1、给水处理中含砷污泥的浸出毒性和初步处置研究第 37 卷第 2 期1682008 年 3 月卫生研究JOURNALOFHYGIENERESEARCHV0I.37Mar.No.22O08文章编号:1000.8020(2008)02.0168.03给水处理中含砷污泥的浸出毒性和初步处置研究李晓波吴水波胡保安顾平天津大学环境科学与工程学院,天津 300072?论着?摘要:目的研究混凝微滤工艺处理高砷饮用水所产生的铁盐和铝盐含砷污泥的浸出毒性,以及含砷污泥的处置与利用方法.方法采用中国国家标准方法和 USEPA 的 TCLP 方法检验了含砷污泥的浸出毒性,并采用水泥固化的方法对舍砷污泥的处置进行了初步研
2、究.将铁盐含砷污泥添加到路用基材中,探讨其废物利用的可能性.结果铁盐辛口铝盐含砷污泥 TCLP 方法浸出液中砷的浓度分别为 l18g/L 和 420/1g,L,高于国家标准方法的 9.5g/L 和 11.8pg/L,但两种方法测定的浸出毒性均低于危险废物浸出毒性的国家标准.普通硅酸盐水泥固化体的 TcLP 浸出液中砷浓度仅为污泥的 1O%左右,固化体的无侧限抗压强度分别为3.25MPa 和 0.76MPa,可以满足堆放要求.掺入少量铁盐含砷污泥的路用基材强度提高 12%左右.结论给水处理中含砷污泥不属于具有浸出毒性的危险废物,水泥固化是处置含砷污泥的有效方法,将少量铁盐含砷污泥添加到路用基材中
3、使含砷污泥得到了有效利用,又避免了可能出现的环境污染问题.关键词:含砷污泥浸出毒性中图分类号:123.5水泥固化抗压强度给水卫生文献标识码:AStudyontheleachingtoxicityanddisposalmethodofarsenic?bearingsludgeLIXiaobo,WUShuibo,SchoolofEnvironmentalScienceEngineering.HUBaoan,GUPingTianjinUniversity,Tianjin300072,ChinaAbstract:0bjectiveTostudytheleachingtoxicityoftheferri
4、csaltandaluminumsaltcontentingarsenicbeatingsludgecomedfromthehigharsenicdrinkingwatertreatedbycoagulation/microfihrationprocessanditsdisposalmethod.MethodsTheChinesestandardmethodandTCLPmethodissuedbyUSEPAwereusedtotesttheleachingtoxicityofarsenicbearingsludgeanditsPortlandcementsolidificationtests
5、wereconducted.Minorferricsaltcontentingarsenicbeatingsludgewasaddedintoroad-applicationconcretesforitsutilization.ResultsThearsenicconcentrationsinTCLPleachingsolutionsofferricsaltandaluminumsludgewere118g/Land420/1g/L,respectively,whichwerehigherthan9.5g/Land11.8/g/LoftheChinesestandardmethod.Howev
6、er,allofthemwereflessthanidentificationstandardforhazardouswastesofChina.Whenarsenic-bearingsludgewassolidifiedwithcement,itsleachingtoxicityreducedabout90%.Theunconfinedcompressionstrengthsofsolidificationproductswere3.25MPaand0.76MPawhichcouldmeettherequirementforthelandfillandsludgereclamation.Th
7、ecompressionstrengthsofroadapplicationconcreteswereupgradedabout12%whenminorpartsofferricsaltarsenicbearingsludgewasadded.ConclusionFerricsaltandaluminumsaltarsenicbearingsludgedonotbelongtothehazardouswastewithleachingtoxicity.Cementsolidificationisanefficientmethodforthedisposalofarsenic-bearingsl
8、udge.Themixofarsenic-bearingsludgewithroad-applicationconcretescouldprovideamethodfortheefficientutilizationofarsenic-bearingsludge.Atthesametime,thepossibleenvironmentalproblemsshouldbeavoided.Keywords:arsenic-bearingsludge,leachingtoxicity,cementsolidification,compressionstrenh混凝微滤工艺是去除高砷饮用水中砷的有效手
9、段之一.在用混凝微滤工艺处理高砷饮用水的过程中,产生了高浓度的含砷污泥.由于砷的毒性极大,这些污泥中砷的含量又非常高,因此,如果不妥善处理,极有可能对环境造成二次污染,重新危害人体健康.基金项目:教育部天南大合作项目“水与废水的创新技术研究“作者简介:李晓波,男.博十研究乍1 通讯作者本文以混凝微滤工艺处理高砷饮用水试验中所产生的含砷污泥为研究对象,脱水烘干后,采用中国国家标准固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法(GB5086.2.1997)和美国固体废物毒性浸出实验 TCLJ)(toxicitycharacteristicleachingprocedure)方法 ,评价了给水处理中产生的含砷污
10、泥的浸出毒性,并对含砷污泥水泥固化的初步处置方法进行了研究.1 材料与方法1.1 试验材料第 2 期李晓波,等给水处理中含砷污泥的浸出毒性和初步处置研究 169含砷污泥:试验所用污泥是混凝微滤膜反应器处理自来水和砷酸钠配制的模拟高砷饮用水所产生的,混凝剂分别为FeC13 和 Al2(s04),相应的污泥分别称为铁盐含砷污泥和铝盐含砷污泥.铁盐含砷污泥是处理 2094L 模拟高砷饮水后产生的,铝盐含砷污泥是处理 1992L 模拟高砷水产生的 .模拟高砷饮用水中砷的浓度为 100ttg/L,据地表水环境质量标准GB3838.2002,该浓度值是饮用水源水砷浓度的极限值 ,因此,本文所研究的污泥中砷
11、的含量是混凝微滤工艺处理高砷饮用水所产生的污泥中砷含量的最大值.取适量两种污泥于恒温105烘干至恒重,用 x 射线能谱仪测定干污泥的主要化学成分见表 1.固化材料:普通硅酸盐水泥(425);普通建筑用河沙(烘干后过 100 目筛备用).所用化学药剂均为分析纯.表 1 含砷污泥中元素含量Tabel1Contentofdementsinarsenic?bearingsludge%注:(1)未检出 .1.2 试验方法1.2.1 浸出毒性试验方法干污泥及固化体的浸出毒性:按照固体废物毒性浸出中国国家标准方法(后文中简称“GB 浸出毒性“),取 5g 干污泥或固化体于 200ml 聚乙烯瓶中,加入50m
12、l 去离子水(液固质量比为 10:1),盖紧瓶盖后固定于恒温摇床上,25C 下振荡 8h,取下后用 0.45/tm 微孔滤膜抽滤,收集全部滤液即浸出液,测定浸出液中的砷和铁或铝.干污泥及固化体的 TCLP 浸出毒性:采用美国 EPASW.846(TcLP)毒性浸出实验方法 (后文中简称“TCLP 浸出毒性“),考虑到酸雨环境 ,采用 TCLP 实验方法更接近实际情况,这样也可以在更严格的条件下检验干污泥的浸出毒性及固化体的固化效果.浸提剂选择 pH 值为(4.930.05)的醋酸 /醋酸钠缓冲溶液(量取 5.7rrd 的冰醋酸,加入 500ml 去离子水中,再加入 64.3ml 浓度为 1.0
13、rnol/L 的 NaOH,用去离子水稀释到1L).称取 5g 干污泥或固化体放人 200ml 聚乙烯瓶中 ,加入lOOml 的浸取剂(液固质量比为 20:1),盖紧瓶盖后固定在恒温摇床上,25下振荡(182)h,取下后用 0.45/tm 微孔滤膜抽滤,收集全部滤液即为浸出液,测定浸出液中的砷和铁或铝.1.2.2 含砷污泥的水泥固化将烘干至恒重后的干污泥磨细至 100 目左右,然后再与其它物料混合制作固化块.为了消除其它来源的金属对测试结果的影响,固化处理用水为去离子水.按水泥:干污泥:河砂质量比为 2:1:2 的配比进行混合,再加适量去离子水搅拌均匀,注入固化容器中压制成型,空气中养护 1
14、天后脱模,置于 SHBY.90B 型混凝土标准养护箱中养护 28d.按前述方法测定其浸出毒性和抗压强度.1.2.3 含砷污泥的初步利用为了检验铁盐含砷污泥掺人路用基材使用的可能性,将不同数量的烘干后的铁盐含砷污泥与水泥(225g), 砂(425g),去离子水(112.5g)混合,搅拌均匀,注入容积为 lOOmmlOOmmlOOmm 的固化容器中压制成型,空气中养护 l 天后脱模,置于标准养护箱中养护 28 天.按前述方法测定其浸出毒性和抗压强度.1.3 检测方法1.3.1 砷,铁和铝的检测总砷:原子荧光法,北京海光 AFS.230E 原子荧光光度计;铁:原子吸收分光光度法,日立 180.80偏
15、振塞曼原子吸收光谱仪;铝:ICP.AES 法,美国 ICAP.9000(N+M)等离子体发射光谱仪;pH:直读法,SartoriusPP.15 精密pH 计.1.3.2 无侧限抗压强度的检测将固化块置于测压仪上,逐渐增大压力,固化块出现裂纹时的瞬时压力即为固化块被压裂的压力.抗压强度 Ra=P/A,其中为固化块压裂时的瞬间压力(N);为固化块与测压仪的接触面积(|Il2). 所用测压仪为无锡建筑材料仪器机械厂生产的 NYL-2OOOD 型压力试验机.2 结果与讨论2.1 含砷污泥的毒性2.1.1 含砷污泥的 GB 浸出毒性铁盐含砷污泥的浸出液中砷的浓度为 9.5ttg/L,铁的浓度为 0.15
16、mg/L;铝盐含砷污泥浸出液中砷的浓度为 11.8g,L,铝的浓度为 3.5mg/L.两种污泥的浸出液中砷的浓度均大大低于限值 1.5mg/L,按照中国危险废物鉴别标准.浸出毒性鉴别 GB5085.3-1996 的规定 ,混凝微滤高砷饮用水处理工艺所产生的含砷污泥不属于具有浸出毒性的危险废物.因此,可以认为,混凝微滤除砷工艺不会产生危险性废物,是安全的.2.1.2 含砷污泥的 TCLP 浸出毒性考虑到我国部分地区可能出现的酸雨环境,采用美国 EPASW 培 46(TcLP)毒性浸出试验方法更接近酸雨环境时的实际情况.铁盐含砷污泥在酸性条件下的 TCLP 浸出液中砷的浓度为 118ttg/L,铁
17、的浓度为0.28mg/L;铝盐含砷污泥砷的 TCLP 浸出浓度为 420ttg/L,铝的浸出浓度为 56.1mg,.两种浸出液中砷的浓度也均小于限值1.5mg/L.因此,即使在酸雨环境中,两种含砷污泥也是安全的,不会对环境造成危害,说明混凝微滤除砷工艺也可用于可能出现酸雨的地区的饮用水除砷.从上述结果可以看出,含砷污泥的浸出毒性与混凝剂的种类有关.铁盐含砷污泥中砷的含量远高于铝盐含砷污泥,但浸出毒性却小于后者.对比两种毒性浸出方法的试验结果,可以发现,TCLP 方法浸出液中砷的浓度更高,说明浸出液的 pH 值对砷的浸出有较大影响.同时,铝盐含砷污泥浸出液中砷浓度的增长幅度大于铁盐含砷污泥,反映
18、出硫酸铝混凝对砷的固定能力小于铁盐,铝盐含砷污泥中砷的浸出也更容易受到浸出液 pH 值的影响.因此,考虑到固体废物的处置等因素,应优先选用铁盐混凝微滤工艺.2.2 含砷污泥的水泥固化效果170 卫生研究第 37 卷铁盐和铝盐混凝微滤工艺处理高砷饮用水所产生的含砷污泥虽然不具有急性浸出毒性,然而,由于砷的毒性极大,为了消除人们对含砷污泥的恐惧心理及极端条件下出现砷浸出的可能性,对含砷污泥进行固化处理是必要的.我国高砷饮用水分布区多数为偏僻,落后地区,考虑到固化材料的易得性和廉价性,固化剂选用普通硅酸盐水泥.2.2.1 水泥固化体的浸出毒性按前述实验方法对含砷污泥进行固化处理,水泥固化体的 GB
19、浸出毒性及 TCLP 浸出毒性实验结果见表 1.为了便于比较固化效果,含砷污泥的毒性浸出实验结果也同时列入表中.由表 2 可知,含砷污泥水泥固化后,固化体的 GB 浸出毒性略有降低,但幅度不大,而 TCLP 浸出毒性大大下降,仅为固化前的 10.2%和 9.5%,水泥固化的效果非常明显.TCLP 浸出毒性的下降幅度远远大于浸出毒性,说明 TCIP 方法能够更好地反映水泥固化的处理效果,试验方法更加合理.此外,上述结果也表明,尤其是对于可能出现酸性环境的地区,含砷污泥的水泥固化更是十分必要的,可以大大减少砷的泄漏.从两种污泥的固化效果来看,铝盐污泥的固化效果更为明显,再次反映出铝盐与砷结合的牢固
20、程度不如铁盐,铝盐含砷污泥的水泥固化的必要性更大.铝盐含砷污泥水泥固化体的 TCLP 浸出液中铝的浓度为14.6mg/L,仅为固化前的 26.0%.表明水泥固化在固定砷的同时,也大大减少了铝的浸出,降低了铝对环境的危害.表 2 水泥固化体及干污泥的浸出毒性Table2Leachingtoxicityoftheuntreatedandcementtreatedsludgepg,L2.2.2 水泥固化体的抗压强度含砷污泥水泥固化后最终形成的固化块,不论是堆存或是再利用,都应具有足够的强度.工程中,固化污泥能否达到填埋或资源化利用的标准可通过其无侧限抗压强度来反映.根据赵乐军等的研究结果,当污泥进行
21、混合填埋时其抗剪强度要达到 25kPa,即无侧限抗压强度要达到 50kPall.测定结果表明,铁盐含砷污泥固化体的无侧限抗压强度为 3.25MPa,铝盐为 0,76MPa,均远大于 50kPa,完全可以满足填埋要求.2.3 铁盐含砷污泥的路用性能含砷污泥不属于危险性废物,可以考虑废物利用,以减少堆放或填埋量.按前述实验方法,将不同比例的铁盐含砷污泥掺人路用基材,所形成的固化体的浸出毒性及抗压强度与含砷污泥的掺人量有关.2.3.1 含砷路用基材的浸出毒性由表 3 可以看出,含砷污泥的掺人比例对路用基材固化体的 GB 浸出毒性和 TCLP 浸出毒性影响不大,两种毒性的最大值不超过 lO.g/L,这
22、与含砷污泥的掺人量较少有关.即使掺人量最大的 4 号固化体,其掺人的污泥质量也仅为总质量的 0.45%,仅有的少量砷被牢牢固定在固化体内,很少能渗出.浸出毒性试验结果表明,掺人了含砷污泥的路用基材十分安全,作为市政道路的附属设施材料作用时,不会带来负面影响.2.3.2 含砷路用基材的抗压强度由四块固化体的抗压强度变化情况可以看出,当含砷污泥掺人量较少时,路用基材的强度有所升高,比没有掺人含砷污泥的基材的强度增大 12%左右,这可能与含砷污泥中铁的含量很大有关,其详细机理有待深入研究.当含砷污泥的掺人量过大时,固化体的抗压强度反而有所降低,4 号固化体的抗压强度比没有掺人含砷污泥的 1 号固化体
23、下降了 15%左右.表 3 含砷路用基材的浸出毒性及抗压强度Table3Leachingtoxicityandcompressivestrengthofarsenic-bearingroad-appUcafionconcretes抗压强度试验结果证明,掺人少量铁盐含砷污泥的路用基材的强度较高,28d 强度最高可达 49.3MPa,应用千修筑道路基层强度大,可减少路面总厚度约 10%,其力学性能完全满足市政道路建设的要求.3 结论按照 GB5085.3-1996 的规定,混凝微滤除砷工艺所产生的铁盐和铝盐含砷污泥不属于具有浸出毒性的危险废物,其TCLP 方法浸出液中砷浓度更高.铝盐与砷结合的牢固
24、程度不如铁盐,铝盐含砷污泥的浸出毒性高于铁盐含砷污泥,水泥固化是减少含砷污泥浸出毒性的有效方法,固化体 TCLP 浸出液中砷的浓度仅为污泥的10%左右 ,固化体的强度可以满足堆放要求.掺人少量铁盐含砷污泥可使路用基材强度提高约 10%,其力学性能完全满足市政道路建设的要求,可作为市政道路附属设施材料使用,使含砷污泥得到了有效利用,避免了含砷有毒废物的排放.参考文献lGHUREYG.CUFFORDD.TRIPPA.Ironcoagulationanddirectmierofihrationtoremovearsenicfromgroundwater【JJ.JAmericanWaterWorksA
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