铬污染土壤固化／稳定化技术工程应用研究

铬污染土壤固化/稳定化技术工程应用研究

[摘要]我国是世界铬盐生产大国，每年产生大量的铬渣，铬渣堆放对土壤环境造成严重污染。国家”十二五”规划明确提出了重点地区铬污染土壤的治理目标，铬污染土壤的治理工作正迅速展开。固化/稳定化技术工艺操作简单、处理时间短、固化剂易得，目前在我国70%以上铬污染土壤治理工程中得到应用。本文通过铬污染土壤固化/稳定化技术工程应用环节的研究探讨，分析总结实施过程中的存在问题，并对该技术的工程应用提出展望。

[关键字]铬污染土壤固化稳定化技术工程应用问题与展望

1铬污染土壤固化/稳定化技术工程应用背景

我国是世界铬盐生产大国，年产量超过60万吨，在其生产过程中产生大量铬渣。铬渣中含有0.3-1.5%可溶性Cr（VI），经降雨和地表水的冲刷，Cr（VI）进入周围土壤和地下水，对环境造成严重污染。国家环境保护”十二五”规划中，将铬渣堆场列为我国土壤重金属污染重点治理对象。

铬在土壤中一般以两种价态存在，Cr（VI）和Cr（III）。Cr（VI）以易溶于水的铬酸根（CrO42-）和重铬酸根（Cr2O72-）存在，在土壤和地下水系统中迁移性很强。Cr（VI）对于细胞具有较强的穿透能力，还有较高的氧化能力，对生物体有较强的毒性和致癌作用。Cr（III）是高等动物必须的微量元素之一，高浓度下也有一定的毒性，在一般地下水环境中不易移动。

铬污染土壤治理有堆肥技术、电动修复技术、生物修复技术、热解还原技术、淋洗技术、固化/稳定化技术[1]。综合这些技术的可靠性、可操作性、治理时间和成本，目前工程中应用最多的是固化/稳定化技术。美国环保署将固化/稳定化技术称为处理有毒有害废物的最佳技术，1982-2005年间，美国超级基金共对977个场地进行修复或拟修复，其中217个场地修复使用固化/稳定化技术[2]。在我国，固化稳定化技术是工程中常用的修复技术，铬污染土壤治理中应用达70%以上。

2.铬污染土壤固化/稳定化系统设计

2.1铬污染土壤的固化/稳定化系统

铬污染土壤的固化/稳定化包括两个过程：稳定化和固化。稳定化是将六价铬还原为三价铬，降低铬在环境中的迁移性和生物可利用性，从而降低铬污染的危害。固化是将被铬污染的土壤与某种粘合剂混合通过粘合剂固定其中的铬，使铬不再向周围环境迁移。

在铬污染土壤固化/稳定化技术系统设计中，需要综合考虑氧化还原、胶凝固化、吸附三方面因素，铬污染土壤固化稳定化系统设计中常用的药剂有：

（1）还原剂（稳定剂）：硫酸亚铁、过硫化钙、硫代硫酸钠、亚硫酸氢纳、零价铁、煤炭、纸浆废液、锯木屑、谷壳、高炉渣。

（2）固化剂（碱性物质+固化基材）：氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸盐水泥、石灰窑灰渣。

（3）吸附剂：活性炭、粘土、锯木、沙、粉煤灰、有机聚合物。

2.2以水泥为基料的固化系统

水泥是水硬性胶凝材料，加水后能发生水化反应，逐渐凝结和硬化。水泥中的硅酸盐阴离子以孤立的四面体存在，水化时逐渐连接成二聚物以及多聚物---水化硅酸钙（CSH），同时产生氢氧化钙。CSH是一种由不同聚合度的水化物所组成的固体凝胶，是水泥凝结作用的最主要物质，也可以对污染物进行物理包封、吸附或化学键合等作用，是污染物稳定化的根本保证。另外，水化反应能显著提高系统的PH，有利于重金属转化为溶解度较低的氢氧化物或碳酸盐[3]。

2.3以石灰为基料的固化系统

石灰是一种非水硬性胶凝材料，其中的钙能够和土壤中的硅酸盐形成水化硅酸钙，起到固化作用。该系统的固化产品具有多空性，有利于污染物质的浸出，且抗压强度和浸泡性能不佳，因而较少单独使用，通常与火山灰类物质共用。火山灰类物质本身不能发生凝硬反应，但可被碱性物质激活生成CSH，CSH能够堵塞石灰固化遗留的空隙增加固化体的密度，还能对污染物起到稳定作用。

3固化/稳定化工艺

固化稳定化工艺有两种：异位和原位，异位固化稳定化技术是将污染土壤挖掘出来，运输至一个处理系统中实现与还原剂固化剂的混合和后续养护，异位处置的优点是能够很好地控制药剂的加入量，能够保证污染土壤与固化剂的充分混合。异位处置的方式主要有3种：混合机、混合池和喷雾方式[4]。混合机的方式是将污染土壤送至混合机中与固化剂混匀，这是目前工程应用上最常用的一种方式。

原位固化/稳定化技术不需要将污染土壤挖掘出来，利用各种挖掘、钻探和耕作设备，实现土壤和固化剂的混匀。改良的中空螺旋钻可以实现深层土壤与固化剂的混合，处理深度可达20-30米；当挖掘铲能够到达污染深度时，可以利用挖掘铲翻转土壤实现土壤与固化剂的混合过程；当土壤污染深度较浅且面积较大时，可以利用改良的旋耕机实现土壤与固化剂的混合。

目前铬污染固化/稳定化技术治理工程应用中，由于场地地质资料不全、场地地下水水文情况不清、污染范围广、污染严重，限制了原位固化/稳定化技术的工程应用。在这种情况下，人们较倾向采用异位固化/稳定化治理技术。

4固化稳定化影响因素

影响稳定化的因素有土壤颗粒大小、还原反应的液固比、PH值、反应时间[5]。铬污染土壤在进行稳定化之前，需要进行土壤的预处理，将土壤经过破碎、筛分等程序使土壤颗粒达到稳定化工艺要求，根据预处理后土壤的粒度确定还原剂液与污染土壤的液固比，还原剂液与污染土壤混合反应后物料的PH值应小于5。根据液固比、PH值确定单次反应的时间，应保证足够的反应时间。

水泥和石灰的水化作用是凝固和硬化的必要条件，影响水化反应的因素都会影响污染土壤固化的效果，主要分为两个方面：（1）污染土壤的理化性质，包括：土壤的pH值、土壤物质的组成（2）固化工艺，包括胶凝材料和添加剂品种与用量、水分含量、混合的均匀程度、养护条件[6]。