大沙河民权段砷污染底泥环境修复示范项目简介--大学毕业设计论文.doc

大沙河民权段砷污染底泥环境修复示范项目简介
一、基本信息
项目名称
大沙河民权段砷污染底泥环境修复示范项目
项目法人
河南省民权县人民政府
开始时间

结束时间
2015年9月
总投资（万元）

申请中央补助（万元）
4000.00
所在区域/流域
淮河流域
排放重金属元素种类
砷
污染环境要素
水体污染
拟采用治污关键技术/工艺
拟采用砷污染底泥环保疏浚、含砷底泥稳定化安全处置和河道天然湿地恢复重建组合治理工艺
污染物减排绩效
彻底清除堆积在河道内的砷污染底泥25万m3,减排重金属砷1875-2500kg
技术来源
② 1、自有 2产学研结合 3、已在推广 4、国内购买 5、国外购买
技术水平
③ 1、国际领先 2、国际先进 3、国内领先 4、国内先进 5、一般
项目进展
② 1、开工在建 2、科研审批（核准） 3、科研或方案编制

是否满足
申报条件
是
是否符合国家和地方的产业政策
是
产生的废弃物是否送交有资质的单位进行无害化处理
是
是否有能力筹集配套资金和保证治污设施的正常运行管理
二、建设方案简表
污染现状
大沙河水体砷污染是由民权县成城化工有限公司违法、违规排放高砷制酸生产废水所致。污染发生后，民权县政府采取果断措施，关停了企业，切断了污染源，并对大沙河民权段砷污染河道采取了临时断流隔离措施。大沙河砷污染水体已得到了及时、安全、有效处置。
但大沙河民权段10km污染河道内仍积存25万m3高砷污染底泥尚未得到妥善处置。淮河水利委员水保局对大沙河河道内的残水进行多次例行监测，结果表明残水砷浓度时有超标，证明高砷污染底泥存在释放风险。
目前，肇事企业已倒闭，企业法人已被法办，事故处理责任主体为民权县人民政府。
治理目标及监测手段
治理目标：
以大沙河砷污染底泥环保疏浚、砷污染底泥综合治理与污染河道修复重建技术为核心，实现含砷底泥全部安全处置和综合利用，建设砷污染环保疏浚工程、砷污染底泥烧结砖工程、天然湿地恢复重建工程等示范工程，并形成相应技术规范，通过生态系统重建，实现含砷污染河道的修复示范。并进一步对示范项目的进行风险评估，系统总结项目经验，为此类污染源治理和生态修复提供借鉴，推动我国此类污染治理技术发展。具体目标如下：
1、完成大沙河民权段10km砷污染河道环保疏浚工程，清除河道内积存的约25万m3含砷底泥，总计实现减排重金属砷1875-2500kg，彻底消除底泥砷污染隐患。
2、 恢复重建大沙河民权段约100000 m2 的天然湿地，建设总面积10000m2两岸生态边坡，建设20000m2污染源阻断带。
监测手段：
建立以砷为代表的重金属污染监测实验室
项目建设的必要性
1、高砷污染底泥释放风险
大沙河民权段10km污染河道积存的25万m3高砷污染底泥尚未得到妥善处置。不同形态砷的毒理学、毒性效应有很大区别，从而对生物体和生态系统产生的风险也存在很大差异，As(III)的生物毒性较As(V)高60倍，这主要由于As(III)能与生物体内蛋白质中的巯基发生反应进而影响其生理过程。监测数据显示，该段河道内的底泥不仅砷含量超标，且底泥中As(III)和As(V)比例约为1：1，安全风险更高。
此外，在大沙河砷污染水体得到了及时、安全、有效处置后，淮河水利委员水保局对大沙河河道内的残水进行了多次例行监测，结果表明残水砷浓度时有超标，证明高砷污染底泥存在释放风险。
2、地下水安全风险
砷直接或间接进入人体，将对人体健康产生潜在的危害，从而发生急慢性砷中毒现象。急性砷中毒症状主要包括腹痛、呕吐、腹泻、肌肉疼痛与虚弱等。慢性砷中毒症状包括皮肤损害、皮肤癌、肺癌、膀胱癌、皮肤黑色素沉积、皮肤角质化与乌脚病、皮外血管病等。有报道显示，饮用砷浓度为1.2 mg/L和21 mg/L的水可能导致急性砷中毒症状。对于慢性砷中毒，在最短暴露期为5年的人群中，皮肤损害是最为普遍的症状，儿童暴露于含砷饮用水（平均浓度为0.6 mg/L）超过7年即会观察到心血管病的发生。
自大沙河砷污染事件发生后，河南省环境监测站、商丘市环境监测站共对沿河500米内18个监测点位进行了监测，监测数据显示绝大多数监测数据均符合《地下水质量标准》三类标准砷浓度≤0.05mg/L的要求，但一些浅表地下水存在超标风险。
3、维护社会稳定的需要
大沙河不仅是商丘地区重要防洪、泄洪通道，更是重要的黄河引水通道，同时威胁下游安徽的饮用水安全。大沙河水是两岸农田灌溉的主要水源，但由于砷污染原因，大沙河引水功能被暂时人为取消。去年罕见的旱灾使两岸农民付出了惨重代价，因无水灌溉，粮食作物几乎全部绝收，并给当地政府带来了维护社会稳定工作的巨大压力。
4、具有示范意义
我国多发的水体砷污染事件，矿产资源开采、冶炼与磷化工产生等活动产生的严重砷污染问题，不仅使水环境质量与民众的健康安全受到威胁，也给当地的经济社会发展带来了巨大的负面影响。因此在近年来水体砷污染治理经验的基础上，探讨多种污染控制技术集成示范，及砷的资源化，使砷污染治理更加系统化和安全高效化，支撑区域经济社会与环境协调发展，建设资源节约型和环境友好型社会，有十分重要的意义。本项目的实施将为砷污染事件安全、妥善处置提供一整套技术方法和工程实例，对处置类似事件具有显著的示范作用。
建设内容
大沙河砷污染底泥综合治理与河道修复工程坚持污染源消减与综合利用相结合、控源与河道修复相结合、治理与管理相结合、河流功能恢复与流域综合治理相结合的原则，依据大沙河自然地理条件、水系和水环境特征，项目总体建设方案由砷污染底泥环保疏浚工程、砷污染底泥安全处置工程、生态系统修复重建工程三个部分构成。
1、砷污染底泥环保疏浚工程是本项目的工作基础，计划采取水力、机械、人工等多种可行方式优先实施，以彻底清除沉积在大沙河河道中的含砷污染物，消除砷污染隐患，打通大沙河下泄通道，保证下游用水安全。
2、砷污染底泥安全处置工程是本项目的工作重点和难点，该工程以通过中试实验验证的烧结砖技术、固化/稳定化技术为核心，以实施掺杂含砷底泥的粘土烧砖工程为主，以含砷路基材料综合利用工程为辅，实现全部含砷底泥的安全处置。
3、生态系统恢复重建工程是本项目的工作核心。在上述工程成果基础上，实施工作场地生态恢复工程、人工介质岸边生态净化工程、河滩湿地重建工程和水生动、植物组合生态重建工程，实现大沙河砷污染河段修复和生态系统重建。
设计减排量
完成大沙河民权段10km砷污染河道环保疏浚工程，清除河道内积存的约25万m3含砷底泥，折合为干重约25000吨含砷干泥，干泥砷含量为75mg-100mg/kg，总计实现减排重金属砷1875-2500kg。
技术或工程方案
1环保疏浚工程
1.1污染底泥总量
为了全面了解大沙河底泥砷污染状况，对整个大沙河污染河道底泥进行柱状样采集，采样点分布及分析结果见项目背景相关内容。以底泥中砷含量分层分析结果依据，经民权县水利局和民权县环保局现场勘测，确定环保疏浚区域范围为民生河口至大沙河民权出境段，河道全长约10000m，河底和边坡总长平均100m，计划疏浚深度0.25m，故疏浚底泥总体积约25万m3。疏浚后底泥中砷含量低于75mg/kg为控制指标（底泥农用污泥中污染物控制标准（GB4284-84）为75mg/kg）。
1.2底泥疏浚技术路线
河道底泥处置的技术路线是：测定不同段底泥砷浓度→确定底泥体积→河道两侧挖出储泥坑→把底泥抽上岸自然干化→底泥运输→综合利用。
根据大沙河的河道地理特点和残水分布情况，本项目疏浚工程计划分别采取水利清淤和机械/人工开挖的方式进行。
2河岸储泥池及干化排水工程
2.1工程建设内容
底泥水利疏浚过程中，需在河岸开挖和构建一定规模和数量的污泥储存池及集水处理池，并根据需要配建与排水量相适应的集水设施和水处理设施，以防止干化排水进入河道造成二次污染。底泥水利疏浚工程示意图如图1所示。

图1 底泥水利疏浚工程示意图
其中，主要建设内容包括：
1、 河岸上的污泥储存池和集水处理池按同样规模和要求以2：1的比例配建。
2、 河岸上的污泥储存池和集水处理池防渗工程均采用土工管袋技术。土工管袋是一咱由高强度土工织物制成的管袋式包容体，主要用于包裹砂类泥土，其直径可根据需要变化，最大长度可达近百米。
3、 根据现场实验结果，污泥储存池建设规模为长×宽×深为50m×20m×2m，总容积2000 m3，干化后污泥总容积约1000 m3。根据水利输送能力和条件，宜1000m左右河道配建污泥储池2座、集水处理池1座。故10km河道需建污泥储存池和集水处理池共30座，开挖总面积约30000m2，总容量约60000 m3。
4、 经实地勘察，结合现有道路交通情况，在大沙河两岸需建设宽5m的施工临时道路，道路总长预计10km。
底泥在输送、贮存和处置过程中的注意事项：
1、 底泥在贮存点要按“三防”措施，做好防渗漏、防扬散、防流失，同时要做好防雨措施；
2、 上岸底泥要指定专人负责并不定期进行巡逻，严禁将底泥用作垫宅基地或用于其它用途，禁止儿童在底泥贮存点上面玩耍；
3、 运输过程中，要加强监管，防止扬散、丢失和遗弃，按指定位置进行堆放；
4、 底泥池要有专人负责，经常查巡。渗出水经处理达标后定期进行排放，同时对围坝进行维护，防止溃坝。
此外，由于大部分河道地处偏僻，交通不便，因此需根据疏浚工程需要进行必要的交通基础设施建设。
3烧结砖工程
3.1工艺流程
将砷含量低于100mg/kg的均匀底泥送到砖坯原料车间用于砖坯生产。按照粘土：底泥＝10：1的比例混合制砖。监测站负责定期对砖产品抽样检查，按照每窑洞1块砖的频率抽样检查砖的浸出浓度，分析方法见《固体废物 浸出毒性浸出方法 翻转法》。

3.2主要建设内容
1、安全堆场（坑）
安全堆场（坑）建设主要包括：防渗衬层系统、渗滤液收集导排系统、雨污分流系统、终场覆盖系统。主要包括：防渗衬层系统、渗滤液收集导排系统、雨污分流系统、终场覆盖系统等。
2、渗滤液处置系统
为防止堆场含砷底泥渗滤液泄漏造成二次污染，故需建设含砷渗滤液处置系统，处置系统参照大沙河水体治污设施建设。
3、烧结砖厂建设
建设一座生产量为2000万块砖/年的烧结砖厂，预计需临时征用土地100亩。
4、主要控制参数
(i) 底泥砷含量不超过100mg/kg。
(ii) 粘土：含砷底泥＝10：1，不添加煤粉或煤矸石。
(iii) 产品砖不用于水库、取水井等与饮用水直接相关的设施的建造。
(iv) 以砖窑生产量2000万块砖/年，每块砖2.5kg，每块砖消耗含砷药泥为0.25kg，则年处置含砷底泥量约为5000吨，25万m3含砷底泥全部处置完成需5年。
(v) 按照每窑洞1块砖的频率抽样检查，烧结砖中As的浸出浓度满足地表水三类水质标准要求（0.05mg/L）。
4工作场地恢复工程
工作场地恢复工程主要包括清淤场地恢复工程、安全堆场恢复工程和烧结砖厂恢复工程，恢复工程主要包括征地补偿和土地复耕两部分内容。
5生态重建工程
5.1天然湿地恢复工程
模拟大沙河砷污染发生前，大沙河民权段天然湿地的结构和功能，根据河流污染治理和河流生态恢复的需要重新设计建造功能湿地，以巩固生态调水工程结果，通过天然湿地恢复重建工程，实现大沙河民权段砷污染河段生态修复和生态系统重建。
5.2主要建设内容
1、 恢复重建大沙河民生河口至王叉楼闸段2000m河道及周边河滩天然湿地，规划建设面积约20万m2。
2、 重新构建本地区湿地水生植被。筛选眼子菜科、金鱼藻科、睡莲科、香蒲科、禾本科、莎草科和浮萍科植物，如芦苇、水烛、杂狐尾藻、金鱼藻、浮萍、眼子菜、茨藻、莎草、莲、线叶眼子菜、黑藻等恢复重建河道水生生态系统。同时，重新构建沿河大堤生长的陆生植被，包括分布于农田、沙丘、荒地周围的植物。
3、 污染源阻断工程。污染源场地内堆存的废渣全部清理后，在人工开挖的沟槽底面铺设防渗漏隔水层，回填一定深度的土壤和基质（填料）层，通过介质的吸附、络合、离子交换等作用截流和去除污染离子；同时种植蜈蚣草等根系发达的富砷植物；并选取适当区域进行水泥地面硬化处理。
4、 控制区域内河水砷浓度满足《地面水环境质量标准》(GB 3838-88)III类水（砷浓度小于0.05mg/L）标准。
已开展工作
已开展的工作：
1、 底泥污染状况调查
2、 地下水污染排查
3、 化工厂污染源封存
4、 建设方案调研
5、 含砷底泥安全处置技术比选
6、 安全堆场和烧结结砖厂选址
7、 环境效益分析
8、 环保疏浚工程实验

图1 水利清淤现场实验

图2 机械开挖现场实验

图3河岸储泥池及干化排水实验

图4河岸储泥池干化排水收集

建设进度安排
1、 2010年7月至2010年12月为项目准备阶段，完成项目可行性研究报告和各项工程初步设计，进一步实施和完善各项工程实验。
2、 2011年1月至2011年4月为项目工程设计阶段和建设能力准备阶段，完成治理和修复工程的工程设计并做好工程启动的各项准备工作。
3、 2011年5月启动底泥疏浚工程和河岸储泥池及干化排水工程
4、 2011年8月启动安全堆场建设和烧结砖厂建设工程
5、 2013年4月启动生态重建工程
6、 2014年4月启动工作场地恢复工程
7、 2015年9月完成修复示范工程建设
项目建成后的运行保障措施
1、 建立以民权县人民政府为责任主体的项目实施运行机构
2、 建立以知名科研院所为支撑的技术保障体系
3、 建立以重金属分析检测为中心的监测能力
4、 建立财政专项基金管理帐户
5、 建立专项监督、审计机制
6、 建立项目进展报告制度
7、 落实配套资金和配套工程建设
可行性分析
1含砷底泥处置技术比选
可用于含砷废物处置的技术主要有：烧结砖、水泥窑共处置、粉末站共处置、水泥固化/稳定化填埋、直接作为路基材料等几种。
1.1 烧结砖技术
1.1.1技术原理
烧结砖技术的关键是原料的组成成分含量。烧结砖原料的组成成分主要有：SiO2、Al2O3、Fe化合物、CaO、MgO、烧失量等。各组成成分的作用如下：
u 二氧化硅( SiO2)
烧结砖原料的主要成分, 以石英的形式存在，焙烧时易溶于液相中。熔点较高，1700℃。是冷却时产生玻璃体的主要成分。含量偏高，颗粒偏大，这可能会提高熔融温度，增加液相粘度，使熔烧困难，烧胀性能变差。含量宜在55%～70%之间, 当大于70%时, 原料的塑性太低, 成型困难, 而且烧结时体积膨胀较大, 制品强度也会降低。
u 三氧化二铝(Al2O3)
对土的塑性贡献较大，熔点温度为1400℃，不仅能提高熔融温度，还增加液相粘度，而且Al2O3仅在1100℃以内时，才有少量的Al2O3与助熔剂起作用，生成低共熔物。从烧成角度而言，该含量低可能会使烧成温度有所降低，但会增加烧成难度。含量宜在10%～25%, 过低时将降低制品机械强度, 不抗折；过高时提高烧结温度, 加大能耗, 制品颜色变淡, 同时抗冻性能降低。
u （3）Fe化合物（Fe2O3＋FeO）
粘土中的一种着色剂，它以高价铁富积于烧胀砖表面，使砖呈铁锈红色，以低价铁存在于烧胀陶粒内部，呈黑灰色。Fe2O3还原生成的FeO是粘土的强助溶剂，因此含量过高降低砖的耐火度，含量宜为3%～10%。
u 氧化钙(CaO)
在原料中常以石灰石(CaCO3) 的形式存在, 是一种有害物质, 含量最高不得超过10%, 否则, 不仅会缩小制品的烧结温度范围, 给烧结带来困难, 当其粒径大于2 mm时, 还会造成制品的石灰爆裂, 或吸潮、松解、粉化。
u 氧化镁(MgO)
是一种有害物质, 含量越少越好, 不许超过3%，它的存在使制品出现泛霜, 甚至剥层、风化。
u 烧失量
是有机杂质量、碳酸盐等可溶盐分解量、结晶脱水量的总合，一般有机质含量高，烧失量也就大。一定的烧失量对产品的轻质有好处，但过高烧失量会影响产品的强度性能。烧失量4～10%为宜。
1.1.2技术可行性分析
根据含砷底泥的组成分析可知，含砷底泥和粘土组成接近，主要是Fe、Al、Mn和As含量高。Fe和Al是烧结砖的重要组成成分，只要调配比例、控制好砖坯料中Fe和Al的含量满足烧结砖技术的要求，则可以制造出合格的砖产品。砖在制作坯料过程中需要控制含水率在15～30%，河道底泥用于烧结砖可以充分利用底泥中含有的水份。河道底泥中有机物含量较高，过量添加会导致烧结砖的孔隙率过大，产品强度性能受到影响，因此，配料过程中也需要对坯料烧失量的控制。
目前关于As在热处理过程中的固定行为研究较少，现有的研究发现含砷废物热处理过程中砷的挥发与温度、氧化还原气氛及物质组成有关。目前烧结砖窑内部为弱氧化气氛，同时往往采用内燃砖，添加煤或煤矸石后砖的内部主要为还原性气氛，不利于As的固定。
综上，河道底泥用于烧结砖技术需要重点关注底泥添加比、烧结过程As的固定行为、煤粉的添加对As固定行为的影响，以及对产品质量的影响。
1.2 水泥窑共处置技术
1.2.1技术原理
固体废物水泥窑共处置指的是在水泥的生产过程中使用废物，固体废物水泥窑共处置为水泥工业和废物的管理提供了更好的选择方式。由于水泥窑的强碱性、高氧化、高温环境，其处置过程对废物中的重金属会产生如下一些影响：
（1）高氧化环境。水泥窑内物料温度一般高于1450℃，气体温度则高于1750℃，甚至可达更高温度。在此高温下，在氧气充分的条件下，重金属往往能够被氧化成高价形态，重金属的热处理特性发生改变，可能导致重金属的挥发率显著提高，也可能显著降低。
（2）高CaO含量及强碱性的环境氛围。水泥窑内的碱性物质可以中和废物中的酸性物质为稳定的盐类（如，可中和强酸性的HCl类烟气），有效抑制酸性物质的排放，便于尾气的净化；此外，水泥窑内CaO含量很高，烧结过程中会和重金属类发生复杂的热化学反应，导致可挥发的重金属形成稳定的存在形态，降低重金属的挥发率。
（3）煅烧固化作用。在水泥窑煅烧废物的过程中，可将废物中的绝大部分重金属固化在熟料中，避免了重金属的再度扩散。固留在熟料中的重金属有三种可能的固定方式：做为杂质离子置换晶格上元素或填充在于晶格间隙内存在于熟料矿物固溶体内；形成化合物吸附在固溶体表面；重金属可能生成不溶性的化合物，混和在熟料的多矿物集合体中。
（4）水化固化作用。水泥使用过程中，加入水发生水化反应。水化产物中重金属可能的固定方式：随熟料矿物水化结合到C-S-H 凝胶中；依然固定于未完全水化的熟料矿物中；吸附在水化产物表面；生成氢氧化物或是碳酸盐形式沉淀；以可溶态存在于不连通的孔隙中被密实包容。
1.2.2入窑焚烧的危险废物特性要求
为保证水泥窑生产过程投加的危险废物不对产品质量产生影响以及产生的二次污染可以控制，根据前期的研究成果，进入水泥窑焚烧的物料中As含量不能超过16mg/kg-熟料。根据长期实践经验，生产1吨熟料需要生料给料量为1.61~1.62吨。由此可以计算出As的投加量不能超过9.3mg/kg-生料。
1.2.3技术可行性分析
对水泥生料中的Mn和As进行了含量分析测定，结果如下表1所示。
按照含砷底泥的As含量为100mg/kg计算，可以算出含砷底泥的投加量不能超过0.5%。如此低的投加比不能满足大批量处理处置含砷底泥的目的。
表1 水泥生料中Mn和As含量结果
Mn（mg/kg）
As（mg/kg）
180
4.5
综上，采用水泥窑共处置的技术来处理处置含砷底泥不可行。
1.3 粉末站共处置技术
将含砷底泥干燥后粉磨添加到水泥熟料中制成产品销售。能够进行粉末站共处置的废物需要具有很好的活性。但含砷底泥中的组分以盐的形式存在，底泥的添加会影响水泥产品的质量，因此，粉末站共处置技术不可行。
1.4 水泥固化/稳定化＋填埋技术
1.4.1技术原理
包胶固化是采用某种固化基材对于废物块或废物堆进行包覆处理的一种方法。对废物的包覆方法，一般可分为宏观包胶和微囊包胶。宏观包胶是把干燥的未稳定化处理的废物用包胶材料在外围包上一个外壳，使废物与环境隔离；微囊包胶是用包胶剂包覆废物的微观粒子。宏观包胶工艺简单，但包胶材料一旦破裂，被包覆的有害物质就会进入环境，造成污染。防止固化体破裂的工艺要求高，成本也会随之增加。微囊包胶便于做到有害废物的安全处置，是目前国际上较多采用的处理技术，微囊包胶基材有水泥、石灰、热塑性材料和有机聚合材料等。而水泥基固化是基于水泥的水合和水硬胶凝作用而对废物进行固化处理的一种方法。
水泥与适量的水拌和后，最初形成具有可塑性的水泥浆体，经过一定时间，水泥浆体逐渐变稠失去塑性，这一过程称为硅酸盐水泥的凝结；凝结后开始产生强度并逐渐提高，变成坚硬的人造石-水泥石，这一过程称为硅酸盐水泥的硬化。而在硬化阶段，尽管水泥已经硬化，但是它的物理化学反应仍在继续进行，而且还要保持很久，使其强度继续增加。稳定化固化时，水泥与废物中的水分或另外添加的水分发生水化反应生成凝胶，将废物中的有害微粒分别包容起来，并逐步硬化成水泥固化体。水泥固化以其固化工艺简单、设备和运行费用低，固化体的强度、耐热性、耐久性好而在工业上广泛应用。但其缺点有：固化体的增容比较高（1.5~2.1:1）；在有些条件下如酸雨地区需作涂层处理，防止长期侵蚀条件下发生浸出。
1.4.2技术可行性分析
根据实验室初步研究结果，含砷底泥经过水泥固化稳定化处理后的浸出浓度能够满足《危险废物填埋污染控制标准》中要求的进入填埋场的入场废物浸出浓度小于2.5mg/L的要求。
针对含砷底泥，下一步需要进一步研究确定水泥固化稳定化填埋技术工艺参数，为实际治理工程提供依据。由于该技术不能有效削减污染总量，且由于待处置的含砷底泥量巨大，当地无法满足场地条件，故该技术不具备实际操作性。
1.5 稳定化作路基材料技术
按照《土壤环境质量标准》的要求，为不对环境造成危害，土壤中的砷含量不能超过20mg/kg（二级标准）。含砷底泥中的As主要以砷酸铁的形态存在，较稳定，根据对含砷底泥浸出的研究结果，其很难释放到环境中。虽直接作路基材料不能满足标准要求，但将含砷底泥与一定比例粘土混合并投加一定比例砷稳定剂后，可直接作路基材料使用，因此，稳定化作路基材料技术可行，但应严格控制含砷底泥混合后的砷含量满足土壤环境质量标准。
1.6含砷底泥适用技术现场中试实验
根据前述研究成果，进行了烧结砖和固化/稳定化现场实验研究，结果如下。
1.6.1 烧结砖实验
实验所用1＃、2＃、3＃和4＃底泥的Mn和As含量如下表2所示。
表2 四种底泥的Mn和As含量

1＃
2＃
3＃
4＃
Mn含量（mg/kg）
490
2500
1270
30200
As含量（mg/kg）
17
280
220
7400
将上述四种底泥按照5% 、10%和20%的添加比，以及不添加煤矸石进行实验室实验研究。实验采用1000℃、加热时间10小时、烧结时间2小时、冷却时间10小时的操作条件。
烧结前后砖中重金属固定率分析测试结果表明，高温烧结处理过程中As基本上固定在砖产品中，As的固定率在90%左右。
添加煤矸石和不添加煤矸石的实验结果如图1所示。结果显示，添加煤矸石会促进As的挥发，导致固定率降低。主要是因为内燃砖提供了一个还原性的气氛，导致砷酸铁被还原。

图1 添加煤矸石对As固定效果的影响

取200mg/kg的含砷底泥，按照5%和10%两个添加比进行实验，并研究了添加煤粉和添加CaO的影响。具体现场实验方案如下表5：
表5 烧结砖现场实验研究方案
含砷底泥
煤粉
石灰
编号
5%
－
－
1＃
10%
－
－
2＃
5%
5%
－
3＃
10%
5%
－
4＃
5%
－
5%
5＃
对烧结后产品的分析结果如下表6。
表6 现场烧结砖产品固定率分析结果
编号
烧结前总量（mg/kg）
烧结后总量mg/kg（折算后）
固定率(%)
Mn
As
Mn
As
Mn
As
1＃
552
107.3
532
97.4
96.4
90.8
2＃
598
142.6
556
131.3
92.9
92.1
3＃
819
127
783
106
95.6
83.5
4＃
783
159
680
133
86.8
84.7
5＃
594
109
554
100
93.3
91.7
对于200mg/kg的含砷底泥，按照5%的添加比，不添加煤粉进行烧结，砖产品中As的总量和浸出实验结果如下表7：
表7 砖产品中As的总量和浸出实验结果
测试指标
数据
As总量
9.3 mg/kg
浸出浓度
0.02 mg/L
地表水Ⅲ类水质标准
0.05 mg/L
通过现场实验可得到如下结论：
（1）烧结砖共处置含砷底泥As的挥发率小于10%。
（2）添加煤粉减弱了As的固定结合作用，As的固定率从90%左右降至80%左右。
（3）添加石灰对As的固定率影响不大。
（4）烧结砖产品浸出液As浓度低于地表水Ⅲ类水质标准（As浓度小于0.05 mg/L）。
根据研究结果，综合考虑含砷底泥的处置成本，对于含砷底泥，可通过添加5%的比例进行烧结砖共处置；共处置过程中不添加煤粉或煤矸石；为保证不出现局部砖产品中As含量过高和浸出浓度过高，首先在底泥堆积现场进行底泥的混合搅拌；此外，含砷底泥砖不能用于水库、取水井等与饮用水相关的设施的建造。综上，粘土混掺含砷底泥的烧结砖技术方案可行。
1.6.2 水泥固化/稳定化样品浸出实验
将浓度为3000mg/kg的含砷矿渣和水泥按照如下1：1、3：1和5：1的比例进行混合，加入40%的水搅拌10分钟后养护24小时，然后根据《危险废物填埋污染控制标准（GB18598-2001）》的要求按照硫酸硝酸法进行浸出实验，结果如下表8所示。
表8 水泥固化/稳定化后样品浸出结果
含砷底泥：水泥
As浸出浓度（mg/L）
1：1
0.0583
3：1
0.0756
5：1
0.1051
GB18598-2001
2.5
结果显示，按照5：1的比例进行水泥固化/稳定化处理，养护24小时后，质量标准符合《危险废物填埋污染控制标准（GB18598-2001）》的要求。因此，对于高砷矿渣和底泥，按照5：1的比例用水泥固化/稳定化处理后，送危险废物填埋场填埋处置技术可行。但此方法只是将污染源做隔离封存处置，环境风险依然存在。
1.6.3 路基基材稳定性实验
1、含砷底泥稳定性实验
砷稳定剂主要是由具有高氧化还原电位(Eh)的锰铁氧化物组成。将含砷底泥与砷稳定剂混合后，把混合材料（含砷7.6 mg/g）投加进所选择的溶液中，固液比2g/L，实验中不停调节pH直到稳定至目标pH。选择柠檬酸及抗坏血酸两种还原剂进进行氧化还原电位调节。四种不同Eh条件分别是0.05mol/L柠檬酸，0.01 mol/L抗坏血酸，0.05抗坏血酸，0.025抗坏血酸+0.05 柠檬酸，四种条件下pH在6-8。旋转摇床上振荡时间2周。
2、实验结果
不同实验条件含砷底泥稳定性实验结果如图2至图5所示。

图2 0.05mol/L柠檬酸

图3 pH6.7 0.01N 抗坏血酸

图4 pH6.8~7.1 0.01N 抗坏血酸

图5 pH8.0 0.025N抗坏血酸+0.05N柠檬酸
不同氧化还原实验结果可以看出，在高氧化还原电位条件下（ >300mV），铁释放非常缓慢。由于锰具有更高的氧化还原电位，在还原介质中锰更容易被还原，从而有利于保持铁对砷的吸附能力。在正常氧化还原电位条件下（>100mV）（太湖的底泥氧化还原电位在100mV左右）砷的释放未超过20%。
3、砷与铁及锰元素释放量的相关性
图6中可以明显看出砷与铁的释放量相关性明显强于砷与锰的相关性。特别是在弱还原条件下，砷与铁的相关性最大，可以看出砷主要是与砷稳定剂中的铁结合，而不是与锰结合。

图6 砷与稳定剂中的铁和锰释放的相关性
1.7 小结
根据以上分析，本研究初步认为含砷底泥有三个处置去向可以考虑进一步进行实验研究：
（1）含砷底泥与粘土按一定比例掺混后进行烧结砖处理后，其浸出液砷浓度低于地表水Ⅲ类水质标准（As浓度小于0.05 mg/L）。因此，含砷底泥的烧结砖技术可行。
（2）含砷底泥经过水泥固化稳定化处理后的浸出浓度能够满足《危险废物填埋污染控制标准》中要求的进入填埋场的入场废物浸出浓度小于2.5mg/L的要求。因此，水泥固化/稳定化处理填埋处理技术可行，但该技术场地条件要求高，且不能有效削减污染总量。
（3）含砷底泥与砷稳定剂和粘土掺混后可直接作为路基材料使用，掺混技术可行，但需要严格控制含砷底泥的添加比例。
经费来源（万元）
申请专项资金
3200万元
地方政府配套
800
银行贷款
0
企业自筹
0
其它
0
合计
4000万元
支出预算（万元）
大沙河民权段砷污染底泥环境修复示范项目总概算为4000万元，主要由以下六方面组成。
1、 底泥疏浚工程概算为850万元。
2、 河岸储泥池及干化排水工程概算为400万元。
3、 烧结砖工程概算为1000万元。
4、 工作场地恢复工程概算为550万元。
5、 生态重建工程概算为1200万元。
1底泥疏浚工程概算
1、 底泥疏浚体积：以底泥中砷含量为依据，经民权县水利局和民权县环保局现场勘测，确定环保疏浚区域范围为民生河口至大沙河民权出境段，河道全长约10000m，河道平均宽度100m，疏浚深度0.25m，故疏浚底泥总体积约25万m3，其中适宜采用机械开挖的底泥总量预计约10万m3，适宜采用水利清淤的底泥总量预计约15万m3。
2、 机械开挖综合成本（包括人工费、设备租赁费等）以20元/m3计，则机械开挖底泥工程概算为200万元。
3、 底泥运输半径以5公里计，运输成本以10元/m3计，则10万m3机械开挖底泥运输费概算为100万元。
4、 水利清淤综合成本（包括人工费、电费、设备租赁费等）以30元/m3计，则水利清淤15万m3底泥工程概算为450万元。
5、 水利清淤底泥含固率为5-10%，经干化脱水后污泥含固率约为50%，预计经干化后污泥体积为10万m3。底泥运输半径以5公里计，运输成本以10元/m3计，则10万m3水利清淤后的干化底泥运输费概算为100万元。
6、 底泥疏浚工程总概算为850万元。
2河岸储泥池及干化排水工程工程概算
1、 污泥储存池和集水处理池开挖成本以10元/ m3计，总开挖土方约60000 m3，则土方挖掘成本为60万元。
2、 土工管袋成本20元/ m3计，总疏浚体积15万m3，干化后总体积约10万m3，则土方管袋成本为200万元。
3、 浓缩排水设施和排水加药除砷处理设施4万元/套，计划投建10套，计40万元。
4、 临时施工道路建设约10km，以每公里建设成本10万元计，则临时施工道路建设费用为100万元。
5、 河岸储泥池及干化排水工程总概算为400万元。
3烧结砖工程概算
1、 含砷底泥处置总量约25万m3，干重约25000吨。
2、 安全堆场（坑）容量10000m3，建设成本以500元/ m3计，则安全堆场建设费用为500万元。
3、 烧结砖厂生产能力2000万块砖/年，建设成本以1000元/万块砖计，则烧结砖厂建设费用为200万元。
4、 渗滤液处置系统处理能力1000 m3/d，建设成本以500元/ m3计，则渗滤液处置系统建设费用为50万元。
5、 综合运行成本（包括人工费、电费、设备租赁费、药剂费等）以10元/m3计，则25万m3底泥运行成本为250万元。
6、 烧结砖工程工程总概算为1000万元。
4堆场恢复工程概算
1、 临时道路占地面积约5m×10km=50000m2，污泥储存池和集水处理池开挖总面积约30000m2，总计约120亩。征地补偿每年以3000元/亩计，5年项目实施期征地补偿费用约为120万元。土地复耕成本以3500元/亩计，120亩土地复耕费用为40万元。则清淤场地恢复工程费用为160万元。
2、 安全堆场（坑）是烧结砖厂的配套建设工程，安全堆场（坑）容量10000m3，恢复工程建设成本以200元/ m3计，则安全堆场恢复工程建设费用为200万元。
3、 烧结砖厂占地约100亩征地补偿每年以3000元/亩计，5年项目实施期征地补偿费用约为100万元；土地复耕成本以9000元/亩计，100亩土地复耕费用为90万元；则烧结砖厂恢复工程费用为190万元。
4、 工作场地恢复工程概算为550万元。
5生态重建工程概算
1、 两岸生态边坡建设工程建设总面积10000m2，建设成本以300元/m2计，则生态边坡建设工程费用为300万元。
2、 湿地水生植被重建面积为100000 m2，建设成本以30元/m2计，则湿地水生植被重建工程费用为300万元。
3、 污染源阻断工程建设总面积20000m2，建设成本以300元/m2计，则污染源场地修复工程建设费用为600万元。
4、 生态重建工程总概算为1200万元。
环保及经济效益分析

1、 完成大沙河民权段10km砷污染河道环保疏浚工程，清除河道内积存的约25万m3含砷底泥，折合为干重约25000吨含砷干泥，干泥砷含量为75mg-100mg/kg，总计实现减排重金属砷1875-2500kg。
2、 在完成20万m2重污染区底泥疏浚示范工程中，超挖精度（即超挖深度）≤10cm，疏挖底泥扩散范围≤5m，堆场排放余水处理率>100%，余水中砷浓度≤0.05mg/L，彻底消除底泥砷污染隐患。
3、 建设容量10000m3的安全堆场（坑）1座，并配建相应的渗滤液处理装置，所有渗滤液实现安全达标排放（砷浓度≤0.05mg/L）。
4、 建设生产能力2000万块砖/年的含砷底泥烧结砖厂1座，五年内安全处置含砷底泥总量约25万m3，含砷底泥干重约25000吨。
5、 恢复重建大沙河民权段约100000 m2 的天然湿地，建设总面积10000m2两岸生态边坡，建设污染源阻断带20000m2，恢复全部施工工作场地220亩。
6、 提供系统完成的示范项目风险评估报告，为此类项目治理提供技术支撑。

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