论文部分内容阅读
印染污泥作为印染工业废水处理过程中产生的化学沉淀和生物处理剩余污泥的混合污泥,具有重金属组成多样、有机物组成复杂、含水率高、抗压强度低等特点,若得不到合理的处理处置,将会对环境造成严重的威胁。本论文以泥质分析为起始,结合印染污泥特性和常见的水泥和水泥粉煤灰固化体系,分别以“水泥、凹凸棒土”、“水泥、粉煤灰、凹凸棒土”、“典型工况下比较”为基础,依次研究了各因素对固化块土工特性、重金属浸出特性、毒性有机物浸出特性的影响。并选择合适的添加剂组合以Cu和苯为代表探究了固化块中金属和毒性有机物在模拟地下水、酸雨和植物产生的酸性溶液三种典型环境中的浸出动力学特征。最后结合优选配方,按照日处理500t含水率85%的印染污泥企业进行技术经济性分析。主要结论如下:(1)实验采用的印染污泥含量最高的金属元素为Al、Fe和Mg,含量可达污泥干重的千分之一以上。除此之外检测到的重金属包括Cu、Zn、Cr、Pb和Mn。污泥中Cu和Zn的主要存在形态为离子交换态(F1)、碳酸盐结合态(F2)和铁锰氧化态(F3)。有机态(F4)和残余态(F5)含量较低均未检出。红外谱图分析可知该印染污泥中含有羧基、芳香环、羰基、脂肪酸等基团结构。浸出毒性实验发现污泥的浸出液中Cu、Zn和Pb的浓度分别为2.11 mg/L、1.91 mg/L和1.14 mg/L。苯和甲苯的浸出浓度为56.9 mg/L和18.3 mg/L,分别超出国家危废控制标准55倍和17倍以上。(2)采用水泥和凹凸棒土(响应面设计污泥0.1-0.8,水泥0.1-0.8和凹凸棒土 0～0.3)固化后的印染污泥的含水率随着时间延长得到明显降低,固化7d时含水率均低于60%,固化28天时含水率均稳定在10%左右;固化后的抗压强度随着时间增加,当固化7d时各固化块的抗压强度均已超过50kPa,满足填埋需求,部分固化块强度超过2 MPa满足土基砖块和铺路强度要求。采用水泥、粉煤灰和凹凸棒土固化印染污泥(设计水泥与污泥的质量比为0.2,0.4,0.6;粉煤灰与污泥质量比为0.1,0.3,0.5;凹凸棒土与污泥质量比为0.05,0.1,0.2),对含水率降低的影响为水泥>凹凸棒土>粉煤灰。增加水泥、凹凸棒土和粉煤灰含量均有助于提高固化块的抗压强度。典型工况下比较显示凹凸棒土在降低含水率、提高抗压强度、降低pH方面性能优于粉煤灰。固化后固体表面变得更加致密,固化过程中钙矾石和水合硅钙化合物(CSH)凝胶存在;固化过程中出现的晶体类型包括方解石、石英、硅酸三钙和莫来石;粉煤灰可促进水泥的水化反应。(3)采用水泥凹凸棒土两种添加剂(比例设置同上)固化印染污泥1 d,7 d和28 d时Cu、Zn的Pb的浸出浓度分别在0.04～1.6 mg/L,0.03～0.71 mg/L和0.04～0.19 mg/L,均低于危废控制标准,且增加水泥和凹凸棒土含量均会降低浸出液中相应金属浓度。采用二次型可有效表示各金属固定率和组分间关系。Cu的固化主要动力先后为凹凸棒土的吸附、水泥水化产物的包覆。Zn固化的主要动力先后为水泥中硅钙化合物与Zn反应、凹凸棒土的吸附、水泥水化产物的包覆。采用水泥凹凸棒土和粉煤灰三种添加剂(比例设置同上)固化印染污泥发现Cu、Zn 的 Pb 的浸出浓度分别在 0.3～1.3mg/L,0.01～0.058mg/L 和 0.2～0.4mg/L。对浸出液中Cu、Zn和Pb浓度的影响分别为凹凸棒土>水泥>粉煤灰,粉煤灰>凹凸棒土=水泥、粉煤灰>凹凸棒土>水泥。典型工况下比较知凹凸棒土在降低Cu、Zn和Pb的浸出方面性能优于粉煤灰。固化后Cu的有机态和残余态比例上升,凹凸棒土有利于将重金属转化为残余态,水泥含量增加可以促进Cu转化为有机态。固化后Zn的有机态和残余态比例上升,凹凸棒土有利于将Zn转化为残余态。采用水泥和凹凸棒土固化印染污泥可使得Cu和Zn形态向稳定状态转化,促进Cu和Zn的固定。(4)采用水泥和凹凸棒土(比例设置同上)固化印染污泥7 d后浸出液COD、苯和甲苯的浓度范围分别是106～986mg/L、0.21.35 mg/L和0.17～2.47 mg/L。增加水泥和凹凸棒土含量均可降低COD、苯和甲苯的浸出浓度。二次型可有效表征各污染物浸出浓度与各组分比例间关系。采用凹凸棒土和水泥粉煤灰(比例设置同上)固化印染污泥7d后COD的最低浓度为429.32mg/L。苯和甲苯的浸出浓度范围为0.4～1.7mg/L和0.9～4.3mg/L。正交结果显示对浸出液COD、苯和甲苯的影响顺序分别为粉煤灰>水泥>凹凸棒土,水泥>粉煤灰>凹凸棒土和水泥>粉煤灰>凹凸棒土。当污泥、水泥、粉煤灰、凹凸棒土加入的质量比设为0.512、0.308、0.154和0.026时固化7 d浸出液苯和甲苯浓度均满足危废控制标准。典型工况下比较显示凹凸棒土在降低COD、苯和甲苯的浸出方面性能优于粉煤灰。(5)选择污泥、水泥、粉煤灰、凹凸棒土加入质量比0.512、0.308、0.154和0.026固化7 d的固化块在水、硫酸硝酸和草酸的环境中进行渗出动力学实验。草酸对Cu的浸出能力强于硫酸硝酸和水。Cu的浸出按时间先后分为两个阶段,均为一级动力学反应,且第二阶段斜率要低于第一阶段。固化块中苯随时间的浸出也分为两个阶段,第一个阶段为二级动力学反应,第二个阶段呈对数型分布特征。(6)按照日处理含水率85%印染污泥500t,采用固化无害化方案污泥、水泥、粉煤灰、凹凸棒土的质量比分别为0.513、0.308、0.154和0.026进行设备选型和技术经济性核算,结果显示固定资产投资至少336万元,无害化运行费用约每吨污泥286.7元。