预处理底泥中，有机物含量为1.8％。
将预处理底泥自然风干至含水率40％-45％后，分成12份试样，按照每100g底泥(干重)中加入8g-15g水泥、3g-10g粉煤灰、3g-10g硫酸钙、3g-8g生石灰的固化配方，分别加入水泥、粉煤灰、硫酸钙和生石灰并搅拌均匀，放入圆柱形模具，并在表面覆盖塑料薄膜，于标准养护室(20±5℃，湿度70％-100％)养护7或28天后，测定试样无侧限抗压强度。
不同配方及养护时间条件下，各试样的抗压强度见表1。对各个试样用毒性淋溶提取法进行重金属浸出毒性实验，结果显示，各浸出液中，几种主要重金属的浓度分别为：铬≤0.02mg/L,铜≤0.08mg/L，铅≤0.05mg/L,镉≤0.01mg/L，均满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求。
表1黄浦江支流底泥固化后抗压强度
本实施例中所采用的酸性废水为含硫酸的工业废水，各批次中硫酸含量有所不同，但均在4g/L-8g/L范围内；实施例二～实施例六中，所采用的酸性废水与本实施例均相同，以下不再赘述。
【实施例二】
采用上海苏州河重金属污染河道底泥，该底泥的含水率为65％，有机物含量为12％，含铜0.57g/kg，铅0.70g/kg，镉0.36g/kg，铬1.66g/kg。
首先用酸性废水调节底泥pH至2，然后向每1L底泥中加入0.6gFeSO4和6mL 30％的过氧化氢溶液，搅拌均匀；搅拌反应30分钟后静置30分钟进行固液分离。倾去上层液体，得到下层固体为预处理底泥，该预处理底泥的有机物含量为4.6％。
将预处理底泥自然风干至含水率40％-45％后，按照每100g底泥(干重)中加入8g-15g水泥、3g-10g粉煤灰、3g-10g硫酸钙、5g-8g生石灰的固化配方，分别加入水泥、粉煤灰、硫酸钙和生石灰，搅拌均匀后放入圆柱形模具，并在表面覆盖塑料薄膜，于标准养护室(20±5℃，湿度70％-100％)养护7或28天后，测定试样无侧限抗压强度。
不同配方及养护天数条件下，各试样的抗压强度见表2。对各试样用毒性淋溶提取法进行重金属浸出毒性实验，结果显示，浸出液中几种主要重金属的浓度分别为：铬≤0.05mg/L,铜≤0.065mg/L,铅≤0.044mg/L,镉≤0.01mg/L，均满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求。
表2苏州河底泥固化后抗压强度
【实施例三】
采用上海黄浦江支流重金属污染河道底泥，该底泥的含水率为80％，有机物含量为4.0％，含铜0.45g/kg，铅0.62g/kg，镉0.21g/kg，铬1.23g/kg。
不进行预处理，将底泥自然风干至含水率40％-45％后，按照每100g底泥(干重)中加入10g水泥、10g粉煤灰、5g硫酸钙、5g生石灰的固化配方，分别加入水泥、粉煤灰、硫酸钙和生石灰，搅拌均匀后放入圆柱形模具，在其表面覆盖塑料薄膜，于标准养护室(20±5℃，湿度70-100％)养护7天后，测定试样无侧限抗压强度为0.46MPa。对试样用毒性淋溶提取法进行重金属浸出毒性实验，结果显示，浸出液中几种主要重金属的浓度分别为：铬0.08mg/L,铜0.12mg/L,铅0.12mg/L,镉0.05mg/L，均满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求。
【实施例四】
采用上海黄浦江支流重金属污染河道底泥，该底泥的含水率为80％，有机物含量为4.0％，含铜0.45g/kg，铅0.62g/kg，镉0.21g/kg，铬1.23g/kg。
首先用酸性废水调节底泥pH至3，然后向每1L含水底泥中加入0.6g FeSO4和6mL30％的过氧化氢溶液，搅拌均匀，搅拌反应30分钟后，静置30分钟进行固液分离，倾去上层液体，下层固体为预处理底泥。该预处理底泥的有机物含量为1.8％。
将预处理底泥自然风干至含水率40％-45％后，按照每100g底泥(干重)中加入10g水泥、10g粉煤灰、5g硫酸钙、5g生石灰的固化配方，分别加入水泥、粉煤灰、硫酸钙和生石灰，搅拌均匀，放入圆柱形模具，并在表面覆盖塑料薄膜，于标准养护室(20±5℃，湿度70％-100％)养护7天后，测定试样无侧限抗压强度为1.60MPa。对试样用毒性淋溶提取法进行重金属浸出毒性实验，结果显示浸出液中几种主要重金属的浓度分别为：铬0.04mg/L,铜0.05mg/L,铅0.045mg/L,镉0.01mg/L，均满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求。
【实施例五】
采用上海黄浦江支流重金属污染河道底泥，该底泥含水率为80％，有机物含量为4.0％，含铜0.45g/kg，铅0.62g/kg，镉0.21g/kg，铬1.23g/kg。
首先用酸性废水调节底泥pH至4.5，然后向每1L含水底泥中加入0.6g FeSO4和6mL30％的过氧化氢溶液，搅拌均匀，搅拌反应30分钟后，静置30分钟进行固液分离。倾去上层液体，下层固体为预处理底泥，该预处理底泥有机物含量为2.1％。
将预处理底泥自然风干至含水率40％-45％后，按照每100g底泥(干重)加入10g水泥、10g粉煤灰、5g硫酸钙、5g生石灰的固化配方，分别加入水泥、粉煤灰、硫酸钙和生石灰，搅拌均匀后放入圆柱形模具，并在表面覆盖塑料薄膜，于标准养护室(20±5℃，湿度70％-100％)养护7天后，测定试样无侧限抗压强度为1.60MPa。对试样用毒性淋溶提取法进行重金属浸出毒性实验，结果显示浸出液中几种主要重金属含量为：铬0.07mg/L,铜未检出，铅0.08mg/L,镉0.01mg/L，均满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求。
【实施例六】
采用上海黄浦江支流重金属污染河道底泥，该底泥含水率为80％，有机物含量为4.0％，含铜0.45g/kg，铅0.62g/kg，镉0.21g/kg，铬1.23g/kg。
首先用酸性废水调节底泥pH至2，然后向每1L含水底泥中加入0.2g FeSO4和4mL 30％的过氧化氢溶液，搅拌均匀，持续搅拌反应30分钟后，静置30分钟进行固液分离。倾去上层液体，下层固体为预处理底泥，该预处理底泥的有机物含量为2.5％。
将预处理底泥自然风干至含水率40％-45％，按照每100g底泥(干重)中加入10g水泥、10g粉煤灰、5g硫酸钙、5g生石灰的固化配方，分别加入水泥、粉煤灰、硫酸钙和生石灰，搅拌均匀后放入圆柱形模具，并在表面覆盖塑料薄膜，于标准养护室(20±5℃，湿度70％-100％)养护7天后，测定试样无侧限抗压强度为1.21MPa。对试样用毒性淋溶提取法进行重金属浸出毒性实验，结果显示浸出液中几种主要重金属浓度为：铬0.08mg/L,铜0.03mg/L，铅0.10mg/L,镉0.04mg/L，均满足《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求。
实施例作用与效果
根据本发明提供的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，由于采用了芬顿氧化法进行预处理，不同来源的重金属污染的河道底泥中，有机物含量均得到有效降低：实施例一中由4.0％降为1.8％，实施例二中由12％降为4.6％，实施例四中由4.0％降为1.8％，实施例五中由4.0％降为2.1％，实施例六中由4.0％降为2.5％。从结果可以看出，经过芬顿氧化法预处理，各个实施例中，底泥的有机物含量都得到有效降低。
将未进行预处理的实施例三与其他实施例得到的固化底泥的强度进行对比，除了预处理步骤以外，其他条件完全相同的为实施例一中的试样8(养护7天)。由结果可知，实施例三的试样强度为0.46MPa，实施例一中试样8(养护7天)的强度为1.82MPa，说明采用芬顿氧化法进行预处理能够有效提高底泥固化后的强度。
根据本发明提供的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，由于采用了每100g底泥(干重)中加入8g-15g水泥、3g-10g粉煤灰、3g-10g硫酸钙、3g-8g生石灰的固化配方，使得到的固化底泥强度良好(除作为对照的实施例三，各实施例中抗压强度均高于0.5MPa，最高可达1.90MPa左右)，并且各实施例中几种主要重金属(铬、铜、铅、镉)的浓度均在《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准要求的范围内，因此均满足工程填土、场地修复回填土以及路基压实土的要求，能够在上述工程及其他相关领域中进行资源化利用。
此外，各实施例中，采用的酸性废水、粉煤灰、硫酸钙均来源于工业废水或废渣，在对重金属污染的河道底泥进行预处理及固化的同时，对这些废料还进行了再利用，因此本发明还能够达到以废治废的目的。

Claims (8)

1.一种重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，用于对重金属污染的河道底泥进行预处理及固化，特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采用芬顿氧化法，对所述河道底泥进行预处理，得到预处理底泥；
步骤2，向步骤1中得到的所述预处理底泥中加入固化剂，以所述预处理底泥的干重计，每100重量份数的所述预处理底泥中，加入8-15重量份数的水泥，3-10重量份数的粉煤灰，3-10重量份数的硫酸钙，3-8重量份数的生石灰，混合均匀，得到固化混合物；
步骤3，将步骤2中得到的所述固化混合物放入养护室进行养护，得到固化底泥。
2.根据权利要求1所述的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于：
所述的重金属河道底泥为受重金属污染严重的高含水率河道底泥，含水率为65％～80％，有机物含量为4％～12％，铜含量为0.1g/kg～0.57g/kg，铅含量为0.1g/kg～0.70g/kg，镉含量为0～0.36g/kg，铬含量为0～1.66g/kg。
3.根据权利要求1所述的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于，步骤1包括如下子步骤：
步骤1.1，用酸性废水将所述河道底泥的pH调节至2～4.5；
步骤1.2，向所述河道底泥中加入过氧化氢溶液和硫酸铁，搅拌均匀，硫酸铁的加入量为0.4g/L-1.0g/L，过氧化氢溶液的加入量为4ml/L-8ml/L；
步骤1.3，保持搅拌30分钟后，静置30分钟使固液分离，倾去液体，得到预处理底泥。
其中，过氧化氢溶液中的过氧化氢含量为30％。
4.根据权利要求3所述的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于：
在步骤1.1中，所述酸性废水为含硫酸的工业废水，其中硫酸含量为4g/L～8g/L。
5.根据权利要求1所述的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于：
在步骤2中，所述水泥为42.5号普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为钙类一级粉煤灰，来源于火电厂废渣；所述硫酸钙采用脱硫废石膏，其中二水硫酸钙的含量≥93％；所述生石灰中，氧化钙的含量≥90％。
6.根据权利要求1所述的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于：
在步骤3中，所述养护室内的温度为15℃-25℃，湿度为70％-100％。
7.根据权利要求1所述的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于：
在步骤3中，所述养护的时间为7天-28天。
8.根据权利要求1所述的重金属污染河道底泥的预处理及固化方法，其特征在于：
在步骤3中，所述固化混合物的表面还覆盖有薄膜。
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