重金属污染土壤原位稳定化药剂投加方式综述

2019-05-15苟东晓谷广锋苏宪章曹兴涛王新新谢江浩杨庭

中国环保产业 2019年4期

苟东晓，谷广锋，苏宪章，曹兴涛，王新新，谢江浩，杨庭

（1.中海油安全技术服务有限公司，天津 300457；2.中海油能源发展股份有限公司北京安全环保工程技术研究院，天津 300457）

引言

近年来，随着我国工业规模的迅速发展、城市化进程不断加快，大量重金属污染物质进入土壤和地下水，土壤重金属污染加剧，导致农作物的产量和品质严重下降，且经过食物链进入人体，危害人体健康[1]。2014年4月，原环境保护部和原国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，从污染物超标情况看，镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、铬（Cr）、锌（Zn）、镍（Ni）8种无机污染物点位超标率总和为21.7%[2]。重金属污染具有隐蔽性、长期性、富集性和不可逆性[3]，因而重金属污染土壤治理成为了国内外的研究热点。

目前重金属污染土壤修复技术主要有：物理修复（客土法、热解析法、电动修复法及玻璃化技术）、生物修复（植物修复、微生物修复和动物修复）、化学修复（固化/稳定化、电化学、化学淋洗）等[4]。与其他修复技术相比，固化/稳定技术因工艺简单、成本较低、施工便利等优点[5～7]，在土壤修复工程中得以广泛应用。据美国超级基金污染修复报告统计[8]，1982～2014年，美国超级基金的污染修复工程中约18%使用了固化/稳定化技术。根据江苏省（宜兴）环保产业技术研究院及土壤环境修复产业联盟对我国公开招投标项目的统计调查发现，在我国2008～2016年的177个土壤修复项目中，固化/稳定化修复技术占比23%。由于稳定化修复后的土壤具有增容率低、可再次利用等优势[9]，稳定化技术逐渐成为土壤重金属污染修复技术领域的主力。

1 重金属稳定化技术

重金属稳定化是指将稳定化药剂通过一定方式，使其与污染土壤混合，充分反应，从而改变污染土壤中重金属的有效形态，使其转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形态，达到重金属修复目的[10]。在重金属稳定化过程中，涉及酸碱控制、氧化还原、沉淀、络合、吸附及离子交换等[10]。常用的稳定化药剂有碱性药剂、硅酸盐药剂、磷酸盐药剂、铁盐药剂、硫化物和有机高分子药剂等[11]。

污染土壤筛分破碎以及与药剂的混合方式是稳定化技术在应用过程中的关键技术点，并直接影响最终的稳定化效果和经济效益[9]。因此，在实际工程应用中出现了不同类型的药剂投加设备。异位稳定化设备有筛分破碎铲斗和土壤破碎混合一体机[12]等；原位稳定化设备有螺旋钻进注射和高压旋喷。与异位稳定化技术相比，原位稳定化技术具有成本低，对周边环境影响小等特点[17]，成为土壤复研究的热点。本文主要根据重金属污染土壤污染特性，结合目前常用的重金属原位稳定化技术，介绍了四种稳定化药剂的投加方式。

2 稳定剂投加方式

2.1 直接喷洒

翻抛机和挖掘机混合搅拌常用直接喷洒方式进行污染土壤与药剂混合[13]。

翻抛机[14]由拖拉机提供动力，铣刨轮安装在横向转轴上。翻抛机稳定化作业如图1所示，作业机理示意如图2所示。首先，利用撒料机将稳定化药剂喷洒在污染区域表面，然后翻抛机在其表面进行作业，通过搅拌将稳定化药剂均匀混入修复土壤中，使污染土壤与药剂充分反应，从而修复污染土壤。这种稳定化方法适合于治理在土壤表层0.2～0.3m处的污染物。

图1 翻抛机稳定化作业

图2 翻抛机作业机理示意图

河南省济源某电解电镀企业周边污染农田，As、Cd、Pb等重金属污染物严重超标，以Cd为例，总浓度为31mg/kg（超标124倍），采用直接喷洒的方法将稳定剂喷洒在污染农田表层，然后采用翻耕的原位稳定化修复技术，取得了较好的修复效果。

图3为挖掘机混合搅拌稳定化作业的现场，挖掘机混合搅拌[14]利用挖掘机的铲斗对污染土壤进行挖掘、破碎和搅拌，使其与稳定化药剂混合，处理深度与挖掘机铲斗尺寸有关，一般适用于浅层污染，处理深度不超过6m。这种稳定化方法，对药剂形态无要求，液态和粉末稳定化药剂均可使用，适用于设备已拆除的重金属污染场地，稳定化处理的同时还能将粉碎的拆迁杂物与处理后的土壤混合，进而解决后续拆迁杂物场外处理难题。

图3 挖掘机混合搅拌稳定化作业

2.2 空心叉喷射

空心叉搅拌稳定化作业如图4所示。该技术所用的设备是将挖掘机进行改装，在其前端配备空心叉。利用空心叉或独立的管道将稳定化药剂注入特定深度的污染土壤，同时利用挖掘机带动空心叉的转动进行原位混合搅拌，使药剂和污染土壤混合均匀[14]。此方法使用液体稳定化药剂，对于原位浅层污染土壤的修复较为适用，且处理深度不宜超过3m。

美国南卡罗莱纳州查尔斯顿某重金属污染的超级基金修复现场[14]利用该技术将重金属稳定化药剂注入污染土壤，达到原位稳定化修复效果。

2.3 螺旋钻进注射

旋转钻进稳定化作业采用螺旋钻进注射方法[14]，此种方法通常在挖掘机工作转盘上安装旋转头或链轨式钻机，使其以较大直径旋转，随着旋转头或钻头旋转和上下移动，将稳定化药剂通过空心钻杆或独立的管道注入特定深度的污染土壤，如图5所示。当药剂和污染土壤混合完成后，在污染区域形成土壤柱状修复区。在污染土壤的修复区域内，每隔特定距离进行螺旋钻井注射操作，且柱状修复区存在重叠区域，直至整个污染区域被修复土柱覆盖。

图4 空心叉搅拌稳定化作业

图5 旋转钻进稳定化作业

螺旋钻进注射方法适用于地下废弃物和构筑物已全部清除的污染场地，以防损坏钻具，该方法可处理污染土壤直径为0.6～3.7m，处理深度为20m。螺旋钻进注射的重金属稳定化药剂主要有液体药剂和粉末药剂两种[15]。对于液体药剂，首先将稳定化药剂、填充剂和添加剂与水混合，配制成均匀液体，然后进行螺旋钻进注射，使其与污染土壤原位混合，通常应用于含水率小于60%的土壤。粉末药剂注射是将稳定化药剂、填充剂和添加剂直接通过螺旋钻进注射与污染土壤混合，适用于含水率较高的污染土壤。

甘肃省白银市白银区东大沟流域某冶金厂的重金属污染现场[16]，污染物以Pb、Zn、Cd为主，该场地利用智能化供药系统采用原地原位粉喷搅拌工法，将重金属稳定化药剂与污染土壤均匀混合，实现了重金属污染场地原地原位稳定化修复。

2.4 高压旋喷

高压旋喷注射法[14]是利用高压注入设备通过特化的旋转钻杆将稳定化药剂注入污染区域，与污染土壤反应进行稳定化处理，其作用机理如图6所示。这种方法对深层污染土壤较为有效，修复直径为0.6～1.8m，修复深度可达30m。与螺旋钻进注射方法类似，高压旋喷也需在目标区域进行修复土柱重复操作，且土柱修复区域之间存在重叠，最后将污染区域全部修复。高压旋喷注射法采用液体修复药剂，可适用于孤立污染区域或地表构筑物下污染土壤的稳定化处理。

图6 高压旋喷注射法示意图

高速高压旋喷采用改进的双液高压旋喷系统，能够将修复直径增加3～5m。此过程需用旋转钻探技术将钻杆插入土壤污染深度，通过水平喷嘴将药剂注入污染土壤，注入速度高达200m/s。在这种高速度冲击下，土壤结构被破坏，稳定化药剂和污染土壤能够充分混合，修复直径随之扩大。因此，钻杆旋转速度、药剂注入速度及土壤渗透系数均影响修复直径的大小。

南京某化工重金属污染场地采用高压旋喷设备，将喷头送至指定深度，在反向提升过程中向污染土壤喷射稳定化药剂，使药剂和污染土壤充分接触，达到污染土壤原位稳定化修复的目的[17]。