重金屬及有機物復合污染土用的固化劑及制備和應用方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于土木工程、環境巖土工程技術領域，具體來說，涉及一種重金屬及有機 物復合污染土用的固化劑及制備和應用方法，該固化劑制備原料來自于工業廢料，適用于 處理土壤中重金屬及有機污染物，可用于污染場地的固化穩定化修復，并實現廢物利用。
【背景技術】
[0002] 由于我國高污染工業歷史長、發展快，多種類型工廠常在同一地域更迭，導致遺留 的污染物累積作用明顯、成分復雜，使得工業污染場地土壤污染呈現多樣性和復合性的特 點，重金屬與有機污染物復合型污染案例頻現。這些復合污染場地土壤及地下水中的有毒 有害重金屬和有機污染物，對附近居民生產生活造成了極大危害，開展相關污染修復治理 工作迫在眉睫。不同于單一的重金屬污染或有機物污染場地，復合污染場地中重金屬及有 機污染物伴生共存，由于重金屬及有機物的物理化學特性差異顯著，其與土壤、地下水構成 復雜的物理、化學作用體系，因此修復難度更高。常用的修復手段往往只對一種或一類污染 物污染場地有效，如動電修復法不適用于有機污染場地，蒸汽浸提法只對揮發性及半揮發 性有機污染物有較好的處理效果，而植物修復采用的超富集植物往往具有專一性，只作用 于1-2種重金屬，而對其他有較高含量的污染物表現出毒害癥狀。
[0003] 固化穩定化技術（solidification/stabilization，簡稱S/S技術）被廣泛地應用 于污染場地及固體廢棄物填埋處理中，研究表明依據采用的固化劑不同，S/S技術能夠處理 多種重金屬及有機污染物，其是重金屬及有機物復合污染場地的最有效修復技術之一。現 階段用以處理重金屬及有機物復合污染場地的固化劑多采用硅酸鹽水泥混合吸附性材料 的形式制備而成，其中吸附性材料以活性炭或有機膨潤土最為普遍。然而這些傳統固化劑 存在諸多弊端，限制了其在重金屬及有機物復合污染場地中的推廣應用：此類固化劑僅將 此類有機污染物封閉起來，并未進行分解以降低毒性；場地土壤中的有機污染物和高濃度 重金屬如鋅（Zn)均能夠嚴重抑制水泥水化反應，進而降低修復土體強度發展，影響最終固 化效果；水泥類熟料在水化過程中會釋放大量熱量，其固化體在25°C養護條件下內部溫度 可達到50-60°C，而多種有機污染物在此溫度下揮發，如丙酮（沸點56. 5°C)、二氯甲烷（沸 點39. 8°C)、汽油（沸點40-200°C)等；其修復后的土體堿性較高（一般情況下pH值均大 于12)，不利于對有機污染物有降解能力的微生物（適應環境pH在6. 5-9. 5之間）生存，同 時降雨條件下易產生堿性浸出液，改變周圍土體和水體的酸堿平衡，對周邊生物產生不利 影響；高堿性下產生的重金屬氫氧化物沉淀是水泥此類固化劑主要的固化機理之一，其在 周圍環境過酸、過堿情況下都極易再次溶出；水泥在生產和使用過程中會釋放大量的二氧 化碳（C02)氣體，其占全世界總排放量的5%左右，這無疑對環境造成極大危害；此外復雜 環境如干旱、降雨，季節與晝夜溫差，酸性二氧化碳（C02)侵蝕等均會引起的修復土體強度 驟降低以及污染物的二次溶出；此外吸附性材料活性炭及有機膨潤土的生產成本較高，其 中活性炭制備過程需要消耗大量能源及珍貴木質資源，而有機膨潤土制備過程復雜，其采 用的改性劑季銨鹽本身亦是一種高毒性的環境污染物。
[0004] 綜上所述，傳統固化劑對土中的有機污染物固化穩定效果不佳，同時處理高濃度 重金屬污染物的效果較差，因而不適用于重金屬及有機污染物復合污染場地，尤其是高濃 度重金屬及有機污染物復合污染場地。針對現有固化劑修復重金屬及有機物復合污染土具 有的上述缺陷，尋找一種能固化穩定重金屬，同時吸附并能分解有機污染物，固化效率高， 成本低廉，性能穩定，材料來源廣泛且環境友好的新型固化劑成為業內人士日益關注的焦 點。
【發明內容】
[0005] 技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種重金屬及有機物復合污染土 用的固化劑，該固化劑能夠顯著降低污染土中重金屬的浸出毒性，高效吸附并分解有機污 染物，尤其適用于重金屬及有機污染物含量較高（總含量大于l〇〇〇〇mg/kg)且污染物種類 較多的場地土，污染土修復后可作為環境友好型材料資源化利用；同時，還提供該固化劑的 制備和應用方法，使得該固化劑成本低廉，制備、使用方便，可大規模推廣應用于復合污染 場地的固化穩定化修復中，并實現工業廢料的資源化利用。
[0006] 技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0007] -種重金屬及有機物復合污染土用的固化劑，所述的固化劑按質量百分數，包括 以下組分：
[0008] 電石渣粉體：12~27%;
[0009] 過磷酸鈣粉體：40~64%;
[0010] 負載過碳酸鈉的生物炭粉體：20~40%。
[0011] 作為優選例，所述的負載過碳酸鈉的生物炭粉體通過以下方法制成：首先用工業 級碳酸鈉制備飽和碳酸鈉溶液，將生物炭研磨并過〇. 1mm篩，得到生物炭粉，然后將得到的 生物炭粉浸漬到飽和碳酸鈉溶液中，生物炭與飽和碳酸鈉溶液中溶質碳酸鈉的質量比為 6:1，攪拌10~15min至混合物均勾，將得到的混合物烘干并過0. 1mm篩，得到生物炭和碳 酸鈉的粉體混合物；將制備得到的粉體混合物置于流動床上，通入熱空氣吹沸，并在其上連 續噴灑工業級純過氧化氫溶液，反應完成后，將混合物研磨并過〇. 1_篩，制備得到負載過 碳酸鈉的生物炭粉體。
[0012] 作為優選例，所述的生物炭粉由農作物廢料或動物糞便在缺氧條件下，且在 300~700 °C高溫環境下裂解而成。
[0013] -種重金屬及有機物復合污染土用的固化劑的制備方法，該制備方法包括以下步 驟：將電石渣粉體、過磷酸鈣粉體以及負載過碳酸鈉的生物炭粉體混合，其中各組分的重量 百分比為：電石渣粉體12~27%、過磷酸鈣粉體40~64%、負載過碳酸鈉的生物炭粉體 20~40%，干法攪拌10~15min，使混合均勾，制備得到固化劑。
[0014] 作為優選例，所述的電石渣粉體由以下方法制備而成：將工業生產過程中產生的 廢電石渣經堆放蒸發和脫水得到含水率為30~50 %的電石渣塊體，再將電石渣塊體切割 成電石渣粒體，使電石渣粒體直徑小于2mm，并將電石渣粒體堆置于底部帶孔的金屬托盤 內，再將托盤及位于托盤內的電石渣粒體置于溫度為100~450°C的烘箱內，并通入溫度為 100~250°C的氣流，使電石渣粒體最終含水率小于2 %，磨細并過0. 075mm篩，得到電石渣 粉體。
[0015] 作為優選例，所述的過磷酸鈣粉體由以下方法制備而成：將農業級磷肥過磷酸 鈣放置于烘箱內，通入溫度為1〇〇~250°c的氣流烘干，使其含水率小于2%，磨細并過 0. 075mm篩，得到過磷酸鈣粉體。
[0016] 作為優選例，所述的負載過碳酸鈉的生物炭粉體由以下方法制備而成：首先用工 業級碳酸鈉制備飽和碳酸鈉溶液，將生物炭研磨并過〇. 1mm篩，得到生物炭粉，然后將得到 的生物炭粉浸漬到飽和碳酸鈉溶液中，生物炭與飽和碳酸鈉溶液中溶質碳酸鈉的質量比為 6:1，攪拌10~15min至混合物均勾，將得到的混合物烘干并過0. 1mm篩，得到生物炭和碳 酸鈉的粉體混合物；將制備得到的粉體混合物置于流動床上，通入熱空氣吹沸，并在其上連 續噴灑工業級純過氧化氫溶液，反應完成后，將混合物研磨并過〇. 1_篩，制備得到負載過 碳酸鈉的生物炭粉體。
[0017] -種重金屬及有機物復合污染土用的固化劑的應用方法，將該固化劑與重金屬及 有機物復合污染土進行混合攪拌，且固化劑的摻量為：固化劑質量為重金屬及有機物復合 污染土干重質量的4~10%，控制固化后的污染土含水率在18~25%之間。
[0018] 作為優選例，所述的固化劑按質量百分數，包括以下組分：
[0019] 電石渣粉體：12~27% ;
[0020] 過磷酸鈣粉體：40~64% ;
[0021] 負載過碳酸鈉的生物炭粉體：20~40%。
[0022] 作為優選例，所述的重金屬及有機物復合污染土小于0.075mm顆粒含量大于 60%，且土壤中重金屬鉛含量大于2000mg/kg，重金屬鋅含量大于3000mg/kg，重金屬錦含 量大于200mg/kg，總有機污染物濃度大于200mg/kg。
[0023] 有益效果：與傳統重金屬及有機物復合污染土固化劑相比，本發明的技術方案具 有以下有益效果：
[0024] (1)重金屬固化效果佳。傳統固化劑對污染土中的重金屬的主要固化機理之一是 生成重金屬氫氧化物沉淀，其在周圍環境過酸或過堿時均易產生二次溶出。而本發明的固 化劑中電石渣與過磷酸鈣的主要成分分別為Ca(0H) 2和Ca(Η2P04) 2，其在水溶液環境下發生 酸堿反應，生成大量羥基磷灰石晶體。羥基磷灰石能夠高效吸附絡合Zn、Cd、Pb等