谈污染场地土壤与地下水防治修复

张 旭

(山西省地质工程勘察院，山西 太原 030024)

1 概述

随着我国城市化规模的不断扩大，同时伴随着人类的经济活动，全国各地土壤和地下水污染日益严重，尤其是进入21世纪以来污染事件频发，70%的案例与污染场地有关，影响人类生产、生活、生态平衡的各种环境问题日益突出，制约着人类社会的进一步发展。城市化进程的加快和“退二进三”，大批工业企业从城市区域陆续搬迁，搬迁后的场地数量较多，且土地污染严重，工业用地性质发生变化，原有土壤和地下水的污染问题亟待解决。土壤和地下水被污染流程见图1。

环境保护和资源的可持续利用，已成为当今世界面临的主要任务之一。继大气污染防治后，土壤与地下水污染防治修复已经成为我国下一步环境保护的重中之重。

2 工程概况

浙江某五金有限公司退役场地，是一家专业从事五金工具电镀加工为主的企业，该公司占地面积约6 500 m2，建筑面积2 500 m2。该厂于2017年全面停产退役，土地使用权将于2018年回交政府，由政府进行再次开发利用。按照生态环境部相关规定，工业企业再开发利用时，场地责任方需要委托相关单位按照国家和本市相关标准规范的要求，开展场地环境调查评估及场地环境健康风险评估工作。结果表明，金属元素污染物Ni，Cu，Pb超过了筛选值，通过风险评估计算，污染物Ni，Cu，Pb需要进行修复治理，修复深度为地表以下4 m，修复总面积3 744 m2，修复总土方量约为9 572 m3。该场地未来规划为居住用地。

根据调查报告总结的修复点位和划定的修复范围，本场地不同深度范围的土壤修复量，如表1所示。

表1 修复土壤量估算表

3 技术方案设计

本项目修复区域面积约3 744 m2(以0 m～1 m深度范围，所覆盖的最大面积)，修复厚度为地表以下4 m，修复土方量约9 572 m3。主要污染物为Ni，Cu，Pb。

针对污染区域土壤的类型，结合管理部门及业主方的相关要求，该退役场地污染土壤中重金属污染物采用固化/稳定化技术进行处理。

4 工作流程

一般工作程序包括：适用性评价、设计、施工、修复效果评估等(见图2)。

具体工作步骤：

适用性评价→方案设计(设备优选、药剂用量种类、工期)→施工前部署→施工→修复结束二次效果评估→处置再利用。

5 固化/稳定化技术适用性评估

目前，固化/稳定化修复技术已成为我国重金属污染土壤修复的最常用技术，在我国北京、上海、苏州、石家庄等多个城市均有大规模的应用。尤其自上海世博会使用固化/稳定化技术修复重金属得到成功后，该技术在工程上的应用快速增长，已成为重金属污染土壤修复的主要技术方法之一。据不完全统计，目前国内实施土壤固化/稳定化修复的工程案例已超过50项，说明固化/稳定化技术用于重金属处置是合适的(见表2)。

表2 采用固化/稳定化技术修复重金属污染土壤的案例场地

6 固化/稳定化方案设计要点

1)固化/稳定化实施方式(原位或者异位，原地或异地)；

2)固化/稳定化施工工艺(异位施工工艺、原位施工工艺)；

3)修复药剂设计(种类与用量)；

4)产物后期处置再利用。

6.1 实施方式设计

按是否运输至场地外进行处置，固化/稳定化技术可分为原地处置和异地处置两种方式，异地处置需要在场地外落实处置场地，涉及污染土壤外运施工，容易造成二次污染风险，不建议采用。

按是否进行土壤开挖，原地固化/稳定化又可分为原位和异位两种处置方式，具体介绍和对比分析如下所述。

6.1.1异位固化/稳定化特点

异位固化/稳定化操作流程：平整场地→转运污染土壤分类→筛分土壤→修复药剂混合→养护。

尤其是注重有毒物质的挥发性影响，必要时还需对废气进行处理与收集工作。地质情况特殊还要考虑先行进行降低地下水位的工作。

操作步骤繁琐复杂，重点是筛分土壤颗粒，之后是要充分考虑其压实系数等相关规定。

6.1.2原位固化/稳定化特点

原位固化/稳定化操作流程：平整场地→钻探成孔→压力灌浆(修复药剂)。

修复药剂通过强压与地下土层、地下水直接接触混合。尤其适合于大范围且污染程度较深的土层。噪声上，工期短。土方外排量小。

6.1.3本场地施工特点及处置方式选择

本项目施工存在以下几个特点：

1)本项目场地面积小，约6 500 m2，其中污染区域面积3 744 m2，可用场地面积非常小，不足3 000 m2。

2)本项目修复土壤量9 572 m3，若采用异位方式处置，需处置前暂存堆场、处置场地以及处置后土壤暂存堆场共约6 000 m2，场地内面积不足，需在场地外找临时场地用于土壤暂存和处置，或在场地内采取分批处置和验收的方式。

3)本项目施工周期短，要求在60 d内完成场地修复施工。若采用异位技术进行处置，需进行污染区域降水、施工场地硬化等准备工作，难以在工期内完成处置施工。且因为场地内可用面积不足，需在场地外落实临时处置和暂存场地，时间上更不可控。

综上所述，综合考虑场地实际情况(尤其是可用面积)以及项目工期要求，本项目设计采用原位固化/稳定化方式进行处置。固化/稳定化原位和异位原理分析见表3，固化/稳定化修复前后模型见图3。

表3 固化/稳定化原位和异位原理分析

6.2 施工工艺设计

常用的原位固化/稳定化施工工艺包括灌浆法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法等，具体如下所述。

6.2.1灌浆法

灌浆法的实质就是利用强压把浆液注入土层裂缝或孔隙，改善其介质原有的性质。灌浆能够降低土(岩)层的渗透性，减少渗流量，提高抗渗能力，降低孔隙压力。灌浆的主要对象是：砂、砂砾石及粉细砂；软黏土、杂填土及淤泥；裂隙和破碎岩石；岩石中的大型洞穴如岩溶洞穴等。

6.2.2水泥土搅拌法

水泥土搅拌法是加固饱和软黏土地基的一种成熟方法，它利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软土和固化剂(浆液状或粉体状)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理—化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、素填土、黏性土、饱和黄土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。

6.2.3高压旋喷注浆法

高压旋喷注浆法：注浆管调整至设计深度，以一定压力将水泥浆液喷入土体中，使浆液与土体相混合，形成加固体，称为高压旋喷注浆。因其噪声低，施工平台占地面积少，市场广泛应用。弊端为污染环境，费用高且有些地层不适宜此方法。

特点：1)适用于大部分地层，如人工填土、黄土、淤泥质土、黏性土等。2)采用高压旋喷注浆方式，药剂与土壤搅拌均匀充分，施工质量高。3)施工工艺简易灵活，成桩效果较好。可按设计要求随意选取深度段喷射药剂。特别适用于复杂场地(污染程度不均匀、污染深度不一)。

综上所述，本方案主要采用高压旋喷注浆工艺进行本项目原位固化/稳定化施工。同时，对于高压旋喷注射不容易处置的表层(0 m～1 m)污染土壤，设计采用强力搅拌工艺进行处置。

强力搅拌法利用原位搅拌设备进行施工，该设备的核心是PMX强力搅拌头，它是一种安装于液压挖掘机上的多功能搅拌装置，将其安装于通用挖掘机，可将普通挖掘机转变成为一台机动性强，高效率的混合搅拌设备(见图4)。

6.3 修复药剂选择

6.3.1药剂选择

制约固化/稳定化修复重金属污染土壤的因素主要有成本和效果两点，因此，寻找到一种或多种高效、稳定、易得、环境友好的修复药剂是项目成功处置的重点。

目前市场常用的修复药剂主要有以下四类：

1)玻璃质;2)有机材料：如聚乙烯、沥青等；3)无机材料：如粉煤灰、水泥、石灰等(广泛应用)；4)热硬化有机聚合物，如环氧化物、尿素等。

6.3.2处置效果试验

1)试验样品初始浓度。

在现场调查结果基础上，选择场地内Cu，Ni，Pb污染土壤进行固化/稳定化试验，共采集3个混合样品，3个样品重金属总量和浸出浓度如表4所示。

表4 土壤重金属初始浓度 mg/kg

2)试验设计。

将天平放入通风橱中，打开通风橱开关，每个样品均分成3组，每组2 kg。每组样品按2%，4%，6%的比例(W/W)添加修复药剂，混合搅拌均匀，土壤样品含水量控制在25%左右，常温中养护7 d后取样检测土样中重金属浸出变化情况。试验组别设计如表5所示。

表5 试验设计

3)试验结果。

考虑到地下水与周边地表河流的补给作用，参照场地周边地表水功能区划分，本场地地下水执行GB/T 14848—2017地下水质量标准Ⅲ类标准，主要适用于集中式生活饮用水源及工农业用水。

因而，本次试验以GB/T 14848—2017地下水质量标准Ⅲ类标准处置后样品浸出液浓度判别标准，浸出方法参考HJ/T 299—2007固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法。各重金属浸出浓度见表6。

表6 各重金属浸出浓度表 mg/L

试验结果表明，在药剂投加比例为2%和4%的情况下，土样S01镍略微超标，S02和S03达到修复目标。在药剂投加比例为6%的情况下，所有样品均达到修复目标。

根据试验结果，确定碱性石灰药剂与专业稳定化药剂组合可有效处置本项目重金属污染土壤，能达到修复目标值，药剂添加比例在2%～6%之间比较合适，具体需根据不同区域污染情况，结合中试结果进行调整。

6.4 修复技术工艺参数

综上所述，本项目原位固化/稳定化施工工艺参数见表7。

表7 固化/稳定化处置主要技术参数

7 结论

1)本方案主要采用高压旋喷注浆工艺进行本项目原位固化/稳定化施工。2)根据试验情况，若后续场地开发利用需对处置区域土壤进行挖掘，在上述药剂添加比例情况下，修复药剂与土壤形成的稳定化体不会影响挖掘施工。3)修复达标的污染土壤，可根据实际情况在后期进行妥善处置或资源化利用。