修復后污染土壤制燒結磚的可行性分析

摘要：近年來，我國經濟穩步發展，但環境污染問題依然十分突出，尤其是土壤重金屬污染。本文結合重金屬污染土壤修復技術現狀，開展修復后污染土壤制燒結磚的技術可行性分析，研究其二次污染排放監測及控制措施。研究表明，重金屬污染土壤修復技術可以限制重金屬的轉移，修復后污染土壤用于制燒結磚，可節約資源，減少環境影響，且成品磚質量合格。

關鍵詞：重金屬；污染土壤；修復；燒結磚；資源化利用

中圖分類號：TU522.1；X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.022

Abstract： In recent years， China’s economy has steadily developed， but environmental pollution problems remain very prominent， especially soil heavy metal pollution. Based on the current status of heavy metal contaminated soil remediation technology， this paper conducts a feasibility analysis of the technology for producing sintered bricks from contaminated soil after remediation， and studies the monitoring and control measures for secondary pollution emissions. Research has shown that heavy metal contaminated soil remediation technology can limit the transfer of heavy metals， after remediation， contaminated soil can be used to produce sintered bricks， which can save resources， reduce environmental impact， and ensure the quality of finished bricks is qualified.

Keywords： heavy metals; polluted soil; remediation; sintered bricks; resource utilization

土壤中重金屬的來源復雜，主要包括自然源和人為源。土壤中重金屬過多會對農作物帶來直接傷害，影響農作物對氮、磷、鉀等營養元素的吸收，抑制農作物生長，導致農產品污染，引起農產品產量下降，威脅農產品質量安全。同時，土壤中的重金屬會通過食物鏈的生物富集危害人體健康，還可能通過水環境和大氣環境間接威脅人體健康。

1 重金屬污染土壤修復技術

重金屬污染土壤中的重金屬元素難以被自然降解，只會發生形態的變化和遷移。目前，重金屬污染土壤的修復主要有兩種途徑。一是將土壤中多余的重金屬去除；二是降低重金屬的活性和有效組分，使其鈍化，減小其毒性，限制土壤中重金屬向外界環境轉移。重金屬污染土壤修復技術主要分為物理修復（排土、換土等）、化學修復（淋洗、氧化等）、生物修復（動物修復、植物修復等）以及聯合修復（物理修復-化學修復-生物修復等），其中化學固化法和土壤淋洗法是主要的修復技術。處理后的土壤通過多種方式固定或固化在特定區域，如衛生填埋、用作路基材料或者綠化用地的底土，以滿足土壤環境保護要求；部分工程采用水泥窯對其進行協同處置，或者將其代替生產原料制燒結磚[1]，經濟有效。

2 修復后污染土壤制燒結磚的技術可行性分析

2.1 技術理論依據

修復后的污染土壤成分仍以SiO2為主，成分分布比例和制磚原料成分要求基本吻合，適用于制磚[2]。修復后土壤殘留的污染物主要是重金屬，重金屬將會在磚坯高溫玻化冷卻成磚的過程中徹底固化在磚內部，這種方法原理類似污染土壤修復技術中較為成熟的固化/穩定化[3-4]。經第三方檢測單位檢測，成品磚重金屬及其他污染物的浸出濃度均達到相關國家標準要求。窯爐產生的廢氣經收集進入廢氣處理系統，采用工藝成熟、效果良好的雙堿法，將廢氣引入噴淋塔，通過噴淋進行處理。經檢測，各項指標達到相關國家標準后排放。

燒結空心磚進入窯爐進行焙燒，按照溫度的變化，該過程可以分為預熱階段、高溫階段和冷卻階段。磚坯由預熱區到達高溫區，900 ℃的高溫使得磚坯產生玻化反應，土壤中的重金屬充分與磚坯玻化體結合，起到穩定化的作用。冷卻階段，磚坯緩慢降溫冷卻，冷卻的磚坯會將重金屬徹底固化。根據技術原理和成分，修復后污染土壤適合制磚，制磚過程中，重金屬可被有效固化在磚體內。

2.2 環保性驗證試驗

在重金屬污染地塊內采集As污染土壤樣品，對土壤進行As揮發性分析試驗，使用馬弗爐作為升溫儀器進行升溫模擬，分別對土壤進行常溫、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃的加熱處理，各加熱8 h，明確As污染土壤經高溫處理是否會產生揮發作用，這關系到磚窯協同處置As污染土壤的環保可行性。加熱后，采用王水提取-電感耦合等離子體質譜法檢測各土壤樣品的As含量。結果顯示，常溫、100 ℃、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃和1 000 ℃的溫度下，加熱后土壤樣品As含量分別為16.4 mg、16.2 mg、15.3 mg、15.4 mg、15.7 mg、16.1 mg和15.6 mg。經計算，土壤As含量標準差較小，大部分數值和其平均值差異較小，數據離散程度較低。As含量變化幅度較小，無明顯趨勢。因此，溫度升高不會造成土壤中As的揮發，As污染土壤經磚窯協同處置后不會造成大氣的二次污染，具有環保可行性。

2.3 模擬性試驗

通過模擬制磚試驗，明確磚窯協同處置的重金屬穩定化效果。試驗原料為As污染土壤、頁巖（破碎后）和煤（破碎后）。污染土壤低溫（40 ℃）烘干后，過60目篩（篩網孔徑0.25 mm），混勻。經設計，污染土壤的磚窯協同處置流程如圖1所示。將原料適量加水并混合攪拌，然后送到陳化庫陳化（As污染土壤摻加量為40%）。陳化條件控制為制磚較適條件，即成型含水率為16%，時間為72 h，溫度不低于10 ℃（室溫），陳化粒度能保證塑性（頁巖粉碎后過30目篩，篩網孔徑為0.60 mm）。陳化處理的原料進入真空擠出機，擠出的泥條經切坯系統切割成型，送至晾坯間停放備用，再送入干燥窯進行干燥，干燥時間為24～26 h。最后送進窯爐進行焙燒，燒成溫度為1 000 ℃，燒成周期為40 h。坯體在窯內經過預熱、焙燒、保溫、冷卻等過程最終燒結成產品。將As污染土壤、燒結磚成品破碎、過篩并混勻，然后進行浸出測定。前處理采用醋酸緩沖溶液法，As含量檢測采用電感耦合等離子體質譜法。檢測結果顯示，原污染土壤浸出濃度為3.42 mg/L，燒結磚浸出濃度為0.017 mg/L。結果表明，燒結磚窯協同處置能夠顯著降低污染土壤的浸出濃度，原因可能是污染土壤的稀釋和制磚過程的固化作用。燒結磚窯協同處置過程中，重金屬不會揮發，整個協同處置過程能夠達到環保要求。

2.4 晶體結構研究

污染土壤制備燒結磚后，采用X射線衍射對其晶體結構進行研究。結果表明，燒結磚主要通過土壤和頁巖成分的熱轉變獲得，其圖譜中的衍射峰主要為SiO2的衍射峰。鉻、鉛、砷及銅固化后均以尖晶石晶體結構成分的形式存在，二價重金屬離子鉛和銅以外圍成分的形式存在，而三價重金屬鉻和砷則以基質成分的形式存在，形成的尖晶石結構分子式為AB2O4，其中，A為二價重金屬離子鉛和銅，B為三價重金屬鉻、砷、鋁和鐵。重金屬離子通過熱處理，轉化為礦物晶體結構成分，實現重金屬的深度固定。

2.5 燒結磚成品質量檢測

SiO2是修復后污染土壤的主要成分，也是制磚原料最主要的成分，它很適用于制磚。經檢測，燒結磚成品與普通頁巖燒結磚差別不大，抗壓強度可以超過10 MPa，平均密度大于900 kg/m3，具有較好的保溫隔熱性能，各個指標均合格。

3 修復后污染土壤制燒結磚的二次污染排放監測及控制措施

3.1 二次污染排放監測

燒結磚生產過程中，排放的尾氣為粉碎與攪拌粉塵、焙燒廢氣，需要進行處理。粉碎與攪拌粉塵收集后通過布袋除塵處理后由10 m高排氣筒排放；焙燒廢氣收集后通過脫硫塔處理裝置處理后由15 m高排氣筒排放。參考相關國家標準和行業標準，監測排氣參數，包括SO2、氮氧化物（NOx）、低濃度顆粒物、氟化物和煙氣黑度。根據《磚瓦工業大氣污染物排放標準》（GB 29620—2013）的人工干燥及焙燒排放限值（簡稱標準限值），低濃度顆粒物為30 mg/m3，SO2為300 mg/m3，NOx為200 mg/m3，氟化物為3 mg/m3，煙氣黑度（林格曼黑度）為1級。磚瓦窯廢氣監測結果如表1所示。監測結果顯示，SO2、NOx、低濃度顆粒物與氟化物的排放濃度均低于國家排放標準。

3.2 控制措施

土壤堆場底部提前鋪設高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）膜防滲，堆場四周設排水溝。天氣干燥時，堆場易產生粉塵及臭氣污染，設置噴頭灑水，抑塵除臭，堆場周圍進行綠化。雨季可用塑料薄膜、瀝青油氈或油布覆蓋，堆場產生的滲濾液由截水溝收集后排入應急水池，利用廢水處理設施處理達標后回用于生產，防止流入廠區自然環境。在線監測系統可以反映整個運行工況，當出現異常時，及時通知日常運行管理人員處理，保障系統的安全、可靠、高效運行和啟停。定期對磚窯協同處置生產線及土壤前處理系統進行檢查、維修、更換。磚窯除塵設備出現故障時，粉塵未經過布袋除塵裝置處理，影響周圍環境。在協同處置過程中，若發現廢氣處理設備出現故障，立即停止加入煤料和土壤。

4 結論

修復后重金屬污染土壤代替部分原料制磚，節約資源，最終處置效果好。制磚過程必須做好二次污染控制，在實現固廢資源化利用的同時不增加污染負荷，減少環境影響。SiO2是修復后污染土壤的主要成分，它很適用于制磚，經檢測，成品磚質量合格。

參考文獻

1 劉建華，劉其軍，孫 旗，等.某污染場地含釩重金屬土壤制磚工藝研究[J].再生資源與循環經濟，2022（11）：37-42.

2 唐文欣，趙榮萱，陳云嫩.輕度重金屬污染土壤的建材資源化及其環境影響[J].中國資源綜合利用，2022（7）：22-24.

3 楊伯杰，林創發.土壤重金屬污染現狀及其修復技術方法概述[J].能源與環境，2015（1）：60-61.

4 宋 云，李培中，郝潤琴.我國土壤固化/穩定化技術應用現狀及建議[J].環境保護，2015（15）：28-33.

收稿日期：2024-01-30

作者簡介：孫凱（1990—），男，浙江杭州人，工程師。研究方向：水處理、固廢資源化。