重金屬污染土固化穩定化技術的對比分析

何亮 王曼 陳錦斌 孫正峰

摘 ? 要：本文介紹了重金屬固化穩定化（S/S）技術的起源，以及我國污染物場地的現狀和政策。對比分析了固化穩定化（S/S）膠凝材料的分類和機理，以及固化穩定化（S/S）技術的分類和機理。研究表明重金屬的固穩包含了以下3種機制：通過固化劑的水化反應產物（例如水合物CSH）與污染物的相互作用，對污染物進行化學固定;通過各類水合物的表面對污染物進行物理吸附;對污染物的物理包裹。在工程實踐中，固化/穩定過程可以使用原位或非原位技術完成。

關鍵詞：重金屬 ?固化 ?穩定化 ?對比分析

中圖分類號：TU411 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0083-02

Abstract： This paper introduces the origin of heavy metal solidification stabilization （S/S） technology， as well as the current situation and policy of pollutant sites in China. The classification and mechanism of S / S cementitious materials， as well as the classification and mechanism of S / S technology were compared and analyzed. The results show that the stabilization of heavy metals includes the following three mechanisms： chemical fixation of pollutants through the interaction between the hydration reaction products （such as hydrate CSH） of the curing agent and pollutants; physical adsorption of pollutants through the surface of various hydrates; physical encapsulation of pollutants. In engineering practice， the curing / stabilization process can be accomplished using in situ or non in situ techniques.

Key Words： Heavy metal; Solidification; Stabilization

固化穩定化（S/S）技術的起源可以追溯到20世紀50年代對放射性廢物的固化處置，70年代，歐美發達國家對土壤中污染物的固定/穩定化技術進行了深入研究。如美國在處理低水平放射性液體廢物時，先用蛭石等礦物進行吸附，或者先用普通水泥將其固化，然后再進行填埋處置。自20世紀80年代以來，在場地修復的實際應用技術中，固定/穩定化技術由于對土壤中重金屬、非金屬無機物、放射性物質和多種有機污染物都有很好的處理效果，已成為僅次于SVE技術的第二大修復技術。近些年，我國對環境保護日益重視，加大了對重金屬污染場地的治理，隨著《重金屬污染綜合防治“十二五”規劃》的完成和《土壤污染防治行動計劃》的出臺，全國各地區的重金屬污染場地修復工程將會大量地開展。從已完成工程的處理效果來看，水泥窯協同處置和固化/穩定化依然是最主要的技術，從環境危害、經濟性和成本考慮，重金屬污染土固化穩定化處置將是未來我國主要推廣和研究的技術。

1 ?固化穩定化（S/S）膠凝材料的分類和機理

常用的S/S 膠凝材料可以分為以下4 類：（1）無機粘結物質，如水泥、石灰等;（2）有機粘結劑，如瀝青等熱塑性材料;（3）熱硬化有機聚合物，如尿素、酚醛塑料和環氧化物等;（4）玻璃質物質。由于技術的完善性、成本等方面的原因，水泥和石灰等無機材料在實際工程中的應用最廣泛，占項目數的90%以上。在過去的50年里，應用最為廣泛的是水泥固化重金屬技術。水泥是一種無機膠結材料，水化反應后會生成堅硬的水泥固化體。水泥固化的機理是重金屬在水泥的水化過程中，通過化學吸收、吸附、沉降、離子交換、鈍化等多種方式與水泥發生化學反應，最終重金屬以絡合物或氫氧化物的形式殘留在水泥水化形成的水化硅酸鹽膠體表面上，同時水泥的固化也為重金屬提供了堿性環境，從而抑制了重金屬的滲濾。水泥的種類很多，常見的有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、礬土水泥等，這些都可以作為重金屬污染物固化處理的材料，其中最常用的是普通硅酸鹽水泥。凝固時間、水灰比、水泥與廢物比、添加劑、固化塊的成型條件等工藝參數是影響水泥固化的因素，為達到較好的固化效果，在實際工程中要嚴格控制這些參數。

2 ?固化穩定化（S/S）技術的分類和機理

2.1 石灰/火山灰固化技術

根據波索來效應，在有水的情況下，細火山灰粉末能在常溫下與堿金屬和堿土金屬的氫氧化物發生凝硬反應。石灰/火山灰固化技術是指利用波索來反應的物質為固化材料，如水泥窯灰、石灰垃圾、焚燒飛灰、熔礦爐爐渣等，對危險廢物進行的固化穩定化方法。火山灰質材料含有硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物，當其活性被激發時，具有類似水泥的膠凝特性。在適當的催化環境下，火山灰物質會與污染物進行波索來反應，可將污染物中的重金屬成分吸附于波索來反應產生的膠體結晶中。石灰中的Ca2+對Cd2+元素有拮抗作用，而且可以提高土壤的pH值，因此石灰被認為是抑制鎘污染的有效措施，且能促進酸性土壤上的植物吸收鎘。

2.2 塑性材料包容法技術

塑性材料包容法屬于有機型的固化穩定化處理技術，按使用材料的性能，可將該技術劃分為熱固性塑料包容和熱塑性材料包容。熱固性塑料指在加熱時會從液體變成固體并硬化的材料，即使以后再次加熱也不會重新液化或軟化，它實際上是一種從小分子變成大分子的交鏈聚合過程。目前使用較多的材料是脲醛樹脂、環氧樹脂、聚酯、酚醛樹脂等，其固化物具有耐腐蝕、強度高、高抗滲、抗凍性好等優點。在眾多熱固性塑料中，脲醛樹脂使用較廣泛，具有價格低、使用方便、固化速度快、耐水性好、耐腐蝕性好。熱塑性材料指那些在加熱/冷卻時能反復轉化和硬化的有機材料，常見的有聚氯乙烯、瀝青、聚乙烯、石蠟等。在較高溫度下，這些材料具有可塑性和流動性，而在常溫下則變為堅硬的固體，這些特性是對固體廢棄物進行固化處理的理論基礎。

2.3 玻璃化技術

玻璃化技術即熔融固化技術，在高溫下利用熱能把固態污染物熔化為玻璃狀或陶瓷-玻璃狀物質，將固化體轉變為玻璃體的致密結晶結構，實現永久穩定。污染物被玻璃化固化后，其中有機污染物將被熱解摧毀或轉化為氣體逸出，而其中的重金屬和放射性物質則被緊密地束縛于己熔化的玻璃體內。熔融固化技術是目前國內外較先進的重金屬固體無公害處理技術。

3 ?結語

尚需進一步研究經過固化/穩定技術處理后，重金屬污染土強度和微觀特性的影響因素，完善土-重金屬-固化劑三者之間的相互作用機理。歸納總結重金屬的固穩機制有以下3種：

（1）化學固定機制。即通過固化劑的水化反應產物與污染物進行相互作用。

（2）物理吸附機制。利用各類水合物的表面實現對污染物的物理吸附。

（3）物理包裹機制。采用原位或非原位技術手段對污染物進行物理包裹。

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