重金屬污染土壤原位穩定化藥劑投加方式綜述

茍東曉，谷廣鋒，蘇憲章，曹興濤，王新新，謝江浩，楊庭

（1.中海油安全技術服務有限公司，天津 300457；2.中海油能源發展股份有限公司北京安全環保工程技術研究院，天津 300457）

引言

近年來，隨著我國工業規模的迅速發展、城市化進程不斷加快，大量重金屬污染物質進入土壤和地下水，土壤重金屬污染加劇，導致農作物的產量和品質嚴重下降，且經過食物鏈進入人體，危害人體健康[1]。2014年4月，原環境保護部和原國土資源部聯合發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，從污染物超標情況看，鎘（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、銅（Cu）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鎳（Ni）8種無機污染物點位超標率總和為21.7%[2]。重金屬污染具有隱蔽性、長期性、富集性和不可逆性[3]，因而重金屬污染土壤治理成為了國內外的研究熱點。

目前重金屬污染土壤修復技術主要有：物理修復（客土法、熱解析法、電動修復法及玻璃化技術）、生物修復（植物修復、微生物修復和動物修復）、化學修復（固化/穩定化、電化學、化學淋洗）等[4]。與其他修復技術相比，固化/穩定技術因工藝簡單、成本較低、施工便利等優點[5～7]，在土壤修復工程中得以廣泛應用。據美國超級基金污染修復報告統計[8]，1982～2014年，美國超級基金的污染修復工程中約18%使用了固化/穩定化技術。根據江蘇省（宜興）環保產業技術研究院及土壤環境修復產業聯盟對我國公開招投標項目的統計調查發現，在我國2008～2016年的177個土壤修復項目中，固化/穩定化修復技術占比23%。由于穩定化修復后的土壤具有增容率低、可再次利用等優勢[9]，穩定化技術逐漸成為土壤重金屬污染修復技術領域的主力。

1 重金屬穩定化技術

重金屬穩定化是指將穩定化藥劑通過一定方式，使其與污染土壤混合，充分反應，從而改變污染土壤中重金屬的有效形態，使其轉化為不易溶解、遷移能力或毒性更小的形態，達到重金屬修復目的[10]。在重金屬穩定化過程中，涉及酸堿控制、氧化還原、沉淀、絡合、吸附及離子交換等[10]。常用的穩定化藥劑有堿性藥劑、硅酸鹽藥劑、磷酸鹽藥劑、鐵鹽藥劑、硫化物和有機高分子藥劑等[11]。

污染土壤篩分破碎以及與藥劑的混合方式是穩定化技術在應用過程中的關鍵技術點，并直接影響最終的穩定化效果和經濟效益[9]。因此，在實際工程應用中出現了不同類型的藥劑投加設備。異位穩定化設備有篩分破碎鏟斗和土壤破碎混合一體機[12]等；原位穩定化設備有螺旋鉆進注射和高壓旋噴。與異位穩定化技術相比，原位穩定化技術具有成本低，對周邊環境影響小等特點[17]，成為土壤復研究的熱點。本文主要根據重金屬污染土壤污染特性，結合目前常用的重金屬原位穩定化技術，介紹了四種穩定化藥劑的投加方式。

2 穩定劑投加方式

2.1 直接噴灑

翻拋機和挖掘機混合攪拌常用直接噴灑方式進行污染土壤與藥劑混合[13]。

翻拋機[14]由拖拉機提供動力，銑刨輪安裝在橫向轉軸上。翻拋機穩定化作業如圖1所示，作業機理示意如圖2所示。首先，利用撒料機將穩定化藥劑噴灑在污染區域表面，然后翻拋機在其表面進行作業，通過攪拌將穩定化藥劑均勻混入修復土壤中，使污染土壤與藥劑充分反應，從而修復污染土壤。這種穩定化方法適合于治理在土壤表層0.2～0.3m處的污染物。

圖1 翻拋機穩定化作業

圖2 翻拋機作業機理示意圖

河南省濟源某電解電鍍企業周邊污染農田，As、Cd、Pb等重金屬污染物嚴重超標，以Cd為例，總濃度為31mg/kg（超標124倍），采用直接噴灑的方法將穩定劑噴灑在污染農田表層，然后采用翻耕的原位穩定化修復技術，取得了較好的修復效果。

圖3為挖掘機混合攪拌穩定化作業的現場，挖掘機混合攪拌[14]利用挖掘機的鏟斗對污染土壤進行挖掘、破碎和攪拌，使其與穩定化藥劑混合，處理深度與挖掘機鏟斗尺寸有關，一般適用于淺層污染，處理深度不超過6m。這種穩定化方法，對藥劑形態無要求，液態和粉末穩定化藥劑均可使用，適用于設備已拆除的重金屬污染場地，穩定化處理的同時還能將粉碎的拆遷雜物與處理后的土壤混合，進而解決后續拆遷雜物場外處理難題。

圖3 挖掘機混合攪拌穩定化作業

2.2 空心叉噴射

空心叉攪拌穩定化作業如圖4所示。該技術所用的設備是將挖掘機進行改裝，在其前端配備空心叉。利用空心叉或獨立的管道將穩定化藥劑注入特定深度的污染土壤，同時利用挖掘機帶動空心叉的轉動進行原位混合攪拌，使藥劑和污染土壤混合均勻[14]。此方法使用液體穩定化藥劑，對于原位淺層污染土壤的修復較為適用，且處理深度不宜超過3m。

美國南卡羅萊納州查爾斯頓某重金屬污染的超級基金修復現場[14]利用該技術將重金屬穩定化藥劑注入污染土壤，達到原位穩定化修復效果。

2.3 螺旋鉆進注射

旋轉鉆進穩定化作業采用螺旋鉆進注射方法[14]，此種方法通常在挖掘機工作轉盤上安裝旋轉頭或鏈軌式鉆機，使其以較大直徑旋轉，隨著旋轉頭或鉆頭旋轉和上下移動，將穩定化藥劑通過空心鉆桿或獨立的管道注入特定深度的污染土壤，如圖5所示。當藥劑和污染土壤混合完成后，在污染區域形成土壤柱狀修復區。在污染土壤的修復區域內，每隔特定距離進行螺旋鉆井注射操作，且柱狀修復區存在重疊區域，直至整個污染區域被修復土柱覆蓋。

圖4 空心叉攪拌穩定化作業

圖5 旋轉鉆進穩定化作業

螺旋鉆進注射方法適用于地下廢棄物和構筑物已全部清除的污染場地，以防損壞鉆具，該方法可處理污染土壤直徑為0.6～3.7m，處理深度為20m。螺旋鉆進注射的重金屬穩定化藥劑主要有液體藥劑和粉末藥劑兩種[15]。對于液體藥劑，首先將穩定化藥劑、填充劑和添加劑與水混合，配制成均勻液體，然后進行螺旋鉆進注射，使其與污染土壤原位混合，通常應用于含水率小于60%的土壤。粉末藥劑注射是將穩定化藥劑、填充劑和添加劑直接通過螺旋鉆進注射與污染土壤混合，適用于含水率較高的污染土壤。

甘肅省白銀市白銀區東大溝流域某冶金廠的重金屬污染現場[16]，污染物以Pb、Zn、Cd為主，該場地利用智能化供藥系統采用原地原位粉噴攪拌工法，將重金屬穩定化藥劑與污染土壤均勻混合，實現了重金屬污染場地原地原位穩定化修復。

2.4 高壓旋噴

高壓旋噴注射法[14]是利用高壓注入設備通過特化的旋轉鉆桿將穩定化藥劑注入污染區域，與污染土壤反應進行穩定化處理，其作用機理如圖6所示。這種方法對深層污染土壤較為有效，修復直徑為0.6～1.8m，修復深度可達30m。與螺旋鉆進注射方法類似，高壓旋噴也需在目標區域進行修復土柱重復操作，且土柱修復區域之間存在重疊，最后將污染區域全部修復。高壓旋噴注射法采用液體修復藥劑，可適用于孤立污染區域或地表構筑物下污染土壤的穩定化處理。

圖6 高壓旋噴注射法示意圖

高速高壓旋噴采用改進的雙液高壓旋噴系統，能夠將修復直徑增加3～5m。此過程需用旋轉鉆探技術將鉆桿插入土壤污染深度，通過水平噴嘴將藥劑注入污染土壤，注入速度高達200m/s。在這種高速度沖擊下，土壤結構被破壞，穩定化藥劑和污染土壤能夠充分混合，修復直徑隨之擴大。因此，鉆桿旋轉速度、藥劑注入速度及土壤滲透系數均影響修復直徑的大小。

南京某化工重金屬污染場地采用高壓旋噴設備，將噴頭送至指定深度，在反向提升過程中向污染土壤噴射穩定化藥劑，使藥劑和污染土壤充分接觸，達到污染土壤原位穩定化修復的目的[17]。

3 結論與展望

藥劑的投加方式是重金屬穩定化修復施工過程中的關鍵因素，精準的藥劑投加，能夠更好實現藥劑與污染土壤的接觸。直接噴灑、空心叉噴射、螺旋鉆進注射及高壓旋噴等方法已在工程項目中成功應用，但其存在藥劑分散不均、工藝控制粗放、藥劑有效利用率較低、藥劑影響土質等問題。

因此，未來對穩定化藥劑投加方式的研究宜從以下幾方面開展：

（1）根據我國重金屬污染特性及場地特征研發更高效的藥劑投加方式，實現藥劑在復雜土質下的均勻投加。

（2）對于復雜污染場地，污染物在土壤中呈不均勻分布，因此如何實現藥劑的靶向定向投加，使穩定化修復更具高效性和經濟性，也將成為后續研究的熱點。

（3）對于多種金屬污染并存的復雜場地，單一的穩定化藥劑很難達到修復目標，需將多種穩定化藥劑并用，復合穩定化藥劑的修復效果也將成為未來研究的重要方向。

（4）穩定化藥劑對多種重金屬并存或重金屬與有機污染物混合的污染場地的修復效果不佳，將穩定化修復與化學修復、生物修復聯合應用，針對不同重金屬污染情況進行修復工藝組合，將有效提高土壤修復的效果。