（环境工程专业论文）利用污泥、粉煤灰和铁尾矿配制人工土壤的实验研究.pdf

1lii】 ad i s s e n a t i o ni ne n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ea r t i l i i c i a ls o i lf r o m s e w a g es l u d g e ，f l y a s ha n df e r r o u s 1 1 a i l i n g b yh a od o n g s u p e r 、，i s o r ：p r o f e s s o rx ux i n y a n g p r o f e s s o rs u nl i n a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 j a n u a r v2 0 0 8 ， l f - ， ql- l|ll i ，_-曩 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 亡己 恧。 粼一虢评够 日 期：加彦、莎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，! ： ， 、， 一 - 、 东北大学硕士学位论丈 摘要 利用污泥、粉煤灰和铁尾矿配制人工土壤的实验研究 摘要 污泥、粉煤灰和铁尾矿是三种主要固体废弃物。这三种固体废弃物的存在不仅侵占 了大量十地，而且造成了水、十壤和大气污染。 本研究在对污泥、粉煤灰和铁尾矿特性及其环境危害分析基础上，将粉煤灰和污泥 分别按3 ：l ( i ) ，2 ：l ( i i ) ，l ：l( i i i ) 和l ：2 ( i v ) 的比例混合配制四种人工上壤，将 粉煤狄、污泥和铁尾矿按2 ：l ：l ( v ) 的比例混合配制另一种人上土壤，进行了基本性质 研究和污染元素活动性研究。 对人工土壤进行基本性质研究发现：随着粉煤灰添加比例的提高，人工土壤p h 值 和阳离子交换量随之提高，电导率下降；随着污泥配施比例的增加，人工土壤的蓄水能 力和持水能力都在增强，但当污泥与粉煤灰的配比达到2 ：l ( i v ) 时，人工土壤的持水 能力却出现下降趋势；人工土壤中有机质和养分含量都极其丰富，处于高肥力水平：人 t 土壤除处理i l i 中n i 含量较高，接近国家标准外，其他重金属含量都显著低于国家农 用标准。 对人工土壤进行恒湿培养发现：人工土壤溶液p h 值、e c 值波动较小，不会对町溶 性重金属和盐溶离子产生影响；总有机碳在恒湿培养中始终保持在较高水平，能够满足 植物生长对有机质的要求，同时能够吸附部分有毒有害元素；随着恒湿培养的进行， c a 2 + 、m 9 2 + 、n 0 3 浓度逐渐升高，s 0 4 2 。、c l 的浓度逐渐降低：人工土壤中可溶性n i c u ，c r ，c d ，p b 在达到恒定状态后，低丁【卡j 家地下水质量分类l i 标准；除n i 外，人 工土壤中其它元素的含量也均低丁欧共体的饮用水摔制标准( 9 8 8 3 e c ) 。 基于上述研究，人工土壤处理i i i ( 粉煤灰：污泥= i ：1 ) 和处理i v ( 粉煤灰：污泥 = l ：2 ) ，养分含量合乎植物生k 的要求，所含重金属低于国家农用标准，持水性能较好， 人工土壤产生的渗滤液不会对地下水造成影响。建议在奉研究基础上，用处理i i l 和处 理i v 作为基质，进行室内翁栽实验和小区实验，进一步确定人工土壤的最佳配比。 污泥、粉煤灰、铁尾矿配制人t 土壤，原料丰富，可就地取材，运输方便、经济， 具有环保和生态重建的双重功效，不仅解决了固体废物堆置造成的环境问题，同时还町 以解决十壤短缺的问题，对建设和谐社会和实现町持续发展具有重要意义。 关键词：污泥；粉煤灰；铁尾矿；固体废弃物：人工土壤：污染元素 t i j ， ， 卜 i 。 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t e x p e r i m e n t a ls t u d y o nt h ea r t i n c i a ls o i lf r o m s e w a g e s l u d g e ，f l ya s ha n df e r r o u s t a i l i n g a bs t r a c t s e w a g es l u d g e ( s s ) ，f l ya s h ( f a ) a n df e r r o u s r a i l j n g ( f t ) a r et h r e em a i ns o l i dw a s t e s a i o to fl a n dw a so c c u p i e db yt h ee x i s t e n c eo ft h e s et h r e es o l i dw a s t e sa n di ta l s or e s u l t e di n w a t e r s o i l ，a i rp o l l u t i o n o nt h eb a s i so fa n a i y z i n gt h ep r o p e r t i e sa n de n v i r o n m e n t a lh a z a r do ft h et h r e es o l i d w a s t e s ，a r t i n t i a ls o i l sw e r ep r e p a r e db ym i x i n go ff aa n ds sa tr a t j o so f3 ：l ( 1 ) ，2 ：l ( i i ) ，l ：i ( 1 1 1 ) a n d0 5 ：l ( 1 v ) f e s p e c t i v e l y ；t h eo t h e rw a sp r e p a r e db ym i x i n go ff a ，s sa n df ta tr a t i o o f2 ：l ：l ( v ) t h eb a s i cp r o p e r t i e sa n dp o l l u t i o ne l e m e n t sa c t i v i t yo ft h ea r t i n c i a is o i lw e r e r e s e a r c h e d t h o u 曲s t u d y i n gt h eb a s i cp f o p e f t i e s ，t h em a i nf e s u l t sw e r eo b t a i n e da sf o i i o w i n g w i t h 。 t h ei n c r e a s i n go ft h en ya s hc o n t e n t ，t h ep ha n dc e co ft h ea r t i n c i a ls o i li n c r e a s e d ，a n dt h e t e cd e c r e a s e d w i t ht h ei n c f e a s i n go fs e w a g es l u d g ec o n t e n t ，b o t ht h ew a t e r - s a t u r a t i o n c o e f 韩c i e n ta n dw a t e r - h o l d i n gc a p a c i t yo ft h ea r t i n c i a js o i1w e r ei n c r e a s e d b u tw a t e 卜h o l d i n g c a p a c i t yo fa r t i 行c i a ls o i ld e c l i n e d ，w h e nt h er a t i oo fs st of aw a s2 ：1 t h eo r g a n i cc a n d n u t r i e n tw e r ea b u n d a n ti na r t i 行c i a ls o i la n di nh i g hf e r t i l i t yl e v e l c o n t e n t so ft r a c ee l e m e n t s i nt h ea r t i f i c i a is o i lw e r eo b v i o u s l yi o w e rt h a nt h en a t i o n a ia g r i c u i t u r es t a n d a r d ，e x c e p tt h e n ic o n t e n tt h a tw a sc l o s et ot h en a t i o n a la g r i c u l t u r es t a n d a r d t h o u 曲c o n s t a n tm o i s t u r ei n c u b a t i o n ，t h em a i nr e s u i t sw e r eo b t a i n e da sf o i i o w i n g t h e f l u c t u a t i o no fp ha n de cv a j u eo fa r t i n c i a is o i lw a ss m a l i ，a n di tw o u i dn o ta f r e c tt h es o l u b l e h e a v ym e t a i sa n ds a i ts o l u b i ei o n s t h et o c h a db e e nk e e p i n ga tah i g hi e v e ia n dc o u k lm e e t t h en e e do fo 唱a n i ccf o rp l a n tg r o 、以h m e a n w h i l e ，i tc o u l da j s oa d s o r bp a f to ft o x i c i t y e l e m e n t w i t ht h eg o i n go fc o n s t a n tm o i s t u r ei n c u b a t i o n ，c a 什，m g 什，n 0 3 c o n c e n t r a t i o n s w e f ei n c r e a s i n g a n dc o n c e n t r a t i o n so fs 0 4 小、c i 。w e r eg r a d u a l l yd e c r e a s i n g s o i u b l en i c u ，c fc d ，p bg r a d u a l l yd e c i i n e dd u r i n gt h ei n c u b a t i o n a n dt h e i rc o n c e n t r a t i o n sw e r eb e i o w n a t i o n a lg r o u n d w a t e rq u a l i t ys t a n d a r dl l ( o olm l ) w h e nt h e ya c h i e v e dac o n s t a n tl e v e i e x c e p tn i ，t h ec o n c e n t f a t i o n so fo t h e re i e m e n t sw e r ea i s ob e i o wt h ee ud r i n k j n gw a t e r t h r e s h o l d ( e ud i r e c t i v e9 8 8 3 ) - i “ 土， i tc a nb ec o n c l u d e df r o mt h i s s t u d yt h a t t h ea n i n c i a ls o i li i l ( f l ya s h ：s e w a g e s i u d g e 2 i ：1 ) a n dl v ( f i ya s h ：s e w a g es l u 姑= l ：2 ) c o u i dm e e tt h en e e do f n u t r i t i o nf o rp l a n t g r o 、v t h ；t h e i rh e a v ym e t a lc o n t e n tw a sb e i o wn a t i o n a ia g r i c u l t u r a ls t a n d a r d 、h t e r - h o l d i n g c a p a c l t yw a so p t i m i z e d - g r o u n d w a t e rw o u l dn o tb ep o l l u t e db yt h el e a c h a t e p r o d u c e db y a r t i 6 c i a is o i l ，h e n c ei tc o u l db eu s e df o ff u r t h e rs t u d y 1 ti sa d v i s e dt h a ta r t i 行c i a l s o i li i ia n d i vb eu s e df o rl a b o r a t o r yp o te x p e r i m e n ta n do u t d o o re x p e r j m e n tb a s e do nt h i s s t u “a n d o p t i m a lr a t i ob ed e t e r t n i n e d c o m p o u n d i n ga r t i 行c i a ls o i ib ym i x i n gf l ya s ha n da l k a i i n em i n et a i l i n gw i t hm u n i c i p a l s e w a g es l u d g eh a sc e r t a i na d v a n t a g e s ，s u c ha sa b u n d a n ti o c a l m a t e r i a l s ，c o n v e n i e n ta n d e c o n o m i c a i t r a n s p o r t a t i o n ， b e s i d e si ts h o w e db o t h e n v i r o n m e n t a la n de c o j o g i c a i r e c o n s t r u c t i o ne 毹c t s i tc o u l dn o to n l ys o i v et h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sr e s u l t e df r o mt h e p i l eo fs o l i dw a s t e ，b u ta l s oc o u l ds o i v et h ep r o b i e m so fs o i ls h o r t a g e k ：e yw o r d s ：s e w a g es i u d g e ；f l ya s h ；f b r r o u st a i l i n g ；s o i i dw a s t e ；a r t i 行c i a ls o i j ；p o j i u t i o n e l e m e n t s - l v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t iii 第1 章绪论1 1 1 我国固体废弃物资源化利用现状1 1 1 1 固体废弃物的定义、分类1 1 1 2 固体废弃物造成的环境问题2 1 1 3 工业固体废弃物的产生和利用现状3 1 1 4 污泥、粉煤灰、铁尾矿的特征及处理现状4 1 2 污泥、粉煤灰、铁尾矿及配合施用的农用现状6 1 2 1 污泥的农用现状6 1 2 2 粉煤灰的农用现状7 1 2 3 铁尾矿的农用现状8 1 2 4 二i 种废弃物配合互施的 ：地利用研究现状9 1 3 本研究的目的和意义。9 1 4 本研究的土要内容1 0 第2 章实验材料、仪器与方法11 2 1 实验材料j l 2 2 人工土壤的配制l l 2 3 实验方法l2 2 3 1 人上土壤基本性能测定1 2 2 3 2 人上土壤持水性能测定1 2 2 3 3 人上土壤污染元素活动性实验1 4 2 4 实验仪器设备l5 2 5 数据处理与分析l5 第3 章人工土壤基本性能研究17 3 1 人工土壤p h 值变化17 3 2 人工土壤e c 值变化17 3 3 人工土壤c e c 值变化l8 3 4 人工土壤养分含量变化l9 3 4 1 人工土壤有机质含量变化1 9 3 4 2 人工土壤中速效钾含量变化1 9 3 4 3 人工土壤中速效磷含量变化2 0 3 4 4 人工土壤中碱解氮含量变化2 l 厂 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 人工土壤的重金属含量2 2 3 6 人工土壤持水性能研究2 3 3 6 1 不同配比人工土壤的蓄水性能2 3 3 6 2 不同配比人工土壤水分的蒸发2 4 3 6 3 不同配比人工土壤持水时间2 5 3 7 本章小结2 6 第4 章人工土壤中污染元素的活动性研究2 9 4 1 人t 土壤溶液基本性质变化2 9 4 1 1 人下土壤溶液p h 值的变化2 9 4 1 2 人t 土壤溶液e c 值的变化3 1 4 1 3 人丁土壤溶液有机碳的变化3 2 4 2 人工土壤溶液可溶性重金属的活动性3 4 4 2 1 人工土壤恒湿培养过程ti ，口j 溶性n i 的，叟化3 4 4 2 2 人工土壤恒湿培养过程巾口j 4 浴性c u 的，叟化3 5 4 2 3 人工土壤恒湿培养过程中日j 溶性c r 的变化3 6 4 2 4 人工土壤恒湿培养过程中町溶性c d 的，叟化3 8 4 2 5 人工十壤恒湿培养过程中町溶性p b 的，叟化3 9 4 3 人工十壤溶液中盐溶离子的变化4 0 4 3 1 人工十壤溶液阳离子的变化4 0 4 3 2 人工。 ：壤溶液阴离子的变化4 2 4 4 本章小结4 6 第5 章结论和建议4 7 参考文献4 9 致谢5 2 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 第1 章绪论 我国固体废弃物资源化利用现状 1 固体废弃物的定义、分类 固体废弃物也称固体废物，巴塞尔公约将固体废弃物定义为处置的或打算予以处置 按照国家法律规定必须加以处置的物质或物。口1 【1 】；我国的固体废弃物污染环境防治 将固体废物定义为在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽末丧 用价值但被抛弃或者放弃的吲态、半凼态和置于容器中的气态的物品、物质以及法 行政法规规定纳入i 古i 体废物管理的物品、物质【2 1 。 从哲学角度来看，仃何事物的性质都是相对的，同体废弃物也不例外，废还是不废 对而言的，同样具有相对性和时空性，作为固体废弃物相对于原使用者或所有者而 再具有使用价值，而大多数废弃物经过一定的处理町以作为其他用途或者町以直接 。随着人们对自然界认识的加深和科学技术的不断进步，以前的固体废物，现在逐 为可以利用的资源。所以，固体废弃物又被称为在时空上错位的资源【”。 固体废弃物是一个极其复杂的非均质体系。按照固体废弃物的来源将其分为生活垃 工业固体废物和危险废物【2 】见图1 1 ： i 直j 体废弃物 i li 生活垃圾 一1 ：业同体废弁物危险废物 l 。 il 生活中产 粉煤灰、采具有毒性、易 生的废物、 矿废石、选燃性、腐蚀性、 粪便、同林 矿尾矿、城反应性、传染 废物、建筑 市污泥、冶 性、放射性、 垃圾 炼废渣等爆炸性 图i l 我国固体废弃物分类 f i g 1 1c a t e g o r i z a t i o no fs o n dw a s t ei nc h i n a 1 夕 厂 的或 法中 失利 律、 是相 言不 使用 渐成 圾、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 固体废弃物造成的环境问题 固体废弃物排放的环境问题与固体废弃物的性质和数量有关。固体废物对环境造成 的危害主要表现在以下儿个方面： i 、侵占= 土：地 随着工农业的不断发展，城填人u 的不断增多，工业废弃物和城市垃圾的产量都在 迅速增长。由于种种条件的限制，产生的固体废弃物大部分并不能及时处理和利用而占 地堆放，山用了大量的土地，破坏了土地原有的地貌和植被。据估算，每堆积i 0 0 0 0 吨 约占l 亩。尤其足工业废弃物已占用了人晕宝贵的土地资源，使得耕地面积有限的我国 的土地资源更加紧缺。目前我国的固体废弃物堆存量已达7 0 多万亿吨，占用土地5 亿多 平方米。 2 、污染土壤 土壤是许多细菌、真菌等微牛物聚苦地。这些微牛物与周围环境构成了一个庞大的 生态系统，在大自然的物质循环l | i ，担负着碳循环和氮循环的部分重要任务。 固体废弃物在堆置过程中，长期受风吹、同晒、雨淋，其中的有害物质势必会淋浴 进入刷边下层f ：壤，改变 ：壤的性质、结构，杀灭1 ：壤中的微生物，使j ：壤丧失腐解能 力影响上壤的微生物活动，造成上壤污染。 3 、污染水体 固体废物可随地表径流进入河流湖泊，或随风迁徙落入水体，从而将有毒有害物质 带入水体，杀死水中生物，污染人类饮用水水源，危害人体健康；固体废物产生的渗滤 液危害更人，它可进入土壤使地下水受污染，或直接流入河流、湖泊或海洋，造成水资 源的水质型短缺。 在世界范围内，有不少国家直接将固体废物直接倾倒于河流、湖泊或海洋，甚至当 成固体废弃物处理的场所。这种做法不仪违反国际公约，同样也会引起水体污染，造成 大量水牛物的死亡，牛态平衡发牛变化。即使无害的同体废物排入河流、湖泊，也会造 成河床淤塞，水面减小，水体污染，甚至会导致水利工程设施的效益减少或废弃。 4 、污染大气 固体废弃物可以通过下列途径使大气受到污染。露天堆置的固体废物中的细微颗 粒、粉尘等可随风飞扬，进入大气可以加重大气污染，有的甚至扩散到很远的地方；在 适宜的温度和湿度条件下，固体废物可以发生生物分解，释放卅有害气体，从而使大气 受到污染，甚至危害人体健康，如果颗粒中含有病原微生物的载体，则会成为疾病传播 的媒介。一些国家、地区以焚烧作为固体废物的处理方式，在焚烧过程中产生的烟尘也 2 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 会进入大气，产生污染。此外，在固体废物的运输和处理过程中，也能产生有害气体和 粉尘。 5 、影响环境卫生 我国不仅9 0 以上粪便、垃圾未经无害化处理，而且医院、传染病院的粪便、垃圾 也混入普通粪便、垃圾之中且广泛施用于农田。未经处理的粪便进入环境，成为了成为 环境的严重污染源，不仪污染环境，而且对人类的健康也产牛潜在威胁。 1 1 3 工业固体废弃物的产生和利用现状 工业废弃物是固体废弃物中比例较大的一部分，主要来自各个工业部门的生产环节。 由于其废弃物数量多、具有毒性，破坏生态系统并可能对人体健康产生危害，因而越来 越受到重视。见图1 2 1 】 19 9 9z 0 0 0z 0 0 1z 0 0 z z u u 3 2 0 0 4 z u 0 5 z u u 5 年份 图1 2 我国工业固体废物产生、利用现状 f i g 1 2p r o d u c t i o n ，u t i i i z a t i o no fi n d u s t r i a ls o i i dw a s t ei nc h i n a 从图1 2 中可以看出，我国每年工业固体废弃物的产生量旱逐年升高的趋势，从2 0 0 4 年起年产生量已超过了i o 亿吨，2 0 0 6 年产生量达到了1 5 2 0 亿吨，从2 0 0 0 年到2 0 0 6 年年甲均增长率超过了l o 。而产生晕与利用量呈同步增长，相对产生晕的增多，综合 利用量还较小，造成排放和堆置的数量仍十分惊人。例女 | 2 0 0 6 年利用率为6 0 9 2 ，但 仍有5 9 4 亿吨排放。我国堆存的固体废弃物中超过9 5 的为工业固体废弃物，工业固 体废弃物占地面积惊人。 虽然堆置的同体废弃物产牛了重要的环境问题，但如果能够提高其综合利用率，则 不仪可以解决其产牛的污染问题，而且可以缓解资源危机。据悉，我国固体废弃物综合 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 利用率提高1 个百分点，每年可减少约l 0 0 0 万吨废弃物的排放。工业固体废弃物的资 源化对于解决环境污染问题，实现可持续发展具有重要的意义。 1 1 4 污泥、粉煤灰、铁尾矿的特征及处理现状 l 、污泥的特征及处理现状 污泥是城市污水处理厂对污水进行处理产生的沉淀物质，它包括污水中的泥砂、纤 维、动植物残体等同体颗粒及其凝结的絮状物，各种胶体、有机物及吸附的金属元素、 微生物、病菌、虫卵、杂草种子等。污泥的颗粒较细，密度较小，含水率高，经过脱水 水处理的污泥含水牢仍在7 0 以上，易腐败，有恶臭。 国外的城市污水污泥处理与处置已有了l o o 余年的历史。我国的污水处理事业起步 较晚。随着对水资源重视程度的提高和污水处理设施的普及，污水处理量和处理程度不 断扩大和提高，污泥产量以每年约i o 的速度增长。以2 0 0 5 年为例，全同废水排放总 量为5 2 4 5 亿吨，若进行完全处理将产生约2 6 0 0 万吨的脱水污泥( 按含水率8 0 计) ，污泥的数量惊人。大量的污泥的堆积，不仅山据了宝贵的土地资源，而日对环境产 生了污染。 依据减量化、稳定化、无害化与资源化的原则，传统的污泥处置方法是在污泥脱水 化和稳定化的基础上进行焚烧、填埋、投海和直接农田( 土地) 利用。虽然这些方法可以 起到对污泥处理与处置的作川，但是存在弊端和不足。例如污泥焚烧，由于污泥含水率 高，处理费用相对较高，而且焚烧产牛的气体可能会对环境产牛二次污染：污泥填埋会 占用填埋场大量的面积，会对地下水和大气造成污染；含有有害物质的污泥投海会破坏 海洋生态系统，使投海海域成为死海；直接农田利用虽然实现了污泥的资源化，但由于 未对污泥进行评价，不可避免地会对 ：壤和地下水环境产生污染。 焚烧、填埋、投海并不能从根本上解决污泥的污染问题，污泥的资源化利用是解决 污泥造成污染问题的正确途径。目前污泥的资源化利用的研究也较多，但大都集中在生 产堆肥、建筑材料、土地利用等方面。其中污泥的土地利用被认为是最有发展潜力的处 置方式。这种处置方式是把污泥应用于农田、菜地、果园、林地、草地、市政绿化、育 苗基质及严重扰动的土地修复与重建等l i 川。 2 、粉煤灰的特征及处理现状 粉煤灰是热电厂采用燃煤生产电7 _ 过程中排放的一种粘土类火山灰质材料，它是一 定细度的煤粉在锅炉中燃烧( 1 3 0 0 1 5 0 0 ) 后，由除尘器收集到的粉状物质。在粉 煤灰的形成过程l | 1 ，由于n 凹不平，极不均匀，微孔较小；部分冈住溶融状态下互相 东北大学硕士学位论文 第】章绪论 碰撞而粘连，成为表面粗糙，棱角较多的蜂窝状粒子，颗粒粒径集中在0 0 0 l 0 1m m 之间，约占8 5 以上1 1 4 j 。 粉煤灰组成主要包括s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、c a o 和末燃尽炭。粉煤灰的矿物组成主 要可分成尢定形相和结晶相两大类。无定形柏主要为玻璃体，约占粉煤灰总量的5 0 8 0 蕴含较高的化学内能，具有良好的化学活性。结晶相主要有石英、莫来石、云母、 长石、磁铁矿、赤铁矿和少量方解石、钙长石等组成 | 5 i 。 随着煤电事业的迅猛发展，我国煤的年消耗总量迅速增加，粉煤灰的年排放量也同 步快速增长，但粉煤灰的综合利用率低下。据有关资料显示，我国煤的年总消耗量约 1 1 0 6 亿吨，约占世界的煤年总消耗量的l 4 ，而粉煤灰的排放量约占世界年排放量的 l 3 ，到2 0 2 0 年，我国粉煤灰的年总排放量也将是现在的3 倍左右，加上目前我国已有 的起过2 0 亿吨粉煤灰累积堆存量，总的堆存量将会达到3 0 多亿吨制。如表1 1 所示， 我国自2 0 0 2 年到2 0 0 6 年粉煤灰的利用率都保持6 5 左右，但是排放量却逐年增长，2 0 0 6 年的排放最几乎为2 0 0 2 年排放晕的两倍，存利用率保持不变的情况下，导致堆存景也迅 速增人。 盘 粉煤灰的堆存量大，不仅占用土地，更造成严重的大气污染、土壤污染和水资源污 染，给环境造成了巨大的危害。 表1 i 我国粉煤灰排放与利用现状 t a b l e1 1 d i s c h a 唱ea j l du t i l i z a t i o nr a t eo ff l ya s hi nc h i n a 粉煤灰的研究从上世纪二十年代开始，美国人首先将粉煤灰掺入到混凝1 ：填体中， 以减少水化热。我国开始于上个世纪六十年代，在上海最先进行了将粉煤灰加入水泥中 作掺合料的实验。同内外对粉煤灰最早的应用是从建筑材料开始的。1 9 5 6 年中同科学院 将粉煤灰在建筑和建材中的应用列入重点研究十年规划中，改革丌后，才把粉煤灰的综 合利用提高到战略的高度。粉煤灰的综合利用研究逐渐存道路上程材料、矿坑回填材料、 化学添加剂、路基材料、水泥浆等方面展开。近年粉煤灰的研究利用领域扩展很人，在 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 塑料、保温材料、土壤磁性复合肥、环境治理等方面部有研究并取得了进展。上述利用 途径，粉煤灰的用最足有限的，相对于粉煤灰的年排放骨= 和总堆积量来说，仍然不能抑 制粉煤灰的绝对增长量，不能从根本上解决粉煤灰的污染问题。而粉煤灰的农林资源化 则可使用大量的粉煤灰。由于粉煤灰p h 值高达l l 以上，并含有较丰富的钾、氮、磷、 钙等营养元素，从粉煤灰的化学性质出发，可以把它用作土壤的化学改良剂、农、i k 化肥 原料、园艺的人造土等农用上。表1 1 为我国粉煤灰排放与利用现状。 3 、铁尾矿的特征及处理现状 铁尾矿是尾矿的一种，它是矿石经粉碎，浮选中矿、精矿后余下的微粒状固体粉末， 是一种重要的工业固体废弁物。由于尾矿粒度小( i i ( 粉煤灰：污泥= 2 ：1 ) v ( 粉煤灰：污泥：铁尾矿= 2 ：l ：1 ) i i i ( 粉煤灰：污泥= l ：1 ) ( 粉煤灰：污泥 = l ：2 ) 。在粉煤灰中加入污泥后，在一定程度上解决了粉煤灰p h 值高的问题。 对人工 土壤各处理p h 值做差异性显著分析，不l 刊处理l 日j 的p h 值存在着显著性差异。 12 1 7 东北大学硕士学位论文 第3 章人工土壤基本性能研究 率显著降低，这可能是由丁粉煤狄中含有一定的碱金属如钾、钠、钙、镁，所以呈碱性 反应，干排灰p h 值通常达l i 0 以上。在粉煤灰钝化污泥过程中，强碱性的粉煤灰在中 和土壤酸碱度的i 一时，使污泥中许多水溶忡的金属离子转变成难溶性的盐所致5 4 。 1 0 8 r - 抽。囵恩圈 _ vs s 豳 f a 处理 图3 2 人工土壤e c 值 f i g 3 2t h ee co f a r t i f i c i a ls o 订sc o m p o s e do ff l ya s h 、s e w a g es l u d g ea n dm i n et a i l i n g 3 3 人工土壤c e c 值变化 c e c 阳离子交换量( c a t i o ne x c h a n g ec a p a c i t y ) 是指土壤胶体所能吸附各种阳离子的 总量，土壤阳离子交换量是影响土壤缓冲能力高低，也是评价土壤保肥能力、改良土壤 和合理施肥的重要依据其人小直接决定了土壤的保肥性能。由图可以看出，人工土壤阳 离了交换量的变化，从图中发现只有污泥的c e c 值超过了1 0c m o l ( + ) k 昏1 ，而粉煤灰和 铁尾矿均低于污泥。在各配比人工土壤中随着污泥比例的增加，人工土壤c e c 值也在 提高，表现为i v i i i i i i v 。 i ii i ii vvs s 处理 图：；3 人工土壤c e c 值 f i g 3 3t h ec e co f a r t i f i c i a ls o i l sc o m p o s e do f f l ya s h 、s e w a g es l u d g ea n dm i n et a i l i n g 1 8 口厶 0 8 6 4 2 o ll 东北大学硕士学位论丈 第3 章人工土壤基本性能研究 3 4 人工土壤养分含量变化 i 污泥含有丰富的植物营养成分及较高含量的有机质，可以作为土壤肥料或土壤改 良剂施用于农林地。然而单一污泥反复施用于土壤容易引起土壤重金属富集。大量研究 表明，污泥中添加一定比例的粉煤灰能够钝化重会属，使其向无效态转化。但是随着粉 煤灰添加比例的不同，污泥一f 有效态氮磷钾莽分是否也会向无效态转化，门前这方面研 究较少。本实验研究了人工土壤的养分含量变化情况。 3 4 1 人工土壤有机质含量变化 i ：壤有机质是1 ：壤的重要组成部分，也是 ：壤氧分的主要来源。1 ：壤有机质是i ：壤 具有结构和生物学性质的基本物质，它既是生命活动的条件，也是生命活动的产物。它 由两大类组成，一类是与有机残体的有机组分相似的普通有机化合物；另一类是普遍存 在丁土壤和江湖河海底部的淤泥中的特殊有机化合物：。有机质的多少反映了土壤潜在 氧分的多少，直接影响土壤的团粒结构、物理性质、保水、保肥和缓冲作用。 冰 蟋 寒 龆 囫 vs s 豳：一 f af t 处理 图3 4 人工土壤有机质含量变化 f i g 3 4t h eo r g a n i cc o f a n i f i c i a ls o i i sc o m p o s e do f f l ya s h 、s e w a g es l u d g ea n dm i n et a i l i n g 由图3 4 可以看出，污泥中含有有机质最多，达到了3 6 6 9 ，粉煤灰和铁尾矿中较 少；人工土壤中的有机质含量均介丁污泥与粉煤灰和铁尾矿之间，而目随着污泥添加量 的增加，有机质的含量逐渐增多，表现为( i i i i i i ，有效态氮含 量均高于6 0 m k g ，能够为植物提供充足的氮源。 3 5 人工土壤的重金属含量 南粉煤灰、污泥和铁尾矿配制的人工土壤重金属含量测定结果如表3 1 所示。 表3 1 人工土壤荦金属含量 t a b l e3 1t h ec o n t e n to f t r a c ee l e m e n t so f a r t i f i c i a is o i lc o m p o s e do f s e w a g es l u 旭es t a b i l i z e d b yf l ya s h 注：一表示未知 污泥中含有较多的重金属，这也是污泥在资源化中首先虑当考虑的冈素，污泥在使 用中得不剑钝化或抑制就会对环境产生影响，就会对地表水、地下水等周围环境产生影 响，因此世界上各国都制定了农用废弁物污染物控制标准。本研究采用粉煤灰对污泥进 行钝化，按照不同的比例配制人工土壤，考察人工土壤中重金属的含量。 从表3 j 可以看出，污泥中添加一定比例的粉煤灰后，各处理中重金属含量都显著 低r 丁国家农用标准。其中人工土壤中全c d 受粉煤狄添加比例的影响不大，处理i i i 最高 为2 6 0m g k g ；全p b 受粉煤灰影响较人，随着粉煤灰加入量增多，全p b 含景呈下降趋 势，处理t v 中伞p b 含量最高达到了1 7 8 2 0m g k g ；粉煤灰中含有大量的n i ，但人工 土壤中的全n i 含量同粉煤灰的加入量无关，处理i i i ( 粉煤灰：污泥= l ：1 ) 中全n i 含量 较高，接近于国家农用标准2 0 0m k ；人工土壤中全c u 含量随着污泥加入量增多而增 多，粉煤灰对污泥中的c u 起到了钝化作用；人t 土壤中全z n 含量也未表现出一定的规 2 2 东北大学硕士学位论丈 第3 章人工土壤基本性能研究 律性，虽然粉煤狄中含有较多的z n 但人工土壤各处理中全z n 含量均远远低于国家农用 标准值1 0 0 0m k g ；污泥和铁尾矿中c r 含晕较高，但人工土壤中添加了铁尾矿的处理 v 中的伞c r 含量却最低，仅为1 9 7 9 m 蝇。由于实验所取尾矿是经过中选、精选后的 铁尾矿，所以尾矿中f e 和m n 的含量都较高，分别为：8 7 o l 和1 7 5 1 4m k g ，而粉煤 灰中m n 含量高于污泥，f e 含量几乎相同，所以配制的人工土壤中，处理v 的全m n 和 全f e 都较高，而其他处理中随着粉煤灰的加入是增加，全m n 含量增加。人 _ 土壤各处 理仝f e 含量相差不大。 3 6 人工土壤持水性能研究 3 6 1 不同配比人工土壤的蓄水性能 如图3 8 显示了不同样品的饱和含水率，从图中可以看出，污泥的饱和含水率最高， 为9 4 4 8 。而粉煤狄与铁尾矿的饱和含水率都较低，且差异4 ：显著，都低f 对照。在 不同比例配比的人工土壤样品中，处理的饱和含水率最高，其次是i i i ，都高于对照。 处理i 、i i 和v 的饱和含水率低于对照，做差异显著件分析发现各配比人工土壤间差异 极显著( p o 0 1 ) 。同时发现随着污泥施加比例的增加，人工土壤的饱和含水率也在增 加( i i i f a i i i i i c k s s 。 表3 2 等质量不配比人上上壤的水分蒸发百分比 t a b i e3 2 w a t e re v a p o r a t j o no fd i f k r e n ta 九i f i c i a is o i l si ne q u a jq u a l i t y 天数 c kii ii i ivs sf af t d l0 0 00 0 00 0 00 0 0o 0 00 o o0 0 00 0 00 。0 0 d 22 2 9 44 2 7 3 3 4 2 4 2 6 1 72 6 6 42 5 6 51 9 3 64 1 2 86 4 3l d 33 7 8 96 5 4 6 5 3 5 4 4 1 2 04 1 3 04 1 6 02 0 9 87 0 3 09 5 0 3 d 44 4 8 9