重金屬污染土壤開(kāi)孔灌注法修復(fù)探究

周紅艷

(夾江縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川 樂(lè)山 614100)

1 土壤重金屬污染概況

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，土壤重金屬污染嚴(yán)重，已成為我國(guó)主要的土壤環(huán)境污染問(wèn)題。近年來(lái)，我國(guó)重金屬污染事故頻發(fā)，如2005 年的廣東北江韶關(guān)段鎘嚴(yán)重超標(biāo)事件，2009 年陜西鳳翔縣數(shù)百名兒童血鉛超標(biāo)； 2011 年云南曲靖鉻污染事件等[1]。2014 年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[2]顯示我國(guó)土壤鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳 8 種重金屬污染物點(diǎn)位超標(biāo)率分別為7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%。土壤污染重金屬中，Hg、Cd、Pd、Cr以及類(lèi)金屬As的毒害性較大，人們關(guān)注度較高?！吨袊?guó)耕地地球化學(xué)調(diào)查報(bào)告(2015)》[3]顯示，重金屬中-重度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位比例占2.5%，覆蓋面積3 488 萬(wàn)畝，輕微- 輕度污染或超標(biāo)的點(diǎn)位比例占5.7%，覆蓋面積7 899 萬(wàn)畝。除耕地之外， 我國(guó)的工礦區(qū)、城市也不同程度地受到土壤(或土地)重金屬的污染 。另外，采礦、冶煉、鋼鐵、石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)，這些企業(yè)在長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中由于環(huán)境管理欠缺，所在場(chǎng)地積累了各類(lèi)重金屬、持久性有機(jī)污染物(POPs) 、揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)等毒性強(qiáng)、危害大的污染物，形成污染場(chǎng)地[4]。污染物通過(guò)各種渠道進(jìn)入大氣、地表徑流和地下水等，受地表地質(zhì)作用的影響， 使得許多工業(yè)企業(yè)場(chǎng)地遭受?chē)?yán)重污染，場(chǎng)地重金屬污染尤其突出。調(diào)查資料顯示，目前許多國(guó)家由于工業(yè)快速發(fā)展都存在場(chǎng)地污染，且數(shù)量多，污染嚴(yán)重。受重金屬污染的場(chǎng)地，不僅改變了土壤的理化性質(zhì)和特性，還會(huì)通過(guò)食物鏈威脅人體健康，產(chǎn)生致癌風(fēng)險(xiǎn)。

2 開(kāi)孔灌注修復(fù)重金屬污染土壤原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)孔灌注法應(yīng)用的是化學(xué)還原與原位固化/穩(wěn)定化的原理，重金屬污染土壤的開(kāi)孔灌注法包括化學(xué)還原和固化/穩(wěn)定化兩個(gè)過(guò)程?；瘜W(xué)還原是利用化學(xué)還原劑與重金屬反應(yīng)生成難溶的化合物，使重金屬在土壤環(huán)境中的遷移能力和生物可利用性降低，達(dá)到減輕重金屬污染危害的目的。固化/穩(wěn)定化是在重金屬污染的土壤中加入某種粘合劑，重金屬與粘合劑作用被固定，使重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)，限制其向周?chē)h(huán)境釋放和遷移。該技術(shù)實(shí)質(zhì)是改變污染物的價(jià)態(tài)，同一種污染物，不同的價(jià)態(tài)具有不同的毒性性質(zhì)[5]。

重金屬污染土壤開(kāi)孔灌注法系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 涉及氧化還原、固化/穩(wěn)定化處理兩方面。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用的還原劑有鐵屑、硫酸亞鐵或硫酸亞鐵銨等。石灰、磷灰石、沸石、鐵錳氧化物、硅酸鹽、海泡石、赤泥、骨炭、堆肥、鋼渣、蒙脫石、凹凸棒石和蛭石等可以有效地固化/穩(wěn)定化土壤中的重金屬，降低重金屬的遷移能力和生物有效性。

3 開(kāi)孔灌注法常用工藝、影響因素及應(yīng)用實(shí)例

3.1 開(kāi)孔灌注法常用工藝

開(kāi)孔灌注法是化學(xué)還原法與固化/穩(wěn)定化技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用技術(shù)。在實(shí)際修復(fù)工程應(yīng)用中， 需收集場(chǎng)地地質(zhì)資料，了解場(chǎng)地地下水水文情況，重金屬的污染范圍廣和污染嚴(yán)重性。開(kāi)孔時(shí)應(yīng)充分考慮傳質(zhì)因素，既保證溶液的均化效果，又盡量少開(kāi)孔。常采用開(kāi)梅花孔的方案，避免對(duì)場(chǎng)地造成過(guò)多影響。另外，可利用相關(guān)鉆探設(shè)備，使土壤和穩(wěn)定劑的混勻。改良的中空螺旋鉆可以實(shí)現(xiàn)深層土壤與穩(wěn)定劑的混合， 處理深度可達(dá)20～30m[6]。

開(kāi)孔灌注法效果評(píng)價(jià)指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度和浸出率。在實(shí)際修復(fù)工程效果評(píng)價(jià)中， 首要考慮的是浸出率，判定開(kāi)孔灌注法是否有效的方法是浸出液中各污染物濃度是否在其限值范圍內(nèi)。另外，根據(jù)修復(fù)場(chǎng)地用途，將重金屬最高允許排放濃度限值作為判定評(píng)價(jià)處理后土壤浸出液中各污染濃度是否達(dá)標(biāo)的尺度。

3.2 開(kāi)孔灌注法的影響因素

影響開(kāi)孔灌注法的主要因素是灌注孔的大小、深度及分布，其應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)可后最終確定。影響穩(wěn)定化的因素有土壤pH值、土壤物質(zhì)組成顆粒大小、還原反應(yīng)的液固比、反應(yīng)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)鉻污染土壤開(kāi)孔灌注工藝關(guān)鍵步驟是污染土壤與還原劑、穩(wěn)定劑的充分混合。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

以2011年某集團(tuán)在四川省某縣的電鹽廠發(fā)生地下水和廠區(qū)河流鉻污染事故為例。

3.3.1 污染來(lái)源和污染情況

該電鹽廠建廠初期由于對(duì)鹽(NaCl)凈化產(chǎn)生的廢堿渣沒(méi)有足夠的重視，將其作為泥土使用，誤回填進(jìn)了車(chē)間地坪下面。由于沒(méi)有采取處理措施，隨著時(shí)間推移，地下水對(duì)堿渣的侵蝕造成廠區(qū)地下水和廠區(qū)河流小范圍鉻含量超標(biāo)。其超標(biāo)情況見(jiàn)表1。

表1 治理前廠址地下水和廠區(qū)河流下游100m水樣超標(biāo)情況Tab.1 Water sample quality in groundwater of plant site and river 100m downstream before treatment (mg/L)

注：地下水：GB5750 生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法；廠區(qū)河流下游取樣水：pH值：玻璃電極法(GB6920-86)；氯化物：硝酸銀滴定法(GB11896-89)和離子色譜法(HJ/T84-2001)；六價(jià)鉻：二苯碳酰二肼分光光度法(GB7467-87)。

3.3.2 現(xiàn)場(chǎng)狀況和處理工藝

鹽堿渣被回填在車(chē)間道路底部，離安裝的電解設(shè)備很近，不能進(jìn)行大面積開(kāi)挖作業(yè)。鹽堿渣緊靠水泥底板，平均深度(厚度)在0.4～0.6m不等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)孔檢查和取樣察看，決定采用開(kāi)孔灌注法進(jìn)行修復(fù)。開(kāi)孔時(shí)充分考慮傳質(zhì)因素采用開(kāi)梅花孔的方案，既保證溶液的均化效果，又盡量少開(kāi)孔，避免對(duì)車(chē)間設(shè)備造成過(guò)多影響，開(kāi)孔方案如下(見(jiàn)下圖)。

圖1 開(kāi)孔方案圖Fig.1 Hole drilling scheme

孔開(kāi)好后用2%硫酸亞鐵銨酸化溶液進(jìn)行灌注，待另按中心距開(kāi)孔取樣檢驗(yàn)，將六價(jià)鉻全部還原為三價(jià)鉻(浸出液體六價(jià)鉻≤1.0mg/L)。六價(jià)鉻浸出毒性試驗(yàn)符合工藝要求后，注入3%硫脲溶液進(jìn)行穩(wěn)定化處理，待另開(kāi)孔取樣，浸出液總鉻含量合格為止(工藝指標(biāo)：浸出液總鉻含量≤8mg/L)。

3.3.3 處理結(jié)果與分析

治理完畢，取廠區(qū)地下水和廠區(qū)河流下游100m、200m水樣封存，經(jīng)檢測(cè)其檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3、表4。由表2、表3、表4可知，經(jīng)開(kāi)孔灌注法處理后廠區(qū)地下水和廠區(qū)河流下游100m、200m取水樣檢驗(yàn)項(xiàng)目均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，廠區(qū)地下水六價(jià)鉻去除率為98.1%，總鉻去除率為96.6%；廠區(qū)河流下游100m取水樣六價(jià)鉻去除率為93.9%，總鉻去除率為87.9%。由此可見(jiàn)，采用酸性硫酸亞鐵銨對(duì)六價(jià)鉻進(jìn)行還原處理，再用硫脲對(duì)三價(jià)鉻進(jìn)行穩(wěn)定化處理的方法，能夠解決電鹽企業(yè)的土壤污染問(wèn)題。通過(guò)實(shí)踐證明電鹽企業(yè)車(chē)間土壤鉻污染采取開(kāi)孔灌注法修復(fù)是可行的。但灌注孔的大小及深度和分布應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)后才能最終確定。另外，硫脲對(duì)鉻鹽的穩(wěn)定化(礦化)的有效保持時(shí)間，還得經(jīng)時(shí)間的檢驗(yàn)，有必要定期對(duì)開(kāi)孔灌注法處理后的鉻污染土壤進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤監(jiān)測(cè)。

表2 治理后廠址地下水水樣Tab.2 Groundwater sample quality of the site after treatment (mg/L)

表3 治理后廠區(qū)河流下游100m水樣Tab.3 Water sample quality of 100 m downstream of river after treatment (mg/L)

表4 治理后廠區(qū)河流下游200m水樣Tab.4 Water sample quality of 200 m downstream of river after treatment (mg/L)

4 結(jié) 論

開(kāi)孔灌注法主要適用于場(chǎng)地或車(chē)間在無(wú)法移動(dòng)車(chē)間設(shè)備的條件下，是一個(gè)較好的方法，具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)，不移走車(chē)間設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，處理成本低，見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，但灌注孔的大小及深度和分布應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)做實(shí)驗(yàn)后最終確定。另外，有必要定期對(duì)處理后的土壤進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤監(jiān)測(cè)。