重金屬污染河道底泥穩定化固化技術分析

鄭培銘，徐柯凡，董旭斌

（浙江仁欣環科院有限責任公司，浙江 寧波 315016）

在可持續發展理念的影響下，國家相關部門高度關注水體污染治理工作的落實，尤其是對于河道底泥重金屬元素的污染治理得到了整個社會的高度重視。因為河道底泥沉積物的污染治理與水體水質之間的關系十分緊密，在河道底泥污染物達到一定數量的情況下，就會在河道底泥中不斷儲存，在污染物濃度達到飽和狀態時，將會對水體質量產生嚴重影響。因為重金屬污染物無法進行生物降解，很容易通過吸附等途徑在河道底泥中逐漸積累，在其濃度達到飽和極限要求的情況下，會再一次釋放到水體中，對水生生物、水體環境以及人類健康都會產生極大地危害。穩定化固化技術作為目前重金屬污染河道底泥有效的處理方式，對于我國水體環境的治理和保護有著十分重要的作用。本文通過研究探討重金屬污染河道底泥穩定化固化處理的常用物質及技術，希望能夠為今后我國重金屬污染河道底泥處理工作的落實提供參考。

1 底泥重金屬形態概述

重金屬污染作為目前我國水體污染常見的一種形式，重金屬在河道底泥中的存在形式就是重金屬形態[1]。因為重金屬絕大部分屬于過渡元素，具有明顯的活性較強、價態多的特點，很容易受到溫度、環境酸堿度數值、電導率等多種因素的影響。通常，重金屬形態可以分為價態、化合態、結合態和結構態四種不同的類型。從目前我國河道底泥重金屬污染的研究看，按照重金屬元素含量進行重金屬污染影響和特征方面的研究缺乏一定的科學依據，需要對河道底泥內部的重金屬元素既存形態進行全方位分析。這主要是因為河道底泥重金屬存在的形態對其遷移轉化規律、溶解性、毒性等都會產生決定性的影響。重金屬形態分析則是指測定某一重金屬元素在環境條件下存在的各種化學、物理形態的過程。河道底泥中的重金屬元素含量不會對其危害大小產生決定性影響，重金屬元素本身的遷移性、毒性、溶解性才是其產生危害的真正根源，這些都取決于重金屬元素的形態。對存在于水體中的重金屬元素而言，其遷移和轉化通常會受到環境中pH值、氧化還原電位等因素的影響。對重金屬元素存在形態和溶解度產生直接影響的條件則是環境中的pH值以及氧化還原電位[2]。河道底泥環境體系中存在著碳酸鹽結合物、鐵錳氧化礦物和有機質硫化物等多種混合物，重金屬可以通過吸附、沉淀、離子交換等多種方式與這些混合物進行結合，不斷地在河道底泥中積累，當達到一定數量時會再次釋放到水體中，因而會再次污染水體。

2 河道底泥中的重金屬污染物來源分析

2.1 生產廢水

以目前我國經濟、社會的發展看來，導致河道底泥出現重金屬污染的主要原因就是各類工業廢水和城市生活污水。通常，印染廠、制衣廠和皮革廠等會沿著河流沿岸分布，即使可持續發展以及生態環境保護理念下，我國已經明確規定了各類生產、生活廢水的排放標準，但是部分小型企業為了降低成本，仍然會將一些未經全面處理的廢水直接排放到河流中。同時，企業在對各類工業生產廢水和生活污水進行全方位處理后，即使廢水中的重金屬污染物濃度完全符合我國現行的排放標準要求，但因為這些廢水每日的排放規模較大，使得水體和河道底泥吸附的污染物數量有所增加，帶來一種緩慢污染的現象。我國部分經濟發展落后或者是地理位置偏遠的地區，日常產生的生活污水并沒有與城市排污管網進行有效連接，而是直接排放到水體或者是地表中，在水體污染物含量超過水體原有自我凈化能力的情況下，就會帶來較為嚴重的水體污染問題。

2.2 土壤沖刷

結合國家環境保護部和國土資源部兩部門發布的《全國土壤污染狀況調查公報》結果看，我國的耕地質量始終未能得到明顯提高，其中的首要污染物便是Cd，該重金屬元素的含量呈現出一種從西北到東南、從東北到西南逐漸增加的趨勢[3]。2020年的《中國耕地地球化學報告》中明確指出我國污染超標的耕地面積已經達到了0.076億公頃，并且這些污染超標的土地主要分布在湖南、湖北、江西、安徽以及西南地區[4]。土壤內部分布的各種重金屬可以通過地表徑流、地下滲透以及降雨等多種方式最終匯入河流并沉降在河道底泥中。我國農業生產中所用的磷肥中含有較高的Cd，肥料的長期使用導致土壤中的重金屬元素含量進一步增加。我國農業在規模化發展過程中，有機肥料同樣也包含了Zn、Cu等重金屬元素。雖然有機肥料在農田中的使用能夠提高農業產量，但同樣也會使土壤中的Zn、Cu類重金屬元素的含量逐漸累積，并伴隨著地下水的滲透以及地表的徑流逐漸匯入到河道的底泥中。

2.3 大氣沉降

重金屬元素同樣是我國大氣污染的主要污染物，但分布在大氣環境中的重金屬因素主要是來源于能源產業、冶金行業、建筑材料生產過程中產生的各種氣體和粉塵。這些污染源中分布的重金屬元素通常會以氣溶膠的形態進入到大氣環境中，并且可以通過顆粒物沉降以及雨水滲透的方式進入到水體和土壤中，并最終沉積到河道底泥中。同樣會在達到污染物含量臨界數值的情況下，造成水體的二次污染，對于水生環境的穩定運行和人體健康帶來嚴重危害。

2.4 固體廢棄物

目前，我國部分地區的建筑垃圾、生活垃圾通常也會在靠近城鎮的河流周邊進行隨意堆放。在自然降水以及排水兩種因素的影響下，固體廢棄物中所含有的重金屬元素會以廢棄物堆積位置作為中心逐漸向四周環境擴散，在進入水體后便會逐漸被底泥吸收并逐漸積累。此外，我國部分大型工礦企業的礦渣場、灰渣場和粉煤灰場同樣會在雨水和地表徑流的雙重影響下，將重金屬元素逐漸匯集到附近河道的底泥中。

3 重金屬污染河道底泥的穩定化固化處理技術中常用物質的分析

3.1 水泥

作為一種粉狀水硬性質的無機凝膠材料，水泥也是當下建筑工程施工中常用的一種材料，在經過加水攪拌處理之后，能夠生成硬度相對較高的水泥固化體，這也是目前我國重金屬污染河道底泥穩定化固化處理過程中一種常用的材料。水泥可以在經過加水攪拌處理時，借助水化反應生成的副產物對于各種目標重金屬物質進行包裹，確保能夠將河道污染底泥中的各種重金屬離子轉化為金屬沉淀物，或者是轉化為其他不活潑化學性質狀態，最終可以做到將這些有毒、有害的重金屬元素物質轉化為符合國家相關標準要求的低毒性物質，以免重金屬元素在水體中的持續擴散以及遷移。在具體處理過程中，可以在河道的重金屬污染底泥中通過添加適當數量的水泥進行固化，而在固化處理完成后的土壤浸出液中的重金屬濃度可以做到完全符合滲濾液內部污染物濃度指標的具體要求。經過固化后的污染土體因為在抗壓強度方面的優勢較為明顯，同樣可以滿足工程建設的需求。

在重金屬污染河道底泥穩定化固化處理過程中，使用水泥可使整個穩定化固化操作處理流程變得簡單，并且成本投入相對較低，那些含水量相對較高的河道底泥也不需要進行預先處理，且經過穩定化固化處理后的底泥在耐熱性和強度方面都有明顯的優勢，能夠進一步實現廢棄資源的利用。但需要注意的是，水泥這種固化穩定物質的使用會使固體的體積有所增加，從而帶來明顯的膨脹現象。因為水泥固化之后所生成的固體物質在抗酸性方面的劣勢較為明顯，在酸性環境下經過固化處理之的重金屬會二次溶出[5]。

3.2 火山灰質的混合材料

火山灰質的混合材料作為重金屬污染河道底泥穩定化固化處理中的一種常用物質，具體可以分為二氧化硅和氧化鋁。這類材料在經過加水處理之后，能夠在常溫環境下和氫氧化鈣發生化學反應，最終生成膠凝性質的水硬性產物。火山灰質的混合材料本身并沒有水硬性特點，需要與其他堿性材料進行混合處理后方能夠具備水硬性特點。在處理重金屬污染河道底泥的過程中，可以將不同比例的粉煤灰添加到水泥材料中，以來提高水泥固化的強度，并且經過固化處理后的重金屬元素浸出液的濃度明顯降低。此外，廢棄的粗粉煤灰以及水泥物質系統的應用可以在河道底泥的鉛、鋅、銅等重金屬處理過程中發揮明顯的優勢。粉煤灰在水泥這種固化物質中添加比例的差異與固化時間之間有著明顯的正相關關系，并且經過固化后的淤泥含水量有所下降，抗壓強度也得到了明顯提高。火山灰質的混合材料應用在河道重金屬底泥穩定化固化過程中，成本投入相對較為低廉，并且固化效果也相對較為優秀。但因為這類物質的成分相對較為復雜，無法單獨使用，需要通過添加適當比例的火山灰質混合材料，降低水泥、石灰等物質的使用數量，才能確保在有效利用火山灰質混合材料的同時，進一步降低河道底泥重金屬污染處理的成本。

3.3 各類化學藥劑

化學藥劑是當下重金屬污染河道底泥穩定化固化處理中的又一種全新物質，將一些化學藥劑加入到底泥中，可以改變重金屬的存在形態，將之轉變為在毒性、溶解性、遷移性等方面都不具備明顯優勢的物質。磷酸鹽化學藥劑可以將重金屬元素吸附在其表面，或者與重金屬元素進行化學反應后進行形成沉淀，從而達到良好的固化效果。硅鈣類的化學固化處理劑是由氧化鈣和氧化鎂兩種物質組成的，能夠在改變底泥環境酸堿性的同時，改變重金屬元素的電荷，并且這兩類物質也能夠有效吸附重金屬離子。含有鐵元素的化學藥劑在處理河道底泥重金屬元素的過程中，不但能夠在吸附各種物體中的金屬雜物上發揮明顯的作用，并且對于那些穩定性相對較差的重金屬膠體物質也能夠發揮良好的吸附作用。化學藥劑在重金屬污染河道底泥穩定化固化處理的過程中有著明顯的針對性，能夠在實現重金屬污染物無害化處理的同時，實現底泥的容量不增加或是少增加的目標。但因為其成本投入相對較高，并且部分化學藥劑的使用很容易帶來二次污染，因此，需要相關人員結合具體狀況進行選用。

4 國內重金屬污染河道底泥的穩定化固化處理技術應用分析

4.1 磷酸鹽穩定化固化處理技術

磷酸鹽類物質在重金屬污染河道底泥穩定化固化處理過程中，能夠顯著的降低各種重金屬污染物的毒性以及生物危害性，并且經過化學反應生成后的復產物有著較好的化學穩定性。在河道底泥酸堿度環境相對固定的情況下，磷酸鹽可以與重金屬元素發生反應生成相應的沉淀或是礦物，同時金屬離子能夠與鈣離子發生離子交換反應，將重金屬元素吸附到晶格結構中，從而生成含有重金屬的羥基磷灰石產物。此外，在環境條件和水合作用的影響下，磷酸鹽可以和鈣離子、氯離子經過反應最終生成重金屬磷酸鹽，其化學性質十分穩定。在對金屬污染河道底泥進行穩定化固化處理過程中，通過應用磷酸燒結法，并配合TCLP以及Teisser連續提取法能夠保障河道底泥中的各種重金屬元素經過化學反應后生成產物的形態變得越發穩定[6]。考慮到鐵和磷可能會在化學反應中產生相互作用，在重金屬污染河道底泥環境處理過程中，可以使用水鐵礦以及磷灰石兩種物質，這些物質的使用能夠進一步提高河道底泥的環境友好指標。由此也不難看出，磷酸鹽的河道底泥穩定化固化處理技術有著較為廣闊的應用和發展前景。

4.2 無機物的混合穩定化處理技術

在重金屬污染河道底泥穩定化固化處理過程中，為了保證各種重金屬元素被完全沉淀，化學反應需要在一種中性偏向堿性的環境中進行。絕大部分的無機物都能夠提高河道底泥環境的pH值，并與重金屬發生反應后產生沉淀物質，經過反應生成的物質化學穩定性相對較高，最終實現了重金屬元素釋放量有效削減的目標。就目前國內外有關重金屬污染河道底泥的處理實踐看來，絕大部分地區都開始利用無機物混合穩定化固化處理方式，并且針對這種技術的原理進行了進一步研究和探討。電石渣、粉煤灰二者在通過一定比例混合之后能夠形成一種膠結料，實踐證明這種物質對河道底泥的重金屬元素穩定化、固化處理有著明顯的效果，并能夠有效降低河道底泥二次污染問題的發生概率。韓國相關學者通過灼燒牡蠣殼和廢牛骨之后，將這一混合材料與煤礦的排水污泥進行有效混合，在處理河道底泥的鉛、砷等重金屬物質的過程中取得了十分良好的效果。

4.3 有機物的穩定化固化處理技術

有機物河道底泥的穩定化固化處理技術得到廣泛應用的主要原因是重金屬和有機螯合劑之間存在著明顯的耦合作用，使底泥中重金屬元素的含量能在一定程度上減少。有機螯合劑與河道污染底泥中的金屬元素反應能夠生成螯合物，這類產物帶有明顯的疏水性、難溶性特點，并且產物的形態也變得越發穩定，能夠降低河道底泥中各種重金屬元素的毒性。目前用于重金屬污染河道底泥處理中的有機螯合劑代表包括二異丙基二硫代磷酸鉀、DTCR、磷酸鈉、硫化鈉等，經過相關專家學者的實踐研究證明，二異丙基二硫代磷酸鉀相較于其他三種有機螯合劑，在處理河道底泥重金屬污染物中取得的效果更加穩定。

5 總結

重金屬元素作為我國水體污染的重要污染源，在河道底泥中的長期淤積會帶來較為嚴重的水體二次污染，從而威脅到水生生態環境以及人們的身體健康。穩定化固化技術作為處理重金屬污染河道底泥的重要方式，可以通過合理地選用水泥、火山灰質混合材料以及化學藥劑等進行磷酸鹽、有機物和無機物的穩定化固化處理操作，在有效吸附各種重金屬離子的同時，降低重金屬元素對于水生生態環境帶來的危害。隨著我國經濟社會的可持續發展，重金屬污染河道底泥的穩定化固化處理技術含量也會逐漸提高，并且所運用的各種處理物質類型也會逐漸增加，能夠在推動我國水體污染防治工作落實的基礎上，提高水體的生態環境質量。