CN109115985B - 一种重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及重金属污染土壤修复领域，具体是一种重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法，包括以下步骤：(A)对重金属污染土壤的分散性等级进行评级；(B)根据步骤A测得的土壤分散性等级，添加土壤改性材料提高其分散性；(C)采用步骤A的方法对步骤B处理后的土壤再次进行评级，比较土壤改性材料使用前后土壤的分散性等级变化，根据其等级变化确认改性材料的有效性；(D)添加土壤修复材料。本发明用于重金属污染土壤的分散性评估，通过综合评分评级，选择合适的土壤改性剂以及控制优化土壤修复剂的用量。

Description

一种重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法

技术领域

本发明涉及重金属污染土壤修复技术领域，是一种重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法。

背景技术

对于具有高粘性和高含水率的特征的待处理土壤，例如上海市桃浦区的土壤，在对这类型土壤进行固化稳定化处理时，会因为土壤本身性质的关系，使得固化稳定化试剂不易与土壤充分接触，过大的土壤粒径使得高粘性土壤大粒径内部的污染物质不能参与反应，或者在工程应用时需要使用过多的试剂提高工程成本。

因此改良土壤结构、提高土壤分散性是是的稳定化药剂能够更有效发挥其作用的先决条件。研究其调制处理技术，对于工程的实施以及重金属污染的有效治理尤为重要。目前对于土壤分散性的评价主要集中于含水率和土壤粒径这两个指标。

土壤含水量是土壤中所含水分的数量。一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，也称土壤含水率。土壤含水率是农业生产中一重要参数，其主要方法有称重法，张力计法，电阻法，中子法，r-射线法，驻波比法，时域反射击法及光学法等。土壤中水分含量称之为土壤含水率，是由土壤三相体(固相骨架、水或水溶液、空气)中水分所占的相对比例表示的，通常采用重量含水率和体积含水率两种表示方法。

根据土壤性质的不同，其含水率的测试也有所差异，且含水率受天气等自然气候条件的影响较大，对于工程日的晴雨天气有较大的要求，也因为天气关系存在较大的误差，因此，以含水率作为表征方式，存在偶然性和突变性，不利于修复工程长期研究，同时，取样测含水率时，含水率与大环境大立方的土壤也有所偏差，对于分散性的表征，存在一定误差。

土壤粒径分布是最基本的土壤物理性质之一，它强烈地影响着水力热力性质等重要的土壤物理特性。土壤粒径分布的测定方法相对简单便捷，精度也较高，而且在常规的土壤调查资料中也有详细程度不一的粒径分析数据。而土壤水分特征曲线和(非)饱和水力传导率、土壤热导率、土壤热容量等土壤水力、热力性质的直接测定比较费时、昂贵，且精度较低，可重复性差。因此，根据土壤粒径分布来估计土壤的其他水力学性质已经成为相关领域的研究热点。目前，人们已经提出了多种物理或经验模型将粒径分布与土壤水热性质关联起来。在对土壤水热过程的模拟当中，往往也采用了这些模型。但实际资料中往往只有几个间断的粒级分布点，而这些点不能满足这些模型的模拟需要。例如，在公用陆面模式中需要美国制的砂粒、粘粒、粉粒含量来计算土壤的水热特性。为了得到连续的粒径分布或者特定范围的颗粒质量分数，需要借助于土壤粒径分布模型。

但实际上在工程中，对于大立方土壤，取样部分的土壤进行筛分，存在人工手工的差异，以及土壤取样的随机性，因此作为主要的表征参数不够理想，不利于进一步的分散性分析研究，且在现场工程中，土壤的粒径受其中杂质分布的影响大，存在偶然性。而实验室研究中粒径分布的实验精细程度实际施工中无法达到且对人力物力资源是种损耗，故其作为主要表征方式不够理想。

申请人根据对于上海桃浦地区重金属污染土壤修复的项目中，对于分散性评定时，由传统两种因素评定其分散性，其评定结果片面且不适用于更大范围的土壤评估，且对于粒径等因素的考察时，存在片面和偶然性。

申请人研究表明土壤的分散性是由多种因素共同作用的结果，根据土壤建立新的重金属土壤分散性的评估方法是十分重要的，目前还没有针对性适用性强的评估方法。且根据因素研究分析的结果，在选取合适的土壤改性剂和土壤修复投加量优化等方面，都有很好的实践结果。

发明内容

本发明的目的在于尽可能避免目前土壤分散性评估技术与指标的缺点，根据原工程上常见方式的不足，提出一种简单、准确的利用五种土壤分散性评估参数即土壤粒径分布、土壤含水率、土壤抗压强度、土壤抗剪强度和土壤孔隙率的重金属污染土壤分散性评估方法和土壤改性修复方法，利用该方法评价改性材料性能、选取土壤改性剂及优化土壤修复剂的投加量，对土壤进行修复。

本发明的第一方面，提供一种重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法，包括以下步骤：

(A)对重金属污染土壤的分散性等级进行评级；

(B)根据步骤A测得的土壤分散性等级，添加土壤改性材料提高其分散性；所述的土壤改性材料为土壤分散剂，包括石灰、磷酸钠、六偏磷酸钠、螯合剂等。

(C)采用步骤A的方法对步骤B处理后的土壤再次进行评级，比较土壤改性材料使用前后土壤的分散性等级变化，根据其等级变化确认改性材料的有效性；

当土壤的分散性等级：若等级改变＜1时，确认土壤改性材料对该土壤无效，结束流程；若等级改变≥1级时，确认其为有效改性，继续进行步骤D；若等级改变≥2级时，确认其为基本改性，继续进行步骤D；若等级改变≥3级时，确认其为完全改性，继续进行步骤D；

(D)添加土壤修复材料；所述的土壤修复材料包括硫酸亚铁、还原铁粉、活性炭、磷酸二氢钙、碳酸钙等。

进一步的，所述的步骤A中的重金属污染土壤，其具备高含水率高粘性的特点，除去土壤中混杂的大体积各类杂质(包括石块、植物残体等)。

进一步的，所述的步骤A中通过测量重金属污染土壤的土壤粒径分布、土壤含水率、土壤抗压强度、土壤抗剪强度、土壤孔隙率对土壤的分散性等级进行评级：

所述的土壤粒径分布数值范围包括<2mm，2～5mm(不包括5mm)，5～15mm(不包括15mm)，15～40mm(不包括40mm)，40～75mm(不包括75mm)，≥75mm共六类；该指标为S1，按照其分布比例X，<2mm，2～5mm(不包括5mm)，5～15mm(不包括15mm)，15～40mm(不包括40mm)，40～75mm(不包括75mm)，≥75mm对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤含水率数值范围包括<7％，7～11％(不包括11％)，11～15％(不包括15％)，15～17％(不包括17％)，17～19％(不包括19％)，≥19％共六类；该指标为S2，<7％，7～11％(不包括11％)，11～15％(不包括15％)，15～17％(不包括17％)，17～19％(不包括19％)，≥19％对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤抗压强度数值范围包括0kPa，0～1kPa(不包括0kPa和1kPa)，1～2kPa(不包括2kPa)，2～3kPa(不包括3kPa)，3～4kPa(不包括4kPa)，≥4kPa共六类；该指标为S3，0kPa，0～1kPa(不包括0kPa和1kPa)，1～2kPa(不包括2kPa)，2～3kPa(不包括3kPa)，3～4kPa(不包括4kPa)，≥4kP对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤抗剪强度数值范围包括<3kPa，3～4kPa(不包括4kPa)，4～5kPa(不包括5kPa)，5～6kPa(不包括6kPa)，6～7kPa(不包括7kPa)，≥7kPa共六类；该指标为S4，<3kPa，3～4kPa(不包括4kPa)，4～5kPa(不包括5kPa)，5～6kPa(不包括6kPa)，6～7kPa(不包括7kPa)，≥7kP对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤孔隙率数值范围包括<30％，30～40％(不包括40％)，40～50％(不包括50％)，50～60％(不包括60％)，60～70％(不包括70％)，≥70％共六类；该指标为S5，<30％，30～40％(不包括40％)，40～50％(不包括50％)，50～60％(不包括60％)，60～70％(不包括70％)，≥70％对应部分分数设计为0，2，4，6，8和10；

综合评分结果由S1，S2，S3，S4和S5相加而成，分为五个范围≥40，≥30且<40，≥20且<30，≥10且<20和<10；分别对应土壤分散性等级的五级I，II，III，IV和V级。对应等级越高，其分散性越高。

本发明优点在于：

1、本发明采用多重指标共同断定分散性，能够确保其结果值尽可能少受取土壤时的偶然性的影响；

2、本发明方法所需测试的五项指标其测试结果容易获得，对于测评单位所需硬件条件要求简单；

3、本发明方法除了分散性的评估作用外，还能对基本物理性质化学性质的测量起到辅助作用；

4、采用本发明方法能够对土壤改性材料的有效性进行判断，将分散性等级评级结果应用于改善土壤分散性的土壤改性材料优选评估，从而有助于选择合适的土壤改性材料；

5、本发明方法中根据土壤分散程度，适当添加土壤分散剂提高其分散性，使得后期重金属污染土壤固化稳定化时投加修复材料药剂量明显减少，能够控制优化土壤修复剂的用量，且能满足充分反应以及稳定化要求。

附图说明

图1是本发明中对重金属污染土壤分散性进行评级的流程框图。

图2是本发明实施例2中稳定化处理1周后土壤中铬的稳定化率对比。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1—五种土壤参数测量

1.1—土壤粒径分布；

1.2—土壤含水率；

1.3—土壤抗压强度；

1.4—土壤抗剪强度；

1.5—土壤孔隙率；

2—五项指标综合评定；

3—土壤分散性等级。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

实施例1

(A)对重金属污染土壤的分散性等级进行评级。

1—五种土壤参数测量(结合图1进行详细说明)：

1.1—土壤粒径分布

土壤粒径分布数值范围包括<2mm，2～5mm(不包括5mm)，5～15mm(不包括15mm)，15～40mm(不包括40mm)，40～75mm(不包括75mm)，≥75mm共六类。按照五项综合评分2指标中该指标为S1，按照其分布比例X，<2mm，2～5mm(不包括5mm)，5～15mm(不包括15mm)，15～40mm(不包括40mm)，40～75mm(不包括75mm)，≥75mm对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0。

1.2—土壤含水率

土壤含水率数值范围包括<7％，7～11％(不包括11％)，11～15％(不包括15％)，15～17％(不包括17％)，17～19％(不包括19％)，≥19％共六类。按照五项综合评分2指标中该指标为S2，<7％，7～11％(不包括11％)，11～15％(不包括15％)，15～17％(不包括17％)，17～19％(不包括19％)，≥19％对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0。

1.3—土壤抗压强度

土壤抗压强度数值范围包括0kPa，0～1kPa(不包括0kPa和1kPa)，1～2kPa(不包括2kPa)，2～3kPa(不包括3kPa)，3～4kPa(不包括4kPa)，≥4kPa共六类。按照五项综合评分2指标中该指标为S3，0kPa，0～1kPa(不包括0kPa和1kPa)，1～2kPa(不包括2kPa)，2～3kPa(不包括3kPa)，3～4kPa(不包括4kPa)，≥4kP对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0。

1.4—土壤抗剪强度

土壤抗剪强度数值范围包括<3kPa，3～4kPa(不包括4kPa)，4～5kPa(不包括5kPa)，5～6kPa(不包括6kPa)，6～7kPa(不包括7kPa)，≥7kPa共六类。按照五项综合评分2指标中该指标为S4，<3kPa，3～4kPa(不包括4kPa)，4～5kPa(不包括5kPa)，5～6kPa(不包括6kPa)，6～7kPa(不包括7kPa)，≥7kP对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0。

1.5—土壤孔隙率

土壤孔隙率数值范围包括<30％，30～40％(不包括40％)，40～50％(不包括50％)，50～60％(不包括60％)，60～70％(不包括70％)，≥70％共六类。按照五项综合评分2指标中该指标为S5，<30％，30～40％(不包括40％)，40～50％(不包括50％)，50～60％(不包括60％)，60～70％(不包括70％)，≥70％对应部分分数设计为0，2，4，6，8和10。

2—五项指标综合评分

按照上述方法确定五项指标综合评分，综合评分结果由S1，S2，S3，S4和S5相加而成，分为五个范围≥40，≥30且<40，≥20且<30，≥10且<20和<10。

3—土壤分散性等级

土壤分散性等级分为五级，分别为I，II，III，IV和V级。对应等级越高，其分散性越高。

(B)根据步骤A测得的土壤分散性等级，添加土壤改性材料提高其分散性；所述的土壤改性材料为土壤分散剂，包括石灰、磷酸钠、六偏磷酸钠、螯合剂等。

(C)采用步骤A的方法对步骤B处理后的土壤再次进行评级，比较土壤改性材料使用前后土壤的分散性等级变化，根据其等级变化确认改性材料的有效性；

若土壤的分散性等级改变＜1时，确认土壤改性材料对该土壤无效，结束流程；若等级改变≥1级时，确认其为有效改性，继续进行步骤D；若等级改变≥2级时，确认其为基本改性，继续进行步骤D；若等级改变≥3级时，确认其为完全改性，继续进行步骤D；

(D)添加土壤修复材料；所述的土壤修复材料包括硫酸亚铁、还原铁粉、活性炭、磷酸二氢钙、碳酸钙等。

经过测试，当土壤分散性等级小于II级(包括II级)时，修复药剂的投加量为原实验值(即不添加所述的土壤改性材料处理的原土直接添加修复药剂时，下同)投加量的1/2-1/3；当土壤分散性等级等于III级时，修复药剂的投加量为原实验值投加量；当土壤分散性等级大于IV级(包括IV级)时，修复药剂的投加量为原实验值投加量的2-3倍。

运用本发明评估确定桃浦实验区土壤分散性等级后，根据其分散程度，适当添加土壤改性物质提高其分散性，使得后期重金属污染土壤固化稳定化时投加土壤修复材料的药剂量明显减少，且能满足充分反应以及稳定化要求。

实施例2修复实例

根据土壤分散性表征的五项基本性质，对2％(添加石灰质量/处理土壤质量，下同)石灰作为土壤分散剂施用前后土壤的五项基本性质变化进行测试。实验土壤为某土壤专项铬污染土壤，其相关属性如表1所示。

表1铬污染土壤金属含量及其浸出浓度(附对应标准)

重金属	总量(mg/kg)	浸出浓度(mg/L)	我国危险废物浸出毒性鉴别标准(mg/L)
				总铬	6301.5	200.7	15
六价铬	2353	126.6	5

除此之外确保土地酸碱性质的影响较小，同时测定施用2％石灰前后土壤酸碱性的变化。具体结果及对应土壤分散性评估方法计分如下表2所示。

表2施加2％石灰前后土壤五项基本性质及土壤分散性评估等级

原土壤中的含水率在2％石灰的作用下减小了4.66％，与原含水率变化依评级方法断定，未达到级数差别，其原因分析为原土壤中自由水比例占原土壤水分比例有限，且人工手持式机械搅拌的效率有限。土壤粒径的变化较为显著。抗压强度和抗剪强度在石灰的作用下都有明显的降低，说明其中黏土颗粒在石灰作用下，粘结性得以分散，易于机械操作。孔隙率也有紧密黏实状逐渐走向坚硬疏松。从土壤分散性等级评估上来看，土壤分散性等级由原先的Ⅳ级提升为Ⅲ级，并且实际得分29.93与Ⅱ级的要求将接近。显示2％石灰作为土壤分散剂具有良好的提高土壤分散性的效益。

设计施用不同剂量的土壤修复材料硫酸亚铁修复两种土壤(分散剂施用前后)，设计如表3。其他条件如温度控制在室温。

表3不同剂量的硫酸亚铁修复分散前后土壤设计

测试其稳定化一周后土壤中铬的浸出浓度如表4所示。

表4不同剂量的硫酸亚铁修复分散前后土壤中铬的浸出浓度

D7	原土样	2	4	6	8
						原土	200.7	136.2	72	52.4	35.3
2％石灰处理后土壤	200.7	82.1	51.2	34.2	21.5

其稳定化率如图2所示。

土壤分散剂处理后土壤分散性数值差异为1级(接近2级级差)，投加药剂量2％的处理后土壤的稳定化率约为处理前投加药剂量4％的土壤的稳定化率，为原值1/2。显示根据土壤分散程度，适当添加土壤分散剂提高其分散性，使得后期重金属污染土壤固化稳定化时投加药剂量明显减少，且能满足充分反应以及稳定化要求。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)通过测量重金属污染土壤的土壤粒径分布、土壤含水率、土壤抗压强度、土壤抗剪强度、土壤孔隙率对土壤的分散性等级进行评级；

(B)根据步骤A测得的土壤分散性等级，添加土壤改性材料提高其分散性；所述的土壤改性材料为土壤分散剂，包括石灰、磷酸钠、六偏磷酸钠、螯合剂；

(C)采用步骤A的方法对步骤B处理后的土壤再次进行评级，比较土壤改性材料使用前后土壤的分散性等级变化，根据其等级变化确认改性材料的有效性；

当土壤的分散性等级：若等级改变＜1时，确认土壤改性材料对该土壤无效，结束流程；若等级改变≥1级时，确认其为有效改性，继续进行步骤D；若等级改变≥2级时，确认其为基本改性，继续进行步骤D；若等级改变≥3级时，确认其为完全改性，继续进行步骤D；

(D)添加土壤修复材料；所述的土壤修复材料包括硫酸亚铁、还原铁粉、活性炭、磷酸二氢钙、碳酸钙。

2.根据权利要求1所述的重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法，其特征在于，所述的步骤A中的重金属污染土壤，其具备高含水率高粘性的特点，除去土壤中混杂的大体积杂质。

3.根据权利要求1所述的重金属污染土壤分散性评估和改性修复方法，其特征在于，所述的土壤粒径分布数值范围包括<2mm，≥2且＜5mm，≥5且＜15mm，≥15且＜40mm，≥40且＜75mm，≥75mm共六类；该指标为S1，按照其分布比例X，<2mm，≥2且＜5mm，≥5且＜15mm，≥15且＜40mm，≥40且＜75mm，≥75mm对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤含水率数值范围包括<7％，≥7且＜11％，≥11且＜15％，≥15且＜17％，≥17且＜19％，≥19％共六类；该指标为S2，<7％，≥7且＜11％，≥11且＜15％，≥15且＜17％，≥17且＜19％，≥19％对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤抗压强度数值范围包括0kPa，＞0且＜1kPa，≥1且＜2kPa，≥2且＜3kPa，≥3且＜4kPa，≥4kPa共六类；该指标为S3，0kPa，＞0且＜1kPa，≥1且＜2kPa，≥2且＜3kPa，≥3且＜4kPa，≥4kP对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤抗剪强度数值范围包括<3kPa，≥3且＜4kPa，≥4且＜5kPa，≥5且＜6kPa，≥6且＜7kPa，≥7kPa共六类；该指标为S4，<3kPa，≥3且＜4kPa，≥4且＜5kPa，≥5且＜6kPa，≥6且＜7kPa，≥7kP对应部分分数设计为10，8，6，4，2和0；

所述的土壤孔隙率数值范围包括<30％，≥30且＜40％，≥40且＜50％，≥50且＜60％，≥60且＜70％，≥70％共六类；该指标为S5，<30％，≥30且＜40％，≥40且＜50％，≥50且＜60％，≥60且＜70％，≥70％对应部分分数设计为0，2，4，6，8和10；

综合评分结果由S1，S2，S3，S4和S5相加而成，分为五个范围≥40，≥30且<40，≥20且<30，≥10且<20和<10；分别对应土壤分散性等级的五级I，II，III，IV和V级。

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