重金屬污染土固化穩(wěn)定化技術(shù)的對(duì)比分析

何亮 王曼 陳錦斌 孫正峰

摘 ? 要：本文介紹了重金屬固化穩(wěn)定化（S/S）技術(shù)的起源，以及我國(guó)污染物場(chǎng)地的現(xiàn)狀和政策。對(duì)比分析了固化穩(wěn)定化（S/S）膠凝材料的分類和機(jī)理，以及固化穩(wěn)定化（S/S）技術(shù)的分類和機(jī)理。研究表明重金屬的固穩(wěn)包含了以下3種機(jī)制：通過(guò)固化劑的水化反應(yīng)產(chǎn)物（例如水合物CSH）與污染物的相互作用，對(duì)污染物進(jìn)行化學(xué)固定;通過(guò)各類水合物的表面對(duì)污染物進(jìn)行物理吸附;對(duì)污染物的物理包裹。在工程實(shí)踐中，固化/穩(wěn)定過(guò)程可以使用原位或非原位技術(shù)完成。

關(guān)鍵詞：重金屬 ?固化 ?穩(wěn)定化 ?對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：TU411 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）02（c）-0083-02

Abstract： This paper introduces the origin of heavy metal solidification stabilization （S/S） technology， as well as the current situation and policy of pollutant sites in China. The classification and mechanism of S / S cementitious materials， as well as the classification and mechanism of S / S technology were compared and analyzed. The results show that the stabilization of heavy metals includes the following three mechanisms： chemical fixation of pollutants through the interaction between the hydration reaction products （such as hydrate CSH） of the curing agent and pollutants; physical adsorption of pollutants through the surface of various hydrates; physical encapsulation of pollutants. In engineering practice， the curing / stabilization process can be accomplished using in situ or non in situ techniques.

Key Words： Heavy metal; Solidification; Stabilization

固化穩(wěn)定化（S/S）技術(shù)的起源可以追溯到20世紀(jì)50年代對(duì)放射性廢物的固化處置，70年代，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)土壤中污染物的固定/穩(wěn)定化技術(shù)進(jìn)行了深入研究。如美國(guó)在處理低水平放射性液體廢物時(shí)，先用蛭石等礦物進(jìn)行吸附，或者先用普通水泥將其固化，然后再進(jìn)行填埋處置。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，在場(chǎng)地修復(fù)的實(shí)際應(yīng)用技術(shù)中，固定/穩(wěn)定化技術(shù)由于對(duì)土壤中重金屬、非金屬無(wú)機(jī)物、放射性物質(zhì)和多種有機(jī)污染物都有很好的處理效果，已成為僅次于SVE技術(shù)的第二大修復(fù)技術(shù)。近些年，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)日益重視，加大了對(duì)重金屬污染場(chǎng)地的治理，隨著《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》的完成和《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的出臺(tái)，全國(guó)各地區(qū)的重金屬污染場(chǎng)地修復(fù)工程將會(huì)大量地開展。從已完成工程的處理效果來(lái)看，水泥窯協(xié)同處置和固化/穩(wěn)定化依然是最主要的技術(shù)，從環(huán)境危害、經(jīng)濟(jì)性和成本考慮，重金屬污染土固化穩(wěn)定化處置將是未來(lái)我國(guó)主要推廣和研究的技術(shù)。

1 ?固化穩(wěn)定化（S/S）膠凝材料的分類和機(jī)理

常用的S/S 膠凝材料可以分為以下4 類：（1）無(wú)機(jī)粘結(jié)物質(zhì)，如水泥、石灰等;（2）有機(jī)粘結(jié)劑，如瀝青等熱塑性材料;（3）熱硬化有機(jī)聚合物，如尿素、酚醛塑料和環(huán)氧化物等;（4）玻璃質(zhì)物質(zhì)。由于技術(shù)的完善性、成本等方面的原因，水泥和石灰等無(wú)機(jī)材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用最廣泛，占項(xiàng)目數(shù)的90%以上。在過(guò)去的50年里，應(yīng)用最為廣泛的是水泥固化重金屬技術(shù)。水泥是一種無(wú)機(jī)膠結(jié)材料，水化反應(yīng)后會(huì)生成堅(jiān)硬的水泥固化體。水泥固化的機(jī)理是重金屬在水泥的水化過(guò)程中，通過(guò)化學(xué)吸收、吸附、沉降、離子交換、鈍化等多種方式與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終重金屬以絡(luò)合物或氫氧化物的形式殘留在水泥水化形成的水化硅酸鹽膠體表面上，同時(shí)水泥的固化也為重金屬提供了堿性環(huán)境，從而抑制了重金屬的滲濾。水泥的種類很多，常見(jiàn)的有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、礬土水泥等，這些都可以作為重金屬污染物固化處理的材料，其中最常用的是普通硅酸鹽水泥。凝固時(shí)間、水灰比、水泥與廢物比、添加劑、固化塊的成型條件等工藝參數(shù)是影響水泥固化的因素，為達(dá)到較好的固化效果，在實(shí)際工程中要嚴(yán)格控制這些參數(shù)。

2 ?固化穩(wěn)定化（S/S）技術(shù)的分類和機(jī)理

2.1 石灰/火山灰固化技術(shù)

根據(jù)波索來(lái)效應(yīng)，在有水的情況下，細(xì)火山灰粉末能在常溫下與堿金屬和堿土金屬的氫氧化物發(fā)生凝硬反應(yīng)。石灰/火山灰固化技術(shù)是指利用波索來(lái)反應(yīng)的物質(zhì)為固化材料，如水泥窯灰、石灰垃圾、焚燒飛灰、熔礦爐爐渣等，對(duì)危險(xiǎn)廢物進(jìn)行的固化穩(wěn)定化方法。火山灰質(zhì)材料含有硅酸鹽或鋁硅酸鹽礦物，當(dāng)其活性被激發(fā)時(shí)，具有類似水泥的膠凝特性。在適當(dāng)?shù)拇呋h(huán)境下，火山灰物質(zhì)會(huì)與污染物進(jìn)行波索來(lái)反應(yīng)，可將污染物中的重金屬成分吸附于波索來(lái)反應(yīng)產(chǎn)生的膠體結(jié)晶中。石灰中的Ca2+對(duì)Cd2+元素有拮抗作用，而且可以提高土壤的pH值，因此石灰被認(rèn)為是抑制鎘污染的有效措施，且能促進(jìn)酸性土壤上的植物吸收鎘。

2.2 塑性材料包容法技術(shù)

塑性材料包容法屬于有機(jī)型的固化穩(wěn)定化處理技術(shù)，按使用材料的性能，可將該技術(shù)劃分為熱固性塑料包容和熱塑性材料包容。熱固性塑料指在加熱時(shí)會(huì)從液體變成固體并硬化的材料，即使以后再次加熱也不會(huì)重新液化或軟化，它實(shí)際上是一種從小分子變成大分子的交鏈聚合過(guò)程。目前使用較多的材料是脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯、酚醛樹脂等，其固化物具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、高抗?jié)B、抗凍性好等優(yōu)點(diǎn)。在眾多熱固性塑料中，脲醛樹脂使用較廣泛，具有價(jià)格低、使用方便、固化速度快、耐水性好、耐腐蝕性好。熱塑性材料指那些在加熱/冷卻時(shí)能反復(fù)轉(zhuǎn)化和硬化的有機(jī)材料，常見(jiàn)的有聚氯乙烯、瀝青、聚乙烯、石蠟等。在較高溫度下，這些材料具有可塑性和流動(dòng)性，而在常溫下則變?yōu)閳?jiān)硬的固體，這些特性是對(duì)固體廢棄物進(jìn)行固化處理的理論基礎(chǔ)。

2.3 玻璃化技術(shù)

玻璃化技術(shù)即熔融固化技術(shù)，在高溫下利用熱能把固態(tài)污染物熔化為玻璃狀或陶瓷-玻璃狀物質(zhì)，將固化體轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａw的致密結(jié)晶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)永久穩(wěn)定。污染物被玻璃化固化后，其中有機(jī)污染物將被熱解摧毀或轉(zhuǎn)化為氣體逸出，而其中的重金屬和放射性物質(zhì)則被緊密地束縛于己熔化的玻璃體內(nèi)。熔融固化技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外較先進(jìn)的重金屬固體無(wú)公害處理技術(shù)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

尚需進(jìn)一步研究經(jīng)過(guò)固化/穩(wěn)定技術(shù)處理后，重金屬污染土強(qiáng)度和微觀特性的影響因素，完善土-重金屬-固化劑三者之間的相互作用機(jī)理。歸納總結(jié)重金屬的固穩(wěn)機(jī)制有以下3種：

（1）化學(xué)固定機(jī)制。即通過(guò)固化劑的水化反應(yīng)產(chǎn)物與污染物進(jìn)行相互作用。

（2）物理吸附機(jī)制。利用各類水合物的表面實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的物理吸附。

（3）物理包裹機(jī)制。采用原位或非原位技術(shù)手段對(duì)污染物進(jìn)行物理包裹。

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