膨润土在污染场地土壤修复和地下水污染防治中的应用

鞠建英，向俐云

【开发利用】

膨润土在污染场地土壤修复和地下水污染防治中的应用

鞠建英1，向俐云2

（1.北京市市政工程设计研究总院，北京 100082；2.北京市环境保护监测中心，北京 100048）

针对土壤污染严重、治污费用高昂等问题，本文提出应首选国内外普遍采用的膨润土和天然钠基膨润土防水毯隔绝污染源，防止水土污染进一步扩大，并就该技术的机理做了简要介绍。

水土污染；危害治理；天然钠基膨润土；钙基膨润土；人工钠化

1 我国土壤污染现状及治理措施

1.1 污染现状

近30多年，我国工业高速发展，经济水平不断上升，但环境问题越来越突出，突发污染事故越来越多，土地污染事故如砷污染土壤、血铅事件和尾矿库溃坝等增多。我国面临的最大挑战之一是土壤污染，由于空气和水中的污染物80%最终进入土壤，若不治理土壤污染，地下水污染几乎没有治理的可能性，因为污染物、水和介质间相互转换过程复杂，且治理地下水污染的高昂费用难以承担。即使经济上承担得起治污成本，清除污染源也需要十几年、几十年甚至数百年。原因是土壤污染具有隐蔽性和滞后性，一般发现后污染程度就特别严重，污染状况也非常复杂，污染造成的后果就更加严重，很多重大污染事故都与土壤沉积物污染有关。

垃圾填埋场渗漏造成土壤严重污染，只有把它当成百年大计多道设防，才能得到控制。要在基层土层填夯成低透水性的牢固垫层，再把天然钠基膨润土毯(或几十公分厚的夯实天然钙基膨润土)作为主要防渗层。遇穿孔能自愈的天然钠基膨润土能形成稳定耐久的纳米级不透水、不串水的无机凝胶层，把土工膜作为辅助防水层，易穿孔的土工膜很容易出现小裂口，在压力下裂口会越来越大，透水串水，并重视覆盖层的防水防渗耐久性和防不良气体逃逸，更应有足够厚的种植土层。总之，除在设计时有计划地将垃圾淋滤液，废气引出处理外，其余的废渣、废液、废气都应能封存在密闭的填埋场中。

1.2 治理措施

膨润土与各种细菌的相互作用对治污十分重要，其吸附作用既可提高也可以降低细菌的活动能力，在土壤中掺拌膨润土可以刺激固氮细菌的固氮作用，促进植物生长，也能抵抗有害的镰刀菌枯杆菌病毒，进入土壤中使各种杀虫剂、杀菌剂、除草剂失去药性毒性。因为这些有害物质被膨润土吸附固定后很难被别的物质置换出来。现代工业废水污染物成分复杂，处理一般用活性炭作吸附剂，但造价高、再生难度大、费用贵，使污染处理在经济上难以承受。粘土矿物中的天然膨润土、高岭土、沸石比表面积大，吸附性能良好，功能可与活性炭媲美，我国又储量丰富、来源广、成本低，用其作为吸附剂去除污染，有巨大的经济和生态效应。

治理土壤污染，需长期作战，并应防止再进一步污染：用天然钠基膨润土毯、膨润土隔绝污染源；用膨润土、沸石吸附有害重金属及有害有机质使其短时间内被固结，即①客土隔离，大穴换土，或设暗管将土中污物随水排走后处理；②施撒化学改良剂降低污物浓度；③施有机肥经微生物活动转为腐殖质，抑制土壤下层污物上升；④种植盐生植物(田菁、草木樨、紫花苜蓿等)，慢慢增加土壤有机质含量，使土中N素含量在短期内得到显著提高，使pH值发生变化。

2 膨润土类粘土矿物对污染土壤的修复作用

国内外大量的应用研究表明，粘土矿物材料具有环境污染净化、环境修复和环境替代(替代环境负荷大的材料)等功能。特别是近几十年来，粘土(特别是膨润土)矿物材料在环境保护方面的应用越来越广泛，在污水处理、大气吸附、过滤脱色等方面的应用水平不断提高，在生态建材、杀菌、消毒剂等方面都有新的应用技术和产品。

2.1 污染土壤修复方法

国外土壤修复的方法主要是利用物理、化学和生物方法将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气相抽提、热脱附、水洗和封闭隔离技术；化学方法有焚烧、化学氧化、稳定化和固定化等技术；生物方法有植物修复、微生物修复和动物修复等。天然的膨润土粘土矿物是最有效的环境友好防渗防污阻隔材料。

土壤修复的措施主要有三种：①净化污染源──即把污染土壤挖出来进行处理(通过吸附、清洗降低污染物浓度)后再进行回填或迁移；②隔离封闭──把污染物切实封闭起来，以免其继续扩大、迁移污染地下水和空气。国外初期也用有机膜进行隔离封闭，后发现其不能彻底长久起隔离作用，现在多用天然隔离材料，如天然钠基膨润土防水毯(GCL)，或直接对土壤改性进行阻隔，如掺天然钠基膨润土或较厚的天然钙基膨润土(不能掺人工钠化膨润土)等对有害物质吸附，包裹，或对地下水污染做反渗透墙──地下连接墙等；③对污染土壤进行保护与限制，并设明显标志限制人群、畜接近污染源。通常是三种措施综合应用，才能确保环境安全。

目前国内外用作局部小范围污染地块的处理方法还有以下几种：垂直屏障(隔离)、固化稳定、化学氧化、土壤气相抽提、化学淋洗、热脱附等，大多是通过技术手段将局部土壤污染物固定或清除，防止土壤中的污染物迁移的同时，恢复土壤固有生态，这需要付出更多的人力物力代价。

2.2 污染土壤修复作用

土壤的主要污染物分有机物与无机物两大类。无机物包括重金属和放射性物质，有机物主要是有机农药、有机洗涤剂及工业废水中的酚和苯并芘及鸦片样的地膜等。在一定的污染浓度范围内，土壤可以通过稀释、扩散、挥发、氧化还原反应及络合作用，离子交换和吸附作用而实现自净。土壤自净功能是土壤各种组分及结构综合作用的体现，土壤(无机)胶体的自净作用在某种程度上是粘土矿物性质的体现。当有毒物质进入土壤后，土壤胶体首先吸附相反电荷的离子或络合物，如重金属离子或化学农药，使污染物质的活性和扩散性大大减弱。其次粘土矿物层内表面不仅可以吸附交换性离子，还可以把一些有毒的阳离子吸持在层间的晶格结构内而成为固定离子，消除了污染物的毒害。

膨润土对铅的吸附力比对钙的吸附力大2～3倍，对铬的吸附作用较强。土壤中的粘土矿物，有机质和土壤体可通过物理吸附和化学吸附作用，将有机农药固定，使农药的迁移能力和毒性降低。进入土壤的有机农药一般都离解成有机阳离子，被带负电的胶体和粘土矿物吸附，粘土矿物的吸附能力依次为：蛭石＞蒙脱石＞伊利石＞绿泥石＞高岭石。经详细研究粘土矿物与铁锰铅氧化物和氢氧化物等土壤的组成特征，可以揭示其与土壤中污染物之间具有的吸附与解吸、固定与释放的平衡关系，从而在土壤的组成矿物层次上查明土壤中污染物与具体矿物之间的环境平衡关系，找出建立和保护土壤中污染物与矿物之间环境平衡的机制，提高土壤本身的治污能力。利用土壤中广泛分布的天然粘土特别是膨润土矿物治理土壤重金属污染物，体现了利用天然矿物发挥自净作用的特点，揭示了粘土矿物在环境演变和治理过程中的重要作用。

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3 天然钠基膨润土防水毯的特性

膨润土的主要特性之一是能大量吸水膨胀成致密的无机凝胶体，以低层电位的天然钠基膨润土的性能最佳，是高等级的纳米无机防水防污材料，其本身含有的几十种微量元素对生物十分有益。天然钠基膨润土防水毯中的天然钠基膨润土在吸水前已经压实，吸水膨胀时体积受到约束，外界的水分子及溶于水中的污物，难以再进行动态平衡交换，从而阻止水分子及污物穿过，再扩散污染。能起防渗防污、自密环保、抗老化作用。膨润土由于带电性和较大的比表面积(＞100m2/g)具有较强的吸附性和离子交换能力等一系列独特性能，可用于去除污水中的某些污染物，如地下空间、水库、池塘、废水处置等的不透水层，保护地下水等不受污染，或减少库水损耗，也可作为过滤材料。膨润土层间阳离子与结构单元层间的作用力较弱，从而保持着可交换性。

3.1 主要成分及分类

作为天然钠基膨润土防水毯的主要构成材料是天然钠基膨润土，具有高度稳定的水密性、保水性、粘结性、耐久性和自我修复能力，主要成分是Si、Al、Fe、Mg、K、Na、Ca、Mn等氧化物，并含有人体所需几十种微量元素。天然钠基膨润土是国内外公认的环保型永久防水防污材料。

3.2 防渗机理及特点

天然钠基膨润土防水毯(垫)是一种新型环保生态复合防渗防污材料，它由两层土工合成材料间夹封优质防渗天然钠基膨润土。

天然钠基膨润土是天然矿物质，遇水反应为物理过程，因此不会污染环境；且为无机材料不会老化，长期使用其防水防污性能不会减弱；它的寿命远大于建筑物的设计年限。

天然钠基膨润土粉粒在遇水后形成密实不透水的凝胶体，其包装的土工合成材料能与主体结构形成机械结合力，使基础与防水层形成整体，共同抵御各种外力和环境影响。天然钠基膨润土具有很强的膨胀性能，颗粒在实验室的条件下，遇水能膨胀15～17倍甚至30倍。钠基膨润土防水毯不会因为干湿和冻融反复循环影响而降低防渗防污效果，它的自愈性好，能有效地隔绝污水的入侵。

天然钠基膨润土防水毯和防水粉(粒)特点如下：

(1) 自我修复能力。天然钠基膨润土因其独有的膨胀力，具有渗透到防水施工结束后所必然发生的裂纹内部的能力，和其他防水方法对施工完成以后发生的缺陷无能为力相比，有其独特的优势。

(2) 能永久的发挥其防水能力。天然钠基膨润土为天然无机矿物，时间的变化和周围物质的影响对其化学性质的影响很小，并且不会发生老化腐蚀现象，因此可以永久地保持其防渗防污能力。

(3) 施工相对比较简单。和其他防渗防污方法相比工期较短，对施工人员的专业技术要求不高。一般的民工在技术人员指导下就可以完成。

(4) 对人体无害。因施工的简便性和材料的环保特性，在施工时对人体没有影响，特别是没有加热和粘贴等作业，减少了施工事故的发生。

(5) 容易检测和确认。防渗防污施工结束后的检测和确定较容易，可以立即检查出施工不足的地方或者施工上有问题的地方，以及防渗材料的损伤等，修补也很容易，所以可以减少防渗防污施工中可能发生的失误。

3.3 人工钠化膨润土防水毯存在的问题

膨润土防水毯(垫)及其辅助防水制品不是一次性商品，其耐久性和稳定性是其质量的关键。然而目前在国内市场上大部分企业为降低产品成本，实现低价中标，在膨润土防水产品中大量使用人工钠化膨润土代替天然钠基膨润土，有的只在人工钠化膨润土中掺加20%左右的天然钠基膨润土，也诈称天然钠基膨润土。而人工钠化膨润土(也有很多人误称其为钠基膨润土)则是由处于矿山表浅层受到亿万年风蚀风化的钙基膨润土经人工加碱(Na2CO3)制成，密实性、耐久性差，遇水能比原体积膨胀多倍，但寿命短，易随水流失，用其作防水材料，会使混凝土主体结构和岩土之间形成孔隙、漏水通道，不可能产生共同作用，使结构防渗能力和抵御外力的能力大大降低。

天然钠基膨润土膨胀指数要求为≥16mL/2g，而不是≥24mL/2g。我国新颁布的JC/T2054-2011《天然钠基膨润土防渗衬垫》规定天然钠基膨润土膨胀指数≥22mL/2g是很高的，大多数矿经提纯可以达到这一要求。

4 结语

对于土壤和地下水污染，采用膨润土等粘土矿物进行处理是有效的，但代价太高，只能在最必要处做局部处理，并通过试验、实施，逐步积累经验，探寻经济、耐久处理方法。要防止进一步污染的发生，就必须正确使用防渗防污隔离材料。重视垃圾填埋工程防渗中存在的部分问题，并特别重视防水毯的优劣问题和膨润土的品质问题。希望在今后的重点工程中更多地使用耐久性好的天然钠基膨润土防水毯，杜绝使用短效的人工钠化(所谓钠基)膨润土防水毯。同时建议在工程过程中严把产品质量关，做到科学施工与科学管理相结合，从而做出更多的防渗防污成功的案例。也建议尽快制订出相应的行业规定，强制性地禁止污染物迁移，要阻止垃圾填埋场对环境的破坏就必须做耐久性防渗隔离层，目前使用天然钠基膨润土防水毯或厚层压实天然钙基膨润土防渗防污隔离应是较好的选择，要求特别高的隔离层可用双层防水毯(其中一层可带覆膜)。使用抗渗抗腐的混凝土地下连续墙作防污隔离层也是很好的选择。

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【修回日期】2014-10-08

P619.255；X523

A

1007-9386(2014)06-0004-03

2014-07-16