重金属污染河道底泥稳定化固化技术分析

郑培铭，徐柯凡，董旭斌

（浙江仁欣环科院有限责任公司，浙江 宁波 315016）

在可持续发展理念的影响下，国家相关部门高度关注水体污染治理工作的落实，尤其是对于河道底泥重金属元素的污染治理得到了整个社会的高度重视。因为河道底泥沉积物的污染治理与水体水质之间的关系十分紧密，在河道底泥污染物达到一定数量的情况下，就会在河道底泥中不断储存，在污染物浓度达到饱和状态时，将会对水体质量产生严重影响。因为重金属污染物无法进行生物降解，很容易通过吸附等途径在河道底泥中逐渐积累，在其浓度达到饱和极限要求的情况下，会再一次释放到水体中，对水生生物、水体环境以及人类健康都会产生极大地危害。稳定化固化技术作为目前重金属污染河道底泥有效的处理方式，对于我国水体环境的治理和保护有着十分重要的作用。本文通过研究探讨重金属污染河道底泥稳定化固化处理的常用物质及技术，希望能够为今后我国重金属污染河道底泥处理工作的落实提供参考。

1 底泥重金属形态概述

重金属污染作为目前我国水体污染常见的一种形式，重金属在河道底泥中的存在形式就是重金属形态[1]。因为重金属绝大部分属于过渡元素，具有明显的活性较强、价态多的特点，很容易受到温度、环境酸碱度数值、电导率等多种因素的影响。通常，重金属形态可以分为价态、化合态、结合态和结构态四种不同的类型。从目前我国河道底泥重金属污染的研究看，按照重金属元素含量进行重金属污染影响和特征方面的研究缺乏一定的科学依据，需要对河道底泥内部的重金属元素既存形态进行全方位分析。这主要是因为河道底泥重金属存在的形态对其迁移转化规律、溶解性、毒性等都会产生决定性的影响。重金属形态分析则是指测定某一重金属元素在环境条件下存在的各种化学、物理形态的过程。河道底泥中的重金属元素含量不会对其危害大小产生决定性影响，重金属元素本身的迁移性、毒性、溶解性才是其产生危害的真正根源，这些都取决于重金属元素的形态。对存在于水体中的重金属元素而言，其迁移和转化通常会受到环境中pH值、氧化还原电位等因素的影响。对重金属元素存在形态和溶解度产生直接影响的条件则是环境中的pH值以及氧化还原电位[2]。河道底泥环境体系中存在着碳酸盐结合物、铁锰氧化矿物和有机质硫化物等多种混合物，重金属可以通过吸附、沉淀、离子交换等多种方式与这些混合物进行结合，不断地在河道底泥中积累，当达到一定数量时会再次释放到水体中，因而会再次污染水体。

2 河道底泥中的重金属污染物来源分析

2.1 生产废水

以目前我国经济、社会的发展看来，导致河道底泥出现重金属污染的主要原因就是各类工业废水和城市生活污水。通常，印染厂、制衣厂和皮革厂等会沿着河流沿岸分布，即使可持续发展以及生态环境保护理念下，我国已经明确规定了各类生产、生活废水的排放标准，但是部分小型企业为了降低成本，仍然会将一些未经全面处理的废水直接排放到河流中。同时，企业在对各类工业生产废水和生活污水进行全方位处理后，即使废水中的重金属污染物浓度完全符合我国现行的排放标准要求，但因为这些废水每日的排放规模较大，使得水体和河道底泥吸附的污染物数量有所增加，带来一种缓慢污染的现象。我国部分经济发展落后或者是地理位置偏远的地区，日常产生的生活污水并没有与城市排污管网进行有效连接，而是直接排放到水体或者是地表中，在水体污染物含量超过水体原有自我净化能力的情况下，就会带来较为严重的水体污染问题。

2.2 土壤冲刷

结合国家环境保护部和国土资源部两部门发布的《全国土壤污染状况调查公报》结果看，我国的耕地质量始终未能得到明显提高，其中的首要污染物便是Cd，该重金属元素的含量呈现出一种从西北到东南、从东北到西南逐渐增加的趋势[3]。2020年的《中国耕地地球化学报告》中明确指出我国污染超标的耕地面积已经达到了0.076亿公顷，并且这些污染超标的土地主要分布在湖南、湖北、江西、安徽以及西南地区[4]。土壤内部分布的各种重金属可以通过地表径流、地下渗透以及降雨等多种方式最终汇入河流并沉降在河道底泥中。我国农业生产中所用的磷肥中含有较高的Cd，肥料的长期使用导致土壤中的重金属元素含量进一步增加。我国农业在规模化发展过程中，有机肥料同样也包含了Zn、Cu等重金属元素。虽然有机肥料在农田中的使用能够提高农业产量，但同样也会使土壤中的Zn、Cu类重金属元素的含量逐渐累积，并伴随着地下水的渗透以及地表的径流逐渐汇入到河道的底泥中。

2.3 大气沉降

重金属元素同样是我国大气污染的主要污染物，但分布在大气环境中的重金属因素主要是来源于能源产业、冶金行业、建筑材料生产过程中产生的各种气体和粉尘。这些污染源中分布的重金属元素通常会以气溶胶的形态进入到大气环境中，并且可以通过颗粒物沉降以及雨水渗透的方式进入到水体和土壤中，并最终沉积到河道底泥中。同样会在达到污染物含量临界数值的情况下，造成水体的二次污染，对于水生环境的稳定运行和人体健康带来严重危害。

2.4 固体废弃物

目前，我国部分地区的建筑垃圾、生活垃圾通常也会在靠近城镇的河流周边进行随意堆放。在自然降水以及排水两种因素的影响下，固体废弃物中所含有的重金属元素会以废弃物堆积位置作为中心逐渐向四周环境扩散，在进入水体后便会逐渐被底泥吸收并逐渐积累。此外，我国部分大型工矿企业的矿渣场、灰渣场和粉煤灰场同样会在雨水和地表径流的双重影响下，将重金属元素逐渐汇集到附近河道的底泥中。

3 重金属污染河道底泥的稳定化固化处理技术中常用物质的分析

3.1 水泥

作为一种粉状水硬性质的无机凝胶材料，水泥也是当下建筑工程施工中常用的一种材料，在经过加水搅拌处理之后，能够生成硬度相对较高的水泥固化体，这也是目前我国重金属污染河道底泥稳定化固化处理过程中一种常用的材料。水泥可以在经过加水搅拌处理时，借助水化反应生成的副产物对于各种目标重金属物质进行包裹，确保能够将河道污染底泥中的各种重金属离子转化为金属沉淀物，或者是转化为其他不活泼化学性质状态，最终可以做到将这些有毒、有害的重金属元素物质转化为符合国家相关标准要求的低毒性物质，以免重金属元素在水体中的持续扩散以及迁移。在具体处理过程中，可以在河道的重金属污染底泥中通过添加适当数量的水泥进行固化，而在固化处理完成后的土壤浸出液中的重金属浓度可以做到完全符合渗滤液内部污染物浓度指标的具体要求。经过固化后的污染土体因为在抗压强度方面的优势较为明显，同样可以满足工程建设的需求。

在重金属污染河道底泥稳定化固化处理过程中，使用水泥可使整个稳定化固化操作处理流程变得简单，并且成本投入相对较低，那些含水量相对较高的河道底泥也不需要进行预先处理，且经过稳定化固化处理后的底泥在耐热性和强度方面都有明显的优势，能够进一步实现废弃资源的利用。但需要注意的是，水泥这种固化稳定物质的使用会使固体的体积有所增加，从而带来明显的膨胀现象。因为水泥固化之后所生成的固体物质在抗酸性方面的劣势较为明显，在酸性环境下经过固化处理之的重金属会二次溶出[5]。

3.2 火山灰质的混合材料

火山灰质的混合材料作为重金属污染河道底泥稳定化固化处理中的一种常用物质，具体可以分为二氧化硅和氧化铝。这类材料在经过加水处理之后，能够在常温环境下和氢氧化钙发生化学反应，最终生成胶凝性质的水硬性产物。火山灰质的混合材料本身并没有水硬性特点，需要与其他碱性材料进行混合处理后方能够具备水硬性特点。在处理重金属污染河道底泥的过程中，可以将不同比例的粉煤灰添加到水泥材料中，以来提高水泥固化的强度，并且经过固化处理后的重金属元素浸出液的浓度明显降低。此外，废弃的粗粉煤灰以及水泥物质系统的应用可以在河道底泥的铅、锌、铜等重金属处理过程中发挥明显的优势。粉煤灰在水泥这种固化物质中添加比例的差异与固化时间之间有着明显的正相关关系，并且经过固化后的淤泥含水量有所下降，抗压强度也得到了明显提高。火山灰质的混合材料应用在河道重金属底泥稳定化固化过程中，成本投入相对较为低廉，并且固化效果也相对较为优秀。但因为这类物质的成分相对较为复杂，无法单独使用，需要通过添加适当比例的火山灰质混合材料，降低水泥、石灰等物质的使用数量，才能确保在有效利用火山灰质混合材料的同时，进一步降低河道底泥重金属污染处理的成本。

3.3 各类化学药剂

化学药剂是当下重金属污染河道底泥稳定化固化处理中的又一种全新物质，将一些化学药剂加入到底泥中，可以改变重金属的存在形态，将之转变为在毒性、溶解性、迁移性等方面都不具备明显优势的物质。磷酸盐化学药剂可以将重金属元素吸附在其表面，或者与重金属元素进行化学反应后进行形成沉淀，从而达到良好的固化效果。硅钙类的化学固化处理剂是由氧化钙和氧化镁两种物质组成的，能够在改变底泥环境酸碱性的同时，改变重金属元素的电荷，并且这两类物质也能够有效吸附重金属离子。含有铁元素的化学药剂在处理河道底泥重金属元素的过程中，不但能够在吸附各种物体中的金属杂物上发挥明显的作用，并且对于那些稳定性相对较差的重金属胶体物质也能够发挥良好的吸附作用。化学药剂在重金属污染河道底泥稳定化固化处理的过程中有着明显的针对性，能够在实现重金属污染物无害化处理的同时，实现底泥的容量不增加或是少增加的目标。但因为其成本投入相对较高，并且部分化学药剂的使用很容易带来二次污染，因此，需要相关人员结合具体状况进行选用。

4 国内重金属污染河道底泥的稳定化固化处理技术应用分析

4.1 磷酸盐稳定化固化处理技术

磷酸盐类物质在重金属污染河道底泥稳定化固化处理过程中，能够显著的降低各种重金属污染物的毒性以及生物危害性，并且经过化学反应生成后的复产物有着较好的化学稳定性。在河道底泥酸碱度环境相对固定的情况下，磷酸盐可以与重金属元素发生反应生成相应的沉淀或是矿物，同时金属离子能够与钙离子发生离子交换反应，将重金属元素吸附到晶格结构中，从而生成含有重金属的羟基磷灰石产物。此外，在环境条件和水合作用的影响下，磷酸盐可以和钙离子、氯离子经过反应最终生成重金属磷酸盐，其化学性质十分稳定。在对金属污染河道底泥进行稳定化固化处理过程中，通过应用磷酸烧结法，并配合TCLP以及Teisser连续提取法能够保障河道底泥中的各种重金属元素经过化学反应后生成产物的形态变得越发稳定[6]。考虑到铁和磷可能会在化学反应中产生相互作用，在重金属污染河道底泥环境处理过程中，可以使用水铁矿以及磷灰石两种物质，这些物质的使用能够进一步提高河道底泥的环境友好指标。由此也不难看出，磷酸盐的河道底泥稳定化固化处理技术有着较为广阔的应用和发展前景。

4.2 无机物的混合稳定化处理技术

在重金属污染河道底泥稳定化固化处理过程中，为了保证各种重金属元素被完全沉淀，化学反应需要在一种中性偏向碱性的环境中进行。绝大部分的无机物都能够提高河道底泥环境的pH值，并与重金属发生反应后产生沉淀物质，经过反应生成的物质化学稳定性相对较高，最终实现了重金属元素释放量有效削减的目标。就目前国内外有关重金属污染河道底泥的处理实践看来，绝大部分地区都开始利用无机物混合稳定化固化处理方式，并且针对这种技术的原理进行了进一步研究和探讨。电石渣、粉煤灰二者在通过一定比例混合之后能够形成一种胶结料，实践证明这种物质对河道底泥的重金属元素稳定化、固化处理有着明显的效果，并能够有效降低河道底泥二次污染问题的发生概率。韩国相关学者通过灼烧牡蛎壳和废牛骨之后，将这一混合材料与煤矿的排水污泥进行有效混合，在处理河道底泥的铅、砷等重金属物质的过程中取得了十分良好的效果。

4.3 有机物的稳定化固化处理技术

有机物河道底泥的稳定化固化处理技术得到广泛应用的主要原因是重金属和有机螯合剂之间存在着明显的耦合作用，使底泥中重金属元素的含量能在一定程度上减少。有机螯合剂与河道污染底泥中的金属元素反应能够生成螯合物，这类产物带有明显的疏水性、难溶性特点，并且产物的形态也变得越发稳定，能够降低河道底泥中各种重金属元素的毒性。目前用于重金属污染河道底泥处理中的有机螯合剂代表包括二异丙基二硫代磷酸钾、DTCR、磷酸钠、硫化钠等，经过相关专家学者的实践研究证明，二异丙基二硫代磷酸钾相较于其他三种有机螯合剂，在处理河道底泥重金属污染物中取得的效果更加稳定。

5 总结

重金属元素作为我国水体污染的重要污染源，在河道底泥中的长期淤积会带来较为严重的水体二次污染，从而威胁到水生生态环境以及人们的身体健康。稳定化固化技术作为处理重金属污染河道底泥的重要方式，可以通过合理地选用水泥、火山灰质混合材料以及化学药剂等进行磷酸盐、有机物和无机物的稳定化固化处理操作，在有效吸附各种重金属离子的同时，降低重金属元素对于水生生态环境带来的危害。随着我国经济社会的可持续发展，重金属污染河道底泥的稳定化固化处理技术含量也会逐渐提高，并且所运用的各种处理物质类型也会逐渐增加，能够在推动我国水体污染防治工作落实的基础上，提高水体的生态环境质量。