重金屬有機物復合污染土壤固化穩定化技術研究進展

夏威夷，丁 亮，王 棟，朱 遲，曲常勝，王 水，蔡光華, 郭 乾

(1.江蘇省環境工程技術有限公司，江蘇省環保集團有限公司，江蘇 南京 210019；2.南京工程學院，江蘇 南京 211167；3.江蘇省環境科學研究院，江蘇省環境工程重點實驗室，江蘇 南京 210036；4. 南京林業大學，江蘇 南京210037)

1 引言

2014年環境保護部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》指出我國土壤污染總點位超標率16.1%，中重度比例高達2.6%，涉及鎘(Cr)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、多環芳烴(PAHs)、總石油烴(TPH)等多種污染物。同時由于工業發展快、多類型工廠同地更迭，因此我國場地污染物多呈現復合性特征[1]。現階段研究主要聚焦于多重重金屬或多重有機物污染，對廣布的重金屬-有機物復合污染關注較少。由于污染物性質差異大、污染物-土體復雜交互作用，其修復難度更高[1]。據報道，上海市2015年存有的1萬多個工業場地中，70%以上受有機物與重金屬復合污染，且1/3以上將再次開發利用[2]。經統計，國內近10年57項修復項目中重金屬-有機物復合污染占到總項目數的26.3%，重金屬以Pb、Hg、Zn、As和Cd為主，有機物則以TPH、甲苯和PAHs為主，均能通過飲水、粉塵等多種途徑侵入人體，嚴重危害公眾健康[3]。可見當前我國工業場地土壤污染形式嚴峻，重金屬和有機物復合污染問題突出。

筆者針對上述問題，對國內外有關重金屬-有機物復合污染土壤的固化穩定化修復技術研究現狀進行了深入分析和討論。

2 國內外研究現狀分析

2.1 復合污染土固化穩定化及控制機理

研究主要集中于污染物微觀固定方式和固化土浸出/強度特性評價方面，固化劑以普通硅酸鹽水泥摻加膨潤土/活性炭/粉煤灰等吸附性材料為主。美國超級基金有4/5的固化穩定化項目采用水泥作為固化劑，其次為專利類和磷基固化劑，歐洲1990～2013年間的重金屬和有機物復合污染場地水泥基固化劑使用比例更高達83%[12]。Bates等[13]發現水泥+粉煤灰+活性炭能處理As和苯并芘等復合污染土，但其固定效果較專利固化劑差。Sora等[14]基于熱重分析TGA、X射線衍射和掃描電鏡SEM測試，證實有機污染物能影響水泥水化產物種類和數量，使固化體呈現更多內部孔隙。Yilmaz等[15]發現孔隙封閉作用而非化學固化是水泥固定土中多氯聯苯和有機鹵素的主要機理，證實有機污染物種類對固化效果有明顯影響。Ghasemi等[16]以硅酸鹽水泥+膨潤土修復TPH和Pb復合污染泥漿，發現當水泥摻量為30%時TPH和Pb浸出毒性最低。Wang等[17]發現粉煤灰能改善水泥固化土有機污染物浸出毒性，但對重金屬固定不利，有機物和重金屬固定機制差異明顯。Kogbara等[18]基于硅酸鹽水泥+粉煤灰固化TPH和重金屬復合污染土的研究表明，高水泥摻量帶來的高酸緩沖能力ANC是其浸出毒性的主要控制機理，提高水泥摻量能增強重金屬的固定，但對TPH無明顯影響。

國內薛強[20,21]、查甫生[22,23]、王哲[24]、董曉強[25]、夏威夷[26,27]等也對水泥基、磷基等固化劑固化重金屬污染土的浸出和力學特性進行深入研究，證實固化劑配比、摻量、污染濃度和養護齡期等是影響修復的主要因素，并結合XRD、SEM-EDS、壓汞MIP等手段系統分析了固化污染土的主要產物和微觀形貌，發現難溶性沉淀生成、重金屬形態轉化、酸緩沖能力提升共同導致浸出毒性降低，而主要水化產物的膠結、填充是改善土體強度主要機制。對含有機物污染土的研究則集中于水泥+生物炭/活性炭/凹凸棒土等處理土中TPH、苯胺等[28～30]。吳玉婷[31]結合XRD和SEM研究表明苯胺對水泥固化土產物數量影響顯著，孔隙封閉作用對苯胺的固定起絕對作用，添加過硫酸鉀能有效降解苯胺、減少內部裂隙并密實土體結構。Fujun Ma等[32]發現水泥+活性炭+磺化油能顯著減小土孔隙率、提高密實度，降低PAHs浸出毒性，同時大量CSH生成可提高2.2～3.4倍強度。Yan Ma等[33]針對苯胺和Cd復合污染土，對比研究了無機膠凝材料生石灰、硅酸鹽水泥、高爐礦渣和粉煤灰分別混合過硫酸鈉制備固化劑的修復效果，XRD和SEM測試發現添加過硫酸鈉能夠阻止無定型CSH的生成，減小土體裂隙，通過物理封閉作用提高苯胺去除率和Cd固定率。

2.2 化學侵蝕環境下固化土性能及控制機理

2.3 固化污染土溶質運移特性與規律

3 分析與討論

綜上所述，目前國內外針對重金屬和有機物復合污染土固化劑、固化控制機理和復雜環境下穩定性相關研究，尚存以下關鍵問題有待于深入探討。

(1)重金屬和有機物復合污染土適用性固化劑及其修復控制機理研究欠缺：現有研究(文獻[12]～[18],[28]～[33])對重金屬和有機物污染土的處理仍主要采用水泥基材料作為固化劑，其有機污染物處理效果有限，再遷移風險高；此外關于水泥基固化劑處理土中重金屬或有機物污染土微觀機理研究較為集中(文獻[14]、[15],[20]～[32])，而對于重金屬和有機物共存條件下污染土固化修復的宏觀性能和微觀結構特征研究不足。

4 結論與建議

我國尤其是沿海地區工業場地土體重金屬和有機物復合污染問題形式嚴峻，現有固化穩定化技術無法一次性有效處置，同時修復后土體面臨含鹽地下水侵蝕威脅。然而現階段尚缺乏對固化劑同步處置土中重金屬、有機物，并有效抵抗外部侵蝕離子的相關宏觀性能和微觀機理系統研究。因此，開發新型固化劑以解決化學侵蝕下復合污染的修復效果穩定性問題迫在眉睫，相關固化土性能、作用機制的研究將為我國重金屬和有機物復合污染場地采用固化穩定化技術進行修復提供相應的理論和科學技術支撐，進一步豐富污染土固化穩定化技術理論，進而提升我國污染場地綠色治理和安全利用。