重金屬污染場地水泥窯協(xié)同處置修復工程案例

柯瑞,周沖,王星,李慧

(1.中蘭環(huán)保科技股份有限公司,廣東 深圳 518000;2.湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊,湖北 武漢 430100)

重金屬污染產(chǎn)生的原因有很多種,其中主要形成原因是人類的生產(chǎn)生活活動[1]。如化學制藥、石油化工等工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢渣、廢氣和廢水,這些廢渣、廢氣和廢水含有大量的重金屬,它們通過各種方式進入土壤中,造成土壤重金屬污染[2]。本項目場地正是制藥企業(yè)[3]拆遷后的遺留場地,在生產(chǎn)過程中由于環(huán)保意識不強,未采取有效的管控措施,造成了土壤的重金屬污染。

張益碩等人[4]的研究表明土壤重金屬的修復是通過阻止重金屬污染物的遷移、減少重金屬污染的總濃度、降低生物對重金屬的富集作用,使土壤環(huán)境中的重金屬對人體的危害降低,可分為物理、化學、生物及聯(lián)合修復方式[5]。郭寶蔓等人[6]研究了水泥窯在重金屬污染土壤中的應用,總結出水泥窯協(xié)同處置技術適用范圍廣、修復快速且效果徹底,有助于污染地塊盡快移出污染名錄,加快后續(xù)開發(fā)建設,并保證地塊的長期安全性;同時產(chǎn)生了可觀收益,可廣泛應用于污染土壤修復。

本文通過研究水泥窯協(xié)同處置重金屬污染土壤的工程實例,對此實例的修復全過程進行了系統(tǒng)地研究總結,進而表明重金屬污染場地使用水泥窯協(xié)同處置的技術和經(jīng)濟是可行的。修復后的場地徹底解決了污染土壤風險,修復目標完成,后期也不需要進行長期監(jiān)控等措施,為土壤修復提供了一種新思路和途徑,為后續(xù)類似場地的修復提供了工程管理和技術參考[7-9]。

1 項目背景

1.1 場地概況

項目場地距離長江300 m,占地面積28 852.404 m2。1997年12月建成制藥生產(chǎn)車間,主要采用生物發(fā)酵工藝生產(chǎn)過紅霉素堿、四環(huán)素堿等抗生素原料藥和制劑產(chǎn)品。隨著城市的發(fā)展,場地四周陸續(xù)建設了城市主干道、學校、商場和居住小區(qū)等,有發(fā)展成城市區(qū)域中心的趨勢。為適應城市的發(fā)展需求,2010年場地工廠停產(chǎn),2021年完成設備、廠房的搬遷和拆除工作。政府根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃將地塊規(guī)劃為二類居住用地和商住用地。管地塊所有權人按照《土壤污染防治法》要求委托第三方調(diào)查單位對場地進行了調(diào)查和風評,并根據(jù)風評結論按程序通過招投標優(yōu)選了專業(yè)公司對場地進行了修復。

1.2 水文地質(zhì)

前期場地調(diào)查工作期間建設了6口水文監(jiān)測井,并對6口水文監(jiān)測井進行了穩(wěn)定水位觀測,其中:JX-ZK1點位水位埋深0.4 m、標高21.707 m,JX-ZK2點位水位埋深0.55 m、標高18.567 m,JX-ZK3點位水位埋深0.63 m、標高18.797 m,JX-ZK4點位水位埋深0.48 m、標高23.08 m,JX-ZK5點位水位埋深0.45 m、標高19.347 m,JX-ZK6點位水位埋深0.77 m、標高20.715 m。總結水溫監(jiān)測數(shù)據(jù),繪制等水位線圖,表明場區(qū)地下水流向為自東向西,水位最大高差約4.5 m,水力梯度約3%。查閱區(qū)域水文資料分析,地下水流向同時會受降雨量及長江水位影響,季節(jié)性變化。

初詳查為場地拆除前,部分區(qū)域取樣有偏差。2021年場地完成拆除后進行補充取樣調(diào)查,補充了前期不足區(qū)域的調(diào)查數(shù)據(jù)。依據(jù)土工樣分析,場區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件較簡單,地層巖性為第四系(Q4ml)雜填土、第四系湖積(Q4l)淤泥、第四系沖洪積(Q4al+dl)黏土。自上而下地層巖性依次為:

1)雜填土(Q4ml),雜色,松散,潮濕,主要由建筑垃圾及碎石組成,充填少量黏性土。場區(qū)全場分布,層頂高程14.08～20.82 m,層厚分布為0.6～5.3 m,平均層厚3.27 m;

2)淤泥(Q4l),灰黑色,軟塑,含腐殖質(zhì),有腥臭味,場區(qū)局部分布,部分未揭穿。層頂高程13.65～18.39 m,層厚分布為0.8～1.7 m,平均層厚1.22 m;

3)粉質(zhì)黏土(Q4al+pl),褐黃色,可塑,含少量鐵錳質(zhì)氧化物。場區(qū)全場分布。層頂高程12.25～17.03 m,層厚分布為0.7～5.4 m,平均層厚2.61 m。

1.3 場地調(diào)查情況

根據(jù)項目調(diào)查及風評報告顯示,調(diào)查階段共檢出重金屬指標8種(砷、鎘、銅、鉛、汞、鎳、銻、釩),其中砷、鎘、鉛、汞、銻、釩污染物濃度超過本地塊的土壤篩選值,砷、鎘、鉛超過了管制值。

超過一類用地篩選值的污染物有重金屬砷、鎘、鉛、汞、銻、釩共6種,但超標率均較低。其中,鎘超標率為2.89%,砷、汞、銻、釩超標率為1.16%,鉛超標率為0.58%。整個地塊超標點位較少,共計5個。

地下水檢測指標包括《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)表1中常規(guī)指標。對比Ⅳ類標準,本次調(diào)查的上層滯水中主要是總硬度和碘化物存在輕微超標。

表1 土壤中關注污染物的修復目標值

依據(jù)用地規(guī)劃性質(zhì),進行了健康風險評估,結果顯示,砷、鎘、鉛、汞、銻、釩6個指標風險計算結果均超過了可接受水平,可能對人體具有危害,需采取進一步的修復措施。地下水中僅總硬度、碘化物超篩選值,但兩種污染物在現(xiàn)有的情境下均沒有暴露途徑,表明在該地塊上層滯水對人體沒有健康風險,不需要開展下一步的管控措施。

1.4 修復目標和工程量

根據(jù)風險評估結論,對項目場地污染土壤治理后,場地土壤中相關重金屬含量不超過如表1所示限值。

項目治理對象主要為重金屬污染土壤,經(jīng)計算地塊范圍內(nèi)各層污染面積和深度,治理工程量如表2所示。

表2 地塊超修復目標值面積及方量

2 修復技術方案

選擇修復技術方案時,根據(jù)場地用地規(guī)劃、場地的污染特征和風險評價結果,一般優(yōu)先選擇風險管控措施。對于需要采用修復措施的區(qū)域,一般考慮土地未來的規(guī)劃和建設施工,將修復措施與土地未來規(guī)劃和建設施工相結合,再綜合考慮修復措施對后期開發(fā)建設影響,避免重復工作,造成資源浪費。項目整體技術路線如圖1所示,主要分為污染土壤清挖和轉運、水泥窯協(xié)同處置、項目驗收等主要工程。

圖1 修復技術路線圖

3 項目實施

3.1 施工準備

項目實施前需進行資料收集、方案編制及評審等工作。項目現(xiàn)場也需進行功能分區(qū)及建設,各種物料、機械設備及人員準備,為項目的實施提供堅實的基礎。

3.2 土方開挖、暫存和運輸

3.2.1 測量放線

對修復區(qū)域按照設計點位使用RTK進行測量定位,監(jiān)理單位派員旁站復核,參建各方確認無誤后進行后續(xù)清挖施工。

3.2.2 污染土壤開挖

首先進行地表硬化進行破除,轉運至建渣處置區(qū)域進行沖洗處置,污染土壤進行分層開挖轉運至暫存區(qū)使用ALLU斗進行分篩堆存,污染土壤覆蓋HDPE膜防止雨水及揚塵,建渣轉運建渣處置區(qū)處置。其次開挖過程中地基等障礙物及時按實施方案進行破除處置,并做好記錄。最后開挖到設計范圍后及時進行取樣自檢和效果評估,檢測不合格區(qū)域擴大開挖范圍,直至檢測指標合格。

3.2.3 污染土壤場內(nèi)暫存

采用“0.3 m厚粘土保護層+1.5 mm雙光面膜+20 cm C20混凝土”對地面進行防滲,防滲面積450 m2,該防滲場地作為土壤開挖后的臨時暫存場地,土壤暫存并及時苫蓋,并在四周設置排水溝。

3.2.4 污染土方運輸

嚴格按照批準的運輸路線進行,使用符合標準車輛,出場前對車輛進行清洗,使用北斗系統(tǒng)監(jiān)控車輛運行軌跡。污染土壤按要求進行覆蓋,使用《污染土壤運輸聯(lián)單》各方簽字確認土方重量等基本信息。

3.3 水泥窯處置

水泥窯處置單位取得相應處置資質(zhì),按照《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術規(guī)范》(HJ 662—2013)與《水泥窯協(xié)同處置固體廢物污染控制標準》(GB 30485—2013)的要求進行處置。

水泥窯協(xié)同處置總體流程如圖2所示,主要處置過程為污染土壤貯存、預處理、投加、焚燒和尾氣處理等流程。相關單位全程監(jiān)控,對處置現(xiàn)場、處置過程的二次污染控制效果、處置后水泥產(chǎn)品質(zhì)量進行監(jiān)測評估。

圖2 水泥窯協(xié)同處置總體流程圖

污染土壤作為水泥的部分生料,添加比例為3%～5%。生料經(jīng)窯尾塔架頂部喂入預熱器,經(jīng)過四級旋風筒與上升的高溫氣流逐級換熱后進入分解爐,爐內(nèi)窯尾高速噴騰而上的近1 000 ℃的氣流與三次風管高速水平對向噴入的850～950 ℃的兩股氣流和煤粉交匯混合,煤粉無焰燃燒,整個爐內(nèi)形成了氣溫達870～900 ℃的溫度場,氣體在爐內(nèi)通過時間為2 s、物料在爐內(nèi)通過時間為5～7 s;生料大部分在此分解,分解率高達90%,分解后物料由分解料上部隨氣流進入第五級旋風筒內(nèi),物料與廢氣分離從豎煙道(與爐底部相接)兩側喂入窯尾。在整個流程中,水泥窯內(nèi)高溫氣體與物料流動方向相反,湍流強烈,有利于固相的充分混合、提高傳熱傳質(zhì)與熱化學反應效率;物料在回轉窯高溫狀態(tài)下停留時間長,有利于廢物充分高溫分解。

窯尾氣溫可達1 050 ℃,生料由此開始主要進行固相反應,同時隨窯旋轉緩慢向窯頭移動,直至進入燒成帶(距窯20 m處)進行充足的液相反應;在此,由三通道燃燒器噴入煤粉劇烈燃燒,提供充足熱量,氣體溫度高達1 750 ℃,物料溫度達1 450 ℃,保證了分解后物料反應完全,煅燒為優(yōu)質(zhì)的水泥熟料。

3.4 基坑回填

基坑使用外購凈土進行回填,分層壓實。回填凈土按照《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設用地土壤污染風險管控標準》(GB 36600—2018)表1中45項指標進行檢測,檢測結果達到一類用地要求限值以下。

3.5 二次污染防控措施

修復過程中主要針對大氣、水、固廢、噪聲和土壤進行二次污染防控。

1)水污染防治:雨污分流、污水分類處置方式,修建截水溝防治雨水進入污染區(qū),污染廢水使用污水處置設施處置外排,生活污染進城市污水管網(wǎng)。

2)大氣污染防治:外露土方覆蓋防揚塵,露天施工在無風或風速較小時進行,使用霧炮降塵,機械設備有合格尾氣處置裝置。

3)固廢污染防治:分類收集,生活垃圾專委托環(huán)衛(wèi)處置,其他一般固廢綜合利用或者填埋。

4)噪聲防治:使用低噪聲設備,合理安排施工工序。

5)土壤污染防治:暫存處置區(qū)等進行防滲、沿途遺漏及時收集,強化監(jiān)測。

4 項目修復效果評估

4.1 土壤清挖范圍及效果評估

查閱工程資料記錄及復核確定的污染范圍完成基坑清挖工作,水平邊界及垂向高程均符合清挖要求。采集72套基坑側壁及坑底樣品,所有開挖基坑坑底和側壁關注污染物檢測結果滿足評估目標值,所有驗收樣品均已經(jīng)檢測合格,達到驗收標準。

4.2 外運處置效果評估

核實施工單位轉運量,處置單位接收處置量,污染土壤外運量、接收量及處置量一致。外運污染土壤4 729.52 t,處置單位出具接收處置證明,完成處置。對產(chǎn)品熟料進行檢測,處置效果滿足驗收標準。

4.3 修復過程環(huán)境影響評估

土壤運輸與儲存環(huán)保措施落實到位,整體施工過程中環(huán)保措施情況落實到位,施工過程中未對環(huán)境造成二次污染。

4.4 潛在二次污染區(qū)驗證及建渣回填土監(jiān)測

潛在二次污染區(qū)共采集10套樣品,所有樣品均未超過該階段地塊修復目標值,施工過程中未對周邊土壤造成二次污染。廢棄建渣共計采集3個樣品,所有樣品均未超過該階段地塊修復目標值。回填土共計采集6個樣品,監(jiān)測因子為土壤常規(guī)45項,選擇具備CMA和CNAS資質(zhì)的第三方公司進行檢測,所有樣品均達到《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)中一類用地篩選值。

5 結論

1)完成地塊污染土壤4 729.52 t污染土壤的開挖及水泥窯處置。

2)水泥窯協(xié)同處置重金屬砷、鎘、鉛、汞、銻、釩的污染土壤是可行的。后期不需對地塊進行長期監(jiān)控,修復效果滿足使用要求。

3)對于一類用地要求的重金屬污染場地可參考本工程模式及修復技術,具有較高的推廣價值。