含砷污泥稳定化固化技术

含砷污泥作为危险废物（HW24）的重要类别，主要来源于有色金属冶炼、化工生产等工业领域。这类污泥不仅总砷含量高达10-30%，其浸出毒性更远超GB 5085.3-2007规定的5mg/L限值。传统堆存处置方式存在严重的环境风险，近年来稳定化固化技术因其高效性和经济性成为行业首选方案。本文将系统分析当前主流技术路线，探讨其作用机理、应用效果及未来发展方向。

化学稳定化技术原理

钙盐沉淀法

钙盐沉淀通过形成Ca₃(AsO₄)₂实现砷固定，其反应方程式为：

3Ca^{2+} + 2AsO_4^{3-} ightarrow Ca_3(AsO_4)_2

金哲男等研究表明，当钙砷摩尔比>1.85、温度85℃时，沉砷率可达95%。但该法存在增容比大（渣量增加30-50%）和长期稳定性差的缺陷，在酸性环境中易发生返溶现象。

铁盐稳定化技术

铁盐通过与砷形成臭葱石（FeAsO₄·2H₂O）实现稳定化，其溶度积（K_{sp}=10^{-23}）远低于钙盐。中南大学研究证实，在pH=2-4、Fe/As摩尔比1.5-2.0条件下，臭葱石结晶度最佳，浸出浓度<0.1mg/L。某铜冶炼厂应用铁钙协同工艺，使出水砷<0.3mg/L，同时回收工业石膏。

复合稳定剂创新

云南某项目采用磷化铝残渣（含70%Al(OH)₃）与铁盐协同处理，在pH=10-12、养护7天条件下，砷浸出浓度从1280mg/L降至0.56mg/L，去除率达99.96%。其机理在于Al(OH)₃提供吸附位点，铁盐促进结晶转化，实现了"以废治废"。

固化技术进展

水泥固化工艺

水泥固化通过C₃A、C₄AF等矿物水化生成钙矾石包裹砷。武汉理工大学优化配方显示：水泥15%、粉煤灰20%、矿渣10%时，28天抗压强度达14.2MPa，砷浸出仅0.07mg/L。但该工艺存在增容30-40%的固有缺陷，长期受CO₂侵蚀后浸出浓度可能增加3-5倍。

聚合物固化技术

环氧树脂（EVE）和聚酯树脂（OPE）固化体表现出优异性能。对比试验表明，OPE固化体硬度比水泥高20%，浸出毒性低至0.05mg/L。日本某冶炼厂应用沥青固化技术，使渗透系数<10⁻⁹cm/s，但处理成本高达800元/吨。

熔融固化工艺

LG Twidwell的研究证实，玻璃固化体在pH=3条件下浸泡90天，砷浸出量<0.01mg/L。该技术需1200-1400℃高温，能耗达500-800kWh/吨，仅适合小规模高浓度砷渣处理。

工程应用案例

矿化稳定化实践

湖北某冶炼厂处理钙砷渣（As=15-25%）时，采用强制搅拌工艺，关键参数为：

反应时间15分钟，搅拌速度100r/min

矿化剂投加比10:1（与干渣质量比）

浸出浓度从250.8mg/L降至1.03mg/L

该技术通过晶型转化将无定形Ca₃(AsO₄)₂转化为凌砷铁矿，稳定性提高5-8倍。

生物-矿化-胶凝联合工艺

湖南某锑冶炼厂采用三级处理：

生物氧化：As(III)转化效率>98%

矿化稳定：浸出毒性从8500mg/L降至2mg/L

胶凝固化：抗压强度>10MPa

项目年处理砷碱渣4000吨，回收锑金属120吨，实现危废资源化与无害化双重目标。

技术挑战与发展趋势

现存技术瓶颈

盐分干扰：Cl⁻>5000mg/L时臭葱石结晶度下降40%

有机质影响：COD>2000mg/L阻碍水泥水化

长期稳定性：水泥固化体10年后砷浸出可能反弹

创新发展方向

材料领域：

磁性纳米材料：Fe₃O₄@SiO₂-NH₂吸附容量达350mg/g

地聚物水泥：碱激发形成三维网络结构固定砷

工艺优化：

MVR蒸发耦合：能耗降至传统蒸发法的1/3

光电催化氧化：UV/Fe²⁺体系As(III)氧化效率99.5%

智能化升级：

数字孪生模型：预测不同配比下的浸出行为

物联网监测：实时跟踪固化体性能变化

结论与建议

含砷污泥处理需根据废物特性选择适宜技术：大型企业推荐"氧化稳定化-水泥固化"组合工艺；中小企业可采用"铁盐稳定化-聚合物固化"方案。未来应重点突破：

开发赤泥-铁尾矿等低成本复合稳定剂

优化固化体资源化途径，满足GB30760-2014标准

建立全生命周期评估体系，平衡环境风险与经济成本

通过技术创新和工程实践，稳定化固化技术将为我国砷污染治理提供更可靠的解决方案。