重金屬污染場(chǎng)地固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)研究及工程實(shí)踐

余錦濤，倪曉芳，張長(zhǎng)波

（上?；ぱ芯吭海虾?，200062）

重金屬污染場(chǎng)地固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)研究及工程實(shí)踐

余錦濤，倪曉芳，張長(zhǎng)波

（上?；ぱ芯吭海虾?，200062）

本文在采集上海某化工區(qū)污染場(chǎng)地土壤進(jìn)行污染物分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)其污染物為重金屬的特點(diǎn)，提出采用固化/穩(wěn)定化的工藝進(jìn)行修復(fù)處理。研究固化/穩(wěn)定化藥劑的添加比例對(duì)固化體強(qiáng)度和固化體浸出毒性的影響，從而得出較優(yōu)的工藝條件，修復(fù)后固化體浸出毒性滿足地表水環(huán)境質(zhì)量IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，固化體強(qiáng)度大于2 MPa，可用于場(chǎng)地路基材料。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程實(shí)踐，開展免燒磚的工藝制備，實(shí)現(xiàn)污染土壤的資源化利用。

重金屬污染；土壤修復(fù)；固化/穩(wěn)定化；工程化

引言

隨著我國(guó)工業(yè)和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，化工、冶金、石油、交通、肥料等行業(yè)得到飛速發(fā)展。同時(shí)，由于環(huán)保措施不健全、技術(shù)工藝不達(dá)標(biāo)、工業(yè)廢棄物處理不完善等因素，導(dǎo)致大量的土壤污染情況出現(xiàn)，從而對(duì)農(nóng)作物和地下水的安全產(chǎn)生威脅，危害人體健康［1-4］。隨著今年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（土十條）的頒布，土壤污染修復(fù)在國(guó)家層面上有了行動(dòng)指南，對(duì)污染土壤進(jìn)行修復(fù)迫在眉睫。2014年，環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國(guó)污染土壤狀況調(diào)查公報(bào)》［5］顯示：全國(guó)土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，從污染物類型看來(lái)，以無(wú)機(jī)型為主、有機(jī)型次之、復(fù)合型污染比重較小。無(wú)機(jī)污染物超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)占全部超標(biāo)點(diǎn)位數(shù)的82.8%。無(wú)機(jī)污染物中，大多數(shù)是重金屬污染，如鎘、砷、鉛、鋅、銅等，重金屬污染土壤占很大比例。重金屬污染具有范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)、不可生物降解、易在生物體內(nèi)累積等特點(diǎn)［6-7］。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重金屬污染修復(fù)途徑主要有兩種方式：一是改變重金屬在土壤中的存在形式，使其固化/穩(wěn)定化，降低其在環(huán)境中的生物可利用性；二是使重金屬?gòu)耐寥乐袕氐酌摮?。修?fù)過(guò)程中，主要涉及的方法有固化/穩(wěn)定化、淋洗、植物修復(fù)等。目前采用最多的是固化/穩(wěn)定化的處理工藝，美國(guó)EPA曾將其列為有毒有害廢物的最佳處理技術(shù)［8］，而且已經(jīng)有180個(gè)超級(jí)基金項(xiàng)目涉及污染土壤的固化/穩(wěn)定化研究［9］。

固化/穩(wěn)定化是運(yùn)用物理或化學(xué)方法將土壤中有毒重金屬固定起來(lái)，或者將重金屬轉(zhuǎn)化成化學(xué)性質(zhì)不活潑的形態(tài)，阻止其在環(huán)境中遷移、擴(kuò)散等過(guò)程，從而降低重金屬的毒害程度。固化穩(wěn)定化的方法具有快速、經(jīng)濟(jì)、有效等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于重金屬污染場(chǎng)地的修復(fù)［10］。常用的固化/穩(wěn)定化藥劑可分為無(wú)機(jī)粘結(jié)劑（水泥、石灰等）、有機(jī)粘結(jié)劑（瀝青等熱塑性材料）。最終的固化/穩(wěn)定化效果與土壤性質(zhì)、污染物類型、固化/穩(wěn)定化藥劑添加量等因素相關(guān)。本實(shí)驗(yàn)采用多種固化/穩(wěn)定化劑對(duì)污染地進(jìn)行修復(fù)研究，并創(chuàng)新使用免燒壓磚機(jī)進(jìn)行固化體制備。

1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案

1.1實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

污染土壤取自上海某化工區(qū)搬遷遺留場(chǎng)地，該場(chǎng)地土壤中的主要污染物如表1所示。生水化反應(yīng)生成水合硅酸鈣CSH，它可對(duì)污染物質(zhì)進(jìn)行物理包封、吸附或者化學(xué)鍵合等作用，避免污染物的遷移和生物攝入。

圖1　固化試驗(yàn)流程

拆模后砌塊見圖2，在溫度20℃、濕度95%以上條件下恒溫恒濕放置養(yǎng)護(hù)28天。

圖2　成型的土壤固化體

1.2.2重金屬污染土壤穩(wěn)定化操作流程

污染土壤的穩(wěn)定化操作中，分別采用了水泥（425#）、氧化鎂、氧化鈣這三種不同的穩(wěn)定化劑進(jìn)行重金屬穩(wěn)定化試驗(yàn)，添加量均為4%，在溫度20℃、濕度95%以上條件下放置養(yǎng)護(hù)28天。主要工藝流程如下圖3所示。

圖3　穩(wěn)定化試驗(yàn)流程

1.3驗(yàn)收指標(biāo)

（1）污染土壤處理浸出目標(biāo)：采用硫酸硝酸法（HJ/T299-2007），污染物浸出液濃度達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）的IV類標(biāo)準(zhǔn)；

（2）固化處理后養(yǎng)護(hù)28天的土壤，固化體強(qiáng)度符合《城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（CJJ1-2008）中水泥穩(wěn)定土類基層“其他等級(jí)道路底基層為1.5～2.0 MPa”的要求。

1.2實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1重金屬污染土壤固化操作流程

本部分實(shí)驗(yàn)按照?qǐng)D1流程進(jìn)行，固化藥劑為4 2 5#水泥，添量為3 0%，模具采用70.7mm×70.7mm×70.7mm標(biāo)準(zhǔn)模具。水泥是水硬膠凝材料，主要成分為硅酸三鈣和硅酸二鈣，加水發(fā)出毒性達(dá)標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1重金屬污染土壤固化處理結(jié)果

養(yǎng)護(hù)28天后的土壤固化體，利用硫酸硝酸法進(jìn)行固體廢物毒性浸出測(cè)試，浸出液中重金屬濃度如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)固化處理后的污染土壤，浸出液中鎘、砷、鉛、鋅四種重金屬均未檢出，浸

表1　污染土壤中重金屬含量

表1中的標(biāo)準(zhǔn)值是采用了《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（HJ350-2007）中的B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（土壤修復(fù)行動(dòng)值）。

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備：ICP-OES（美國(guó)熱電 iCAP6300 D u o） 、連續(xù)光源原子吸收光譜儀（德國(guó)耶拿ContrAA700） 、翻轉(zhuǎn)振蕩器儀（美國(guó)ADM公司）、水泥膠砂抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)（無(wú)錫建儀TYE-300D）、恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱（無(wú)錫建儀HBY-40A）、水泥攪拌機(jī)（德國(guó)耶拿 ContrAA700）、振動(dòng)臺(tái)（紹興寶加160312）。

表2　養(yǎng)護(hù)28天后土壤固化體的硫酸硝酸法浸出濃度（mg/L）

另外，對(duì)養(yǎng)護(hù)28天后的土壤固化體采用《地基處理技術(shù)規(guī)范（附條文說(shuō)明）》（DG/TJ 08-40-2010）進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試， 6塊受試土壤固化體的平均抗壓強(qiáng)度約為3.5 MPa，符合本文中的驗(yàn)收指標(biāo)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：基于水泥固化技術(shù)的重金屬污染土壤處理取得較好的效果，處理后的固化體承載力達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；硫酸硝酸法固體廢物毒性浸出方法測(cè)試中，固化體中關(guān)注重金屬的浸出濃度均遠(yuǎn)低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，污染土壤經(jīng)固化后的固化體可作為進(jìn)一步資源化利用。

2.2重金屬污染土壤穩(wěn)定化處理結(jié)果

養(yǎng)護(hù)28天后的土壤穩(wěn)定體進(jìn)行硫酸硝酸法固體廢物毒性浸出測(cè)試，浸出后關(guān)注重金屬污染物的浸出濃度如表3所示。

表3　養(yǎng)護(hù)28天后土壤穩(wěn)定化體的硫酸硝酸法浸出濃度（mg/L）

浸出毒性試驗(yàn)結(jié)果顯示：穩(wěn)定化處理后，穩(wěn)定化體中的鎘、砷、鉛、鋅四種重金屬浸出濃度均遠(yuǎn)低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，土壤經(jīng)穩(wěn)定化后的穩(wěn)定化體可作為進(jìn)一步資源化利用。

2.3重金屬污染土壤固化操作與穩(wěn)定化操作結(jié)果對(duì)比

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)室研究知，采用固化方案處理后的土壤固化體，浸出測(cè)試中關(guān)注重金屬污染物均未檢出，且抗壓強(qiáng)度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；采用穩(wěn)定化法處理后的土壤穩(wěn)定化體，浸出測(cè)試中砷元素均有檢出，但關(guān)注重金屬濃度均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.4場(chǎng)地工程化實(shí)踐

本污染場(chǎng)地利用制磚機(jī)進(jìn)行工程化小試。將污染土壤與水泥、水混合均勻，利用輸送皮帶將物料加入制磚機(jī)的料斗，制磚機(jī)給壓力自動(dòng)成型出磚，放置28天養(yǎng)護(hù)。如圖4所示。

圖4　固化制磚處理現(xiàn)場(chǎng)

對(duì)磚塊固化體進(jìn)行浸出毒性檢測(cè)，鎘、砷、鉛、鋅元素均未檢出。取6塊磚進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，平均強(qiáng)度約為9 MPa，大于實(shí)驗(yàn)室結(jié)果。這是因?yàn)橹拼u機(jī)制磚過(guò)程為加壓處理，物料更加密實(shí)，水化反應(yīng)充分，而實(shí)驗(yàn)室固化過(guò)程中并未加壓。本部分小試說(shuō)明重金屬污染土壤的固化操作，在工程上可行。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)污染場(chǎng)地土壤進(jìn)行固化處理，鎘、砷、鉛、鋅元素均未檢出。固化體強(qiáng)度約為3.5 MPa，強(qiáng)度和浸出毒性均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）通過(guò)對(duì)污染場(chǎng)地土壤進(jìn)行穩(wěn)定化處理，鎘、鉛、鋅元素均未檢出，砷元素有檢出，但遠(yuǎn)低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，仍符合要求。

（3）利用免燒壓磚機(jī)對(duì)污染土壤進(jìn)行工程化小試，固化體強(qiáng)度達(dá)到9 MPa左右，浸出液中未檢出鎘、砷、鉛、鋅元素?？刹捎霉袒瘔捍u的工藝，對(duì)重金屬污染土壤進(jìn)行修復(fù)，并實(shí)現(xiàn)其資源化。

基金支持：

上海市國(guó)資委企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和能級(jí)提升項(xiàng)目《土壤污染綜合評(píng)估體系建立及淋洗修復(fù)技術(shù)與設(shè)備研發(fā)》，項(xiàng)目編號(hào)：2015026。

［1］趙述華，陳志良，張?zhí)?，? 重金屬污染土壤的固化/穩(wěn)定化處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］，土壤通報(bào)，2013，44（6）:1531-1536.

［2］王永強(qiáng)，蔡信德，肖立中. 多金屬污染農(nóng)田土壤固化/穩(wěn)定化修復(fù)研究進(jìn)展［J］，廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，40（7）:881-888.

［3］郭觀林，周啟星，李秀潁. 重金屬污染土壤原位化學(xué)固定修復(fù)研究進(jìn)展［J］，應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16（10）:1990-1996.

［4］楊蘇才，南懷忠，曾靜靜. 土壤重金屬污染現(xiàn)狀與治理途徑研究進(jìn)展［J］，安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（3）:549-552.

［5］環(huán)境保護(hù)部，國(guó)土資源部. 全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)［R］. 2014.

［6］宋云，尉黎，王海見. 我國(guó)重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及選擇策略［J］，環(huán)境保護(hù)，2014，9:32-36.

［7］樊霆，葉文玲，陳海燕，等.農(nóng)田土壤重金屬污染狀況及修復(fù)技術(shù)研究［J］，生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22（10）:1727-1736.

［8］Gougar M L D，Scheetz B E，Roy D M. Ettringite and c-s-h Portland cement phases for waste ion immobilization: A review［J］，Waste Management，1996，16（4）:295-303.

［9］周啟星，宋玉芳. 污染土壤修復(fù)原理與方法［M］，北京:科學(xué)出版社，2004:356-365.

［10］張長(zhǎng)波，羅啟仕，付融冰等. 污染土壤的固化/穩(wěn)定化處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］，土壤，2009，41（1）:8-15.

余錦濤（1986-），男，博士，研發(fā)工程師，環(huán)境監(jiān)理工程師。研究方向：污染場(chǎng)地修復(fù)、工業(yè)固體廢棄物資源化利用等。

E-mail: yujintao829@163.com

Research on Remediation of Heavy Metal-contaminated Soil by Solidification/Stabilization and Engineering Practice

Jintao Yu， Xiaofang Ni， Changbo Zhang（Shanghai Research Institute of Chemical Industry， Shanghai， 200062， China）

Based on the analysis of contamination in contaminated site soil from a Shanghai chemical industry zone， for which the characteristics of heavy metal pollutants， this article proposes the solidification/stabilization technology to remediation. According to the added ratio of solidification/ stabilization agents which has an impact on extraction toxicity of solidification and strength of solidification， the optimum process conditions can be got. After the treatment， the extraction toxicity of solidification meets the environmental quality of surface water Class IV standards， and strength of solidification is greater than 2 MPa， so it can be used in roadbed material. On the basis of experiments，engineering practice and preparation process of unbaked bricks can be carried out to achieve the resource utilization of contaminated soil.

Heavy Metal Pollution； Soil Remediation； Solidification & Stabilization； Engineering

X53

A

2095-8412 （2016） 04-613-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.008