CN103739023B - 一种工业场地污染防控方法 - Google Patents
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Abstract
一种工业场地污染防控方法，包括防控材料的制备、防控技术的实施和防控层的更换。本发明所使用的原材料来源广泛、价格低廉，防控材料制备过程简单、绿色，加入土壤后无二次污染。该技术普适性强，适用于包括化工、钢铁、焦化、印染、制药等我国主要类型的工业场地，对金属阳离子与多数有机污染物均有不错的效果，同时有一定的耐酸能力。该技术方法施工操作简单，对设备没有很高的要求，满负荷后仅需对表层土壤进行更换并适度处理处置，便可继续投入运行，极大地削减了后续高昂的修复费用，利用规模化推广。
Description
技术领域
本发明属于场地风险管理与污染控制领域，具体涉及一种工业场地污染防控方法。
背景技术
高速、持续、粗放的工业过程是造成我国区域环境污染与生态破坏的直接诱因。废水淋溶是工业过程引发污染物进入地下环境最直接、最主要的途径，土壤作为地下水天然的屏障经常会因为过载的工业负荷而丧失对污染物的拦截能力。污染物一旦进入含水层将会在水流的驱动下由点向面扩散，进而引发区域地下水环境问题，将极大地增加后续治理的成本与难度。
伴随我国城市布局的调整与产业结构的升级，“退二进三”、“退城进园”等政策的相继实施，工矿企业搬迁遗留场地的环境问题已经严重威胁城市生态安全与居民健康。实用、高效、价廉的场地修复技术成为了业内研发的重点，如：申请号为200980124086.6的专利公布了一种金属污染场地的修复方法；申请号为201210038607.X的专利公布了一种有机污染场地土壤的原位修复技术等。另一方面，大力度地推行清洁生产一定程度上减轻了场地的环境负荷，但受限于我国工业技术经济与管理水平，工业过程引发污染物进入场地环境或不可避免，在长期排放的累积效应下，仅依靠受体本身脆弱的风险抵御能力必然会导致更多污染场地的涌现。因此，由污染的防控替代修复将成为今后场地管理与污染控制的重要理念变革。近年来，以风险管控为核心并重视地下水资源保护的理念已逐步在业内达成了共识，并开展了不少有针对性的工作，如：发明人所在团队研发出了我国首套污染场地健康与环境风险评估软件HERA（Health and Environmental Risk Assessment Software for Contaminated Sites, Version 1.0著作权号 ：2012SR118710），为我国场地的风险管控提供了重要工具，然而我国在场地污染防控领域的技术储备缺失严重，远不能满足污染特征复杂多变工业场地的需要。在工业化进程持续高速发展的今天，开发与之配套的污染防控技术方法，促进工业与环境的和谐发展意义重大。
发明内容
解决的技术问题：本发明针对我国场地污染防控技术方法的缺失，提出采用城市生物质混合废物制备生物炭，利用其对污染物的截留能力并耦合零价铁对污染物的降解作用，提升表层土壤对污染负荷的承载能力，削减环境风险进而实现保护区域地下水的目的。
技术方案：为达到以上目的，本发明通过对我国主要场地类型的污染特征进行调查发现，重金属与各类有机污染物是我国场地污染的重点，此外，酸性载体与可移动胶体颗粒在污染物的垂向传输中起到关键作用。由此，本发明借鉴了在土壤与水环境中生物炭对污染物的富集能力以及零价铁对污染物的降解作用方面的研究成果，针对淋溶模式的污染排放特征，提出将表层土壤作为富集与降解污染物的反应单位，通过添加生物炭-零价铁复合防控材料阻截污染物的垂向传输行为，从而保护区域地下水环境。然而，包括热处理过程及其工艺条件、生物质来源与组成等在内的因素均会影响生物炭的界面特征与理化性质，如：pH、阳离子交换容量、官能团特征、矿物组成等。此外，如何实现生物炭与零价铁在土壤环境中的高效耦合以及该技术方法在场地实施过程中的操作细则也是成败的关键。
本发明具体技术方案是：
A．防控材料的制备
将城市污水厂脱水污泥烘干并粉碎后，采用0.05 mol/L的HCl对其进行酸洗以去除金属阳离子与其它杂质，水洗至中性后烘干得到生物质粉末1，将洗净的餐厨果蔬类生物质废物烘干并粉碎后得到生物质粉末2；将上述得到的生物质粉末1和生物质粉末2按1:0.5~2的质量比混合并加入工业电炉，于550~650 ℃的氮气环境下热解2~6 h，冷却后收集固态炭化产物并磨碎过筛，即为生物炭；
依次用0.1 mol/L的H2SO4与无水乙醇洗涤工业级还原铁粉3~5 min，去除其表面氧化层及杂质，然后用脱氧去离子水洗至中性后真空烘干备用，即为零价铁；
B．防控技术的实施
在防控区域内原位开挖表土至30~50 cm，用筛分破碎铲斗搅拌并粉碎土壤，使得90%以上土壤颗粒粒径小于2 cm，洒水润湿土壤后，按土壤、生物炭、零价铁100:1~10:1~5的干基质量比加入A步骤制备好的防控材料，搅拌均匀并老化3~20天后压实，完成防控层的铺设；
C．防控层的更换
通过静态穿透实验确定防控层对目标污染物的承载能力，待防控层累积受纳的污染负荷达到其饱和容量的90%时，开挖并更换防控层后，该防控区域即可继续使用。
所述的城市污水厂脱水污泥为城市生活污水处理领域各种生物工艺所产生的剩余污泥，经机械脱水处理后，其含水率低于80%wt，有机质含量大于50%wt。
所述的餐厨果蔬类生物质废物为单独收集的或者混合收集后经分选的餐厨与果蔬类废物的混合物。
所述步骤A中加入工业电炉的混合生物质粉末，其C含量不低于30%wt。
所述的工业级还原铁粉，其Fe含量不低于97% wt，粒度在80~200目。
有益效果：本发明与现有技术方法相比，具有如下优点和效果：
1．本发明所使用的原材料来源广泛、价格低廉，防控材料制备过程简单、绿色，加入土壤后无二次污染。
2．该技术普适性强，适用于包括化工、钢铁、焦化、印染、制药等我国主要类型的工业场地，对金属阳离子与多数有机污染物均有不错的效果，同时有一定的耐酸能力。
3. 该技术方法施工操作简单，对设备没有很高的要求，满负荷后仅需对表层土壤进行更换并适度处理处置，便可继续投入运行，极大地削减了后续高昂的修复费用，利用规模化推广。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
A．防控材料的制备
脱水污泥取自南京市某城市污水厂（其理化性质见表1），其污水处理工艺为A2O，污泥采用板框压滤机进行脱水，将污泥于60℃烘箱内鼓风干燥24 h至恒重，取出后磨碎，按固液比1:10（g/mL）加入0.05 mol/L HCl酸洗约10 min后，水洗至中性并烘干得到生物质粉末1；餐厨果蔬类生物质废物取自南京市某农贸市场，其中厨余约占40%，果蔬废物约占60%（其理化性质见表1），将废物水洗后于60℃烘箱内鼓风干燥24 h至恒重，取出后粉碎得到生物质粉末2。将上述得到的生物质粉末1和生物质粉末2按1:0.8的质量比混合，采用元素分析仪测定其C含量为37.3% wt。将混合的生物质粉末加入工业电炉，于600 ℃氮气环境下热解3 h，冷却后收集固态炭化产物，磨碎并过2 mm国家标准筛，筛下物即为生物炭。
工业级还原铁粉购自苏州市某粉末冶金有限公司，其Fe含量为98.5%wt，粒度为100目。按1:10的固液比（g/mL）依次用0.1 mol/L的H2SO4与无水乙醇洗涤工业级还原铁粉约5 min，去除其表面氧化层及杂质，然后用脱氧去离子水洗至中性后于真空干燥箱内烘干保存，即为零价铁。
B．防控技术的实施
以南京市郊某工业用地为例，场地环境与水文地质调查结果表明：该区域土壤类型为黄棕壤，土壤剖面以粘土层为主，地下水埋深较浅，初见水位在2 m左右。依据工厂生产工艺、三废排放特征，开展风险模拟评估确定潜在目标污染物主要是重金属及其酸性载体，同时划定了关键防控区域。在防控区域内原位开挖表土至50 cm，用筛分破碎铲斗搅拌并粉碎土壤，使得90%以上土壤颗粒粒径小于2 cm，洒水润湿土壤后，按土壤、生物炭、零价铁100:5:3的干基质量比加入A步骤制备好的防控材料，搅拌均匀并老化15 d后压实，即完成防控层的铺设。
分别取防控层与周边（对照组）土壤装填土柱，通过实验室规模模拟淋溶实验来评价防控效果。土柱直径20 cm、高度70 cm（装填50 cm土，底部20 cm设有液体收集装置）。以每日2次每次200 mL的添加方式多次加入实际废水淋溶土壤进行静态穿透实验，结果表明：与对照组（场地土壤填柱，不加防控材料）相比，添加防控材料后，单位体积土壤对6种目标重金属的截留容量与去除效果提升显著（数倍乃至1-2个数量级）。表2提供了对照组土壤污染负荷过载后，防控组依然高效阻控污染物的一组数据。
表1 脱水污泥与餐厨果蔬类废物的理化性质
| %质量 | 含水率 | 有机质 | C | N | H | 蛋白质 | 纤维素 | 半纤维素 | 木质素 |
| 脱水污泥 | 78.6 | 61.7 | 29.5 | 5.7 | 4.9 | 36.5 | 4.1 | 17.3 | 11.2 |
| 餐厨果蔬类废物 | 90.2 | 90.3 | 47.1 | 4.2 | 2.6 | 19.2 | 15.5 | 11.4 | 9.5 |
表2 废水与沥出液理化性质 （金属含量单位：mg/L；/：未检出）
| pH | As | Cd | Cr(VI) | Cr（总） | Cu | Pb | Zn | |
| 废水 | 4.85 | 3.44 | 5.91 | 15.4 | 27.8 | 30.1 | 24.9 | 81.5 |
| 对照组沥出液 | 5.02 | 2.77 | 4.31 | 3.1 | 16.8 | 26.8 | 13.7 | 68.1 |
| 防控组沥出液 | 6.84 | / | / | / | 2.12 | 3.12 | 1.68 | 7.15 |
C．防控层的更换及其处理处置
待防控层累积受纳的污染负荷达到目标重金属饱和容量的90%时，开挖并更换防控区域50 cm厚度表土，该防控区域即可继续使用。目标重金属饱和容量可以参照B步骤，利用土柱通过静态穿透实验测试获得。挖出来的富集重金属的酸性表土，经固化稳定化后作为普通工业固体废物进行处理处置。
Claims (5)
1.一种工业场地污染防控方法，其特征在于：
A．防控材料的制备
将城市污水厂脱水污泥烘干并粉碎后，采用0.05 mol/L的HCl对其进行酸洗以去除金属阳离子与其它杂质，水洗至中性后烘干得到生物质粉末1，将洗净的餐厨果蔬类生物质废物烘干并粉碎后得到生物质粉末2；将上述得到的生物质粉末1和生物质粉末2按1:0.5~2的质量比混合并加入工业电炉，于550~650 ℃的氮气环境下热解2~6 h，冷却后收集固态炭化产物并磨碎过筛，即为生物炭；
依次用0.1 mol/L的H2SO4与无水乙醇洗涤工业级还原铁粉3~5 min，去除其表面氧化层及杂质，然后用脱氧去离子水洗至中性后真空烘干备用，即为零价铁；
B．防控技术的实施
在防控区域内原位开挖表土至30~50 cm，用筛分破碎铲斗搅拌并粉碎土壤，使得90%以上土壤颗粒粒径小于2 cm，洒水润湿土壤后，按土壤、生物炭、零价铁100:1~10:1~5的干基质量比加入A步骤制备好的防控材料，搅拌均匀并老化3~20天后压实，完成防控层的铺设；
C．防控层的更换
通过静态穿透实验确定防控层对目标污染物的承载能力，待防控层累积受纳的污染负荷达到其饱和容量的90%时，开挖并更换防控层后，该防控区域即可继续使用。
2.根据权利要求1所述的一种工业场地污染防控方法，其特征在于，所述的城市污水厂脱水污泥为城市生活污水处理领域各种生物工艺所产生的剩余污泥，经机械脱水处理后，其含水率低于80%wt，有机质含量大于50%wt。
3.根据权利要求1所述的一种工业场地污染防控方法，其特征在于，所述的餐厨果蔬类生物质废物为单独收集的或者混合收集后经分选的餐厨与果蔬类废物的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种工业场地污染防控方法，其特征在于，所述步骤A中加入工业电炉的混合生物质粉末，其C含量不低于30%wt。
5.根据权利要求1所述的一种工业场地污染防控方法，其特征在于，所述的工业级还原铁粉，其Fe含量不低于97% wt，粒度在80~200目。
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