重金屬污染土壤修復裝備和藥劑應用研究

李彥偉，王偉臣，姜 珊，林偉振，唐建穩，付融冰

（1.杰瑞環?？萍加邢薰荆綎|煙臺 264000；2.同濟大學環境科學與工程學院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

0 引言

重金屬污染種類多、范圍廣、污染程度不一，導致重金屬污染土壤的修復存在諸多不確定性因素。目前中國重金屬污染種類較多，包含鉛、鋅、汞、鎘、鈷、釩、銻、錳、砷等。這些重金屬對于人體都有一定的影響和危害。砷是砒霜的組分之一，有劇毒，會致人迅速死亡，長期少量接觸會導致慢性中毒。鉛一旦進入人體將很難排出，能直接傷害人的腦細胞，特別是胎兒的神經系統，可造成先天智力低下。鋅入量過多可引起急性鋅中毒，有嘔吐、腹瀉等胃腸道癥狀；動物實驗可致肝、腎功能及免疫力受損。

鉛、鋅等重金屬在環境中易發生水解反應生成氫氧化物，也可與一些無機酸反應生成硫化物、碳酸鹽、磷酸鹽等沉淀物，從而積累于土壤中。重金屬可作為中心離子與陰離子或簡單分子形成配位絡合物，也可以與有機物形成螯合物[1]。鉛、鋅重金屬污染土壤的分布廣、修復難度大，有效藥劑的研制和高效裝備的開發將快速推動重金屬污染土壤的修復和再利用。

1 現狀分析

由于鉛、鋅在開采、運輸過程中會存在泄漏等情況，會影響沿途的公路和城鎮，造成環境污染。尤其是在金屬冶煉和儲存的過程中，廠區和施工現場的污染程度較開采和運輸更為嚴重。很多地區都在推動鉛、鋅重金屬污染土壤地修復，但是限于修復技術、設備和藥劑差異的影響，目前鉛、鋅重金屬污染土壤修復藥劑質量參差不齊，修復效果差強人意。了解、掌握不同地域、不同場地的重金屬污染特性，有針對性地使用高效修復藥劑并匹配適用的修復設備是解決問題的關鍵。重金屬污染土壤的修復要形成行之有效的根治措施，否則重金屬污染土壤將不斷積累，影響環境安全和人體健康。

2 試驗準備

重金屬污染土壤修復的重要性和緊迫性不言而喻，做好鉛、鋅重金屬污染土壤地修復，重點在于精準的場調、合適修復設備的選擇和針對性修復藥劑的開發。對于存量和增量的重金屬污染土壤地修復，需要注重基礎研究，形成科學的研究思路和執行路線，才能逐步實現存量重金屬污染土壤的高效修復，同時實現邊產生邊修復，避免再次形成存量、污染土壤，從而根治土壤重金屬污染。

為了更好地確認藥劑和修復設備對鉛、鋅重金屬污染土壤的效果，修復場地的典型性尤為重要。本文選擇的修復地址是湖南省株洲市某區PPP 項目場地，是典型的鉛、鋅重金屬污染場地（圖1）。為了保證場地的修復效果，聯合國家重點研發計劃項目課題（項目名稱：鉛鋅冶煉場地土壤多重金屬長效穩定修復材料、技術與裝備，課題名稱：土壤混合動力學及破碎混勻一體化智能裝備，課題編號：2019YFC1805204）的研發團隊開展此項工作。根據現場的勘察、取樣、研究分析，有針對性地研發匹配藥劑，并配置10 種藥劑進行驗證和優選。

本次修復研究的目的是考察設備的智能性和穩定性，從多種可選設備中遴選出智能修復履帶式土壤穩定化修復設備（圖2）。該設備可根據試驗需要實現連續或者間歇式進料，進料量從1～150 m3/h 不等，可根據設定的藥劑量進行精準添加，既可以一次性添加多種固體藥劑，也可以同時添加固體和液體藥劑，實現鉛、鋅重金屬污染土的高質量、智能修復。

圖2 智能修復履帶式土壤穩定化修復設備

3 高效藥劑地研制

重金屬鉛、鋅由于其金屬屬性，在環境中易發生水解反應生成氫氧化物，也可與環境中無機酸反應生成硫化物、磷酸鹽等沉淀物，富集于土壤中形成污染環境中。鉛、鋅可以作為中心離子與陰離子或簡單分子形成配位絡合物，也可以與有機物形成螯合物。重金屬污染嚴重程度不僅在于重金屬總量，也在于其存在形式，而且其彼此的狀態可以發生轉化。由于上述的鉛、鋅的特性，導致鉛、鋅重金屬污染土壤的修復復雜程度高，難度大，因此藥劑的研制要采用多維度、多方向、多材料、基于反應機理地分析和驗證等方法。

針對需要修復鉛、鋅復合污染重金屬土壤，開發了WD1-1、WD1-2、WD1-3、WD2-1、WD2-2、WD2-3、WD3-1、WD3-2、WD3-3 共9 種樣品藥劑，部分藥劑側重于修復鉛重金屬污染土壤，部分藥劑側重于修復鋅重金屬污染土壤，大部分藥劑側重于修復鉛、鋅兩種重金屬污染土壤。理論上，藥性可以滿足該靶向重金屬土壤地修復。對于復合重金屬污染土壤的修復需要反復試驗，在實踐過程中不斷優化、完善藥劑的組分和比例。上述藥劑有液態形式也有固態形式，各添加比例也各不相同（圖3～圖4）。

圖3 研發配置的擬定試驗的液體藥劑

圖4 研發配置的擬定試驗的固體藥劑

4 智能、高效的設備研發

為了充分驗證藥劑的有效性和可行性，研發智能、高效的土壤修復設備至關重要。對重金屬污染土壤的精準計量為后端藥劑的添加提供依據，因此土壤添加量的準確計量要進行對比校驗和驗證。添加藥劑的種類是前期分析和試驗的產物，而藥劑的精準添加量為驗證藥性，后端積累有效數據提供支撐。由于鉛、鋅本身的金屬特性和污染的復雜性，研發的藥劑需要采用多種固體藥劑同時添加的方式，存在固體和液體藥劑成比例添加的情況，因此藥劑添加系統的準確性是保證試驗結果準確性、正確性的關鍵。

由于重金屬污染范圍大，污染程度隨著地域和深度的不同，污染程度的差別也非常大。因此，需要對污染土壤進行實時檢測，并根據污染物的種類、程度和土方量，實時調整添加藥劑的種類和添加量，才能實現污染土壤的充分修復，并有效防止藥劑浪費。對于處理后的污染土壤，常規的方法是在養護后進行定期取樣、分析，對不合格的污染土壤進行再次修復。這不僅浪費了藥劑，修復周期也大大延長，因此實現處理后污染土壤的實時檢測和閉環管理，可以提升修復效果和藥劑利用率，避免對環境的二次污染。

智能履帶式土壤穩定化修復成套設備如圖5 所示，其主要結構包括：進料料斗、進料皮帶秤、振動篩、除鐵器、皮帶輸送機、重金屬污染土壤快速檢測裝置XRF、進料給料裝置、藥劑添加和反饋裝置、破碎混拌和反饋裝置；出料檢測和再次修復裝置、出料分選裝置、動力系統、液壓系統、操縱平臺（大數據收集并調用反饋云系統）、操控系統、底盤行走系統、電氣系統；機架系統、出料分選裝置。

圖5 智能履帶式土壤穩定化修復成套設備結構

其中，進料皮帶稱可以精準計量即將進入設備的污染土量，重金屬污染土壤快速檢測裝置XRF 可以延時20 s 分析出重金屬污染的種類和濃度，并將數據及時反饋給藥劑添加和控制裝置，實現有針對性的藥劑定量、精準添加；破碎混拌和反饋裝置實現土壤中大顆粒的破碎并實現藥劑和土壤地充分混合，可實現98%的混和均勻度，大幅提升了藥劑利用率，避免藥劑浪費和對環境的二次污染；出料后通過出料檢測和再次修復裝置，對修復土壤進行再次驗證和確認，合格產品直接排放；對于檢測不合格產品通過出料分選裝置輸送至進料口再次修復，直至修復合格為止。

5 現場試驗和驗證

湖南省株洲市某PPP 項目土壤的主要污染成分是金屬鉛、鋅，由于污染土壤面積大、污染深度不一，因此需要對污染廠區進行分區分塊開挖，而污染土壤中含有石塊、木頭、塑料等雜質，需要使用破碎篩分鏟斗對污染土進行預處理去除大顆粒雜質，使粒徑小于直徑為200 mm（圖6）。對經過破碎、篩分后的污染土壤要進行分塊放置，處理掉的大顆粒雜質經過水洗后進行掩埋處置。經過處理后，滿足進料粒徑的污染土壤根據污染區域分為A、B、C 三種待修復的污染土，再根據污染深度分為L、H、W三類，將它們進行組合，分為AL、AH、AW、BL、BH、BW、CL、CH、CW共9 種樣品，根據研發制配的藥劑進行定量添加修復，研制匹配的藥劑有WD1、WD2、WD3 三大類，而每種藥劑根據配置成本和比例不一致又分為WD1-1、WD1-2、WD1-3。根據污染物的種類和程度進行分別試驗，并記錄試驗數據，驗證藥劑的有效性，進而選擇合適的藥劑類型實現鉛、鋅重金屬污染土壤的高質、高效修復。

圖6 預處理：破碎篩分

6 成果分析

根據現場試驗和驗證，污染區域分為A、B、C3 個，污染深度分為L、H、W，排列組合為：AL、AH、AW、BL、BH、BW、CL、CH、CW。研發制配的藥劑為WD1、WD2、WD3 三大類，而每種藥劑根據配置成本和比例不一致又分為WD1-1、WD1-2、WD1-3，合計9 種土樣和9 種藥劑。先后對上述土樣添加不同藥劑進行試驗并記錄數據（圖7）。在驗證過程中，采用智能履帶式土壤穩定化修復設備對81 種試樣進行處置，并做標記定期養護，最終測試修復數據，從而確認修復質量和效果。

圖7 智能化修復設備作用下多種修復藥劑的修復效果

試驗按照DB43/T 1165—2016《重金屬污染場地土壤修復標準》的規范和要求進行。重金屬污染場地土壤修復浸出濃度標準值，其中鉛按照GB/T 17140—1997《土壤質量 鉛、鎘的測定KI-MIBK 萃取火焰原子吸收分光光度法》采用KI-MIBK 萃取火焰原子吸收分光光度法；鋅按照GB/T 7475—1987《水質銅、鋅、鉛、鎘的測定原子吸收分光光度法》火焰原子吸收分光光度法。居住用地中重金屬含量的規定要求為，總鉛量不高于280 mg/kg，總鋅量不高于500 mg/kg[2]。因為此次試驗數據量較大，本文僅通過表1、表2 展示部分數據。

表1 智能化修復設備作用下多種修復藥劑的金屬鉛修復效果 mg/kg

表2 智能化修復設備作用下多種修復藥劑的金屬鋅修復效果 mg/kg

從表中的數據來看，WD1 系列藥劑對于重金屬鉛、鋅表層、中層和深層的污染土壤都有良好的修復效果，可滿足修復要求；WD2 系列藥劑對重金屬鉛、鋅表層、中層修復效果良好，滿足處理要求，對于底層重金屬鉛、鋅修復效果不佳，無法滿足修復要求；WD3 系列對重金屬鉛表層和底層重金屬鋅的修復效果良好，滿足修復要求，對于中層和底層重金屬鉛修復和表層和底層鋅的效果不佳，無法滿足修復要求。上述藥劑對于鉛、鋅重金屬污染的修復效果差異較大，需要重點識別和管理。

7 結論

重金屬鉛、鋅污染土壤范圍廣、影響大，實現該重金屬污染土壤的高質、高效修復非常必要，能夠有效推動受重金屬鉛、鋅污染的工業用地轉化為潔凈的民用用地。

由于鉛、鋅的金屬屬性活潑，容易形成富集于土壤中硫化物、磷酸鹽等沉淀物，也易與有機物形成螯合物，這對重金屬鉛、鋅高效處置提出更高要求。經過上述試驗，通過分層分區的處置對比，藥劑的修復效果差別較大，從結果來看有3 個影響因素：①藥劑本身的成分和配比；②藥劑的組合和添加的比例；③設備智能性。這些因素影響著修復地有效性和經濟性。

本次大規模試驗證明了方向的正確性，并獲得可靠的數據，確定了兩種可行的藥劑和添加比例，研發團隊會在此基礎上進一步深化、研究，提升藥劑的靶向有限性和工程施工的經濟性。針對全國的重金屬鉛、鋅污染土壤，要繼續研究和試驗、積累經驗和數據，為后期實現全中國重金屬鉛、鋅污染土壤修復提供數據支撐，實現重金屬鉛、鋅污染土壤地高質、高效的修復提供保證。

本文研究了土壤修復藥劑的研制方法和修復設備的開發理論，并探索出適合該場地的修復思路和方式，為后期重金屬污染土壤修復的推廣提供依據和參考。重金屬污染土壤地修復是長期的任務和工作，在現有基礎上不斷地創新和突破，以實現綠水青山的愿景。