梅州市环境科学研究所 广东 梅州 514000
【摘 要】随着经济的发展，人民生活水平提高的同时，工业生产所产生的污染也日益严重，工业固体废渣就呈日趋增多发展趋势。如何对工业固体废渣进行处理，成为了社会的重要话题。本文结合实例，介绍了工业固体废渣固化处置方法及机理，并对该方法应用中需要注意的事项进行了详细分析，为该方法的推广应用提供参考。
【关键词】水泥固化；工艺流程；应用；注意事项
近年来，随着我国经济的高速发展，工业化程度不断提高，我国的每年排放的工业固体废渣呈日趋增多发展趋势。虽然地理环境对固体废渣具有一定的自净能力，但是由于排放的数量太多，目前固体废渣已经超出了环境的自净能力，固体废渣的污染问题由此产生，特别是对地下水的污染。因此，必须结合相关技术对固体废渣进行处理。
1 案例分析
某公司工业固体废渣的处置主要依托于现有的工业废渣填埋场。但由于进场的工业固体废渣中含有焚烧飞灰、重金属、酸碱污泥、含氰污泥、石棉等一些特定的危险废物，如果不对其进行固化处置直接填埋，这些有害物质将会严重污染环境和地下水，危害人的生命和身体健康，影响动植物的生长和发育。并且根据《危险废物安全填埋处置工程建设技术要求》第6.3条，对这些危险废物必须在填埋前进行稳定化/固化处置。
2 工业固体废渣固化处置的方法比较及选择
经过比较并结合固废车间的实际情况，车间采用水泥固化法。该方法是一种比较成熟的处置方法。最适用于无机类型的废物，尤其是含有重金属污染物的废物。由于水泥所具有的高pH值，使得几乎所有的重金属形成不溶性的氢氧化物或碳酸盐形式而被固定在固化体中。
采用水泥固化技术的优点：首先，水泥已经被长期使用于建筑业，所以无论是它的操作、混合、凝固和硬化过程的规律都已经为人们所熟知；其次，相对其它材料来讲，其价格和所需要的机械设备相对比较简单；第三，由于水泥的水化作用，在处理湿污泥或含水废物时，无需对废物做进一步脱水处理；最后，用水泥进行稳定化可以适用于具有不同化学性质的废物，对酸性废物也能起到一定的中和效果。
为提高固化效果，根据废物不同性质，可适当添加酸、碱、重金属稳定剂等。将原有闲置分拣厂房改造成两个车间，分别作为物化和固化车间，车间长24m，进深24m，高10m。三面围护、一面敞开式结构，便于车辆进出，利于有害气体的排除。
3 水泥固化技术
3.1 实施范围
固废车间对危险废物进行稳定化处理，目前采用水泥固化为主，药剂稳定化为辅的工艺技术路线，需固化废物种类包括：物化残渣、重金属废物和污泥类废物等。
3.2 固化配方及工艺流程
3.2.1 固化配方
水泥固化基材可选择的范围很广，其中包括：普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矾土水泥、沸石水泥等。参考国外的相关资料，对水泥的标准规格有一定要求，详见表1。
表1 水泥标准规格
为改善固化产品性能，固化过程中需视废物的性质和对产品质量的要求，添加适量的必要添加剂。通常采用的添加剂为蛭石、沸石、多种黏土矿等。这几种添加剂可缓解废物中有机物对固化的干扰作用，提高水泥固化效果。为此，增加三套加药设备，分别为酸、碱、重金属稳定剂，可根据固化测试结果，分别添加三种药剂，以改善固化效果。
一般的固化配方为：固化材料为425号普通硅酸盐水泥，水/水泥质量比为0.47～0.88，水泥/废物质量比为0.67～4.00，固化体的抗压强度可以达到6～300MPa。固废车间工业废渣填埋场年固化废物为256.16t。根据上述配方，年消耗水泥171.63～1024.64t；年消耗新鲜水80.67～901.68t。固化增容比按1.5～2.0考虑，则固化废物年占用容积为256.16～512.32m3。对于金属离子的固定，pH值有显著影响。当pH值较高时，金属离子将形成氢氧化物沉淀，且水中CO3－浓度也高，有利于生成碳酸盐沉淀。然而，当pH值过高时，会形成带负电荷的羟基络合物，溶解度反而会升高。因此，在操作时应根据不用的金属成分严格控制固化pH值。固化时，为了减小有害物质的浸出速率，可加入少量重金属稳定剂（如硫代硫酸钠或硫化钠等），有效固定重金属离子。
3.2.2 固化流程
由于水泥固化和药剂稳定化技术，对不同废物所确定的固化工艺均须以混合与搅拌为主要工程实现手段。因此，考虑将几种处理工艺在一条生产线上实现。即设置一套混合搅拌设备，具体工艺流程为：
（1）需固化的废料及水泥、药剂采样送实验室进行试验分析，并将最佳配比等参数提供给固化车间。
（2）需固化处置的含重金属和残渣类废物运至固化车间，送入配料机的骨料仓，并经过卸料、计量和输送等过程进入混合搅拌机；污泥类废物通过无轴螺旋输送机进行输送、计量后进入混合搅拌机；水泥、粉煤灰、焚烧飞灰、药剂和水等物料按照实验所得的比例通过各自的输送系统送入搅拌机，连同废物物料在混合搅拌槽内进行搅拌。其中水泥、粉煤灰和焚烧飞灰由螺旋输送机输送再秤量后进入搅拌机料槽；固化用水、药剂通过泵并计量进入到搅拌机料槽。物料混合搅拌均匀后，开闸卸料，通过皮带输送机输送到砌块成型机成型。成型后的砌块通过叉车送入养护厂房进行养护处理。养护凝硬后取样检测，合格品用叉车直接运至安全填埋场填埋，不合格品由养护厂房返回固化车间经破碎后重新处理。固化工艺流程见图1。
图1 水泥固化工艺流程
3.3 水泥固化设备
由于废物量批次之间成分变化较大，且单批处理量较小，因此车间采用配料机配料、机械混合，混合设备为JZC350型混凝土搅拌机，搅拌机间歇工作。搅拌机性能参数见表2。
表2 JZC350型混凝土搅拌机性能参数一览表
3.4 实施效果
经过水泥固化后，对部分固化后的废物做浸出实验，结果表明，固化体中Zn、Pb、Cu重金属浸出浓度最高值分别为15.075、0.543、1.592mg/L，远低于毒性鉴别标准值（Zn、Pb、Cu的标准值分别是100、5、100mg/L），符合入场标准，可作为一般固体废弃物填埋处理，大大降低了其对环境造成的影响，真正做到了安全、规范处置。
4 水泥固化/稳定化机理探讨
水泥固化是以水泥为基本材料的固化技术，水泥是一种天然无机胶结材料，其主要成分是硅酸二钙和硅酸三钙，水化反应后的水泥可以形成与岩石性能相近的、整体的钙铝硅酸盐的坚硬晶体结构。废物被掺入水泥的基质中，由于水泥浆体pH值高，则重金属可能同OH-或硅酸盐结合成含钙的盐类，吸附在高比表面积的C-S-H粒子上，进入晶体结构中。 Yousuf等研究发现，在硬化水泥浆体的C-S-H结构中，Zn会取代C-S-H中的Ca或与C-S-H表面的Ca反应形成含Ca和Zn的氧化物。Pb通常存在于水泥熟料颗粒的表面，抑制水泥的水化，这主要是由于Pb的化合物如碳酸盐、硫酸盐等都是不溶性的，表面能低。Cu通常在水泥颗粒表面形成不溶性的沉积物，从而延缓水泥的水化。Lin等研究了CuO在C2S水化体系中的结合机理，发现部分CuO被C2S通过物理作用结合，大部分则形成一种含Cu-Ca-Si的化合物。Cr被吸收进水化产物，特别是C-S-H凝胶中。而Cd离子沉淀并被结合进Ca（OH）2中。因此，这些危险废物经过物理、化学作用更进一步减少其在废物—水泥基质中的转移率。
5 固化处置方法应用中需要注意的事项
5.1 设备的防腐蚀问题
固化工艺所接触的危险废物大多数具有腐蚀性（例如含重金属类危险废物一般显酸性，而含铬废物呈碱性），某些药剂也可能是酸类或碱类物质，因此固化设备就可能直接或间接受到不同程度的腐蚀。
由于某些危险废物还可能散发出腐蚀性气体，所以固化设备会受到气体、液体联合作用导致的双重腐蚀。因此，在实际生产中应考虑固化工艺设备的材质应满足耐酸、耐碱、耐腐蚀等性能要求，同时在危险废物的暂存区域和加料区域设计必要的通风系统，避免形成气体腐蚀的小环境。
5.2 搅拌顺序和搅拌时间
危险废物、水泥、水和药剂进入搅拌机后进行混合搅拌，一般先进行药剂与废物的搅拌，搅拌均匀后再与水泥一起进行干搅，再逐渐加水进行整体混合搅拌。这样可避免水泥中的Ca2+、Mg2+等离子与废物争夺药剂中稳定化因子（如S2-），从而提高处理效果，降低运行成本。尽量不要先加水，否则飞灰和水泥等容易漂浮于水面上，搅拌时容易形成“疙瘩”，影响固化效果。
搅拌时间可以根据生产情况进行调节，但在实际生产过程中，一般是预先设定好程序，所有搅拌时间对每一次处理过程都是一样的。根据目前国内搅拌机的转速，因搅拌废物的不同，搅拌时间控制在0.5～2min为宜，搅拌时间过短，固化体搅拌不均匀；搅拌时间过长，又造成生产效率的降低和成本的提高。
5.3 药剂的选用
危险废物固化所需药剂根据废物特性不同可选种类很多，主要包括无机硫化物沉淀剂，有机硫化物沉淀剂和高分子有机螯合剂等。药剂的选用要考虑使用效果、生产成本和安全三方面的因素，在处理重金属危险废物时，应使用硫代硫酸钠、硫化钠或重金属稳定剂，这类药剂价格相对便宜，处理效果好，但要注意在储存和使用过程中防止H2S的溢出；在处理含汞废物和焚烧飞灰时，应使用硫脲或硫代酰胺，这类药剂可以将废物中的重金属浓度降到很低，而且非常稳定，适宜的pH值范围也较大，但价格较高；高分子有机螯合剂类运用的相对较少，主要是因为其价格最高，故其应用实例不多。
5.4 二次污染的防止措施
为保证固化车间的环境卫生，应考虑采取防止二次污染的措施，对于废物卸料区和上料区应设置吸风罩，使工人的操作空间形成负压，避免刺激性气味的溢出；在配料机上方设置彩板包封，避免粉尘飞扬；在搅拌机出口下方设置移动式废水收集箱，这样可防止搅拌机出口泄漏的废水飞溅和四溢。
6 结束语
综上所述，水泥固化是目前国内外最成熟的固化技术，药剂稳定化技术是未来发展的方向，水泥固化和药剂稳定化技术相结合是目前最理想的固化技术。当然这两种方法各有特点，同样缺陷也存在，但笔者相信，随着科学技术的不断发展，对固体废弃物的处理方法将会越来越完善、先进。
参考文献：
[1] 杨肃博.固体废物的处理技术探讨[J].科技信息，2013年22期
[2] 周晓明；邝萍.工业固体废物处理方法的探讨[J].中国新技术新产品，2012年第10期
论文作者:刘海岗
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第11期
论文发表时间:2016/8/22
标签：水泥论文; 废物论文; 药剂论文; 废渣论文; 重金属论文; 固体论文; 搅拌机论文; 《低碳地产》2015年第11期论文;