重金屬污染土壤水泥窯協同處置工程設計

摘要：近年來，隨著工業污染場地土壤修復工作的全面推進，土壤修復技術迅速發展。作為一種重要的污染土壤處置方法，水泥窯協同處置技術被廣泛應用。常州市某電鍍企業遺留場地面積較大，土壤和地下水受到鉻、鉛、鎳和銅等重金屬的污染。經綜合考慮，重金屬污染土壤采用水泥窯進行協同處置。結合具體案例，分析水泥窯協同處置重金屬污染土壤的工程設計，指出水泥窯協同處置技術存在的問題，然后提出建議，從而推動土壤修復技術創新，促進土壤修復行業綠色發展。

關鍵詞：重金屬；污染土壤；修復；水泥窯協同處置；工程設計

中圖分類號：X328 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0425

Design of cement kiln collaborative disposal project for heavy metal contaminated soil

XU Shihao1， ZHANG Daoli1， MAO Linqiang2， ZHANG Wenyi2

（1. Changzhou Urban Construction Meisu Environmental Protection Co.， Ltd.， Changzhou 213017， China;

2. School of Environmental Science and Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China）

Abstract： In recent years， with the comprehensive promotion of soil remediation work in industrial polluted sites， soil remediation technology has rapidly developed. As an important method for treating polluted soil， cement kiln collaborative disposal technology is widely used. A certain electroplating enterprise in Changzhou city has left a large area of site， and the soil and groundwater are polluted by heavy metals such as chromium， lead， nickel and copper. After comprehensive consideration， the soil contaminated with heavy metals is treated collaboratively by using cement kilns. Based on specific cases， the engineering design of cement kiln collaborative disposal of heavy metal contaminated soil is analyzed， the problems of cement kiln collaborative disposal technology are pointed out， and then the suggestions are proposed to promote innovation in soil remediation technology and promote the green development of the soil remediation industry.

Keywords： heavy metals; contaminated soil; remediation; collaborative disposal of cement kilns; project design

隨著城市化的快速發展，大量工業企業將原用地騰退后搬遷，企業遺留的大量污染地塊需要修復。水泥窯協同處置技術作為固體廢物無害化處置的重要方法，得到廣泛認可和應用[1-2]，被《控制危險廢物越境轉移及其處置巴塞爾公約》認為是處置固體廢物的最佳可行技術路線[3]。作為一種污染土壤的資源化處置技術，該技術受到人們越來越多的關注[4-5]。2007年，北京金隅紅樹林環保技術有限責任公司通過水泥窯協同處置宋家莊地鐵站污染土壤，標志著中國水泥窯協同處置污染土壤的開端[6]。截至2021年底，江蘇省、浙江省等地已有超過50%的土壤修復項目采用水泥窯協同處置技術[7]。下面以常州市某電鍍企業遺留場地污染土壤修復項目為例，開展水泥窯協同處置污染土壤的工程設計，分析水泥窯協同處置技術存在的問題，并提出相應建議，從而更好地利用水泥窯協同處置重金屬污染土壤。

1 項目概況

該電鍍企業將原用地騰退后遷移，遺留地塊占地面積為7 240 m2。該電鍍企業自20世紀70年代末建成投產，生產歷史超過40年，主要從事鋅、鉻、鉛、鎳和銅的電鍍加工。經土壤和地下水調查與健康風險評估，該地塊內土壤和地下水主要受到鉻、鉛、鎳和銅等重金屬的污染。土壤中，鎳的最高含量為1 960 mg/kg，鉛的最高含量為2 520 mg/kg。地塊內，污染土壤面積約為2 870 m2，污染深度在地表以下5.5 m，污染土方量約為9 130 m3，地下水不需要修復。地塊修復后擬用作住宅用地。各修復區的修復面積、最大修復深度和預計土方量如表1所示，主要污染因子的含量范圍和修復目標值如表2所示。

2 水泥窯協同處置重金屬污染土壤的工程設計

2.1 確定修復技術

修復技術的選擇受制于項目污染特點、施工期、開發規劃以及管理部門意見等因素。電鍍企業污染因子比較單一，主要為重金屬，但地塊及周邊規劃有1條即將開工建設的城市軌道交通和1所已建成投用的九年一貫制寄宿式學校，因此要求在短時間內徹底消除土壤污染物，確保修復后地塊內無污染殘留，后期開發無風險隱患。綜合考慮各種因素，確定采用水泥窯協同處置技術。水泥窯協同處置技術憑借處置對象廣泛、節能環保、處置快速徹底[8]和資源化利用程度高[9-10]等鮮明優勢，受到業界廣泛認可。

2.2 施工現場平面布置

本項目施工平面充分考慮施工作業與辦公休息區的功能定位，實行施工區與辦公管理區分離。其中，污染土開挖施工區包括修復1區、修復2區和修復3區，預處理區包括土壤預處理裝置區（密閉大棚）和廢水預處理區，辦公倉儲區包括辦公區、倉儲區、門衛處和停車場，此外，在開挖施工區和預處理區之間設置施工便道，門衛處設有計量地磅。施工現場平面布置如圖1所示。

2.3 施工組織

施工組織方案是指導工程實施的重要工作方案。編制施工組織方案時，要充分考慮修復項目的污染特征、工程規模、施工期、地理位置、周邊環境和交通狀況等因素，并根據人員、設備和材料等資源稟賦合理設計施工順序。本工程根據施工進度計劃和施工任務部署設計施工平面圖，制定詳細的質量保證措施、安全施工方案和應急預案，編制人力資源、物資和機械設備需求計劃。此外，根據工程特點和實際需要，制定雨季施工、夜間施工和特殊工種作業等專項施工方案。

2.4 施工準備

施工準備階段，主要工作內容包括設計文件審查交底、控制網點和坐標測繪、三通一平、臨時設施的修建，人員、機械設備和材料的入場和檢查。本項目臨時設施主要包括施工便道、辦公用房、倉庫、密閉大棚和圍擋。污染土壤開挖前已對修復區域的范圍和高程進行測繪，同時查明、清理地面與地下的構筑物和管線，設計開挖順序，統籌安排人員、機械和材料。施工前還應做好基坑支護、邊坡防護、基坑降水和溝槽清理。土壤修復施工流程如圖2所示。

2.5 清挖、預處理和外運

污染土壤按照施工組織設計的分層、分區順序開挖，邊挖邊運，防止錯挖或超挖，嚴禁污染土壤和非污染土壤交叉混合。開挖的污染土壤短駁至密閉大棚預處理，密閉大棚配有廢氣處理系統，預處理過程產生的廢氣和揚塵經廢氣處理系統處理后達標排放。污染土壤在密閉大棚內進行預處理，篩分去除建筑垃圾，控制土壤粒徑，調節含水率，確保土壤粒徑和含水率滿足水泥窯接收標準要求。在污染基坑開挖過程中，隨著開挖深度增加，基坑內會出現滲水。基坑滲水含有銅、鎘、鉛和鎳等多種重金屬，須抽排至廢水處理設施進行預處理，合格后接入園區工業污水處理廠。污染土壤預處理合格后過磅計量，由密閉車輛外運至水泥廠。污染土壤外運應做好防滲、封閉措施，確保運輸過程不會泄漏、遺撒，運輸路線盡量避開居民區、醫院、學校、飲用水源地等人口集中區和生態敏感區[11]，轉運前應編制轉運手續和環境應急預案，運輸過程還應加強運輸沿線的巡視、檢查。

2.6 水泥窯協同處置

本修復工程污染土壤依托水泥廠進行水泥窯協同處置，運送前，污染土壤轉運工作方案已報送水泥窯屬地生態環境部門，轉運過程嚴格執行聯單制度。污染土壤在水泥廠入庫暫存，經進一步破碎和調節含水量，按一定比例混合制成生料，不同污染物含量的土壤投加量不同，須經化驗分析確定最佳投加比例。依據《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》（GB/T 30760—2024），入窯生料重金屬含量采用式（1）計算。水泥窯生產工藝流程如圖3所示。

（1）

式中：Ri為水泥窯協同處置污染土壤后投料期間生料中第i類重金屬含量，mg/kg；wij為第j類污染土壤（灼燒基）的第i種重金屬含量，mg/kg；αj為第j類污染土壤（灼燒基）折算到生料中的配料比例，%；Mi為煤灰中第j種重金屬含量，mg/kg；β為煤灰折算到生料中的配料比例，%；Rri為不投加固體廢物期間生料中第i類重金屬含量，mg/kg。

根據《水泥窯協同處置固體廢物污染控制標準》（GB 30485—2013），水泥生產所需的常規原燃料和污染土壤帶入窯內的重金屬在窯內部分隨煙氣排入大氣，部分進入熟料，部分在窯內不斷循環。根據重金屬的揮發特性，可將其分為不揮發、半揮發、易揮發和高揮發等4類。Cr、Ni和Cu作為不揮發重金屬，99.9%以上被結合到熟料。Pb作為半揮發重金屬，首先形成硫酸鹽和氯化物，在700～900 ℃的溫度范圍內冷凝后，在窯內和預熱器系統形成內循環，最終幾乎全部進入熟料，隨煙氣帶出窯系統外的量很少。

2.7 自行檢測與效果評估

參照《污染地塊風險管控與土壤修復效果評估技術導則（試行）》（HJ 25.5—2018），開展修復基坑側壁和底部自行檢測。基坑清挖工作完成后，分別在基坑側壁的不同深度位置采樣檢測，在基坑底部劃網格布點采樣檢測，采樣以清挖斷面表層樣品為主，達到修復目標值后，申請效果評估并完成清潔土回填。

3 水泥窯協同處置技術存在的問題

與其他污染土壤修復技術相比，水泥窯協同處置技術以其獨特的優勢在土壤修復領域得到廣泛應用，但其局限性也不可忽視。水泥窯協同處置受制于區域內水泥窯處置企業的數量，水泥窯企業區域分布不均，影響水泥窯協同處置技術的推廣。修復場地與水泥窯處置企業一般相距較遠，污染土壤轉運至水泥廠是一個遠距離污染轉移的過程，涉及場內短駁、城際運輸甚至河道船運等環節，運輸過程增加環境風險和安全風險[11]。

水泥窯短時間內暫存大量污染土壤，增加水泥廠環境污染防治壓力，如果管理不當或設施存在缺陷，易發生泄漏或溢出，進而對周邊土壤、地下水和大氣環境造成污染。水泥窯協同處置污染土壤是按照一定比例摻燒，土壤重金屬含量高低直接影響協同處置的投加量，進而影響水泥窯處置污染土壤的快慢，最終影響效果評估和地塊交付時間。水泥窯協同處置重金屬污染土壤，重金屬污染物總量并沒有減少，其含量降低只是與其他原料、熟料混合后稀釋的結果[12]，重金屬的累積對產品質量和環境存在潛在風險。目前，國內水泥行業產能過剩，受能源、環保、安全和碳排放政策等諸多外部因素影響，水泥窯協同處置的成本難以削減。

4 結論

目前，我國污染場地土壤修復行業面臨污染復雜、任務繁重和時間緊迫等問題，水泥窯協同處置技術可以在短時間內快速、徹底地去除污染物，對加快推進地塊后期開發十分有利。碳達峰碳中和背景下，水泥窯協同處置對于實現污染土壤的資源化利用，化解水泥窯產能過剩，促進經濟發展，實現綠色轉型，推動修復技術創新升級和可持續發展具有十分重要的意義。但是，水泥窯協同處置也有一些局限性。因此，必須嚴格落實環保管理制度和措施，建設數字化智能監控系統，完善污染土壤轉運、處置的全流程監管制度，加強產品中重金屬累積和浸出的環境影響研究，從而消除環境風險，實現污染土壤的資源化利用。

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基金項目：江蘇省科技支撐計劃項目（BE2020761）；常州市科技計劃項目（CE20235017）。

作者簡介：許石豪（1980—），男，河南開封人，碩士，高級工程師。研究方向：污染場地土壤和地下水調查評估與修復技術。