膨潤土在污染場地土壤修復(fù)和地下水污染防治中的應(yīng)用

鞠建英，向俐云

【開發(fā)利用】

膨潤土在污染場地土壤修復(fù)和地下水污染防治中的應(yīng)用

鞠建英1，向俐云2

（1.北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京 100082；2.北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測中心，北京 100048）

針對土壤污染嚴(yán)重、治污費(fèi)用高昂等問題，本文提出應(yīng)首選國內(nèi)外普遍采用的膨潤土和天然鈉基膨潤土防水毯隔絕污染源，防止水土污染進(jìn)一步擴(kuò)大，并就該技術(shù)的機(jī)理做了簡要介紹。

水土污染；危害治理；天然鈉基膨潤土；鈣基膨潤土；人工鈉化

1 我國土壤污染現(xiàn)狀及治理措施

1.1 污染現(xiàn)狀

近30多年，我國工業(yè)高速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平不斷上升，但環(huán)境問題越來越突出，突發(fā)污染事故越來越多，土地污染事故如砷污染土壤、血鉛事件和尾礦庫潰壩等增多。我國面臨的最大挑戰(zhàn)之一是土壤污染，由于空氣和水中的污染物80%最終進(jìn)入土壤，若不治理土壤污染，地下水污染幾乎沒有治理的可能性，因為污染物、水和介質(zhì)間相互轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜，且治理地下水污染的高昂費(fèi)用難以承擔(dān)。即使經(jīng)濟(jì)上承擔(dān)得起治污成本，清除污染源也需要十幾年、幾十年甚至數(shù)百年。原因是土壤污染具有隱蔽性和滯后性，一般發(fā)現(xiàn)后污染程度就特別嚴(yán)重，污染狀況也非常復(fù)雜，污染造成的后果就更加嚴(yán)重，很多重大污染事故都與土壤沉積物污染有關(guān)。

垃圾填埋場滲漏造成土壤嚴(yán)重污染，只有把它當(dāng)成百年大計多道設(shè)防，才能得到控制。要在基層土層填夯成低透水性的牢固墊層，再把天然鈉基膨潤土毯(或幾十公分厚的夯實天然鈣基膨潤土)作為主要防滲層。遇穿孔能自愈的天然鈉基膨潤土能形成穩(wěn)定耐久的納米級不透水、不串水的無機(jī)凝膠層，把土工膜作為輔助防水層，易穿孔的土工膜很容易出現(xiàn)小裂口，在壓力下裂口會越來越大，透水串水，并重視覆蓋層的防水防滲耐久性和防不良?xì)怏w逃逸，更應(yīng)有足夠厚的種植土層。總之，除在設(shè)計時有計劃地將垃圾淋濾液，廢氣引出處理外，其余的廢渣、廢液、廢氣都應(yīng)能封存在密閉的填埋場中。

1.2 治理措施

膨潤土與各種細(xì)菌的相互作用對治污十分重要，其吸附作用既可提高也可以降低細(xì)菌的活動能力，在土壤中摻拌膨潤土可以刺激固氮細(xì)菌的固氮作用，促進(jìn)植物生長，也能抵抗有害的鐮刀菌枯桿菌病毒，進(jìn)入土壤中使各種殺蟲劑、殺菌劑、除草劑失去藥性毒性。因為這些有害物質(zhì)被膨潤土吸附固定后很難被別的物質(zhì)置換出來?，F(xiàn)代工業(yè)廢水污染物成分復(fù)雜，處理一般用活性炭作吸附劑，但造價高、再生難度大、費(fèi)用貴，使污染處理在經(jīng)濟(jì)上難以承受。粘土礦物中的天然膨潤土、高嶺土、沸石比表面積大，吸附性能良好，功能可與活性炭媲美，我國又儲量豐富、來源廣、成本低，用其作為吸附劑去除污染，有巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效應(yīng)。

治理土壤污染，需長期作戰(zhàn)，并應(yīng)防止再進(jìn)一步污染：用天然鈉基膨潤土毯、膨潤土隔絕污染源；用膨潤土、沸石吸附有害重金屬及有害有機(jī)質(zhì)使其短時間內(nèi)被固結(jié)，即①客土隔離，大穴換土，或設(shè)暗管將土中污物隨水排走后處理；②施撒化學(xué)改良劑降低污物濃度；③施有機(jī)肥經(jīng)微生物活動轉(zhuǎn)為腐殖質(zhì)，抑制土壤下層污物上升；④種植鹽生植物(田菁、草木樨、紫花苜蓿等)，慢慢增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，使土中N素含量在短期內(nèi)得到顯著提高，使pH值發(fā)生變化。

2 膨潤土類粘土礦物對污染土壤的修復(fù)作用

國內(nèi)外大量的應(yīng)用研究表明，粘土礦物材料具有環(huán)境污染凈化、環(huán)境修復(fù)和環(huán)境替代(替代環(huán)境負(fù)荷大的材料)等功能。特別是近幾十年來，粘土(特別是膨潤土)礦物材料在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用越來越廣泛，在污水處理、大氣吸附、過濾脫色等方面的應(yīng)用水平不斷提高，在生態(tài)建材、殺菌、消毒劑等方面都有新的應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)品。

2.1 污染土壤修復(fù)方法

國外土壤修復(fù)的方法主要是利用物理、化學(xué)和生物方法將污染土壤中的污染物降低到可接受的水平。治理中的物理方法有氣相抽提、熱脫附、水洗和封閉隔離技術(shù)；化學(xué)方法有焚燒、化學(xué)氧化、穩(wěn)定化和固定化等技術(shù)；生物方法有植物修復(fù)、微生物修復(fù)和動物修復(fù)等。天然的膨潤土粘土礦物是最有效的環(huán)境友好防滲防污阻隔材料。

土壤修復(fù)的措施主要有三種：①凈化污染源──即把污染土壤挖出來進(jìn)行處理(通過吸附、清洗降低污染物濃度)后再進(jìn)行回填或遷移；②隔離封閉──把污染物切實封閉起來，以免其繼續(xù)擴(kuò)大、遷移污染地下水和空氣。國外初期也用有機(jī)膜進(jìn)行隔離封閉，后發(fā)現(xiàn)其不能徹底長久起隔離作用，現(xiàn)在多用天然隔離材料，如天然鈉基膨潤土防水毯(GCL)，或直接對土壤改性進(jìn)行阻隔，如摻天然鈉基膨潤土或較厚的天然鈣基膨潤土(不能摻人工鈉化膨潤土)等對有害物質(zhì)吸附，包裹，或?qū)Φ叵滤廴咀龇礉B透墻──地下連接墻等；③對污染土壤進(jìn)行保護(hù)與限制，并設(shè)明顯標(biāo)志限制人群、畜接近污染源。通常是三種措施綜合應(yīng)用，才能確保環(huán)境安全。

目前國內(nèi)外用作局部小范圍污染地塊的處理方法還有以下幾種：垂直屏障(隔離)、固化穩(wěn)定、化學(xué)氧化、土壤氣相抽提、化學(xué)淋洗、熱脫附等，大多是通過技術(shù)手段將局部土壤污染物固定或清除，防止土壤中的污染物遷移的同時，恢復(fù)土壤固有生態(tài)，這需要付出更多的人力物力代價。

2.2 污染土壤修復(fù)作用

土壤的主要污染物分有機(jī)物與無機(jī)物兩大類。無機(jī)物包括重金屬和放射性物質(zhì)，有機(jī)物主要是有機(jī)農(nóng)藥、有機(jī)洗滌劑及工業(yè)廢水中的酚和苯并芘及鴉片樣的地膜等。在一定的污染濃度范圍內(nèi)，土壤可以通過稀釋、擴(kuò)散、揮發(fā)、氧化還原反應(yīng)及絡(luò)合作用，離子交換和吸附作用而實現(xiàn)自凈。土壤自凈功能是土壤各種組分及結(jié)構(gòu)綜合作用的體現(xiàn)，土壤(無機(jī))膠體的自凈作用在某種程度上是粘土礦物性質(zhì)的體現(xiàn)。當(dāng)有毒物質(zhì)進(jìn)入土壤后，土壤膠體首先吸附相反電荷的離子或絡(luò)合物，如重金屬離子或化學(xué)農(nóng)藥，使污染物質(zhì)的活性和擴(kuò)散性大大減弱。其次粘土礦物層內(nèi)表面不僅可以吸附交換性離子，還可以把一些有毒的陽離子吸持在層間的晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)而成為固定離子，消除了污染物的毒害。

膨潤土對鉛的吸附力比對鈣的吸附力大2～3倍，對鉻的吸附作用較強(qiáng)。土壤中的粘土礦物，有機(jī)質(zhì)和土壤體可通過物理吸附和化學(xué)吸附作用，將有機(jī)農(nóng)藥固定，使農(nóng)藥的遷移能力和毒性降低。進(jìn)入土壤的有機(jī)農(nóng)藥一般都離解成有機(jī)陽離子，被帶負(fù)電的膠體和粘土礦物吸附，粘土礦物的吸附能力依次為：蛭石＞蒙脫石＞伊利石＞綠泥石＞高嶺石。經(jīng)詳細(xì)研究粘土礦物與鐵錳鉛氧化物和氫氧化物等土壤的組成特征，可以揭示其與土壤中污染物之間具有的吸附與解吸、固定與釋放的平衡關(guān)系，從而在土壤的組成礦物層次上查明土壤中污染物與具體礦物之間的環(huán)境平衡關(guān)系，找出建立和保護(hù)土壤中污染物與礦物之間環(huán)境平衡的機(jī)制，提高土壤本身的治污能力。利用土壤中廣泛分布的天然粘土特別是膨潤土礦物治理土壤重金屬污染物，體現(xiàn)了利用天然礦物發(fā)揮自凈作用的特點(diǎn)，揭示了粘土礦物在環(huán)境演變和治理過程中的重要作用。

上世紀(jì)九十年代，隨著中國企業(yè)實力的不斷增強(qiáng)，大型國企開始了“走出去”的步伐。一些大型國企如中國石油、中國石化、中國電網(wǎng)、中國建設(shè)、中國鐵路等，在“走出去”的過程中，在國際同類行業(yè)中逐步獲得較高知名度，成為全球500 強(qiáng)中很具實力的知名企業(yè)，成為全球經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要推動力量，成為中國深度參與全球治理，對外展示文明大國、東方大國、負(fù)責(zé)任大國和社會主義大國形象最活躍、最典型的代言人。總結(jié)國有企業(yè)在海外的形象主要呈現(xiàn)了三個方面的特點(diǎn)：

3 天然鈉基膨潤土防水毯的特性

膨潤土的主要特性之一是能大量吸水膨脹成致密的無機(jī)凝膠體，以低層電位的天然鈉基膨潤土的性能最佳，是高等級的納米無機(jī)防水防污材料，其本身含有的幾十種微量元素對生物十分有益。天然鈉基膨潤土防水毯中的天然鈉基膨潤土在吸水前已經(jīng)壓實，吸水膨脹時體積受到約束，外界的水分子及溶于水中的污物，難以再進(jìn)行動態(tài)平衡交換，從而阻止水分子及污物穿過，再擴(kuò)散污染。能起防滲防污、自密環(huán)保、抗老化作用。膨潤土由于帶電性和較大的比表面積(＞100m2/g)具有較強(qiáng)的吸附性和離子交換能力等一系列獨(dú)特性能，可用于去除污水中的某些污染物，如地下空間、水庫、池塘、廢水處置等的不透水層，保護(hù)地下水等不受污染，或減少庫水損耗，也可作為過濾材料。膨潤土層間陽離子與結(jié)構(gòu)單元層間的作用力較弱，從而保持著可交換性。

3.1 主要成分及分類

作為天然鈉基膨潤土防水毯的主要構(gòu)成材料是天然鈉基膨潤土，具有高度穩(wěn)定的水密性、保水性、粘結(jié)性、耐久性和自我修復(fù)能力，主要成分是Si、Al、Fe、Mg、K、Na、Ca、Mn等氧化物，并含有人體所需幾十種微量元素。天然鈉基膨潤土是國內(nèi)外公認(rèn)的環(huán)保型永久防水防污材料。

3.2 防滲機(jī)理及特點(diǎn)

天然鈉基膨潤土防水毯(墊)是一種新型環(huán)保生態(tài)復(fù)合防滲防污材料，它由兩層土工合成材料間夾封優(yōu)質(zhì)防滲天然鈉基膨潤土。

天然鈉基膨潤土是天然礦物質(zhì)，遇水反應(yīng)為物理過程，因此不會污染環(huán)境；且為無機(jī)材料不會老化，長期使用其防水防污性能不會減弱；它的壽命遠(yuǎn)大于建筑物的設(shè)計年限。

天然鈉基膨潤土粉粒在遇水后形成密實不透水的凝膠體，其包裝的土工合成材料能與主體結(jié)構(gòu)形成機(jī)械結(jié)合力，使基礎(chǔ)與防水層形成整體，共同抵御各種外力和環(huán)境影響。天然鈉基膨潤土具有很強(qiáng)的膨脹性能，顆粒在實驗室的條件下，遇水能膨脹15～17倍甚至30倍。鈉基膨潤土防水毯不會因為干濕和凍融反復(fù)循環(huán)影響而降低防滲防污效果，它的自愈性好，能有效地隔絕污水的入侵。

天然鈉基膨潤土防水毯和防水粉(粒)特點(diǎn)如下：

(1) 自我修復(fù)能力。天然鈉基膨潤土因其獨(dú)有的膨脹力，具有滲透到防水施工結(jié)束后所必然發(fā)生的裂紋內(nèi)部的能力，和其他防水方法對施工完成以后發(fā)生的缺陷無能為力相比，有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

(2) 能永久的發(fā)揮其防水能力。天然鈉基膨潤土為天然無機(jī)礦物，時間的變化和周圍物質(zhì)的影響對其化學(xué)性質(zhì)的影響很小，并且不會發(fā)生老化腐蝕現(xiàn)象，因此可以永久地保持其防滲防污能力。

(3) 施工相對比較簡單。和其他防滲防污方法相比工期較短，對施工人員的專業(yè)技術(shù)要求不高。一般的民工在技術(shù)人員指導(dǎo)下就可以完成。

(4) 對人體無害。因施工的簡便性和材料的環(huán)保特性，在施工時對人體沒有影響，特別是沒有加熱和粘貼等作業(yè)，減少了施工事故的發(fā)生。

(5) 容易檢測和確認(rèn)。防滲防污施工結(jié)束后的檢測和確定較容易，可以立即檢查出施工不足的地方或者施工上有問題的地方，以及防滲材料的損傷等，修補(bǔ)也很容易，所以可以減少防滲防污施工中可能發(fā)生的失誤。

3.3 人工鈉化膨潤土防水毯存在的問題

膨潤土防水毯(墊)及其輔助防水制品不是一次性商品，其耐久性和穩(wěn)定性是其質(zhì)量的關(guān)鍵。然而目前在國內(nèi)市場上大部分企業(yè)為降低產(chǎn)品成本，實現(xiàn)低價中標(biāo)，在膨潤土防水產(chǎn)品中大量使用人工鈉化膨潤土代替天然鈉基膨潤土，有的只在人工鈉化膨潤土中摻加20%左右的天然鈉基膨潤土，也詐稱天然鈉基膨潤土。而人工鈉化膨潤土(也有很多人誤稱其為鈉基膨潤土)則是由處于礦山表淺層受到億萬年風(fēng)蝕風(fēng)化的鈣基膨潤土經(jīng)人工加堿(Na2CO3)制成，密實性、耐久性差，遇水能比原體積膨脹多倍，但壽命短，易隨水流失，用其作防水材料，會使混凝土主體結(jié)構(gòu)和巖土之間形成孔隙、漏水通道，不可能產(chǎn)生共同作用，使結(jié)構(gòu)防滲能力和抵御外力的能力大大降低。

天然鈉基膨潤土膨脹指數(shù)要求為≥16mL/2g，而不是≥24mL/2g。我國新頒布的JC/T2054-2011《天然鈉基膨潤土防滲襯墊》規(guī)定天然鈉基膨潤土膨脹指數(shù)≥22mL/2g是很高的，大多數(shù)礦經(jīng)提純可以達(dá)到這一要求。

4 結(jié)語

對于土壤和地下水污染，采用膨潤土等粘土礦物進(jìn)行處理是有效的，但代價太高，只能在最必要處做局部處理，并通過試驗、實施，逐步積累經(jīng)驗，探尋經(jīng)濟(jì)、耐久處理方法。要防止進(jìn)一步污染的發(fā)生，就必須正確使用防滲防污隔離材料。重視垃圾填埋工程防滲中存在的部分問題，并特別重視防水毯的優(yōu)劣問題和膨潤土的品質(zhì)問題。希望在今后的重點(diǎn)工程中更多地使用耐久性好的天然鈉基膨潤土防水毯，杜絕使用短效的人工鈉化(所謂鈉基)膨潤土防水毯。同時建議在工程過程中嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)，做到科學(xué)施工與科學(xué)管理相結(jié)合，從而做出更多的防滲防污成功的案例。也建議盡快制訂出相應(yīng)的行業(yè)規(guī)定，強(qiáng)制性地禁止污染物遷移，要阻止垃圾填埋場對環(huán)境的破壞就必須做耐久性防滲隔離層，目前使用天然鈉基膨潤土防水毯或厚層壓實天然鈣基膨潤土防滲防污隔離應(yīng)是較好的選擇，要求特別高的隔離層可用雙層防水毯(其中一層可帶覆膜)。使用抗?jié)B抗腐的混凝土地下連續(xù)墻作防污隔離層也是很好的選擇。

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【修回日期】2014-10-08

P619.255；X523

A

1007-9386(2014)06-0004-03

2014-07-16