重金屬污染土壤原位穩(wěn)定化藥劑投加方式綜述

茍東曉，谷廣鋒，蘇憲章，曹興濤，王新新，謝江浩，楊庭

（1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300457；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司北京安全環(huán)保工程技術(shù)研究院，天津 300457）

引言

近年來，隨著我國工業(yè)規(guī)模的迅速發(fā)展、城市化進(jìn)程不斷加快，大量重金屬污染物質(zhì)進(jìn)入土壤和地下水，土壤重金屬污染加劇，導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)嚴(yán)重下降，且經(jīng)過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康[1]。2014年4月，原環(huán)境保護(hù)部和原國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，從污染物超標(biāo)情況看，鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種無機(jī)污染物點(diǎn)位超標(biāo)率總和為21.7%[2]。重金屬污染具有隱蔽性、長期性、富集性和不可逆性[3]，因而重金屬污染土壤治理成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

目前重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)主要有：物理修復(fù)（客土法、熱解析法、電動修復(fù)法及玻璃化技術(shù)）、生物修復(fù)（植物修復(fù)、微生物修復(fù)和動物修復(fù)）、化學(xué)修復(fù)（固化/穩(wěn)定化、電化學(xué)、化學(xué)淋洗）等[4]。與其他修復(fù)技術(shù)相比，固化/穩(wěn)定技術(shù)因工藝簡單、成本較低、施工便利等優(yōu)點(diǎn)[5～7]，在土壤修復(fù)工程中得以廣泛應(yīng)用。據(jù)美國超級基金污染修復(fù)報(bào)告統(tǒng)計(jì)[8]，1982～2014年，美國超級基金的污染修復(fù)工程中約18%使用了固化/穩(wěn)定化技術(shù)。根據(jù)江蘇?。ㄒ伺d）環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院及土壤環(huán)境修復(fù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對我國公開招投標(biāo)項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在我國2008～2016年的177個土壤修復(fù)項(xiàng)目中，固化/穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)占比23%。由于穩(wěn)定化修復(fù)后的土壤具有增容率低、可再次利用等優(yōu)勢[9]，穩(wěn)定化技術(shù)逐漸成為土壤重金屬污染修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域的主力。

1 重金屬穩(wěn)定化技術(shù)

重金屬穩(wěn)定化是指將穩(wěn)定化藥劑通過一定方式，使其與污染土壤混合，充分反應(yīng)，從而改變污染土壤中重金屬的有效形態(tài)，使其轉(zhuǎn)化為不易溶解、遷移能力或毒性更小的形態(tài)，達(dá)到重金屬修復(fù)目的[10]。在重金屬穩(wěn)定化過程中，涉及酸堿控制、氧化還原、沉淀、絡(luò)合、吸附及離子交換等[10]。常用的穩(wěn)定化藥劑有堿性藥劑、硅酸鹽藥劑、磷酸鹽藥劑、鐵鹽藥劑、硫化物和有機(jī)高分子藥劑等[11]。

污染土壤篩分破碎以及與藥劑的混合方式是穩(wěn)定化技術(shù)在應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，并直接影響最終的穩(wěn)定化效果和經(jīng)濟(jì)效益[9]。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中出現(xiàn)了不同類型的藥劑投加設(shè)備。異位穩(wěn)定化設(shè)備有篩分破碎鏟斗和土壤破碎混合一體機(jī)[12]等；原位穩(wěn)定化設(shè)備有螺旋鉆進(jìn)注射和高壓旋噴。與異位穩(wěn)定化技術(shù)相比，原位穩(wěn)定化技術(shù)具有成本低，對周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn)[17]，成為土壤復(fù)研究的熱點(diǎn)。本文主要根據(jù)重金屬污染土壤污染特性，結(jié)合目前常用的重金屬原位穩(wěn)定化技術(shù)，介紹了四種穩(wěn)定化藥劑的投加方式。

2 穩(wěn)定劑投加方式

2.1 直接噴灑

翻拋機(jī)和挖掘機(jī)混合攪拌常用直接噴灑方式進(jìn)行污染土壤與藥劑混合[13]。

翻拋機(jī)[14]由拖拉機(jī)提供動力，銑刨輪安裝在橫向轉(zhuǎn)軸上。翻拋機(jī)穩(wěn)定化作業(yè)如圖1所示，作業(yè)機(jī)理示意如圖2所示。首先，利用撒料機(jī)將穩(wěn)定化藥劑噴灑在污染區(qū)域表面，然后翻拋機(jī)在其表面進(jìn)行作業(yè)，通過攪拌將穩(wěn)定化藥劑均勻混入修復(fù)土壤中，使污染土壤與藥劑充分反應(yīng)，從而修復(fù)污染土壤。這種穩(wěn)定化方法適合于治理在土壤表層0.2～0.3m處的污染物。

圖1 翻拋機(jī)穩(wěn)定化作業(yè)

圖2 翻拋機(jī)作業(yè)機(jī)理示意圖

河南省濟(jì)源某電解電鍍企業(yè)周邊污染農(nóng)田，As、Cd、Pb等重金屬污染物嚴(yán)重超標(biāo)，以Cd為例，總濃度為31mg/kg（超標(biāo)124倍），采用直接噴灑的方法將穩(wěn)定劑噴灑在污染農(nóng)田表層，然后采用翻耕的原位穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)，取得了較好的修復(fù)效果。

圖3為挖掘機(jī)混合攪拌穩(wěn)定化作業(yè)的現(xiàn)場，挖掘機(jī)混合攪拌[14]利用挖掘機(jī)的鏟斗對污染土壤進(jìn)行挖掘、破碎和攪拌，使其與穩(wěn)定化藥劑混合，處理深度與挖掘機(jī)鏟斗尺寸有關(guān)，一般適用于淺層污染，處理深度不超過6m。這種穩(wěn)定化方法，對藥劑形態(tài)無要求，液態(tài)和粉末穩(wěn)定化藥劑均可使用，適用于設(shè)備已拆除的重金屬污染場地，穩(wěn)定化處理的同時還能將粉碎的拆遷雜物與處理后的土壤混合，進(jìn)而解決后續(xù)拆遷雜物場外處理難題。

圖3 挖掘機(jī)混合攪拌穩(wěn)定化作業(yè)

2.2 空心叉噴射

空心叉攪拌穩(wěn)定化作業(yè)如圖4所示。該技術(shù)所用的設(shè)備是將挖掘機(jī)進(jìn)行改裝，在其前端配備空心叉。利用空心叉或獨(dú)立的管道將穩(wěn)定化藥劑注入特定深度的污染土壤，同時利用挖掘機(jī)帶動空心叉的轉(zhuǎn)動進(jìn)行原位混合攪拌，使藥劑和污染土壤混合均勻[14]。此方法使用液體穩(wěn)定化藥劑，對于原位淺層污染土壤的修復(fù)較為適用，且處理深度不宜超過3m。

美國南卡羅萊納州查爾斯頓某重金屬污染的超級基金修復(fù)現(xiàn)場[14]利用該技術(shù)將重金屬穩(wěn)定化藥劑注入污染土壤，達(dá)到原位穩(wěn)定化修復(fù)效果。

2.3 螺旋鉆進(jìn)注射

旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)穩(wěn)定化作業(yè)采用螺旋鉆進(jìn)注射方法[14]，此種方法通常在挖掘機(jī)工作轉(zhuǎn)盤上安裝旋轉(zhuǎn)頭或鏈軌式鉆機(jī)，使其以較大直徑旋轉(zhuǎn)，隨著旋轉(zhuǎn)頭或鉆頭旋轉(zhuǎn)和上下移動，將穩(wěn)定化藥劑通過空心鉆桿或獨(dú)立的管道注入特定深度的污染土壤，如圖5所示。當(dāng)藥劑和污染土壤混合完成后，在污染區(qū)域形成土壤柱狀修復(fù)區(qū)。在污染土壤的修復(fù)區(qū)域內(nèi)，每隔特定距離進(jìn)行螺旋鉆井注射操作，且柱狀修復(fù)區(qū)存在重疊區(qū)域，直至整個污染區(qū)域被修復(fù)土柱覆蓋。

圖4 空心叉攪拌穩(wěn)定化作業(yè)

圖5 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)穩(wěn)定化作業(yè)

螺旋鉆進(jìn)注射方法適用于地下廢棄物和構(gòu)筑物已全部清除的污染場地，以防損壞鉆具，該方法可處理污染土壤直徑為0.6～3.7m，處理深度為20m。螺旋鉆進(jìn)注射的重金屬穩(wěn)定化藥劑主要有液體藥劑和粉末藥劑兩種[15]。對于液體藥劑，首先將穩(wěn)定化藥劑、填充劑和添加劑與水混合，配制成均勻液體，然后進(jìn)行螺旋鉆進(jìn)注射，使其與污染土壤原位混合，通常應(yīng)用于含水率小于60%的土壤。粉末藥劑注射是將穩(wěn)定化藥劑、填充劑和添加劑直接通過螺旋鉆進(jìn)注射與污染土壤混合，適用于含水率較高的污染土壤。

甘肅省白銀市白銀區(qū)東大溝流域某冶金廠的重金屬污染現(xiàn)場[16]，污染物以Pb、Zn、Cd為主，該場地利用智能化供藥系統(tǒng)采用原地原位粉噴攪拌工法，將重金屬穩(wěn)定化藥劑與污染土壤均勻混合，實(shí)現(xiàn)了重金屬污染場地原地原位穩(wěn)定化修復(fù)。

2.4 高壓旋噴

高壓旋噴注射法[14]是利用高壓注入設(shè)備通過特化的旋轉(zhuǎn)鉆桿將穩(wěn)定化藥劑注入污染區(qū)域，與污染土壤反應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定化處理，其作用機(jī)理如圖6所示。這種方法對深層污染土壤較為有效，修復(fù)直徑為0.6～1.8m，修復(fù)深度可達(dá)30m。與螺旋鉆進(jìn)注射方法類似，高壓旋噴也需在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行修復(fù)土柱重復(fù)操作，且土柱修復(fù)區(qū)域之間存在重疊，最后將污染區(qū)域全部修復(fù)。高壓旋噴注射法采用液體修復(fù)藥劑，可適用于孤立污染區(qū)域或地表構(gòu)筑物下污染土壤的穩(wěn)定化處理。

圖6 高壓旋噴注射法示意圖

高速高壓旋噴采用改進(jìn)的雙液高壓旋噴系統(tǒng)，能夠?qū)⑿迯?fù)直徑增加3～5m。此過程需用旋轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)將鉆桿插入土壤污染深度，通過水平噴嘴將藥劑注入污染土壤，注入速度高達(dá)200m/s。在這種高速度沖擊下，土壤結(jié)構(gòu)被破壞，穩(wěn)定化藥劑和污染土壤能夠充分混合，修復(fù)直徑隨之?dāng)U大。因此，鉆桿旋轉(zhuǎn)速度、藥劑注入速度及土壤滲透系數(shù)均影響修復(fù)直徑的大小。

南京某化工重金屬污染場地采用高壓旋噴設(shè)備，將噴頭送至指定深度，在反向提升過程中向污染土壤噴射穩(wěn)定化藥劑，使藥劑和污染土壤充分接觸，達(dá)到污染土壤原位穩(wěn)定化修復(fù)的目的[17]。

3 結(jié)論與展望

藥劑的投加方式是重金屬穩(wěn)定化修復(fù)施工過程中的關(guān)鍵因素，精準(zhǔn)的藥劑投加，能夠更好實(shí)現(xiàn)藥劑與污染土壤的接觸。直接噴灑、空心叉噴射、螺旋鉆進(jìn)注射及高壓旋噴等方法已在工程項(xiàng)目中成功應(yīng)用，但其存在藥劑分散不均、工藝控制粗放、藥劑有效利用率較低、藥劑影響土質(zhì)等問題。

因此，未來對穩(wěn)定化藥劑投加方式的研究宜從以下幾方面開展：

（1）根據(jù)我國重金屬污染特性及場地特征研發(fā)更高效的藥劑投加方式，實(shí)現(xiàn)藥劑在復(fù)雜土質(zhì)下的均勻投加。

（2）對于復(fù)雜污染場地，污染物在土壤中呈不均勻分布，因此如何實(shí)現(xiàn)藥劑的靶向定向投加，使穩(wěn)定化修復(fù)更具高效性和經(jīng)濟(jì)性，也將成為后續(xù)研究的熱點(diǎn)。

（3）對于多種金屬污染并存的復(fù)雜場地，單一的穩(wěn)定化藥劑很難達(dá)到修復(fù)目標(biāo)，需將多種穩(wěn)定化藥劑并用，復(fù)合穩(wěn)定化藥劑的修復(fù)效果也將成為未來研究的重要方向。

（4）穩(wěn)定化藥劑對多種重金屬并存或重金屬與有機(jī)污染物混合的污染場地的修復(fù)效果不佳，將穩(wěn)定化修復(fù)與化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)聯(lián)合應(yīng)用，針對不同重金屬污染情況進(jìn)行修復(fù)工藝組合，將有效提高土壤修復(fù)的效果。