重金属污染土壤修复装备和药剂应用研究

李彦伟，王伟臣，姜 珊，林伟振，唐建稳，付融冰

（1.杰瑞环保科技有限公司，山东烟台 264000；2.同济大学环境科学与工程学院 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

0 引言

重金属污染种类多、范围广、污染程度不一，导致重金属污染土壤的修复存在诸多不确定性因素。目前中国重金属污染种类较多，包含铅、锌、汞、镉、钴、钒、锑、锰、砷等。这些重金属对于人体都有一定的影响和危害。砷是砒霜的组分之一，有剧毒，会致人迅速死亡，长期少量接触会导致慢性中毒。铅一旦进入人体将很难排出，能直接伤害人的脑细胞，特别是胎儿的神经系统，可造成先天智力低下。锌入量过多可引起急性锌中毒，有呕吐、腹泻等胃肠道症状；动物实验可致肝、肾功能及免疫力受损。

铅、锌等重金属在环境中易发生水解反应生成氢氧化物，也可与一些无机酸反应生成硫化物、碳酸盐、磷酸盐等沉淀物，从而积累于土壤中。重金属可作为中心离子与阴离子或简单分子形成配位络合物，也可以与有机物形成螯合物[1]。铅、锌重金属污染土壤的分布广、修复难度大，有效药剂的研制和高效装备的开发将快速推动重金属污染土壤的修复和再利用。

1 现状分析

由于铅、锌在开采、运输过程中会存在泄漏等情况，会影响沿途的公路和城镇，造成环境污染。尤其是在金属冶炼和储存的过程中，厂区和施工现场的污染程度较开采和运输更为严重。很多地区都在推动铅、锌重金属污染土壤地修复，但是限于修复技术、设备和药剂差异的影响，目前铅、锌重金属污染土壤修复药剂质量参差不齐，修复效果差强人意。了解、掌握不同地域、不同场地的重金属污染特性，有针对性地使用高效修复药剂并匹配适用的修复设备是解决问题的关键。重金属污染土壤的修复要形成行之有效的根治措施，否则重金属污染土壤将不断积累，影响环境安全和人体健康。

2 试验准备

重金属污染土壤修复的重要性和紧迫性不言而喻，做好铅、锌重金属污染土壤地修复，重点在于精准的场调、合适修复设备的选择和针对性修复药剂的开发。对于存量和增量的重金属污染土壤地修复，需要注重基础研究，形成科学的研究思路和执行路线，才能逐步实现存量重金属污染土壤的高效修复，同时实现边产生边修复，避免再次形成存量、污染土壤，从而根治土壤重金属污染。

为了更好地确认药剂和修复设备对铅、锌重金属污染土壤的效果，修复场地的典型性尤为重要。本文选择的修复地址是湖南省株洲市某区PPP 项目场地，是典型的铅、锌重金属污染场地（图1）。为了保证场地的修复效果，联合国家重点研发计划项目课题（项目名称：铅锌冶炼场地土壤多重金属长效稳定修复材料、技术与装备，课题名称：土壤混合动力学及破碎混匀一体化智能装备，课题编号：2019YFC1805204）的研发团队开展此项工作。根据现场的勘察、取样、研究分析，有针对性地研发匹配药剂，并配置10 种药剂进行验证和优选。

本次修复研究的目的是考察设备的智能性和稳定性，从多种可选设备中遴选出智能修复履带式土壤稳定化修复设备（图2）。该设备可根据试验需要实现连续或者间歇式进料，进料量从1～150 m3/h 不等，可根据设定的药剂量进行精准添加，既可以一次性添加多种固体药剂，也可以同时添加固体和液体药剂，实现铅、锌重金属污染土的高质量、智能修复。

图2 智能修复履带式土壤稳定化修复设备

3 高效药剂地研制

重金属铅、锌由于其金属属性，在环境中易发生水解反应生成氢氧化物，也可与环境中无机酸反应生成硫化物、磷酸盐等沉淀物，富集于土壤中形成污染环境中。铅、锌可以作为中心离子与阴离子或简单分子形成配位络合物，也可以与有机物形成螯合物。重金属污染严重程度不仅在于重金属总量，也在于其存在形式，而且其彼此的状态可以发生转化。由于上述的铅、锌的特性，导致铅、锌重金属污染土壤的修复复杂程度高，难度大，因此药剂的研制要采用多维度、多方向、多材料、基于反应机理地分析和验证等方法。

针对需要修复铅、锌复合污染重金属土壤，开发了WD1-1、WD1-2、WD1-3、WD2-1、WD2-2、WD2-3、WD3-1、WD3-2、WD3-3 共9 种样品药剂，部分药剂侧重于修复铅重金属污染土壤，部分药剂侧重于修复锌重金属污染土壤，大部分药剂侧重于修复铅、锌两种重金属污染土壤。理论上，药性可以满足该靶向重金属土壤地修复。对于复合重金属污染土壤的修复需要反复试验，在实践过程中不断优化、完善药剂的组分和比例。上述药剂有液态形式也有固态形式，各添加比例也各不相同（图3～图4）。

图3 研发配置的拟定试验的液体药剂

图4 研发配置的拟定试验的固体药剂

4 智能、高效的设备研发

为了充分验证药剂的有效性和可行性，研发智能、高效的土壤修复设备至关重要。对重金属污染土壤的精准计量为后端药剂的添加提供依据，因此土壤添加量的准确计量要进行对比校验和验证。添加药剂的种类是前期分析和试验的产物，而药剂的精准添加量为验证药性，后端积累有效数据提供支撑。由于铅、锌本身的金属特性和污染的复杂性，研发的药剂需要采用多种固体药剂同时添加的方式，存在固体和液体药剂成比例添加的情况，因此药剂添加系统的准确性是保证试验结果准确性、正确性的关键。

由于重金属污染范围大，污染程度随着地域和深度的不同，污染程度的差别也非常大。因此，需要对污染土壤进行实时检测，并根据污染物的种类、程度和土方量，实时调整添加药剂的种类和添加量，才能实现污染土壤的充分修复，并有效防止药剂浪费。对于处理后的污染土壤，常规的方法是在养护后进行定期取样、分析，对不合格的污染土壤进行再次修复。这不仅浪费了药剂，修复周期也大大延长，因此实现处理后污染土壤的实时检测和闭环管理，可以提升修复效果和药剂利用率，避免对环境的二次污染。

智能履带式土壤稳定化修复成套设备如图5 所示，其主要结构包括：进料料斗、进料皮带秤、振动筛、除铁器、皮带输送机、重金属污染土壤快速检测装置XRF、进料给料装置、药剂添加和反馈装置、破碎混拌和反馈装置；出料检测和再次修复装置、出料分选装置、动力系统、液压系统、操纵平台（大数据收集并调用反馈云系统）、操控系统、底盘行走系统、电气系统；机架系统、出料分选装置。

图5 智能履带式土壤稳定化修复成套设备结构

其中，进料皮带称可以精准计量即将进入设备的污染土量，重金属污染土壤快速检测装置XRF 可以延时20 s 分析出重金属污染的种类和浓度，并将数据及时反馈给药剂添加和控制装置，实现有针对性的药剂定量、精准添加；破碎混拌和反馈装置实现土壤中大颗粒的破碎并实现药剂和土壤地充分混合，可实现98%的混和均匀度，大幅提升了药剂利用率，避免药剂浪费和对环境的二次污染；出料后通过出料检测和再次修复装置，对修复土壤进行再次验证和确认，合格产品直接排放；对于检测不合格产品通过出料分选装置输送至进料口再次修复，直至修复合格为止。

5 现场试验和验证

湖南省株洲市某PPP 项目土壤的主要污染成分是金属铅、锌，由于污染土壤面积大、污染深度不一，因此需要对污染厂区进行分区分块开挖，而污染土壤中含有石块、木头、塑料等杂质，需要使用破碎筛分铲斗对污染土进行预处理去除大颗粒杂质，使粒径小于直径为200 mm（图6）。对经过破碎、筛分后的污染土壤要进行分块放置，处理掉的大颗粒杂质经过水洗后进行掩埋处置。经过处理后，满足进料粒径的污染土壤根据污染区域分为A、B、C 三种待修复的污染土，再根据污染深度分为L、H、W三类，将它们进行组合，分为AL、AH、AW、BL、BH、BW、CL、CH、CW共9 种样品，根据研发制配的药剂进行定量添加修复，研制匹配的药剂有WD1、WD2、WD3 三大类，而每种药剂根据配置成本和比例不一致又分为WD1-1、WD1-2、WD1-3。根据污染物的种类和程度进行分别试验，并记录试验数据，验证药剂的有效性，进而选择合适的药剂类型实现铅、锌重金属污染土壤的高质、高效修复。

图6 预处理：破碎筛分

6 成果分析

根据现场试验和验证，污染区域分为A、B、C3 个，污染深度分为L、H、W，排列组合为：AL、AH、AW、BL、BH、BW、CL、CH、CW。研发制配的药剂为WD1、WD2、WD3 三大类，而每种药剂根据配置成本和比例不一致又分为WD1-1、WD1-2、WD1-3，合计9 种土样和9 种药剂。先后对上述土样添加不同药剂进行试验并记录数据（图7）。在验证过程中，采用智能履带式土壤稳定化修复设备对81 种试样进行处置，并做标记定期养护，最终测试修复数据，从而确认修复质量和效果。

图7 智能化修复设备作用下多种修复药剂的修复效果

试验按照DB43/T 1165—2016《重金属污染场地土壤修复标准》的规范和要求进行。重金属污染场地土壤修复浸出浓度标准值，其中铅按照GB/T 17140—1997《土壤质量 铅、镉的测定KI-MIBK 萃取火焰原子吸收分光光度法》采用KI-MIBK 萃取火焰原子吸收分光光度法；锌按照GB/T 7475—1987《水质铜、锌、铅、镉的测定原子吸收分光光度法》火焰原子吸收分光光度法。居住用地中重金属含量的规定要求为，总铅量不高于280 mg/kg，总锌量不高于500 mg/kg[2]。因为此次试验数据量较大，本文仅通过表1、表2 展示部分数据。

表1 智能化修复设备作用下多种修复药剂的金属铅修复效果 mg/kg

表2 智能化修复设备作用下多种修复药剂的金属锌修复效果 mg/kg

从表中的数据来看，WD1 系列药剂对于重金属铅、锌表层、中层和深层的污染土壤都有良好的修复效果，可满足修复要求；WD2 系列药剂对重金属铅、锌表层、中层修复效果良好，满足处理要求，对于底层重金属铅、锌修复效果不佳，无法满足修复要求；WD3 系列对重金属铅表层和底层重金属锌的修复效果良好，满足修复要求，对于中层和底层重金属铅修复和表层和底层锌的效果不佳，无法满足修复要求。上述药剂对于铅、锌重金属污染的修复效果差异较大，需要重点识别和管理。

7 结论

重金属铅、锌污染土壤范围广、影响大，实现该重金属污染土壤的高质、高效修复非常必要，能够有效推动受重金属铅、锌污染的工业用地转化为洁净的民用用地。

由于铅、锌的金属属性活泼，容易形成富集于土壤中硫化物、磷酸盐等沉淀物，也易与有机物形成螯合物，这对重金属铅、锌高效处置提出更高要求。经过上述试验，通过分层分区的处置对比，药剂的修复效果差别较大，从结果来看有3 个影响因素：①药剂本身的成分和配比；②药剂的组合和添加的比例；③设备智能性。这些因素影响着修复地有效性和经济性。

本次大规模试验证明了方向的正确性，并获得可靠的数据，确定了两种可行的药剂和添加比例，研发团队会在此基础上进一步深化、研究，提升药剂的靶向有限性和工程施工的经济性。针对全国的重金属铅、锌污染土壤，要继续研究和试验、积累经验和数据，为后期实现全中国重金属铅、锌污染土壤修复提供数据支撑，实现重金属铅、锌污染土壤地高质、高效的修复提供保证。

本文研究了土壤修复药剂的研制方法和修复设备的开发理论，并探索出适合该场地的修复思路和方式，为后期重金属污染土壤修复的推广提供依据和参考。重金属污染土壤地修复是长期的任务和工作，在现有基础上不断地创新和突破，以实现绿水青山的愿景。