重金屬污染底泥穩定化/固化技術應用

張海秀，郭 貝，王風玉，王廷濤，林云青，陳 鳳，韓清潔

（青島新天地環境保護有限責任公司，山東 青島 266100）

重金屬污染底泥穩定化/固化技術應用

張海秀，郭 貝，王風玉，王廷濤，林云青，陳 鳳，韓清潔

（青島新天地環境保護有限責任公司，山東 青島 266100）

穩定化/固化修復技術具有修復周期短、見效快、易操作、費用低等優點，是重金屬污染修復的常用技術之一。以含錳、鎳、鈷復合重金屬污染底泥為研究對象，配制、篩選出有效的穩定化/固化藥劑，優化該工程污染底泥的施工技術參數及條件。在研究的基礎上，使污染底泥達到修復目標值，降低其生物有效性。工程的實施為含錳、鎳、鈷等復合重金屬污染介質的修復工程提供了技術參考。

河道底泥；重金屬污染；穩定化/固化藥劑

1　引言

重金屬污染指由重金屬（比重大于5的金屬，約有45種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、釩、鈮、鉭、鈦、錳、鎘、汞、鎢、鉬、金、銀等）或其化合物造成的環境污染，主要由采礦、廢氣排放、污水灌溉和使用重金屬制品等人為因素所致。因人類活動導致環境中的重金屬含量增加，超出正常范圍，并導致環境質量惡化［1］，是當今最受關注的環境問題之一。重金屬污染與其他有機化合物的污染不同，很難通過自然界本身物理的、化學的或生物的凈化，使有害性降低或解除。因此，重金屬污染治理技術的研究，成為關注及研究熱點。

基于重金屬修復原理，主要修復技術有穩定化/固化修復技術、淋洗修復技術、電動修復技術、熱解析修復技術、氧化還原修復技術、植物修復技術等［2］，其中穩定化/固化修復技術被美國環保署稱為處理有毒有害廢物的最佳技術［3］，具有處理費用低、修復周期短、可同時修復多種復合重金屬污染，易操作等優點［4］，在實際工程中應用較多［5，6］。穩定化/固化修復技術已成為我國現階段處理重金屬污染的主要治理技術。

穩定化/固化修復技術是指向污染土壤中加入藥劑，通過對重金屬吸附、氧化還原、拮抗或沉淀作用，將重金屬捕獲或固定在固體結構中，從而達到降低重金屬的生物有效性。該技術的關鍵在于選擇經濟有效的針對某一類或復合重金屬的藥劑。本研究以鎳、錳、鈷污染的底泥為研究對象，篩選適于含錳、鎳、鈷重金屬污染底泥的穩定化/固化藥劑，并應用于實際工程中。

2　項目概括

湖南某鋰電池生產廠家發生爆炸起火事故，鋰電池生產原料（酸性原料及含錳、鎳、鈷等重金屬原料）伴隨消防水外泄至本區農田水利灌溉干渠內；通過對干渠分段堵截，將污水堵截在可控范圍內，未對下游水質造成影響。溝渠內的污水通過污水處理廠處理已達標排放。由于底泥具有較大的比表面積和大量的活性官能團，富集了大量重金屬，在特定的環境下，底泥吸附、固化的重金屬可能會重新釋放。為避免遺留污染，成為溝渠水資源的污染源，對溝渠底泥進行了徹底清淤，放置底泥的位置鋪設了防滲層，并做好導排溝（用于底泥滲水導排至污水處理廠）。清淤的底泥共計約8000m3，待處理。

表1檢測數據為清淤前檢測的底泥中重金屬含量。從表1可看出，底泥已吸附集聚了錳、鎳、鈷（無含量標準，但其浸出濃度超過《銅、鈷、鎳工業污染源排放標準》（GB25467-2010）的標準限值1.0mg/L）等重金屬，其中鎳的含量超過了《土壤環境質量標準》（GB15618-1995）第三級標準200mg/kg。

表1　底泥中重金屬含量（除pH外，單位都為mg/kg）

表2為待處置底泥中重金屬的浸出濃度。浸出方法參照《固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007）。從表2的檢測結果可以看出，16個底泥樣品中，只有兩個樣品的重金屬浸出濃度未超過標準限值，其余樣品的重金屬浸出濃度都超過了標準限值。

2.2修復目標值

基于處理后底泥的去處以及各污染物的標準限值，結合本項目的實際情況，該污染底泥的修復目標值見表3。

表3　底泥修復目標

表2　待處置底泥中重金屬的浸出濃度

3　最佳施工條件

穩定化/固化修復技術實際上為固定化和穩定化兩種技術［4，7］，其中，固化技術是將污染物封入特定的晶格材料中，或在其表面覆蓋滲透性低的惰性材料，以限制其遷移活動；穩定化技術是將污染物轉化為不易溶解、遷移能力或毒性更小的形式，以降低其環境風險和健康風險［8］。為了達到更好的處理效果，實際工程中，常把兩種技術聯合使用，固化前，一般先將污染物進行穩定化處置。最常用的穩定化/固化材料為水泥、石灰、沸石、碳酸鈣、磷酸鹽、硅酸鹽和促進還原作用的有機物質等［9-11］。

本研究的關鍵是篩選出合適的藥劑，并確定穩定化/固化實施的最佳條件。基于復合重金屬的特點，篩選的穩定化/固化的藥劑材料以鈣、鎂基化合物、重金屬沉淀劑（磷制劑和硫化物）、黏土礦物為基礎組分和其他特殊的材料按照一定的比例進行配比組合，篩選出適應于項目的最佳藥劑配比。藥劑組分的主要功能是在堿性環境條件下，能夠使重金屬產生水化、凝膠以及共沉淀等，把重金屬固定或者包裹在原有污染介質或藥劑的晶格中，其遷移性降低，使之不會對周圍環境產生危害，從而使被污染介質達到修復目標。

該藥劑組分經過多次配比及試驗，穩定化/固化處置的最佳條件如下：

（1）藥劑的組分：鈣、鎂基化合物35%～40%、重金屬沉淀劑（磷制劑和硫化物）10%～15%、黏土礦物40%～45%、其他特殊的材料2%～5%。

（2）藥劑添加量：藥劑的添加量是一個工程處置效果和處置成本的決定性因素。本研究在（1）的藥劑組分條件下，藥劑的添加量為每噸污染底泥的2%，其處理效果優于修復目標值（見表4），已滿足工程條件。

表4　穩定化/固化試驗前后底泥的浸出濃度

（3）含水率：在穩定化/固化的過程中，水是水化反應的物質基礎，但水過量也會阻礙固化的過程［12］。由于本研究以污染底泥為對象，根據檢測分析，其含水率在20%～40%，具有較高的含水率，已具備穩定化/固化的要求，無需再添加水分。

（4）混合均勻度：藥劑與污染底泥的混合程度是穩定化/固化處置中至關重要的步驟，也影響穩定化/固化過程中藥劑的添加量。整個混勻過程是為了保證藥劑與被污染介質中的污染物充分接觸并反應。在實際工程應用中，處置過程的混勻大多借助于機械設備，且通過主觀判斷是否混勻，因此，藥劑的添加量可能會比小試試驗多。

（5）養護條件：藥劑與污染底泥混合處理的養護時間是污染物在介質中被固定或捕獲的重要階段。一般養護時間為3～7天。本研究的穩定化/固化后的氧化時間為5天，為保持處置后底泥的含水率，需對養護底泥進行防護苫蓋。

4　工程實施

4.1實施工藝路線

對于已暫存的底泥，項目的施工工藝（工藝流程見下圖）。

項目實施工藝流程圖

（1）前期準備：首先根據施工要求進行場地平整、水通、電通、路通“三通一平”工程，布置施工作業區、養護區、底泥暫存區以及辦公生活區等，以及其他的施工輔助設備設施；進行小試試驗，篩選出最佳施工條件。

（2）穩定化/固化處置：穩定化/固化處置是項目的主體工程。依據小試試驗篩選出來的最佳施工條件，設置穩定化/固化處置參數，進行穩定化/固化處置。底泥經過穩定化/固化后，養護5天時間，進行檢測分析，如果檢測結果達到修復目標值，則進行填埋處置；如果檢測結果達不到修復目標值，則需返工，重復穩定化/固化程序。

（3）竣工驗收：驗收主要有兩部分：一是暫存區域的污染底泥；二是暫存區的表層土壤，該部分的驗收主要是檢驗污染底泥是否通過防滲層污染了暫存區的土壤。驗收標準以修復目標值為標準（見表3）。

4.2穩定化/固化處置過程

（1）預處理：采用破碎篩分斗對底泥進行篩分，主要去除底泥中石塊、草根等雜物，利用自卸車轉移至穩定化處置作業區。

（2）加藥攪拌：根據小試試驗篩選出的施工條件，添加一定比例（2%～3%）的穩定化/固化藥劑，采用專用攪拌設備將污染底泥與藥劑充分混勻。

（3）養護：攪拌均勻的底泥，轉移至養護區堆存，養護5天時間，在養護期間，為了保持底泥的含水量，需對養護堆體進行苫蓋。

（4）檢測分析：經過養護后的底泥，按照至少500m3取一個混合樣品進行毒性浸出試驗，毒性浸出方法參照《固體廢物浸出毒性浸出方法-硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007），底泥中的重金屬浸出濃度達到修復目標值（見表3），即為修復合格。

5　結論

（1）以含錳、鎳、鈷等復合重金屬污染底泥為研究對象，篩選出適合于含錳、鎳、鈷等復合重金屬污染的穩定化/固化藥劑，并優化了施工技術參數及條件。

（2）工程采用穩定化/固化修復技術處置含錳、鎳、鈷等復合重金屬污染底泥，使之達到無害化。工程實施周期短，操作簡單，達到了修復要求。

（3）該工程的實施，可以為含錳、鎳、鈷等復合重金屬污染介質的修復提供技術參考。

［1］ 魯永剛.重金屬污染的危害與防治措施［J］.四川有色金屬，2012（2）： 52-54.

［2］ 黃益宗，郝曉偉，雷鳴，等.重金屬污染土壤修復技術及其修復實踐［J］.農業環境科學學報，2013，32（3）：409-417.

［3］ Gougar MLD，Scheetz BE，Roy DM.Ettingite and c-s-h portland cement phases for waste ion immobilization：A review，Waste management，1996，16（4）: 295-303.

［4］ 張長波，羅啟仕，付融冰，等.污染土壤的固化/穩定化處理技術研究進展［J］.土壤（Soils），2009，41（1）：8-15.

［5］ 周昱，保嶽，徐曉晶.工業場地重金屬污染土壤異位穩定化修復工程［J］.工業安全與環保，2015，41（3）：24-16.

［6］ 李淑彩，馮國杰，孔祥斌，等.湖北某重金屬污染土壤穩定化/固化治理工程實例［J］.環境工程學報，2016，42（2）：103-107.

［7］ 郝漢周，陳同斌，靳孟貴，等.重金屬污染土壤穩定/固化修復技術研究進展［J］.應用生態學報，2011，22（3）：816-824.

［8］ 王洪才.重金屬污染土壤淋洗修復技術和固化/穩定化修復技術研究［D］.2014.

［9］ 趙述華，陳志良，張太平，等.重金屬污染土壤的固化/穩定化處理技術研究進展［J］.土壤通報，2013，44（6）：1531-1536.

［10］ 甄樹聰，楊建明，董曉慧，等.磷酸鉀鎂膠結材料固化/穩定化重金屬污染土壤的研究［J］.安徽農業科學，2011，39（35）：21722-21725.

［11］ 謝華明，曾光明，羅文連，等.水泥、粉煤灰及DTCR固化/穩定化重金屬污染底泥［J］.環境工程學報，2013，7（3）：1121-1127.

［12］ Biermacki JJ，Williams PJ，Stutzman PE，Kinetics of reaction fo calcium hydroxide and fly ash.American Concrete Institute Material Journal，2001，98（4）: 340-349.

Medicament Proportioning Application of Stabilization/Solidification from Heavy Metal Contaminated Bed Mud

ZHANG Hai-xiu， GUO Bei， WANG Feng-yu， WANG Ting-tao， LIN Yun-qing， CHEN Feng， HAN Qing-jie
（Qingdao New World Environmental Protection Co.， Ltd， Shandong Qingdao 266100， China）

Based on the compound heavy metal contaminated sediments containing manganese， nickel and cobalt as a research object， This research puts up and screens the effective medicaments of stabilization/solidification， and optimizes the construction technical parameters and conditions of the contaminated sediments. On the basis of this study， the target value of remediation will be reached in contaminated sediments and the biological efficiency will be reduced.

Sediment； Heavy Metal Pollution； Reagent of Solidification/ Stabilization

X703

A

1006-5377（2016）09-0061-04

青島市民生科技項目，編號14-2-3-71-nsh。