镍铁渣在混凝土综合利用中的环境风险研究.pdf

1 0 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 0 年第9 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 2 0 ．0 9 ．0 1 9 镍铁渣在混凝土综合利用中的环境风险研究 鞠丽萍1 ，陈彦虎2 ，祝怡斌1 ，陈谦1 1 ．矿冶科技集团有限公司，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．永青科技股份有限公司，浙江温州3 2 5 0 5 8 摘要从浸出机制和迁移扩散角度出发，研究了镍铁渣的产酸潜势、浸出毒性和其混凝土产品的浸出毒 性。结果表明，镍铁渣产酸潜势为不产酸，本身不是一个酸性排放源；腐蚀性、浸出毒性小于国家标准限 值。镍铁渣混凝土产品在酸性和碱性环境下，只有砷少量浸出，但未超过地下水质量标准。因此，镍 铁渣可以直接入场作为混凝土掺和料进行综合应用，环境风险较小。 关键词镍铁渣；混凝土；产酸潜势；浸出毒性 中图分类号X 7 5 8文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 0 0 9 一0 1 0 6 一0 4 E n V i r o n m e n t a lR i s kS t u d yo nU t i l i z a t i o no fF e r r o N i c k e lS l a gi nC o n c r e t e J UL i p i n 9 1 ，C H E NY a n h u 2 ，Z H UY i _ b i n l ，C H E NQ i a n l 1 ．B G R I M MT e c h n o l o g yG r o u p ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ；2 ．Y o n g q i n gT e c h n o l o g yC o ．，I 。t d ．，W e n z h o u3 2 5 0 5 8 ，Z h e j i a n g ，C h i n a A b s t r a c t F r o mp e r s p e c t i v eo fl e a c h i n gm e c h a n i s ma n dm i g r a t i o nd i f f u s i o n 。 a c i dg e n e r a t i o np o t e n t i a l ， e x t r a c t i o nt o x i c i t yo ff e r r o n i c k e ls l a ga n de x t r a c t i o nt o x i c i t y E T o fc o n c r e t ep r o d u c t sw e r es t u d i e d ．T h e r e s u l t ss h o wt h a ta c i dg e n e r a t i o np o t e n t i a lo ff e r r o n i c k e ls l a gi sn o na c i d ， w h i c hi sn o ta na c i de m i s s i o n s o u r c e ．C o r r o s i o na n dE Ta r el e s st h a nt h el i m i t e dv a l u eo fn a t i o n a ls t a n d a r d ．I na c i da n da l k a l i n e e n v i r o n m e n t ，a r s e n i ci sl e a c h e df r o mf e r r o n i c k e ls l a gc o n c r e t ep r o d u c t s ，a m o u n to fw h i c hi sl e s st h a n s t a n d a r df o rg r o u n d w a t e rq u a l i t y ．T h ee n v i r o n m e n t a lr i s k o ff e r r o n i c k e ls l a gi ss m a l l ，w h i c hc a nb e d i r e c t l yu s e da so n ea d m i x t u r e si nc o n c r e t e ． K e yw o r d s f e r r o n i c k e ls l a g ； c o n c r e t e ； a c i dg e n e r a t i o np o t e n t i a l ；e x t r a c t i o nt o x i c i t y 红土矿冶炼镍铁是我国近年来的新兴产业，年 产生量超30 0 0 万t ，镍铁产能居全球首位。镍铁冶 炼过程中会排出大量镍铁渣，产渣量为原料量的 8 0 ％～9 0 ％。因此，镍铁渣也是继铁渣、钢渣、赤泥 之后第四大冶炼工业废渣[ 1 ] 。镍铁渣的综合利用方 向一般包括四个方面，混凝土、水泥混合料、无机矿 物纤维和新型墙体材料阳] 。其中，镍铁渣作为掺合 料制备混凝土，消纳量大、变废为宝、可缓解建筑原 材料短缺的现状。 贺炜等[ 3 3 采用室内和原位试验，证明镍铁渣作 收稿日期2 0 2 0 0 3 一0 5 基金项目国家重点研发计划项目 2 0 1 8 Y F C l 8 0 1 7 0 1 作者简介鞠丽萍 19 8 6 一 ，女，重庆涪陵人，硕士，高级工程师 为掺和料用作路基填料，可以改善路用性能指标。 陈哲等n 1 研究表明，电炉镍铁渣在混凝土中大量使 用，从性能上是可行的。但镍铁渣中含有有害物质 特别是重金属，其作为混凝土材料，有害物质可能在 使用过程中经空气传播或雨水淋滤，产生环境风险。 镍铁渣能否直接入场作为混凝土掺和料、是否需要 预处理，是目前有待研究的问题。 固体废物的风险评估，一般有两种角度，即浸出 机制和迁移扩散∞] 。浸出机制是固体废物使用前的 研究，也可以称为可行性环境风险评估。迁移扩散， 万方数据 2 0 2 0 年第9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 0 7 是针对固体废物的产品，模拟或监测其在实际应用 时，通过雨水淋滤或其他途径对环境可能造成的危 害。孔令军等[ 6 ] 对镍铁渣环境安全性能进行研究， 包括镍铁渣的腐蚀性、浸出毒性、水溶解稳定性等方 面，但该研究样本容量小，且未从产品角度考虑安全 性能。本研究主要对镍铁渣作为混凝土掺和料综合 利用的环境风险进行评估，增加了原料产酸潜势和 产品重金属环境风险研究，且加大样本容量。从前 期的浸出机制和模拟产品的迁移扩散两个角度考察 了镍铁渣在混凝土应用中环境风险。 1 研究对象 以广东某企业矿热电炉冶炼镍铁产生的镍铁渣 为研究对象。该企业采用“R K E F ”工艺生产镍铁合 金原料，主要生产工艺流程为原料 红土镍矿 一干 燥一配料一回转窑焙烧一矿热炉冶炼。 2 镍铁渣的化学成分 镍铁渣的主要成分是S i 0 2 、M 9 0 、F e O 和A l 。0 3 ， 次要成分是C a 0 、M n 0 和N i O 等。检测结果 ％ S i 0 24 7 ．4 8 、M 9 02 0 ．4 2 、F e 07 ．7 6 、A 1 2 0 35 ．9 2 、 C a O0 ．7 0 、M n O0 ．5 0 、N i Oo ．0 5 7 。同时，对镍铁渣 5 种I 类重金属及其有效态含量进行检测，结果表 明，C r 、P b 、A s 、C d 、H g 含量分别为1 ．0 6 ％、 o ．0 0 5 ％、 0 ．0 0 5 ％、 O ．0 0 5 ％、 4 0 0k 倒t ，以 H 2 S 0 4 计 3 ．1 ．4 净产酸潜能N A P P 净产酸潜能 k g ／t ，以H 。S O 。计 计算公式 N A P P M P A A N C 3 ．1 ．5 净产酸量测试N A G 以p H 计 2 ．5g 样品放人5 0 0m L 锥形瓶中，加入2 5 0m L 1 5 ％ H o 。，静置过夜．力Ⅱ热到冒泡结束，冷却后加 蒸馏水到2 5 0m L ，测p H ，记为N A G 。H 。 3 ．2 镍铁渣重金属浸出 浸出／提取是固体废物重金属毒性特征评估最 常用的方法。常用的方法有水平振荡法、翻转法、硫 酸硝酸法、醋酸缓冲溶液法、T C L P 美国 、S P L P 美国 、A S T MD 3 9 8 7 2 0 0 6 美国 、E N1 2 4 5 7 2 0 0 2 第1 4 部分 英国 、N E N 7 3 7 l 荷兰 、D DC E N ／ 万方数据 1 0 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 2 0 年第9 期 T S1 4 4 2 9 英国 等[ 8 ] 。对于镍铁渣，本文选取固体 废物腐蚀性测定玻璃电极法 G B ／T1 5 5 5 5 ．1 2 1 9 9 5 、固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法 H J5 5 7 2 0 1 0 、固体废物浸出毒性浸出方法硫 酸硝酸法 H J ／T2 2 9 2 0 0 7 。 3 ．3 产品重金属浸出 镍铁渣作为混凝土掺和料，与当地常见建筑材 料混合生成砌砖块。将混凝土产品清洗、磨碎至直 径小于1 0m m ，模拟接触自然环境中的酸性、碱性 环境，参照H J ／T2 2 9 2 0 0 7 制备浸提液 盐酸， p H 5 ；氢氧化钠，p H 1 0 并测定重金属浓度。浸 出试验条件液固比2 0 1 、浸出时间 1 8 2 h 、温 度 2 3 2 ℃。 4试验结果 4 ．1 产酸潜势 选取镍铁渣场固体废物的混合样品，做了3 组 平行试验，结果见表2 。从表2 可以看出，p H 川表 明了镍铁渣当前状态，即初始暴露时的状况为弱碱 性状态。 镍铁渣产酸潜势试验结果均符合N A P P o ， N A G 。H ≥4 ．5 ，产酸潜势为不产酸。说明镍铁渣虽 然含有硫，但样品有足够中和含硫矿物产酸 理论最 大值 的能力，因此镍铁渣不是一个酸性排放源，释 放重金属的可能性较小。 表2 镍铁渣产酸潜势试验结果 T a b l e2R e s u l t so fa c i dg e n e r a t i o np o t e n t i a l o ff e r r o n i c k e Is l a g M P A ／A N C ／N A P P ／ 编号p H l 2 全硫／％N A G 。H k g t 一1 k g t1 k g t 一1 l8 ．9 80 ．0 2 4O ．7 33 2 ．1 03 1 ．3 66 ．6 2 28 ．8 20 ．0 2 5O ．7 73 7 ．7 33 6 ．9 76 ．6 7 38 ．9 4O ．0 4 8】．4 73 7 ．9 83 6 ．5 】6 ．5 】 4 ．2 重金属浸出 按照取样规范，选取镍铁渣场固体废物，做了 1 0 0 组平行试验。结果如表3 所示。 腐蚀性试验。p H 范围为7 ．7 9 ～8 ．8 4 ，没有超 过危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别G B5 0 8 5 ．1 ～ 2 0 0 7 规定的标准限值，也未超过污水综合排放标 准 G B8 9 7 8 1 9 9 6 最高允许排放浓度。可以认 为，镍铁渣在受到酸性降水、地表水或地下水的浸沥 时，其浸出液不会对周围的土壤造成腐蚀危害。 重金属试验。硫酸硝酸法检测结果显示，各有 害物质浓度均未超过危险废物鉴别标准浸出毒性 鉴别 G B5 0 8 5 ．3 2 0 0 7 规定的标准限值。水平 振荡法结果显示，各有害物质浓度均未超过污水综 合排放标准 G B8 9 7 8 1 9 9 6 最高允许排放浓度。 可以认为，镍铁渣在受到酸性降水、地表水或地下水 的浸沥时，其浸出液不会对周围的土壤造成浸出毒 性危害。 表3 镍铁渣浸出液毒性试验结果 T a b l e3E x t r a c t i o nt o x i c i t yt e s tr e s u l t so ff e r r o 。n i c k e Is l a g 4 ．3 产品重金属浸出 镍铁渣作为} 昆合材料掺合料，与当地常见建筑 材料石粉混合作为骨料，制作混凝土砖块。镍铁渣 的掺杂配比分别为9 0 ％、8 0 ％、7 0 ％、6 0 ％，相应石 万方数据 2 0 2 0 年第9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 0 9 粉配比分别为1 0 ％、2 0 ％、3 0 ％和4 0 ％，样品编号分 别记为1 、2 、3 、4 。重金属浸出毒性结果见表4 ，可以 看出，酸性、碱性浸泡环境下，总铬、六价铬、锌、钡、 表4 T a b I e4 镍均未检出。砷有少量检出，但均未超过地下水质 量标准 G B ／T1 4 8 4 8 2 0 1 7 Ⅲ类砷 0 ．0 1m g ／L 限值。 混凝土产品浸出液毒性试验结果 E x t 髓c t i O nt O x i c i t yO fc O n c r e t ep r o d u c t s ／ m g L - 1 碱性 O ．0 0 4 6 1 0 一3 0 ．0 1 3 l 5 6 O ．0 8 1 ．7 2 7 2 2 5 结论与建议 1 镍铁渣产酸潜势为不产酸，不是一个酸性排 放源。腐蚀性、浸出毒性小于国家标准限值，表明其 在自然环境中化学性质稳定，所含重金属进入周围 环境的可能性小。 2 镍铁渣混凝土产品在酸性和碱性环境下，只 有砷少量浸出，但未超过地下水质量标准。初步 判断镍铁渣可以直接人场作为混凝土掺和料进行综 合应用，环境风险较小。 3 对于混凝土整体材料，采用浸出试验方法，虽 然可以模拟经雨水淋溶下的污染物释放规律，但是 实际应用时，还应进一步考虑太阳光照射、车轮荷载 等的影响，可能会加快污染物的迁移释放。 4 实验室浸提的方法可以快速模拟污染物释放 特征，手段便捷。但后续还应进行镍铁渣实际利用 场景的数据监测积累，为其在混凝土综合利用中的 环境风险评估提供进一步的数据支持。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 吴春丽，谢红波，陈哲，等．镍铁渣资源化综合利用现状 研究[ J ] ．广东建材，2 0 1 9 ，3 5 6 7 7 7 9 ． W UCL ，X I EHB ，C H E NZ ，e ta 1 ．R e s e a r c ho n c o m p r e h e n s i v e u t i l i z a t i o no f f e r r o - n i c k e l s l a g [ J ] ． G u a n g d o n gB u i l d i n gM a t e r i a l s ，2 0 1 9 ，3 5 6 7 7 7 9 ． 陆海飞，田伟光，徐佳林，等．红土镍矿冶炼镍铁废渣综 合利用的研究进展[ J ] ．材料导报，2 0 1 8 ，3 2 增刊2 4 4 4 4 4 8 ． L UHF ，T I A NWG ，X UJL ．R e s e a r c hp r o g r e s so n c o m p r e h e n s i v eu t 订i z a t i o no ff e r r o n i c k e ls l a g [ J ] ． M a t e r i a l sR e p o r t s ，2 0 1 8 ，3 2 S 2 4 4 4 4 4 8 ． 贺炜，刘剑锋，尹平保，等．工业镍铁渣的路用特性及原 位试验研究[ J ] ．岩土工程学报，2 0 1 9 ，4 1 1 0 卜9 ． H EW ，L l UJF ，Y l NPB ，e ta 1 ．P r o p e r t i e so fi n d u s t r i a l f e r r o r n i c k e ls l a gf o rm a da n df i e l de x p e r i n l e n t a ls t u d y [ J ] ． C h i n e s eJ o u r n a lo fG e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g ．2 0 1 9 ， 4 1 1 0 l 9 ． [ 4 ] 陈哲，谢红波，吴春丽，等．电炉镍铁渣机制砂性能及其 在混凝土中的大掺量应用研究[ J ] ．广东建材，2 0 1 9 ， 3 5 4 3 6 ． C H E NZ ，X I EHB ，W UCL ，e ta 1 ．S t u d yo nt h e p r o p e r t i e so f f e r r o r n i c k e ls l a gs a n da n di t sa p p l i c a t i o n i nc o n c r e t e [ J ] ．G u a n g d o n gB u i l d i n gM a t e r i a l s ，2 0 1 9 ， 3 5 4 3 6 ． [ 5 ] 韩玉立，王琼，韩烈保．德兴铜矿不同年份废石产酸规 律研究[ J ] ．环境科学学报，2 0 1 5 ，3 5 3 8 0 5 8 1 1 ． H A NYL ，W A N GQ ，H A NLB ．A c i dp r o d u c t i o nr u l e s o fw a s t er o c k si nd i f f e r e n ty e a r sf r o mD e x i n gc o p p e r m i n e [ J ] ．A c t aS c i e n t i a eC i r c u m s t a n t i a e ，2 0 1 5 ，3 5 3 8 0 5 8 1 1 ． [ 6 ] 孔令军，赵祥膦，刘广龙．红土镍矿冶炼镍铁废渣环境 安全性能研究[ J ] ．铜业工程，2 0 1 4 1 6 1 - 6 4 ． K O N GLJ ，Z H A 0XL ，L l UGL ．R e s e a r c ho n e n v i r o n m e n ts a f e t yo ft h el a t e r i t en i c k e Io r es m e l t i n g f e r m - n i c k e ls l a g [ J ] ．C o p p e rE n g i n e e r i n g ，2 0 1 4 1 6 l 一6 4 ． [ 7 ]H E R R I N G T O NP ， K V A T C HI ． A s s e s s i n g t h e e n v i r o n m e n t a Ie f f e c t so fn e wa n dr e c y c l e dm a t e r i a l si n r o a dc o n s t r u c t i o np r o p o s e dg u i d e I i n e s [ R ] ．w e l l i n g t o n L a n dT r a n s p o r tN e wZ e a l a n dR e s e a r c hR e p o r t ，2 0 0 6 ． [ 8 ] 张晶，孙英杰，杨玉飞，等．固体废物沥青路面利用的环 境风险评估[ J ] ．环境工程学报，2 0 1 7 ，7 6 7 4 6 7 5 3 ． Z H A N GJ ，S U NYJ ，Y A N GYF ，e ta 1 ．P r o g r e s so n e n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n to ns o l i dw a s t e su t i l i z e d i n a s p h a l tp a v e m e n t [ J ] ．J o u r n a l o fE n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y ，2 0 1 7 ，7 6 7 4 6 7 5 3 ． 万方数据