張欣欣
(上海格林曼環(huán)境技術(shù)有限公司, 上海 200001)
近年來(lái), 土壤污染成為備受關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題之一[1-2]。 其中,重金屬污染是土壤修復(fù)行業(yè)中的重中之重[3-4]。 土壤修復(fù)技術(shù)按照原理可分為生物修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)以及物理修復(fù)技術(shù)三大類(lèi)[5]。 目前, 污染土壤中重金屬無(wú)法通過(guò)微生物分解或降解以及生物炭吸附或化學(xué)沉淀去除[6-7],但可通過(guò)植物吸收發(fā)生污染物遷移[8]。 但植物吸收過(guò)程相對(duì)緩慢,一般需要幾年甚至幾十年周期, 故不適用于修復(fù)工期短的建設(shè)用地;因此在滿(mǎn)足工期、修復(fù)效果等因素前提下,化學(xué)淋洗技術(shù)成為一種高效的、可徹底治理土壤重金屬污染的修復(fù)方法[9-10]。
選擇上海某地塊已經(jīng)完成的重金屬銻污染土壤修復(fù)工程作為應(yīng)用實(shí)例, 該實(shí)例修復(fù)內(nèi)容主要包括項(xiàng)目概況、工藝設(shè)計(jì)、工程實(shí)施及修復(fù)效果評(píng)估等方面, 該工程的成功實(shí)施可為其它類(lèi)似重金屬污染地塊土壤修復(fù)項(xiàng)目提供一定參考。
項(xiàng)目地塊位于上海市,占地面積為5 818 m2。該地塊歷史上用地類(lèi)型分別為鐵路、苗圃、集裝箱臨時(shí)宿舍和空地, 土壤污染狀況調(diào)查期間該地塊用地類(lèi)型為空地,經(jīng)方案編制單位現(xiàn)場(chǎng)踏勘確認(rèn),該地塊情況在地塊土壤污染狀況調(diào)查結(jié)束后未發(fā)生明顯變動(dòng)。 該項(xiàng)目地塊未來(lái)規(guī)劃為城市建設(shè)用地中的醫(yī)療衛(wèi)生用地(A5),屬于GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中的“第一類(lèi)用地”。 修復(fù)工程施工前,對(duì)該地塊開(kāi)展了土壤污染狀況初步調(diào)查、詳細(xì)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,確定了地塊的污染狀況、修復(fù)目標(biāo)及修復(fù)范圍。
項(xiàng)目地塊整體較為平坦, 土層類(lèi)型在垂直方向上可劃分3 類(lèi),從上到下依次為填土、粉質(zhì)黏土和粉砂夾粉土。 地下水水位埋深為1.05~1.73 m,流向?yàn)樽员毕蚰稀?在土壤污染狀況初步調(diào)查和詳細(xì)調(diào)查期間共采集129 個(gè)土壤樣品和11 個(gè)地下水樣品。調(diào)查結(jié)果顯示,該地塊內(nèi)土壤受到不同程度污染,主要超標(biāo)污染物為重金屬銻。
銻在土壤環(huán)境中存在多種形態(tài)[11-13],主要包括水溶態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)等; 銻的毒性與其在土壤環(huán)境中的賦存狀態(tài)(三價(jià)和五價(jià)2 種價(jià)態(tài))相關(guān),三價(jià)銻的毒性約為五價(jià)銻的10 倍,但銻主要以五價(jià)態(tài)形式的化合物存在[14-17]。 不同理化性質(zhì)的土壤固定銻的能力不同,因此,銻在不同土壤中的形態(tài)和比例也不一定相同。在土壤中銻主要賦存形態(tài)的含量從大到小順序依次為殘?jiān)鼞B(tài)、鐵錳結(jié)合態(tài)、有機(jī)-硫化物結(jié)合態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)和水溶態(tài)[18]。
基于該地塊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果發(fā)現(xiàn), 該地塊超標(biāo)污染物重金屬銻不具有致癌效應(yīng), 非致癌風(fēng)險(xiǎn)值為1 mg/kg。
制定土壤修復(fù)目標(biāo)需考慮不同的修復(fù)模式并兼顧技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和時(shí)間等方面可行性。根據(jù)地塊修復(fù)模式, 修復(fù)該地塊重金屬銻污染土壤選擇將污染物從土壤中去除的修復(fù)技術(shù),采用原地異位修復(fù)模式,修復(fù)后土壤經(jīng)效果評(píng)估達(dá)到修復(fù)目標(biāo)后進(jìn)行原地原基坑回填。因此,基坑清理目標(biāo)值和污染土壤修復(fù)目標(biāo)值均設(shè)定為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定的地塊風(fēng)險(xiǎn)控制值。 該地塊銻污染土壤的基坑清理目標(biāo)值和異位修復(fù)目標(biāo)值具體見(jiàn)表1。
表1 土壤銻污染修復(fù)目標(biāo)值 mg·kg -1
基于已知土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)污染物濃度, 選擇數(shù)值插值方法計(jì)算該地塊內(nèi)污染物的空間分布, 以風(fēng)險(xiǎn)控制值為修復(fù)或管控范圍邊界劃定修復(fù)面積, 以詳細(xì)調(diào)查確定的最小未超標(biāo)深度為修復(fù)深度可得出該地塊理論修復(fù)范圍。 該地塊修復(fù)工程量見(jiàn)表2,該地塊整體修復(fù)范圍見(jiàn)圖1。
圖1 地塊整體修復(fù)范圍
表2 截彎取直控制點(diǎn)及修復(fù)方量
該地塊土壤中污染物為單一重金屬銻, 對(duì)于土壤中重金屬類(lèi)污染物, 針對(duì)污染源處理直接將污染物從土壤中去除的修復(fù)技術(shù)相對(duì)較少, 主要修復(fù)技術(shù)為原位/異位化學(xué)淋洗技術(shù),同時(shí)考慮異位植物修復(fù)等生物修復(fù)技術(shù)。 選擇修復(fù)技術(shù)需考慮技術(shù)適用性、地塊現(xiàn)狀、開(kāi)發(fā)計(jì)劃、處置成本等客觀因素,在確保修復(fù)達(dá)標(biāo)的首要前提下,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和安全3 個(gè)方面對(duì)以上修復(fù)技術(shù)進(jìn)行比選。
根據(jù)比選結(jié)果,原位化學(xué)淋洗技術(shù)和異位植物修復(fù)技術(shù)針對(duì)本地塊的適用性均較差,均難以保證修復(fù)周期和修復(fù)效果,而且原位化學(xué)淋洗技術(shù)較容易引起土壤和地下水的二次污染,因此,推薦采用異位化學(xué)淋洗修復(fù)技術(shù)對(duì)該地塊銻污染土壤進(jìn)行修復(fù), 該技術(shù)在比選技術(shù)中費(fèi)用和實(shí)施難度均較高,但修復(fù)周期相對(duì)較短、修復(fù)效果相對(duì)較好、二次污染可控, 對(duì)施工和周邊人員安全和健康影響均一般,因而更適合對(duì)該地塊污染土壤的修復(fù)[19]。目前,化學(xué)淋洗作為一項(xiàng)比較簡(jiǎn)單、 快速和高效的污染土壤修復(fù)技術(shù),被廣泛應(yīng)用于不同污染程度、類(lèi)型的重金屬污染地塊[20-21],根據(jù)地塊土壤性質(zhì)和重金屬污染情況,選擇經(jīng)濟(jì)適用型的化學(xué)淋洗藥劑是該項(xiàng)技術(shù)可行的關(guān)鍵。
化學(xué)淋洗技術(shù)修復(fù)重金屬污染土壤的基本原理是利用淋洗液或化學(xué)助劑將土壤中重金屬污染物由固相轉(zhuǎn)移至液相中,與淋洗劑結(jié)合,再以溶解、絡(luò)合物、螯合物的形式將污染物從土壤中洗脫出來(lái)[22]。 無(wú)機(jī)類(lèi)提取劑(如磷酸鹽) 的作用機(jī)制是通過(guò)離子交換、溶解作用、絡(luò)合等方式清洗污染土壤進(jìn)而達(dá)到去除污染物的目的。
結(jié)合該地塊的污染特征、 水文地質(zhì)條件和后期的開(kāi)發(fā)建設(shè)計(jì)劃等關(guān)鍵因素, 確定該地塊總體的修復(fù)技術(shù)路線見(jiàn)圖2。
圖2 污染土壤異位淋洗修復(fù)技術(shù)路線
選擇淋洗劑種類(lèi)是化學(xué)淋洗工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 如何篩選出環(huán)境友好型的淋洗劑是研究化學(xué)淋洗的重點(diǎn)。目前研究發(fā)現(xiàn),磷酸鹽屬于環(huán)境友好型淋洗劑[23]。 為確定該地塊銻污染土壤的最佳加藥量,設(shè)計(jì)3 組淋洗劑添加梯度,將污染土壤樣品分為3 組,相對(duì)應(yīng)的淋洗劑加藥量濃度分別為0.01,0.05 和0.1 mol/L。 小試使用的淋洗劑為二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O),淋洗m(土)∶m(水)=1 ∶3。 根據(jù)該地塊調(diào)查時(shí)土壤樣品的土工試驗(yàn), 該項(xiàng)目地塊土壤質(zhì)量濃度約1.92 g/cm3,換算后淋洗V(土)∶V(水)=1 ∶6。
小試結(jié)果表明,針對(duì)該地塊銻污染土壤,在實(shí)驗(yàn)室條件下,添加各種比例的淋洗劑和水充分反應(yīng)后,土壤中銻的濃度均低于修復(fù)目標(biāo)值。因此,建議土壤淋洗采用濃度為0.01 mol/L 的淋洗劑,洗脫時(shí)間為1 h。
異位化學(xué)淋洗處理中, 投加的磷酸鹽中所含元素與化合物成分均為天然土壤環(huán)境成分, 且可通過(guò)控制投加量盡可能減少對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變,從綠色環(huán)保角度看, 該類(lèi)淋洗劑是修復(fù)土壤銻污染比較理想的淋洗劑。 異位化學(xué)淋洗的二次污染防控主要關(guān)注土壤異位預(yù)處理過(guò)程中可能產(chǎn)生的揚(yáng)塵以及淋洗液的循環(huán)利用和最終處理等。
在修復(fù)施工前開(kāi)展中試試驗(yàn), 該試驗(yàn)的主要目的是在小試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化淋洗藥劑的濃度。
依據(jù)小試結(jié)果, 中試試驗(yàn)采用磷酸二氫鈉作為重金屬淋洗中試藥劑, 為觀察淋洗劑的濃度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)洗脫效果的影響。 中試使用技術(shù)方案中推薦的試驗(yàn)方案開(kāi)展中試試驗(yàn), 所使用的淋洗液濃度分別為1,5 和10 mmol/L,淋洗時(shí)間分別為1 和2 h,按照V(土)∶V(水)=1 ∶6 開(kāi)展中試試驗(yàn)。
中試結(jié)果表明, 處理前土壤中重金屬銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為39.1~46.8 mg/kg,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.6 mg/kg。在設(shè)計(jì)藥劑投加比的情況下, 污染土壤中目標(biāo)因子重金屬銻低于修復(fù)目標(biāo)值(20 mg/kg),可滿(mǎn)足修復(fù)施工的要求。
(1)當(dāng)藥劑濃度為1 mmol/L,淋洗時(shí)間為1 h時(shí),經(jīng)異位淋洗修復(fù)后土壤中目標(biāo)污染物濃度無(wú)法滿(mǎn)足修復(fù)目標(biāo)值(20 mg/kg),此外,其余的藥劑投加比例、淋洗時(shí)間在工藝上可行;
(2)中試結(jié)果表明,在工程實(shí)施過(guò)程中,按照V(土)∶V(水)=1 ∶6,淋洗藥劑濃度采用5 mmol/L,洗脫時(shí)間為1 h 的情況下, 經(jīng)修復(fù)后土壤中銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)可滿(mǎn)足修復(fù)目標(biāo)值(20 mg/kg)要求。 考慮施工工藝參數(shù)的經(jīng)濟(jì)性及合理性,在實(shí)際修復(fù)過(guò)程中,選用濃度為5 mmol/L 作為淋洗劑的投加控制值。
該地塊內(nèi)污染土壤采取異位淋洗技術(shù)進(jìn)行修復(fù)治理,該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn):①污染土壤清理修復(fù)前,先完成異位淋洗系統(tǒng)的場(chǎng)地建設(shè)、 設(shè)備安裝與系統(tǒng)調(diào)試工作; ②挖掘出的污染土壤暫在修復(fù)地塊內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存,利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行篩分、破碎等預(yù)處理;③預(yù)處理后的污染土壤再經(jīng)過(guò)濕式破碎、 制漿與篩分工序,進(jìn)一步去除土壤中的雜質(zhì),并形成分散均勻的土壤泥漿;④土壤泥漿在機(jī)械攪拌作用下,與投入淋洗槽的淋洗劑充分混合接觸并發(fā)生淋洗反應(yīng);⑤完成淋洗反應(yīng)的土壤泥漿再經(jīng)過(guò)離心處理后, 脫水土壤短駁至待檢區(qū),脫水清液作為淋洗液回用;⑥通過(guò)全量分析方式對(duì)污染物進(jìn)行去除效果評(píng)估, 達(dá)標(biāo)后將土壤回填。
根據(jù)該地塊環(huán)境調(diào)查和土壤修復(fù)目標(biāo)值確定污染土壤范圍, 并進(jìn)行截彎取直、 落地設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)放樣, 通過(guò)高精度GPS 或全站儀等測(cè)量設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)放點(diǎn),采用專(zhuān)業(yè)挖機(jī)挖掘出污染土壤。
在修復(fù)污染土壤前, 根據(jù)該地塊污染土壤的特性,對(duì)土壤中含有的一些石塊等雜物進(jìn)行篩分,并將大塊土壤進(jìn)行破碎。
3.2.1 篩除雜質(zhì)
在污染土壤修復(fù)作業(yè)區(qū),使用Allu 斗土壤破碎篩分設(shè)備對(duì)污染土壤進(jìn)行破碎和篩分 (要求篩下80%的土塊粒徑小于60 mm),篩出石塊、建筑垃圾、樹(shù)枝等,保證后續(xù)污染土壤修復(fù)效果。在破碎篩分前投加生石灰控制土壤含水率便于土壤篩分。
3.2.2 初步破碎土壤
由于污染土壤往往以大塊狀的形式存在, 這將造成土壤與修復(fù)藥劑接觸的面積有限, 修復(fù)效果不理想。 因此可進(jìn)行初步破碎,減少土壤塊狀結(jié)構(gòu)。
經(jīng)破碎篩分后的土壤經(jīng)進(jìn)料斗進(jìn)入上部裝有振動(dòng)篩的泥水混合池,振動(dòng)篩(篩網(wǎng)孔徑為10 mm)上方配有高壓水噴淋設(shè)備,對(duì)污染土壤進(jìn)行濕式篩分,可有效提升對(duì)土壤顆粒的沖刷,提高篩分效果。粒徑小于10 mm 的泥土顆粒進(jìn)入泥水混合池經(jīng)臥式攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢璐龠M(jìn)泥、水混合(泥水混合池停留時(shí)間按0.5 h 設(shè)計(jì)), 部分殘留在篩網(wǎng)上大顆粒物質(zhì)進(jìn)入砂石池。
往化學(xué)淋洗池內(nèi)加入一定量復(fù)配型淋洗劑,控制池內(nèi)V(土)∶V(水)=1 ∶6。 化學(xué)淋洗池內(nèi)pH 值由pH 自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié), 化學(xué)淋洗池停留時(shí)間按照1 h 考慮。
將化學(xué)淋洗反應(yīng)后的泥漿泵入污泥濃縮池,并加入適量絮凝劑加速其濃縮過(guò)程, 再將池底部的濃縮泥漿泵入離心分離裝置進(jìn)行污泥脫水處理, 上部分離出的上清液和離心分離機(jī)分離出的清液均進(jìn)入調(diào)節(jié)池后進(jìn)入廢水處理裝置進(jìn)行處理。
對(duì)脫水后泥土先進(jìn)行一定時(shí)間的自然干燥后,再檢測(cè)其重金屬含量, 若合格則將其與砂石池中用水沖洗后物料進(jìn)行混合后回填; 若未合格則再次進(jìn)行淋洗處理;對(duì)于多次淋洗后仍未合格的泥土需存入特定的存儲(chǔ)罐后再采取其它處理措施。
來(lái)自污泥濃縮池、 離心分離機(jī)的廢水及砂石池的清洗廢水均進(jìn)入廢水處理站的調(diào)節(jié)池, 調(diào)節(jié)水量后先進(jìn)行均化水質(zhì)處理,再泵入化學(xué)反應(yīng)池進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)及化學(xué)沉淀反應(yīng)后送入斜板沉淀池進(jìn)行固、液分離。 沉淀池分離出的上清液送入清水箱后可回用于土壤淋洗, 分離出含重金屬污泥在進(jìn)行板框壓濾脫水后送危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)安全填埋。 板框壓濾脫水產(chǎn)生的濾液則送入廢水調(diào)節(jié)池進(jìn)行循環(huán)處理。
污染土壤經(jīng)化學(xué)淋洗工藝修復(fù)處理后, 暫存至待檢區(qū)域, 采用挖掘機(jī)將淋洗土壤修整成臺(tái)體規(guī)格的堆體(堆體高約3 m),頂部及邊坡采用防雨布遮蓋,參照HJ 25.5—2018《污染地塊風(fēng)險(xiǎn)管控與土壤修復(fù)效果評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(試行) 中表1 和表3 的規(guī)范進(jìn)行自檢采樣, 待每批次基坑和土壤堆體自檢達(dá)到修復(fù)目標(biāo)值后, 將驗(yàn)收申請(qǐng)單提交至監(jiān)理單位及效果評(píng)估單位進(jìn)行申請(qǐng)報(bào)驗(yàn)。
待污染地塊基坑挖掘清理和土壤化學(xué)淋洗修復(fù)完成后,根據(jù)HJ 25.5—2018《污染地塊風(fēng)險(xiǎn)管控與土壤修復(fù)效果評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則》(試行) 等相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求, 委托有資質(zhì)的第三方監(jiān)測(cè)單位開(kāi)展效果評(píng)估工作。
在5 個(gè)污染區(qū)域清挖后的基坑底部和側(cè)壁共計(jì)取樣46 個(gè)(不包括平行樣),檢測(cè)指標(biāo)為重金屬銻,檢測(cè)出重金屬銻最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.78 mg/kg,其余均達(dá)到基坑修復(fù)目標(biāo)值。
對(duì)修復(fù)后土壤分3 批次進(jìn)行12 次采樣(不包括平行樣),檢測(cè)指標(biāo)為重金屬銻,檢測(cè)出修復(fù)土堆中有一個(gè)點(diǎn)位出現(xiàn)銻超標(biāo)。對(duì)此,遂將第一批次驗(yàn)收不合格區(qū)塊(Ⅰ和Ⅱ區(qū)塊)清挖出210 m3堆土進(jìn)行二次淋洗修復(fù)處理, 再將處理后土壤與第三批次修復(fù)后的土壤合并進(jìn)行報(bào)驗(yàn), 檢測(cè)情況均滿(mǎn)足修復(fù)值的標(biāo)準(zhǔn)。
修復(fù)工程完成后, 效果評(píng)估單位在修復(fù)場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)土壤及地下水采樣點(diǎn)位, 檢測(cè)修復(fù)活動(dòng)對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)地的影響。 根據(jù)修復(fù)場(chǎng)地范圍及土壤修復(fù)二次污染區(qū)域布點(diǎn)原則, 存在土壤潛在污染區(qū)域主要包括短駁道路、廢水暫存池區(qū)、污染土壤堆放區(qū)、土壤淋洗區(qū)、土壤待驗(yàn)區(qū);同時(shí)為對(duì)該地塊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)管,在該地塊上、下游布設(shè)3 口地下水監(jiān)測(cè)井,在地塊內(nèi)淋洗區(qū)及修復(fù)區(qū)布設(shè)了2 口地下水監(jiān)測(cè)井。 共采集11 個(gè)土壤樣品和5 個(gè)地下水樣品, 檢測(cè)指標(biāo)包括pH 值和重金屬銻。 檢測(cè)發(fā)現(xiàn),該地塊內(nèi)土壤和地下水中目標(biāo)污染物濃度均低于相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。
若修復(fù)后土壤通過(guò)驗(yàn)收則可作為基坑回填土使用。 所有污染土壤修復(fù)完成且通過(guò)驗(yàn)收后均進(jìn)行壓實(shí)處理后在原地塊回填。
(1)采用化學(xué)淋洗工藝對(duì)上海某地塊銻污染的土壤進(jìn)行修復(fù), 實(shí)際修復(fù)污染土壤量約2 577.8 m3,修復(fù)費(fèi)用約1 400 元/m3。
(2)通過(guò)中試試驗(yàn)選擇最佳的修復(fù)藥劑及藥劑的添加范圍,最終確定采用濃度為5 mmol/L 的淋洗劑進(jìn)行異位修復(fù)土壤的淋洗,洗脫時(shí)間為1 h,共投加3.85 t 的NaH2PO4·2H2O 和452 kg 的PAM。
(3)異位化學(xué)淋洗修復(fù)處理過(guò)程中的淋洗液可循環(huán)使用, 除最后批次外, 化學(xué)淋洗過(guò)程中產(chǎn)生的80%廢水可直接回用,20%廢水經(jīng)處理后可回用。 修復(fù)施工期間,處理廢水約2 255 m3,投加了4 t 七水合硫酸亞鐵和1.3 t 生石灰,產(chǎn)生危廢約6.5 t。 最終納管廢水排放量為200 m3(包括淋洗廢水150 m3,現(xiàn)場(chǎng)沖洗廢水50 m3)。
(4)異位化學(xué)淋洗效果與土壤類(lèi)型密切相關(guān),該技術(shù)適用于質(zhì)地松散、滲透性較好的土壤。根據(jù)該地塊的污染特征和地質(zhì)條件, 采用化學(xué)淋洗工藝修復(fù)重金屬銻類(lèi)污染土壤為較佳選擇。
(5)采用原地異位的修復(fù)模式修復(fù)重金屬銻類(lèi)污染土壤,可為其他類(lèi)似污染地塊修復(fù)提供案例支撐。