重金属污染底泥稳定化/固化技术应用

张海秀，郭 贝，王风玉，王廷涛，林云青，陈 凤，韩清洁

（青岛新天地环境保护有限责任公司，山东 青岛 266100）

重金属污染底泥稳定化/固化技术应用

张海秀，郭 贝，王风玉，王廷涛，林云青，陈 凤，韩清洁

（青岛新天地环境保护有限责任公司，山东 青岛 266100）

稳定化/固化修复技术具有修复周期短、见效快、易操作、费用低等优点，是重金属污染修复的常用技术之一。以含锰、镍、钴复合重金属污染底泥为研究对象，配制、筛选出有效的稳定化/固化药剂，优化该工程污染底泥的施工技术参数及条件。在研究的基础上，使污染底泥达到修复目标值，降低其生物有效性。工程的实施为含锰、镍、钴等复合重金属污染介质的修复工程提供了技术参考。

河道底泥；重金属污染；稳定化/固化药剂

1　引言

重金属污染指由重金属（比重大于5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、钒、铌、钽、钛、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等）或其化合物造成的环境污染，主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。因人类活动导致环境中的重金属含量增加，超出正常范围，并导致环境质量恶化［1］，是当今最受关注的环境问题之一。重金属污染与其他有机化合物的污染不同，很难通过自然界本身物理的、化学的或生物的净化，使有害性降低或解除。因此，重金属污染治理技术的研究，成为关注及研究热点。

基于重金属修复原理，主要修复技术有稳定化/固化修复技术、淋洗修复技术、电动修复技术、热解析修复技术、氧化还原修复技术、植物修复技术等［2］，其中稳定化/固化修复技术被美国环保署称为处理有毒有害废物的最佳技术［3］，具有处理费用低、修复周期短、可同时修复多种复合重金属污染，易操作等优点［4］，在实际工程中应用较多［5，6］。稳定化/固化修复技术已成为我国现阶段处理重金属污染的主要治理技术。

稳定化/固化修复技术是指向污染土壤中加入药剂，通过对重金属吸附、氧化还原、拮抗或沉淀作用，将重金属捕获或固定在固体结构中，从而达到降低重金属的生物有效性。该技术的关键在于选择经济有效的针对某一类或复合重金属的药剂。本研究以镍、锰、钴污染的底泥为研究对象，筛选适于含锰、镍、钴重金属污染底泥的稳定化/固化药剂，并应用于实际工程中。

2　项目概括

湖南某锂电池生产厂家发生爆炸起火事故，锂电池生产原料（酸性原料及含锰、镍、钴等重金属原料）伴随消防水外泄至本区农田水利灌溉干渠内；通过对干渠分段堵截，将污水堵截在可控范围内，未对下游水质造成影响。沟渠内的污水通过污水处理厂处理已达标排放。由于底泥具有较大的比表面积和大量的活性官能团，富集了大量重金属，在特定的环境下，底泥吸附、固化的重金属可能会重新释放。为避免遗留污染，成为沟渠水资源的污染源，对沟渠底泥进行了彻底清淤，放置底泥的位置铺设了防渗层，并做好导排沟（用于底泥渗水导排至污水处理厂）。清淤的底泥共计约8000m3，待处理。

表1检测数据为清淤前检测的底泥中重金属含量。从表1可看出，底泥已吸附集聚了锰、镍、钴（无含量标准，但其浸出浓度超过《铜、钴、镍工业污染源排放标准》（GB25467-2010）的标准限值1.0mg/L）等重金属，其中镍的含量超过了《土壤环境质量标准》（GB15618-1995）第三级标准200mg/kg。

表1　底泥中重金属含量（除pH外，单位都为mg/kg）

表2为待处置底泥中重金属的浸出浓度。浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007）。从表2的检测结果可以看出，16个底泥样品中，只有两个样品的重金属浸出浓度未超过标准限值，其余样品的重金属浸出浓度都超过了标准限值。

2.2修复目标值

基于处理后底泥的去处以及各污染物的标准限值，结合本项目的实际情况，该污染底泥的修复目标值见表3。

表3　底泥修复目标

表2　待处置底泥中重金属的浸出浓度

3　最佳施工条件

稳定化/固化修复技术实际上为固定化和稳定化两种技术［4，7］，其中，固化技术是将污染物封入特定的晶格材料中，或在其表面覆盖渗透性低的惰性材料，以限制其迁移活动；稳定化技术是将污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式，以降低其环境风险和健康风险［8］。为了达到更好的处理效果，实际工程中，常把两种技术联合使用，固化前，一般先将污染物进行稳定化处置。最常用的稳定化/固化材料为水泥、石灰、沸石、碳酸钙、磷酸盐、硅酸盐和促进还原作用的有机物质等［9-11］。

本研究的关键是筛选出合适的药剂，并确定稳定化/固化实施的最佳条件。基于复合重金属的特点，筛选的稳定化/固化的药剂材料以钙、镁基化合物、重金属沉淀剂（磷制剂和硫化物）、黏土矿物为基础组分和其他特殊的材料按照一定的比例进行配比组合，筛选出适应于项目的最佳药剂配比。药剂组分的主要功能是在碱性环境条件下，能够使重金属产生水化、凝胶以及共沉淀等，把重金属固定或者包裹在原有污染介质或药剂的晶格中，其迁移性降低，使之不会对周围环境产生危害，从而使被污染介质达到修复目标。

该药剂组分经过多次配比及试验，稳定化/固化处置的最佳条件如下：

（1）药剂的组分：钙、镁基化合物35%～40%、重金属沉淀剂（磷制剂和硫化物）10%～15%、黏土矿物40%～45%、其他特殊的材料2%～5%。

（2）药剂添加量：药剂的添加量是一个工程处置效果和处置成本的决定性因素。本研究在（1）的药剂组分条件下，药剂的添加量为每吨污染底泥的2%，其处理效果优于修复目标值（见表4），已满足工程条件。

表4　稳定化/固化试验前后底泥的浸出浓度

（3）含水率：在稳定化/固化的过程中，水是水化反应的物质基础，但水过量也会阻碍固化的过程［12］。由于本研究以污染底泥为对象，根据检测分析，其含水率在20%～40%，具有较高的含水率，已具备稳定化/固化的要求，无需再添加水分。

（4）混合均匀度：药剂与污染底泥的混合程度是稳定化/固化处置中至关重要的步骤，也影响稳定化/固化过程中药剂的添加量。整个混匀过程是为了保证药剂与被污染介质中的污染物充分接触并反应。在实际工程应用中，处置过程的混匀大多借助于机械设备，且通过主观判断是否混匀，因此，药剂的添加量可能会比小试试验多。

（5）养护条件：药剂与污染底泥混合处理的养护时间是污染物在介质中被固定或捕获的重要阶段。一般养护时间为3～7天。本研究的稳定化/固化后的氧化时间为5天，为保持处置后底泥的含水率，需对养护底泥进行防护苫盖。

4　工程实施

4.1实施工艺路线

对于已暂存的底泥，项目的施工工艺（工艺流程见下图）。

项目实施工艺流程图

（1）前期准备：首先根据施工要求进行场地平整、水通、电通、路通“三通一平”工程，布置施工作业区、养护区、底泥暂存区以及办公生活区等，以及其他的施工辅助设备设施；进行小试试验，筛选出最佳施工条件。

（2）稳定化/固化处置：稳定化/固化处置是项目的主体工程。依据小试试验筛选出来的最佳施工条件，设置稳定化/固化处置参数，进行稳定化/固化处置。底泥经过稳定化/固化后，养护5天时间，进行检测分析，如果检测结果达到修复目标值，则进行填埋处置；如果检测结果达不到修复目标值，则需返工，重复稳定化/固化程序。

（3）竣工验收：验收主要有两部分：一是暂存区域的污染底泥；二是暂存区的表层土壤，该部分的验收主要是检验污染底泥是否通过防渗层污染了暂存区的土壤。验收标准以修复目标值为标准（见表3）。

4.2稳定化/固化处置过程

（1）预处理：采用破碎筛分斗对底泥进行筛分，主要去除底泥中石块、草根等杂物，利用自卸车转移至稳定化处置作业区。

（2）加药搅拌：根据小试试验筛选出的施工条件，添加一定比例（2%～3%）的稳定化/固化药剂，采用专用搅拌设备将污染底泥与药剂充分混匀。

（3）养护：搅拌均匀的底泥，转移至养护区堆存，养护5天时间，在养护期间，为了保持底泥的含水量，需对养护堆体进行苫盖。

（4）检测分析：经过养护后的底泥，按照至少500m3取一个混合样品进行毒性浸出试验，毒性浸出方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法-硫酸硝酸法》（HJ/T 299-2007），底泥中的重金属浸出浓度达到修复目标值（见表3），即为修复合格。

5　结论

（1）以含锰、镍、钴等复合重金属污染底泥为研究对象，筛选出适合于含锰、镍、钴等复合重金属污染的稳定化/固化药剂，并优化了施工技术参数及条件。

（2）工程采用稳定化/固化修复技术处置含锰、镍、钴等复合重金属污染底泥，使之达到无害化。工程实施周期短，操作简单，达到了修复要求。

（3）该工程的实施，可以为含锰、镍、钴等复合重金属污染介质的修复提供技术参考。

［1］ 鲁永刚.重金属污染的危害与防治措施［J］.四川有色金属，2012（2）： 52-54.

［2］ 黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践［J］.农业环境科学学报，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］ 张长波，罗启仕，付融冰，等.污染土壤的固化/稳定化处理技术研究进展［J］.土壤（Soils），2009，41（1）：8-15.

［5］ 周昱，保嶽，徐晓晶.工业场地重金属污染土壤异位稳定化修复工程［J］.工业安全与环保，2015，41（3）：24-16.

［6］ 李淑彩，冯国杰，孔祥斌，等.湖北某重金属污染土壤稳定化/固化治理工程实例［J］.环境工程学报，2016，42（2）：103-107.

［7］ 郝汉周，陈同斌，靳孟贵，等.重金属污染土壤稳定/固化修复技术研究进展［J］.应用生态学报，2011，22（3）：816-824.

［8］ 王洪才.重金属污染土壤淋洗修复技术和固化/稳定化修复技术研究［D］.2014.

［9］ 赵述华，陈志良，张太平，等.重金属污染土壤的固化/稳定化处理技术研究进展［J］.土壤通报，2013，44（6）：1531-1536.

［10］ 甄树聪，杨建明，董晓慧，等.磷酸钾镁胶结材料固化/稳定化重金属污染土壤的研究［J］.安徽农业科学，2011，39（35）：21722-21725.

［11］ 谢华明，曾光明，罗文连，等.水泥、粉煤灰及DTCR固化/稳定化重金属污染底泥［J］.环境工程学报，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

青岛市民生科技项目，编号14-2-3-71-nsh。