重金属污染场地固化/稳定化修复技术研究及工程实践

余锦涛，倪晓芳，张长波

（上海化工研究院，上海，200062）

重金属污染场地固化/稳定化修复技术研究及工程实践

余锦涛，倪晓芳，张长波

（上海化工研究院，上海，200062）

本文在采集上海某化工区污染场地土壤进行污染物分析的基础上，针对其污染物为重金属的特点，提出采用固化/稳定化的工艺进行修复处理。研究固化/稳定化药剂的添加比例对固化体强度和固化体浸出毒性的影响，从而得出较优的工艺条件，修复后固化体浸出毒性满足地表水环境质量IV级标准，固化体强度大于2 MPa，可用于场地路基材料。在实验的基础上，进行工程实践，开展免烧砖的工艺制备，实现污染土壤的资源化利用。

重金属污染；土壤修复；固化/稳定化；工程化

引言

随着我国工业和农业现代化进程的推进，化工、冶金、石油、交通、肥料等行业得到飞速发展。同时，由于环保措施不健全、技术工艺不达标、工业废弃物处理不完善等因素，导致大量的土壤污染情况出现，从而对农作物和地下水的安全产生威胁，危害人体健康［1-4］。随着今年国务院印发的《土壤污染防治行动计划》（土十条）的颁布，土壤污染修复在国家层面上有了行动指南，对污染土壤进行修复迫在眉睫。2014年，环境保护部和国土资源部联合发布的《全国污染土壤状况调查公报》［5］显示：全国土壤总的点位超标率为16.1%，从污染物类型看来，以无机型为主、有机型次之、复合型污染比重较小。无机污染物超标点位数占全部超标点位数的82.8%。无机污染物中，大多数是重金属污染，如镉、砷、铅、锌、铜等，重金属污染土壤占很大比例。重金属污染具有范围广、时间长、隐蔽性强、不可生物降解、易在生物体内累积等特点［6-7］。根据国内外的工程实践经验，重金属污染修复途径主要有两种方式：一是改变重金属在土壤中的存在形式，使其固化/稳定化，降低其在环境中的生物可利用性；二是使重金属从土壤中彻底脱除。修复过程中，主要涉及的方法有固化/稳定化、淋洗、植物修复等。目前采用最多的是固化/稳定化的处理工艺，美国EPA曾将其列为有毒有害废物的最佳处理技术［8］，而且已经有180个超级基金项目涉及污染土壤的固化/稳定化研究［9］。

固化/稳定化是运用物理或化学方法将土壤中有毒重金属固定起来，或者将重金属转化成化学性质不活泼的形态，阻止其在环境中迁移、扩散等过程，从而降低重金属的毒害程度。固化稳定化的方法具有快速、经济、有效等特点，广泛应用于重金属污染场地的修复［10］。常用的固化/稳定化药剂可分为无机粘结剂（水泥、石灰等）、有机粘结剂（沥青等热塑性材料）。最终的固化/稳定化效果与土壤性质、污染物类型、固化/稳定化药剂添加量等因素相关。本实验采用多种固化/稳定化剂对污染地进行修复研究，并创新使用免烧压砖机进行固化体制备。

1 实验技术方案

1.1实验原料及设备

污染土壤取自上海某化工区搬迁遗留场地，该场地土壤中的主要污染物如表1所示。生水化反应生成水合硅酸钙CSH，它可对污染物质进行物理包封、吸附或者化学键合等作用，避免污染物的迁移和生物摄入。

图1　固化试验流程

拆模后砌块见图2，在温度20℃、湿度95%以上条件下恒温恒湿放置养护28天。

图2　成型的土壤固化体

1.2.2重金属污染土壤稳定化操作流程

污染土壤的稳定化操作中，分别采用了水泥（425#）、氧化镁、氧化钙这三种不同的稳定化剂进行重金属稳定化试验，添加量均为4%，在温度20℃、湿度95%以上条件下放置养护28天。主要工艺流程如下图3所示。

图3　稳定化试验流程

1.3验收指标

（1）污染土壤处理浸出目标：采用硫酸硝酸法（HJ/T299-2007），污染物浸出液浓度达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的IV类标准；

（2）固化处理后养护28天的土壤，固化体强度符合《城镇道路工程施工与质量验收规范》（CJJ1-2008）中水泥稳定土类基层“其他等级道路底基层为1.5～2.0 MPa”的要求。

1.2实验步骤

1.2.1重金属污染土壤固化操作流程

本部分实验按照图1流程进行，固化药剂为4 2 5#水泥，添量为3 0%，模具采用70.7mm×70.7mm×70.7mm标准模具。水泥是水硬胶凝材料，主要成分为硅酸三钙和硅酸二钙，加水发出毒性达标。

2 实验结果及讨论

2.1重金属污染土壤固化处理结果

养护28天后的土壤固化体，利用硫酸硝酸法进行固体废物毒性浸出测试，浸出液中重金属浓度如表2所示。

试验结果显示，经过固化处理后的污染土壤，浸出液中镉、砷、铅、锌四种重金属均未检出，浸

表1　污染土壤中重金属含量

表1中的标准值是采用了《展览会用地土壤环境质量评价标准》（HJ350-2007）中的B级标准（土壤修复行动值）。

实验仪器设备：ICP-OES（美国热电 iCAP6300 D u o） 、连续光源原子吸收光谱仪（德国耶拿ContrAA700） 、翻转振荡器仪（美国ADM公司）、水泥胶砂抗折抗压试验机（无锡建仪TYE-300D）、恒温恒湿养护箱（无锡建仪HBY-40A）、水泥搅拌机（德国耶拿 ContrAA700）、振动台（绍兴宝加160312）。

表2　养护28天后土壤固化体的硫酸硝酸法浸出浓度（mg/L）

另外，对养护28天后的土壤固化体采用《地基处理技术规范（附条文说明）》（DG/TJ 08-40-2010）进行抗压强度测试， 6块受试土壤固化体的平均抗压强度约为3.5 MPa，符合本文中的验收指标。

试验结果显示：基于水泥固化技术的重金属污染土壤处理取得较好的效果，处理后的固化体承载力达到相关标准；硫酸硝酸法固体废物毒性浸出方法测试中，固化体中关注重金属的浸出浓度均远低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）IV级标准限值，污染土壤经固化后的固化体可作为进一步资源化利用。

2.2重金属污染土壤稳定化处理结果

养护28天后的土壤稳定体进行硫酸硝酸法固体废物毒性浸出测试，浸出后关注重金属污染物的浸出浓度如表3所示。

表3　养护28天后土壤稳定化体的硫酸硝酸法浸出浓度（mg/L）

浸出毒性试验结果显示：稳定化处理后，稳定化体中的镉、砷、铅、锌四种重金属浸出浓度均远低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）IV级标准限值，土壤经稳定化后的稳定化体可作为进一步资源化利用。

2.3重金属污染土壤固化操作与稳定化操作结果对比

通过上述实验室研究知，采用固化方案处理后的土壤固化体，浸出测试中关注重金属污染物均未检出，且抗压强度符合相关标准；采用稳定化法处理后的土壤稳定化体，浸出测试中砷元素均有检出，但关注重金属浓度均低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）IV级标准限值。

2.4场地工程化实践

本污染场地利用制砖机进行工程化小试。将污染土壤与水泥、水混合均匀，利用输送皮带将物料加入制砖机的料斗，制砖机给压力自动成型出砖，放置28天养护。如图4所示。

图4　固化制砖处理现场

对砖块固化体进行浸出毒性检测，镉、砷、铅、锌元素均未检出。取6块砖进行强度检测，平均强度约为9 MPa，大于实验室结果。这是因为制砖机制砖过程为加压处理，物料更加密实，水化反应充分，而实验室固化过程中并未加压。本部分小试说明重金属污染土壤的固化操作，在工程上可行。

3 结论

（1）通过对污染场地土壤进行固化处理，镉、砷、铅、锌元素均未检出。固化体强度约为3.5 MPa，强度和浸出毒性均符合相关标准。

（2）通过对污染场地土壤进行稳定化处理，镉、铅、锌元素均未检出，砷元素有检出，但远低于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）IV级标准，仍符合要求。

（3）利用免烧压砖机对污染土壤进行工程化小试，固化体强度达到9 MPa左右，浸出液中未检出镉、砷、铅、锌元素。可采用固化压砖的工艺，对重金属污染土壤进行修复，并实现其资源化。

基金支持：

上海市国资委企业技术创新和能级提升项目《土壤污染综合评估体系建立及淋洗修复技术与设备研发》，项目编号：2015026。

［1］赵述华，陈志良，张太平，等. 重金属污染土壤的固化/稳定化处理技术研究进展［J］，土壤通报，2013，44（6）:1531-1536.

［2］王永强，蔡信德，肖立中. 多金属污染农田土壤固化/稳定化修复研究进展［J］，广西农业科学，2009，40（7）:881-888.

［3］郭观林，周启星，李秀颍. 重金属污染土壤原位化学固定修复研究进展［J］，应用生态学报，2005，16（10）:1990-1996.

［4］杨苏才，南怀忠，曾静静. 土壤重金属污染现状与治理途径研究进展［J］，安徽农业科学，2006，34（3）:549-552.

［5］环境保护部，国土资源部. 全国土壤污染状况调查公报［R］. 2014.

［6］宋云，尉黎，王海见. 我国重金属污染土壤修复技术的发展现状及选择策略［J］，环境保护，2014，9:32-36.

［7］樊霆，叶文玲，陈海燕，等.农田土壤重金属污染状况及修复技术研究［J］，生态环境学报，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］周启星，宋玉芳. 污染土壤修复原理与方法［M］，北京:科学出版社，2004:356-365.

［10］张长波，罗启仕，付融冰等. 污染土壤的固化/稳定化处理技术研究进展［J］，土壤，2009，41（1）:8-15.

余锦涛（1986-），男，博士，研发工程师，环境监理工程师。研究方向：污染场地修复、工业固体废弃物资源化利用等。

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

工业技术创新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.008