重金屬污染底泥固化穩定化應用研究

賴佑賢 彭 瑜 杜河清

(1.廣州市水電建設工程有限公司， 廣東 廣州 510600；2.珠江水利科學研究院， 廣東 廣州 510600)

重金屬污染底泥固化穩定化應用研究

賴佑賢1彭 瑜2杜河清2

(1.廣州市水電建設工程有限公司， 廣東 廣州 510600；2.珠江水利科學研究院， 廣東 廣州 510600)

由于長期大量的工農業污水排向河道，河道底泥中重金屬污染嚴重超標，如何高效經濟地修復污染底泥，并拓展資源化利用路徑是個難點問題。目前采用的傳統的底泥重金屬穩定化技術大多借用污泥處置或者土壤修復方面的經驗和技術，有pH值偏高等固有的弱點。本次實驗研究采用了新型改性劑，對重金屬穩定后，浸出濃度達到地表Ⅲ類水標準，修復后土壤偏中性，表明產品適合在工程中推廣應用。

污染底泥； 重金屬； 固化穩定化

1 引 言

珠江三角洲地區河網水系發達，隨著工農業的迅猛發展，大量工農業廢水進入河道水體，且受潮汐作用水動力不足，因而污染物最終進入河道底泥中；重金屬是河道底泥中的主要污染物,具有較大毒性并且能在食物鏈中積累傳遞,威脅人類的生存環境和健康[1-2]。

隨著經濟社會的發展，對環境質量也要求更高更緊迫，“水十條”要求到2020年，珠三角區域力爭消除劣Ⅴ類的水體。

城市黑臭水體治理的基本技術路線系“控源截污；內源治理；活水循環；清水補給；水質凈化；生態修復。”內源治理是黑臭河道治理的重要環節，污染底泥的處理處置也備受關注。

目前,對河道底泥中重金屬污染的研究已經取得一些成果,但是其中大部分都集中在天然河道底泥重金屬的釋放和利用植物或微生物修復重金屬的污染問題[3],而對受重金屬污染底泥的穩定化、資源化處置的研究較少。本次，針對肇慶市獨河的重度污染底泥，對新研發的WNG型底泥改性劑進行實驗分析研究。

2 河道底泥樣本的污染狀態

獨河位于肇慶市大旺高新技術產業區內一條自然型河流，起源于四會市，東西橫跨開發區，全長約7.2km，平均寬約30m，最后經泵站排入北江。四會城市的工業及生活污水，長期直排入獨河，河床底泥污染嚴重，魚類無法生存。

獨河系珠三角的典型黑臭河道，本次以獨河受污染底泥為研究對象，其基本理化性質及污染特性分析如下：?含水率為60%～80%；?pH值偏中性，污染物主要是重金屬。

2.1 河道底泥樣本的重金屬檢測

本次對獨河原狀底泥的重金屬總量檢測，重金屬污染物包括鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、砷(As)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鎳(Ni)7種有毒有害元素，見表1。

表1 獨河底泥重金屬元素含量 單位：mg/kg，以干重計

注 原狀底泥中重金屬含量指mg重金屬/kg干底泥。

河道底泥重金屬含量雖然差異較大，但都遠遠超過廣東省土壤背景值，也超過《土壤環境質量標準(三級)》(GB 15618—1995)規定的重金屬含量值，所采集的三個檢測點的底泥中所含重金屬鎘、鉻、銅、鎳、鋅都超標，其中銅、鎳、鋅超標非常嚴重。其中鎳超標倍數最高接近4倍，銅超標倍數多達3倍，鋅超標多達2.5倍。鎘超標倍數相對較低，為0.8倍。

2.2 原狀底泥的重金屬浸出檢測

由于我國尚無污染底泥中重金屬浸出的環境質量標準，考慮到底泥處理處置的具體情況，目前國內普遍采用《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)、《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)對原泥中重金屬的浸出狀況進行判別。首先對原泥的重金屬浸出毒性進行了測定，測定結果見表2。

表2 獨河底泥重金屬浸出毒性 單位:mg/kg，以干重計

參考《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中浸出液污染物濃度標準評價，獨河受污染底泥中鉻、銅、鋅、鎳均超標，其中超標最為嚴重的是鎳，超標倍數超過20倍，銅的超標倍數達到十幾倍，以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準進行評價，獨河重金屬超標指數更為嚴重。

3 固化穩定化技術的實驗評價

3.1 固化穩定化技術的發展現狀評價

在美國超級基金項目的土壤修復工程中，固化穩定化技術占有主導地位。國內的土壤修復工程近年來已成為熱點，固化穩定化技術亦是主流技術。固化穩定化修復技術特點：較大程度上削減底泥對上覆水體污染的貢獻率；修復周期較短，適應性較強，也更經濟。

為有效消除河道底泥對河流的影響,并避免底泥對水體的二次污染，污染底泥中污染物遷移機理、底泥重金屬的穩定化機理研究、重金屬固結劑的研發、及工程應用等方面也受到國內外科學家的廣泛關注[4-7]。

國內有很多學者在固結的研發應用方面做了研究。按照Tessier[8]提出的五步連續提取法，可將底泥重金屬分為水溶態、離子交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳水合氧化物態、有機質硫化物結合態和殘渣態等6種形態。

傳統的底泥重金屬穩定化技術大多借用污泥處置或者土壤修復方面的經驗和技術,如水泥固化技術[9]、石灰固化技術[10]，使有毒有害物質轉變為低溶解性、低遷移性及低毒性物質的過程。石灰穩定化工藝可有效降低污泥中鉛、鎘、鉻、銅、鋅等的浸出濃度[11-12],過氧化鈣由于其堿性和氧化性對廢水中鉛、鎘、銅等重金屬離子去除率高達99.9%[4，13]。重金屬向穩定態轉化,主要原因是:經過固化處理后,底泥基質的pH值得到提高,多數重金屬離子能與OH-結合,生成不溶于水的鹽類,如Cr, Cu 和Pb；固化劑中含有一些黏土礦物,這些物質對重金屬離子有較好的離子交換吸附作用；固化劑與水發生反應后,生成的水化產物對重金屬離子有包裹和吸附作用[5]。

總之目前的技術，主要是靠pH值升高有助于磷酸鹽的生成，也能使重金屬化合物在碳酸鹽礦物上沉積。pH 值和Eh 較高時，有利于Fe/ Mn 氧化物的生成，從而使有毒有害物質轉變為低溶解性、低遷移性及低毒性物質，并包容在密實的惰性基材中的過程。但固結后的固化土pH值偏高，隨著環境條件的變化，重金屬化合物易被溶解釋放，且堿性土也不利于資源化利用。所以研發pH值偏中性的，更穩定的固化劑非常有必要。

3.2 WNG型底泥改性劑的機理研究

本次研發的WNG型底泥改性劑有別于傳統的固化劑，產品是以無機物為主，但采用了有機與無機的高分子聚合材料，運用高分子吸附、鰲合重金屬的原理。以大分子有機物與無機物吸附、鰲合重金屬離子，并通過水化反應等化學反應改變底泥的膠體結構，使底泥轉化為新的晶體結構，使鰲合體在穩定的晶格內固定不動；達到底泥礦化穩定化的目的。以此對底泥進行的化學改性，pH值偏中性，并提高了重金屬在自然環境中的穩定性。

3.3 WNG型底泥改性劑的實驗檢測及評價

污染底泥直接取自獨河，其污染狀況如前所述，底泥經過預處理后，WNG固化改性劑與原狀濕泥按照混合比(質量比，下同) 的7%、10%、13%均勻混合，在自然條件下養護14天，改性固結底泥為1號、2號、3號實驗樣品。使用檢測設備為原子吸收光譜儀；采用原子吸收光譜分析法檢測浸出液重金屬含量，見表3。

表3 獨河底泥重金屬浸出液毒性對比分析 單位：mg/L

檢測結果表明：相應濃度限值采用7%WNG固化改性劑處理14天后的底泥其重金屬浸出濃度值基本都能滿足《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的要求，添加13%的WNG固化改性劑處理后的能滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類濃度限值的要求；表明底泥經過固化穩定化后重金屬離子基本上都能夠被穩定，對環境的風險在可接受的水平內，且固化改性后底泥的pH值為7.5,偏中性。固化改性后的底泥可進行土地利用、建材及陸地填筑等資源化處置。

4 結 論

選擇珠江三角洲地區典型河道獨河的重金屬污染底泥為對象，采用WNG型固化改性劑，對重金屬污染底泥固化穩定化處理，實驗結果表明，固化穩定化后的底泥重金屬離子浸出濃度大幅降低，浸出濃度可達到地表Ⅲ類水標準，達到了環境質量要求標準。固化穩定化重金屬污染底泥pH值小于8.0，偏中性。改性土可作為綠化營養土、建材用土等利用，拓寬了重金屬染污底泥的資源化利用途徑，為有效地解決珠三角地區底泥量大，污染重等問題，提供了可行的技術方案。

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Research on the application of curing and stabilization of heavy metal polluted sediment

(LAI Youxian1, PENG Yu2, DU Heqing2)

(1.GuangzhouHydropowerConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510600,China; 2.PearlRiverWaterConservancyScienceResearchInstitute,Guangzhou510600,China)

Heavy metal pollution in the river sediment exceeds standard seriously since a lot of industrial and agricultural sewage is discharged into rivers for long time. How to restore polluted sediment efficiently and economically, and explore resource-based utilization path is a difficult issue. Experience and technology in the aspects of sludge disposal or soil restoration are mostly adopted in traditional sediment heavy metal stabilization technology which is adopted at present. Such technology has inherent disadvantages of high pH, etc. Novel modified agent is adopted during research in the experiment. Water with leaching concentration up to surface water grade III standard is restored after heavy metal stabilization, the soil is neutral after restoration, and it is obvious that the product can be popularized and applied in projects suitably.

polluted sediment; heavy metals; curing and stabilization

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.03.008

TV213.4

A

2096-0131(2017)03- 0022- 04