尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法和试验装置

摘要

本发明提出尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法和试验装置，属于重金属污染物测试技术领域，其方法步骤为：1)制备尾矿混凝土试件；2)采取静态浸泡试验和动态淋溶试验研究不同PH值条件下尾矿混凝土试件中主要重金属溶解释放情况；3)建立评价模型，对尾矿混凝土中重金属污染进行评价。通过本发明的方法能够评价尾矿混凝土中是否会产生重金属二次污染，以及尾矿混凝土产生重金属二次污染的程度，填补了现有尾矿混凝土在重金属二次污染评价方面的空白。

说明书

技术领域

本发明属于重金属污染物测试技术领域，涉及用尾矿制备的砂石混凝土中重金属二次污染物的测试技术，具体为尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法和试验装置。

背景技术

矿产资源是社会经济发展的物质基础。随着工业生产的发展，世界矿业生产总的趋势是富矿日益减少，越来越多的需要使用贫矿，因此矿业废弃物数量在持续增加。尾矿的处理问题是矿业开发综合利用一大难题，目前处理措施主要是建立专门的尾矿坝进行集中堆放或回填至采空区，二者均费时费力并且易产生较高的附加生产费用。

随着工程材料技术的不断进步，目前已有铁尾矿、铜尾矿、金尾矿、锌尾款、钼尾矿等金属尾矿应用于混凝土骨料的相关研究和案例。混凝土中需要大量的砂石骨料，而天然砂石资源属于不可再生资源，且随着国家政策紧缩，当前市场上天然砂石价格不断上涨且供不应求。将尾矿应用于混凝土材料，实现固废利用，变废为宝，可以缓解目前的环境污染砂石自然资源紧张状态。

但另一方面，大部分尾矿均含有一定量的重金属，若尾矿应用于混凝土后，重金属受外界环境影响或自身作用析出超标则会对环境造成二次污染，当前对于尾矿制备的混凝土是否产生重金属二次污染评价方法研究较为缺乏，但随着尾矿越来越多的应用于制备混凝土当中，提出一种简便可行的重金属二次污染的评价方法并将其运用于工程实际显得尤为重要。

发明内容

针对上述用尾矿制备的混凝土会造成环境二次污染的问题，本发明提出了尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法和试验装置，可以测试利用尾矿制备的混凝土中是否存在重金属污染物超标，进而判断该尾矿是否可以用来制备混凝土，其具体技术方案如下：

尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法，所述步骤包括：

1)制备尾矿混凝土试件；

2)采取静态浸泡试验对尾矿混凝土试件进行静态浸泡处理；采取动态淋溶试验对尾矿混凝土试件进行动态喷淋处理，采集静态浸泡处理和动态喷淋处理试验溶液的重金属溶解释放浓度值，获得两种试验条件下重金属趋于稳定时的溶解释放浓度；

3)建立评价模型，对尾矿混凝土中重金属污染进行评价。

进一步限定，所述评价模型为：

如果尾矿混凝土中只有一种重金属需要评价，则采用单因子指数法进行评价，评价模型如下：

式中，X

如果尾矿混凝土中有多种重金属需要评价，则采用综合指标评价模型，评价模型如下：

H(X)＝Max[f(X

式中，X

所述尾矿混凝土中重金属污染评价：

如果尾矿混凝土中只有一种重金属需要评价，为单因子指数污染评价模型：

若f(X

若1＜f(X

若2＜f(X

若f(X

如果尾矿混凝土中有多种重金属需要评价，为综合指标评价模型：

若g(X)＝0，则尾矿混凝土试件不会产生二次污染；

若g(X)≥1，且0＜G(X)≤2，则尾矿混凝土试件会产生轻度二次污染；

若g(X)≥1，且2＜G(X)≤3，则尾矿混凝土试件会产生中度二次污染；

若g(X)≥1，且G(X)≥3，和/或g(X)＝1，且H(X)≥3，则尾矿混凝土试件会产生重度二次污染。

进一步限定，所述静态浸泡试验和动态淋溶试验均在多组不同的pH条件下进行，所述pH＝3～10。

进一步限定，所述静态浸泡试验和动态淋溶试验均每隔两天采集一次重金属溶解释放浓度值，连续两次或两次以上采集的重金属溶解释放浓度值变化≤0.001mg/L，结束试验。

上述尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法中动态淋溶试验所使用的动态淋溶试验装置，包括喷淋单元和支撑架，所述喷淋单元与支撑架连接；

所述喷淋单元包括蓄水装置、喷淋头、喷水管和试件盛放装置，所述蓄水装置通过喷水管与喷淋头连通，所述试件盛放装置的顶部开口，所述喷淋头置于试件盛放装置上方，可对试件盛放装置内的尾矿混凝土试件进行喷淋处理，使尾矿混凝土试件中的重金属溶释在喷淋水中，所述试件盛放装置固定在支撑架上。

进一步限定，所述喷淋单元还包括喷淋溶液收集装置，所述喷淋溶液收集装置与试件盛放装置的底部连通，所述喷淋溶液收集装置用于对喷淋水进行收集。

进一步限定，所述喷淋单元还包括蠕动泵，所述蠕动泵通过喷水管连接在蓄水装置和喷淋头之间。

进一步限定，所述喷淋头为流量可调式喷淋头。

进一步限定，所述试件盛放装置有多个，且多个试件盛放装置并列连接在支撑架上，所述蓄水装置和喷淋头的数量与试件盛放装置的数量一一对应。

上述尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法中使用的评价系统，包括试验模块、数据采集模块和数据处理模块，所述试验模块用于进行静态浸泡试验和动态淋溶试验，所述数据采集模块用于采集静态浸泡试验和动态淋溶试验的试验数据并将试验数据发送给数据处理模块，所述数据处理模块接收试验数据并建立评价模型，同时将试验数据代入模型中进行计算，分别计算出f(X

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、利用本发明的方法能够很好的评价尾矿混凝土中是否会产生重金属二次污染，以及尾矿混凝土产生重金属二次污染的程度，评价过程简单，试验操作方便，对试验人员的要求低，易于在工程施工中多次试验和评价，填补了现有尾矿混凝土在重金属二次污染评价方面的空白。

2、本发明动态淋溶试验所用的动态淋溶试验装置，其上设置有蓄水装置、喷淋头、喷水管和试件盛放装置，尾矿混凝土试件置于试件盛放装置内，试件盛放装顶部开口，喷淋头置于试件盛放装置上方，通过喷淋头向尾矿混凝土试件喷淋不同PH的水模拟雨水，结构简单。

3、喷淋溶液收集装置与试件盛放装置的底部连通，将喷淋完的水收集，防止试验用水到处流。

4、喷淋头为流量可调式喷淋头，蠕动泵通过喷水管连接在蓄水装置和喷淋头之间，通过流量可调式喷淋头和蠕动泵可以很好地调节试验水的流量，模拟效果更好。

5、本发明静态浸泡试验所使用的静态浸泡试验装置，其浸泡圆筒上设置有把手，浸泡圆筒的移动，在浸泡圆筒的侧壁上设置有刻度尺，通过刻度尺可以更好的控制加入的模拟水量。

附图说明

图1为不同PH环境下静态浸泡试验和动态淋溶试验中锑释放浓度随时间的变化图；

图2为不同PH环境下静态浸泡试验和动态淋溶试验中砷释放浓度随时间的变化图；

图3为不同PH环境下静态浸泡试验和动态淋溶试验中汞释放浓度随时间的变化图；

图4为静态浸泡试验装置示意图；

图5为动态淋溶试验装置示意图；

其中，1-蓄水装置，2-蠕动泵，3-尾矿混凝土试件，4-喷淋溶液收集装置，5-支撑架，6-试件盛放装置。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步的解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

本实施例尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法，其步骤包括：

1)制备尾矿混凝土试件；

2)采取静态浸泡试验对尾矿混凝土试件进行静态浸泡处理；采取动态淋溶试验对尾矿混凝土试件进行动态喷淋处理，采集静态浸泡处理和动态喷淋处理试验溶液的重金属溶解释放浓度值，获得两种试验条件下重金属趋于稳定时的溶解释放浓度；

3)建立评价模型，对尾矿混凝土中重金属污染进行评价。

评价模型为：

如果尾矿混凝土中只有一种重金属需要评价，则采用单因子指数法进行评价，评价模型如下：

式中，X

如果尾矿混凝土中有多种重金属需要评价，则采用综合指标评价模型，评价模型如下：

H(X)＝Max[f(X

式中，X

尾矿混凝土中重金属污染评价：

如果尾矿混凝土中只有一种重金属需要评价，为单因子指数污染评价模型：

若f(X

若1＜f(X

若2＜f(X

若f(X

如果尾矿混凝土中有多种重金属需要评价，为综合指标评价模型：

若g(X)＝0，则尾矿混凝土试件不会产生二次污染；

若g(X)≥1，且0＜G(X)≤2，则尾矿混凝土试件会产生轻度二次污染；

若g(X)≥1，且2＜G(X)≤3，则尾矿混凝土试件会产生中度二次污染；

若g(X)≥1，且G(X)≥3，和/或g(X)＝1，且H(X)≥3，则尾矿混凝土试件会产生重度二次污染。

静态浸泡试验和动态淋溶试验均在多组不同的pH条件下进行，所述pH＝3～10。

静态浸泡试验和动态淋溶试验均每隔两天采集一次重金属溶解释放浓度值，连续两次或两次以上采集的重金属溶解释放浓度值变化≤0.001mg/L，结束试验。

上述尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法中动态淋溶试验所使用的动态淋溶试验装置，包括喷淋单元和支撑架5，喷淋单元与支撑架5连接；喷淋单元包括蓄水装置1、喷淋头、喷水管和试件盛放装置6，蓄水装置1通过喷水管与喷淋头连通，试件盛放装置6的顶部开口，喷淋头置于试件盛放装置6上方，喷淋头对试件盛放装置6内的尾矿混凝土试件进行喷淋处理，使尾矿混凝土试件中的重金属溶释在喷淋水中，试件盛放装置6固定在支撑架5上。喷淋单元还包括喷淋溶液收集装置4，喷淋溶液收集装置4与试件盛放装置6的底部连通，喷淋溶液收集装置4用于对喷淋水进行收集。喷淋单元还包括蠕动泵2，蠕动泵2通过喷水管连接在蓄水装置1和喷淋头之间。喷淋头为流量可调式喷淋头。试件盛放装置6有多个，且多个试件盛放装置6并列连接在支撑架5上，蓄水装置1和喷淋头的数量与试件盛放装置6的数量一一对应。

上述尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法中使用的评价系统，包括试验模块、数据采集模块和数据处理模块，试验模块用于进行静态浸泡试验和动态淋溶试验，数据采集模块用于采集静态浸泡试验和动态淋溶试验的试验数据并将试验数据发送给数据处理模块，数据处理模块接收试验数据并建立评价模型，同时将试验数据代入模型中进行计算，分别计算出f(X

实施例1

本实施例尾矿混凝土中重金属二次污染物的评价方法是以锑尾矿为制备原料代替砂石制备尾矿混凝土，评价锑尾矿制备的尾矿混凝土是否产生重金属二次污染。具体的评价步骤如下：

1)按照现有的C50混泥土级配要求制备32个100㎜×100㎜×100㎜尺寸的尾矿混凝土试件，在标养(现有的混凝土养护标准)条件下养护28天，确保试件外观质量完好一致；

2)取24个尾矿混凝土试件分成3组，每组8个，置于动态淋溶试验装置中，分别给每组动态淋溶PH＝3、PH＝4，PH＝5，PH＝6，PH＝7，PH＝8，PH＝9，PH＝10的水，进行雨水条件模拟，每隔两天采集一次重金属溶解释放浓度值，连续两次或两次以上采集的重金属溶解释放浓度值变化≤0.001mg/L，获得重金属趋于稳定时的溶解释放浓度，动态淋溶试验结束；

取8个尾矿混凝土试件，分别置于PH＝3、PH＝4，PH＝5，PH＝6，PH＝7，PH＝8，PH＝9，PH＝10的水中进行静态浸泡试验，静态浸泡试验装置中水的体积为2×10

参见如图1～3分别为静态浸泡试验和动态淋溶试验中锑、砷和汞释放浓度随时间的变化情况。

3)建立数学模型：

锑尾矿混凝土中有多种重金属需要评价，则采用综合指标评价模型。

H(X)＝Max[f(X

其中，不同PH条件下静态浸泡试验和动态淋溶试验中，W(锑)分别等于0.268mg/L；W(砷)分别等于0.079mg/L；W(汞)分别等于0.0032mg/L；《锡、锑、汞污染物排放标准》(GB30770-2014)或《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2007)中规定锑、砷和汞的容许释放的最大限值分别为Sb<0.3mg/L、As<0.1mg/L、Hg<0.005mg/L，试验结果均小于标准中规定的容许释放的最大限值，g(X)＝0,表明锑尾矿制备的混凝土试件不会产生二次污染，可以将其用作混凝土的粗集料。

参见图4，上述静态浸泡试验中所用的静态浸泡试验装置，其包括浸泡圆筒和两只把手，两只把手对称设置在浸泡圆筒的外侧壁上，在浸泡圆筒的侧壁上设置有刻度尺，刻度尺设置在两只把手之间，浸泡圆筒采用具有良好化学稳定性的合成树脂制成，浸泡圆筒的底部直径为180㎜，高度为250㎜。

参见图5，上述动态淋溶试验中所用的动态淋溶试验装置，其包括喷淋单元和支撑架5，喷淋单元上设置有蓄水装置1、蠕动泵2、喷淋头、喷水管、喷淋溶液收集装置4和试件盛放装置6，有蓄水装置1、蠕动泵2和喷淋头自前往后依次通过喷水管连通，尾矿混凝土试件置于试件盛放装置6内，试件盛放装置6的顶部开口，喷淋头置于试件盛放装置6开口处的正上方，且喷淋头为流量可调式喷淋头，喷淋溶液收集装置4通过喷水管与试件盛放装置6的底部连通，试件盛放装置6安装在支撑架5上，每个动态淋溶试验装置上设置有6个试件盛放装置6，且蓄水装置1、蠕动泵2喷淋头和喷淋溶液收集装置4的数量与试件盛放装置6的数量一一对应，均为6个。

为说明本模型评价尾矿混凝土中重金属二次污染物的适用性，下面针对不同模型结果进行算例演示。

算例1

某尾矿混凝土中只有1种重金属需要评价，测试结果及规范要求如下表：

根据单因子指数污染分级标准f(X

算例2

某尾矿混凝土中有4种重金属需要评价，测试结果及规范要求如下表：

则计算得：g(X)＝4，表明有二次污染的重金属种类数为4种，又因为G(X)＝2.4,则尾矿混凝土试件会产生中度二次污染。

算例3

某尾矿混凝土中有4种重金属需要评价，测试结果及规范要求如下表：

则计算得：g(X)＝1，表明有二次污染的重金属种类数为1种，G(X)＝2.2，按G(X)评价函数尾矿混凝土试件会产生中度二次污染，但H(X)＝3,则可直接判定为重度二次污染。