王湘徽

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 200001）

由于我國近年來快速的城市化進(jìn)程，在“退二進(jìn)三”的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級中，大量污染企業(yè)搬遷后的可能問題場地被遺留在城區(qū)［1］。如果在該類地塊直接開發(fā)將給其上和周邊的居民帶來嚴(yán)重的環(huán)境和健康風(fēng)險，如何對搬遷遺留下來的老工業(yè)場地進(jìn)行環(huán)境管理和修復(fù)治理已成為當(dāng)前的環(huán)保工作新熱點(diǎn)。土壤污染修復(fù)技術(shù)主要可分為原位修復(fù)及異位修復(fù)2大類別，其中異位修復(fù)包含固化穩(wěn)定化、化學(xué)氧化還原、生物修復(fù)等10余種細(xì)分技術(shù)。土壤顆粒的有效破碎以及與藥劑的均勻混合是絕大多數(shù)異位修復(fù)技術(shù)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，若破碎混合效果較差將會直接影響土壤修復(fù)的最終效果和經(jīng)濟(jì)效益。

由于土壤中的固體顆粒很少以單粒形式存在，多是單個土粒在各種因素綜合作用下相互粘合團(tuán)聚，形成大小、形狀和性質(zhì)不同的團(tuán)聚體，因此修復(fù)藥劑往往只能與大塊土壤團(tuán)聚體的表面接觸和反應(yīng)，而無法作用到團(tuán)聚體的內(nèi)部污染物。要實現(xiàn)充分接觸與混合只能采用2種工藝：①將土壤加水至泥漿懸濁態(tài)后加藥劑混合；②利用機(jī)械破碎土壤至粒徑分布滿足90%在1 cm以下（團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體）。黏性土壤泥漿態(tài)后的脫水極其復(fù)雜和困難，且容易造成廢水等二次污染，因此工藝①只能小規(guī)模適用于沙質(zhì)土壤。同時，由于土壤的粘結(jié)性和粘著性，普通的顎式、錘式、反擊式、圓錐式破碎設(shè)備均無法適用土壤破碎，或容易頻繁造成設(shè)備中土壤粘著堵塞而無法連續(xù)運(yùn)行。因此，更具有針對性的土壤破碎混合設(shè)備逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者和行業(yè)的關(guān)注。然而，目前關(guān)于這類土壤破碎混合設(shè)備的報道仍然較少，尤其是缺乏大規(guī)模工程的現(xiàn)場效果研究。

針對上述問題，筆者通過國內(nèi)首例大規(guī)模原址異位低溫?zé)崦摳叫迯?fù)工程在現(xiàn)場試驗研究了一種新型集成土壤破碎混合設(shè)備（KH200），通過研究該設(shè)備對重金屬污染土壤的修復(fù)效果，并總結(jié)分析了該設(shè)備在土壤異位修復(fù)中的適用性。

1 材料與方法

1.1 KH200的原理與基本性能

KH200設(shè)備是一種自行式土壤破碎混合機(jī)，采用履帶底盤便于在各種場地行走。該設(shè)備包含進(jìn)料斗模塊、加藥斗模塊、破碎混合倉模塊、出料模塊、動力模塊及控制模塊等（見圖1）。

圖1 KH200土壤破碎混合機(jī)工藝路線

污染土通過挖機(jī)或者裝載機(jī)被送入進(jìn)料斗模塊，經(jīng)初步篩分和壓實后進(jìn)入輸送帶。同時，根據(jù)原料土的特性和進(jìn)料速度，加藥模塊通過螺桿輸送定量向輸送帶上的土壤投加藥劑。破碎混合倉中的切土刀組剝落粘在輸送帶上的土壤和藥劑，并通過倉內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的甩錘組破碎土壤同時混合藥劑。經(jīng)過處理的土壤落在出料輸送帶上，在密封條件下被送出，并在出料口被后刀剝落和進(jìn)一步破碎。

該KH200設(shè)備采用了切土刀+軸旋轉(zhuǎn)破碎錘+后破碎刀的連續(xù)工藝（處于保密原因，反應(yīng)倉不提供詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖），能瞬間破碎和混合原料土，很好地解決了修復(fù)過程中黏土難破碎和設(shè)備易堵塞的難題。此外，該設(shè)備還實現(xiàn)了可調(diào)的定量投加藥劑和完美混合，并可用于固固混合、固液混合等多種不同的混合工藝。

該KH200設(shè)備有4種運(yùn)行模式，根據(jù)土質(zhì)的不同可選擇最適合的運(yùn)行模式和處理能力（見表1）。

表1 KH200不同模式的處理能力

1.2 場地背景和實驗方法

1.2.1 上海某重金屬污染場地概況

上海某電鍍廠，面積約為3 000 m2，由于歷史的環(huán)保管理不當(dāng)，以及治污設(shè)施欠完善，場地存在較為嚴(yán)重的重金屬污染。在土壤檢測中，銅、鋅、鎳、鉛均超標(biāo)，污染土壤總量約3 000 m3。

根據(jù)重金屬污染場地的基本特性，采用了穩(wěn)定化修復(fù)的方法，基本原理是：將污染土壤和固體修復(fù)藥劑按一定比例充分混合均勻，并盡可能增加污土的接觸反應(yīng)面，以確保穩(wěn)定化效果。

1.2.2 修復(fù)實驗方法

本次實驗在污染區(qū)域由挖掘機(jī)現(xiàn)場采集110m3污土，實驗前利用挖機(jī)翻倒5次確保混合均勻，并取2個混合樣，每個混合樣由3～5個點(diǎn)土壤混合合成，土壤混合樣用低溫整理箱保存，送至實驗室檢測。

本次實驗引入KH200集成破碎混合設(shè)備和普通挖掘機(jī)進(jìn)行工程應(yīng)用對比。首先將110 m3污土大體分為2組，實驗組1和2。針對實驗組1，使用挖機(jī)加入粉末狀穩(wěn)定化劑約12%（無法精確計量），并利用挖機(jī)進(jìn)行攪拌和翻倒5次，共處理約50 m3。針對實驗組2，使用KH200定量投加12%的某公司重金屬穩(wěn)定化劑（主要成分為磷酸鹽），并很好地破碎土壤以及藥劑與土壤的充分混合，共處理約60 m3；隨后，將實驗組1和2的土壤同時養(yǎng)護(hù)7 d后，從土堆中各采集土樣12個，測試土壤的破碎后粒度以及混合后磷酸根濃度（磷酸根濃度與穩(wěn)定化劑濃度成正比），并將12個土樣做成混合樣各自測定污染物最終浸出濃度。

1.3 采樣與分析方法

1.3.1 樣品采集依據(jù)與方法

現(xiàn)場采樣技術(shù)方法主要參照HJ/T 166—2004土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范、GB/T 14848—1993地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、ASTM E 1527—2005場地環(huán)境評估標(biāo)準(zhǔn)操作：階段I場地環(huán)境評估、ASTM E 1903—1997（2002年重新審定） 場地環(huán)境評估標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)則：階段II場地環(huán)境評估等技術(shù)規(guī)定。

現(xiàn)場樣品采集設(shè)備為鐵鏟，重金屬樣品保存器材包括500g玻璃瓶；樣品箱（具有冷藏功能），藍(lán)冰。

裝運(yùn)前核對采樣記錄表、樣品標(biāo)簽等，如有缺項、漏項和錯誤處，應(yīng)及時補(bǔ)齊和修正后方可裝運(yùn)。樣品運(yùn)輸過程中嚴(yán)防損失、混淆或沾污，并在樣品低溫（4℃）暗處冷藏條件下盡快送至實驗室分析測試。樣品送到實驗室后，采樣人員和實驗室樣品管理員雙方同時清點(diǎn)核實樣品，并在樣品流轉(zhuǎn)單上簽字確認(rèn)。樣品管理員接樣后及時與分析人員進(jìn)行交接，雙方核實清點(diǎn)樣品，核對無誤后分析人員在樣品流轉(zhuǎn)單上簽字，然后進(jìn)行樣品制備，進(jìn)行樣品分析。

1.3.2 分析方法

土壤樣品檢測分析方法，重金屬浸出采用HJ/T 299—2007固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法；重金屬含量（不包括六價鉻）測定采用美國環(huán)保局電感耦合等離子體質(zhì)譜法（USEPA 6020A—2007）；土壤中混合后磷酸鹽含量（即代表穩(wěn)定化劑濃度） 測定采用HJ 632—2011土壤總磷的測定堿熔 鉬銻抗分光光度法。土壤破碎后粒度測定采用GB/T 27845—2011化學(xué)品 土壤粒度分析實驗方法，只采用篩分法測定粒度2.0 mm以上部分。

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤破碎效果評價

破碎效果是影響土壤修復(fù)效果的關(guān)鍵性因素之一。本次實驗對象為上海地區(qū)典型的淺層黏性土壤，塑限（wp）為17%～24%，液限（wl）為30%～44%，塑性指數(shù)為11～21。由于上海地下水水位較淺，地面以下0.5～1.0 m，現(xiàn)場開挖采集的土壤含水率為25%～40%，土壤原始粒徑大多為10～500mm。

對每個實驗組采集的12個土壤破碎后樣品，隨機(jī)選擇6組進(jìn)行土壤粒度測定，并繪制粒徑累計分布曲線，見圖2。實驗組1采用挖機(jī)施工，土壤破碎后的D50為50 mm，D90由于大粒徑數(shù)據(jù)較少無法準(zhǔn)確獲得，但超過200 mm；實驗組2采用KH200施工，土壤破碎后的D50為20 mm，D90為50 mm。KH200的土壤破碎效果明顯好于挖機(jī)。

圖2 粒徑累計分布曲線

由于實驗土壤含水率高，處于塑性狀態(tài)，普通顎式、球磨等破碎機(jī)械無法實現(xiàn)破碎效果，且極易造成堵塞。實驗組1在施工前需要將土壤晾干降低含水率后，再采用挖掘機(jī)進(jìn)行3～5次翻倒，間接進(jìn)行破碎，所以破碎效果不佳，無法保證土壤破碎效果。

實驗組2中的KH200集成設(shè)備采用切土刀+軸旋轉(zhuǎn)破碎錘+后破碎刀的連續(xù)工藝，可直接一次性處理各種性質(zhì)的沙土、粉土、黏土，出土粒徑分布能基本滿足50%在20 mm以下，90%在50 mm以下（見圖3），有利于與藥劑的充分接觸和反應(yīng)。

圖3 土壤破碎對比

2.2 藥劑混合效果評價

實驗組1采用傳統(tǒng)機(jī)械（挖掘機(jī)）施工，先將污染土壤打堆成約1 m高1.5 m寬的土長條，然后利用挖機(jī)在土堆上進(jìn)行藥劑的布料。由于無法對污染土壤和藥劑添加進(jìn)行準(zhǔn)確計量，整個過程存在極大的隨意性和不均勻性。為保證達(dá)到相關(guān)處理目標(biāo)，傳統(tǒng)施工作業(yè)往往需要過量投加藥劑。實驗組1對完成布料后的土壤和藥劑混合體進(jìn)行3～5次翻倒后，土壤中穩(wěn)定化劑濃度的變異系數(shù)CV仍為33%（混合不均勻）。

實驗組2采用的KH200集成設(shè)備，可以對土壤的進(jìn)料速度進(jìn)行測量，并根據(jù)進(jìn)土速度和設(shè)定的藥劑比例，通過螺桿定量投加藥劑，并隨土壤在3次破碎中實現(xiàn)藥劑與土壤的充分混合。實驗組2中混合后土壤中穩(wěn)定化劑濃度的變異系數(shù)CV為9%（混合較為均勻）。KH200集成設(shè)備可實現(xiàn)藥劑添加量與土壤比例在9～400 kg/m3的精確添加和充分混合。此外，該設(shè)備還可投加液體藥劑、或者固/固、固/液2種形態(tài)藥劑的同時添加。

2.3 修復(fù)效果評價

固化穩(wěn)定化技術(shù)是較普遍應(yīng)用于土壤重金屬污染的快速控制修復(fù)方法，對同時處理多種重金屬復(fù)合污染土壤具有明顯的優(yōu)勢［2］。目前國內(nèi)暫無穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù)實施導(dǎo)則，也無相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對破碎后土壤粒徑以及藥劑投加精確度嚴(yán)格要求，導(dǎo)致國內(nèi)固化穩(wěn)定化修復(fù)效果存在較大不確定性。

本實驗將KH200設(shè)備施工后混合土樣與普通挖機(jī)施工后混合土樣均進(jìn)行重金屬浸出測定，相關(guān)穩(wěn)定化效果對比匯總見表2。使用挖機(jī)施工穩(wěn)定化后，土壤中銅、鋅、鎳和鉛的浸出濃度分別降低70%、93%、99%和81%，而使用KH200設(shè)備后，銅、鋅、鎳和鉛的浸出濃度分別降低90%、99.7%、99.9%和99%，穩(wěn)定化效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)挖機(jī)?；谏厦娣治觯琄H200設(shè)備在破碎效果和藥劑混合效果方面都遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)機(jī)械（挖掘機(jī)），更有利于藥劑與土壤的充分反應(yīng)，因此穩(wěn)定化效果也更明顯。

表2 KH200與普通挖機(jī)在土壤穩(wěn)定化技術(shù)中應(yīng)用效果對比

此外，KH200設(shè)備穩(wěn)定化施工僅進(jìn)行一次進(jìn)土、藥劑定量布料、破碎、混合和出土，全過程在密閉環(huán)境中進(jìn)行，有效降低揚(yáng)塵等問題，避免造成二次污染。

KH200還配有履帶行走系統(tǒng)，便于在復(fù)雜場地移動，節(jié)約大量物料搬運(yùn)費(fèi)及人工成本。該設(shè)備自配強(qiáng)勁動力柴油發(fā)動機(jī)，無需外接電源等其它動力，適用于各種野外作業(yè)。

2.4 設(shè)備的適用性分析

根據(jù)美國超級基金的修復(fù)場地統(tǒng)計數(shù)據(jù)，1982—2005年，美國超級基金一共進(jìn)行了997個修復(fù)項目，其中，接近91%的修復(fù)項目（889個項目）在對污染源修復(fù)（主要是土壤修復(fù)）中主要使用以下修復(fù)技術(shù)中的一種或幾種，包括固化穩(wěn)定化、化學(xué)氧化還原、熱脫附、焚燒、土壤蒸氣抽提、多相抽提和生物修復(fù)。其中，修復(fù)項目中采用固化穩(wěn)定化技術(shù)的比例超過15%。經(jīng)過上海某重金屬污染場地穩(wěn)定化修復(fù)的應(yīng)用實踐證明，本研究中的KH200集成土壤破碎混合設(shè)備能很好地應(yīng)用于固化穩(wěn)定化修復(fù)中。

此外，KH200設(shè)備還適用于土壤化學(xué)氧化/還原修復(fù)技術(shù)?；瘜W(xué)氧化/還原技術(shù)的實現(xiàn)工藝略復(fù)雜，除要求土壤和固體修復(fù)藥劑按一定比例充分混合均勻外，需要相應(yīng)地進(jìn)行修復(fù)藥劑的催化和激活。以Fenton試劑為例，氧化反應(yīng)需要精確地投加固體亞鐵鹽和液體雙氧水2種藥劑。現(xiàn)有同類設(shè)備基本無法同時完成，而KH200可以通過藥劑倉先定量投加固體亞鐵鹽催化劑，在破碎混合倉與污土充分拌合，然后在出料口霧狀定量噴灑雙氧水。同理，KH200還可以利用藥劑倉先定量投加氧化劑（比如過硫酸鹽），與污土一起破碎混合后，再在出料口霧狀定量噴灑液體催化劑（比如亞鐵鹽溶液、堿液等）。2套工藝配合使用可基本覆蓋化學(xué)氧化/還原異位修復(fù)工藝的各種需求。

3 結(jié)論

在上海某電鍍廠重金屬污染場地的現(xiàn)場穩(wěn)定化修復(fù)中研究了集成破碎混合設(shè)備KH200的土壤破碎、藥劑混合和重金屬穩(wěn)定化的效果。KH200設(shè)備能很好地解決修復(fù)過程中黏土難破碎和設(shè)備易堵塞的難題，土壤破碎后的D50為20 mm，D90為50 mm，該設(shè)備能通過對土壤的進(jìn)料速度進(jìn)行測量，并根據(jù)進(jìn)土速度和設(shè)定的藥劑比例定量投加藥劑，從而隨土壤在3次破碎中實現(xiàn)藥劑與土壤的充分混合，混合后土壤中穩(wěn)定化劑濃度的變異系數(shù)CV為9%，使用該設(shè)備進(jìn)行重金屬污染土壤的穩(wěn)定化，銅、鋅、鎳和鉛的浸出濃度分別降低90%、99.7%、99.9%和99%。與傳統(tǒng)挖機(jī)修復(fù)比較發(fā)現(xiàn)，KH200設(shè)備在土壤破碎、藥劑混合和重金屬穩(wěn)定化方面的效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)挖機(jī)。該設(shè)備的成功開發(fā)和廣泛應(yīng)用，將滿足我國污染場地修復(fù)工程實施中的緊迫需求，對提高修復(fù)效率和效果，降低修復(fù)成本，消除環(huán)境風(fēng)險具有重要意義。

［1］廖曉勇，崇忠義，閻秀蘭.城市工業(yè)污染場地：中國環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的新課題［J］.環(huán)境科學(xué)，2011，32（3）：784-794.

［2］駱永明.污染土壤修復(fù)技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢［J］.化學(xué)進(jìn)展，2009，21（3）：559-565.