CN111562354A - 一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法及装置 - Google Patents

一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法及装置，包括以下步骤：取经固化/稳定化修复后符合要求的土壤制备成土壤模拟样，用模拟酸雨淋洗土壤模拟样直至淋洗液不符合原始土壤所在位置地下水功能区要求，记录不符合要求前的模拟酸雨淋洗总量并根据模拟酸雨淋洗总量计算修复技术的长效性周期。本发明方案通过用模拟降雨淋洗土壤，并检测淋洗液中的污染指标，推算长效性周期，可用于快速的评价固化/稳定化修复重金属污染土壤长期有效性(长效性)，获取有效时间和修复效果等关键数据，便于工程应用研究。

Description

一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方 法及装置
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂评价方法及装置。
背景技术
随着我国城市化的快速推进，城市布局以及产业结构都在不断地进行调整和优化。原先许多污染较重的企业，被迁出人口稠密的城区，而多数搬迁后的工业场地则被规划为商业或者居住用地。这些工业场地往往受到过不同程度的污染，尤其是重金属，残存在其中极易对后续暴露其中的生物产生不利的影响。因此，开展重金属污染土壤修复工作确保用地安全迫在眉睫。
相比于其他技术，固化/稳定化技术具有施工方便、修复效率高、成本较低等优势，是目前工程上常用的修复技术。目前，针对于采用固化/稳定化修复的重金属污染土壤通常需要依据《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法(HJ 557-2010)》进行修复效果评估，要求浸出液中重金属含量符合或者优于污染场地所在地下水功能区划分标准要求。尽管固化/稳定化技术短期内修复效果显著，然而其只是将重金属转化为化学性质不活泼的形态或阻止其在环境中迁移，并没有将重金属彻底的脱离土壤，随着时空演变，重金属可能发生解析，存在二次污染风险。与此同时，我国生态环境部颁发的《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则(试行)HJ 25.5-2018》中也明确要求采用固化/稳定化等风险管控技术要求工程设施完工1年内，需每个季度采样监测以评估工程效果的有效性。因此，利用该技术开展重金属污染土壤修复时，事先对所用的固化/稳定化修复剂开展长期有效性(长效性)评估确定该修复剂的有效性周期，对于验证固化/稳定化技术的治理效果和可行性具有重要意义。
现有的长效性评估方法通常采用的是长年定期取样监测相关指标的策略。例如，Antemir等通过对固化/稳定化的场地开展了长达11年持续监测(ANTEMIR A.Performanceassessment of stabilised/solidified waste-forms[D].Greenwich:University ofGreenwich,2010)。同时，王菲等研究者也对采用固化/稳定化技术修复的场地开展了长达17年的监测(王菲,沈征涛,王海玲.水泥固化/稳定化场地污染土的效果分析[J].岩土工程学报,2018,040(003):540-545.)。可见，传统的方法费时费力，而且也无法事先对修复效果进行预判。近年来，模拟降雨(酸雨)为固化/稳定化技术长效性评价提供了重要参考。然而，如何在仿真的情况下，实现短期内快速获取相应的固化/稳定化修复剂的有效性是当前的一个难点。因此，设计一种能够快速且有效的评价基于固化/稳定化重金属污染土壤修复技术长效性的装置与方法具有重要意义。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法，具体为固化/稳定化修复剂，该方法能够快速地对固化/稳定化修复剂的长效性周期进行有效评价。
本发明还提出一种能够快速地对固化/稳定化修复剂的长效性周期进行有效评价的装置。
根据本发明的第一方面实施例的方法，包括以下步骤：
取经固化/稳定化修复后符合要求的土壤制备成土壤模拟样，用模拟酸雨淋洗土壤模拟样直至淋洗液不符合原始土壤所在位置地下水功能区要求，记录不符合要求前的模拟酸雨淋洗总量并根据模拟酸雨淋洗总量计算修复技术的长效性周期。
根据本发明实施例的方法，至少具有如下有益效果：通过用模拟降雨淋洗土壤，并检测淋洗液中的污染指标，推算长效性周期，将外部大环境缩小模拟，大幅缩短了评价时间，可用于快速的评价固化/稳定化修复重金属污染土壤长期有效性(长效性)，获取有效时间和修复效果等关键数据，便于工程应用研究。
根据本发明的一些实施方式，所述淋洗操作至少为一次，单次淋洗所用的模拟酸雨体积总量＝单位周期内的降雨总量*土壤模拟样的截面积，长效性周期的计算方法为：长效性周期＝单位周期时长*模拟酸雨淋洗总量/每次淋洗所用的模拟酸雨体积总量。
根据本发明的一些实施方式，单次淋洗所用的时间为1～24h；优选为2～20h；更优选为6～12h。
根据本发明的一些实施方式，淋洗时模拟酸雨的流速为0～120mL/min；优选为10～100mL/min；更优选为10～50mL/min。
根据本发明的一些实施方式，所述酸雨的pH值根据单位时间内原始土壤所在位置的酸雨pH平均值进行调节。酸雨pH值可根据各地具体调节，适应性强。
根据本发明的一些实施方式，所述土壤模拟样的制备方法如下：取吸水饱和的石英砂，在所述石英砂上铺设修复后的原始土壤，将所述原始土壤润湿后压实，再在压实后的土壤上覆盖吸水饱和的细砂。
根据本发明的第二方面实施例的装置，包括模拟酸雨发生器、输送件、土壤容器和淋洗液接收器，其中，所述模拟酸雨发生器用于制备模拟酸雨；所述输送件用于将所述模拟酸雨发生器中制备的模拟酸雨输送至所述土壤容器内；所述土壤容器底部设有出液口，所述淋洗液接收器位于所述出液口的下方。
根据本发明实施例的装置，至少具有如下有益效果：本发明实施例方案的装置结构简单、设计巧妙、操作方便且安全性高，通过本发明结构装置可快速获知市售固化/稳定化修复剂长效性和修复效果，为筛选适宜的固化/稳定化药剂及工程提供有力依据。
根据本发明的一些实施方式，所述土壤容器为多个。设置多个土壤容器，可平行进行多个土壤样品实验，使得评价结果更为准确；也可同时对多个不同土壤样品进行测试，提高了评价效率。
根据本发明的一些实施方式，所述模拟酸雨发生器包括pH计、酸液储罐、进水管、储液箱和搅拌器，所述pH计和搅拌器伸入所述储液箱内部，所述酸液储罐和进水管分别与所述储液箱连通，所述进水管连接外设水源。
根据本发明的一些实施方式，所述进水管上设有流量计；优选地，所述流量计为电子流量计。
根据本发明的一些实施方式，所述土壤容器为土壤填充柱；优选地，所述土壤填充柱侧壁上设有泾流口，下部设有多孔板；优选地，所述多孔板的直径为10～15cm；优选地，所述多孔板上设有若干通孔，所述通孔的孔径分布在0.2～0.5mm之间。
根据本发明的一些实施方式，所述填充柱的管径分布在10～15cm；高度为1.5～2.0m。
根据本发明的一些实施方式，所述输送件包括布水器；优选地，所述布水器包括一个圆形的喷头，所述喷头的直径为10～15cm；优选地，所述布水器上设有若干个孔结构，所述孔结构的孔径分布在1～2mm之间。使用布水器，使得模拟酸雨均匀的淋洗土壤。
根据本发明的一些实施方式，所述装置还包括可移动支架，所述土壤容器安装在所述可移动支架上。设置可移动支架，使得装置任意移动，提升使用过程中的便利性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置的主体结构示意图；
图2为本发明实施例的模拟酸雨发生器的结构示意图；
图3为本发明实施例的淋洗液接收器的结构示意图。
标号说明：
11、pH计；12、搅拌器；13、储液箱；14、进水管；15、酸液储罐；16、流量计；
21、布水器；
3、土壤填充柱；31、多孔板；32、法兰；
41、过滤器；42、接收箱；
5、可移动支架；51、万向轮。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明的实施例为：一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置，如图1所示，包括模拟酸雨发生器(图1中未示出)、输送件、土壤填充柱3和淋滤液接收器(图1中未示出)。
输送件包括第一蠕动泵(具有耐腐蚀性)和布水器21(耐腐蚀材质，直径约为10～15cm，孔径分布在0.2～0.5mm之间)，第一蠕动泵用于将模拟酸雨发生器中的酸雨输送到布水器21内，再通过布水器21将其输送到土壤填充柱3内，布水器21伸入土壤填充柱3内。
填充柱采用耐腐蚀耐磨材质制备而成(管径通常为10～15cm，而高度通常为1.5～2.0m)，包括上圆柱型上部和圆锥型下部，其上圆柱型上部的侧壁上设有泾流口(耐腐蚀阀门)，上圆柱型上部与圆锥型下部间通过法兰32(耐腐蚀材质，六孔法兰32，直径为10～15cm)连接，法兰32内设有多孔板31(多孔板31的直径为10～15cm；多孔板31上设有多个通孔，通孔的孔径分布在0.2～0.5mm之间)。设置多孔板31以便于支撑固化/稳定化技术修复后的重金属污染土壤及模拟酸雨的滤出。可在圆锥型下部设置阀门，还可在出液口设置尼龙过滤网，避免土壤随淋洗液流入待测液中。
淋洗液接收器包括过滤器41(玻璃砂芯漏斗)和接收箱42，过滤器41位于填充柱圆锥型下部的下方(也可通过胶管连接)，接收箱42位于过滤器41的出液口下方。
如图2所示，模拟酸雨发生器包括pH计11、酸液储罐15(可储存盐酸和硝酸的混合溶液)、进水管14、储液箱13(其材质包括但不限于有机玻璃、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或耐酸性不锈钢)和搅拌器12，进水管14和酸液储罐15分别与储液箱13连通，pH计11和搅拌器12均伸入储液箱13内，搅拌器12用于对储液箱13内的液体进行搅拌混匀，使得模拟酸雨的pH更均匀。进水管14(设有电子流量计16)的进水端与室内自然水龙头连接，出水端连接储液箱13，酸液储液罐通过第二蠕动泵(具有耐腐蚀性)与储液箱13连接。第二蠕动泵与储液箱13和酸液储液罐间均通过胶管连接。
该装置还可设置可移动性支架，其包括不锈钢框架、有机玻璃板(设有与填充柱大小相匹配的孔结构)、土壤填充柱3固定器及万向轮51，土壤填充柱3固定器为圆形成用夹，可将土壤填充柱3固定在可移动支架5上。
利用上述装置对模拟样进行长效性评，具体操作如下：
1、配制重金属污染土壤：
采集新鲜土壤样，本实施例采用室内试验，供试土壤为采自广州市番禺区的未受污染红壤土，采集后风干，过100目筛，密封储存于干燥器中备用。
重金属污染土壤的制备方法如下：按照《GB36600-2018》中第一类建设用地的管控值进行染土。以镍污染土壤为例(镍的管控值为600mg/L)，称取上述土壤5kg于塑料内，加入15L硝酸氯化镍溶液，电动搅拌一天；搅拌后自然风干，研磨后置于棕色广口瓶中，老化2周后即得到镍污染土壤。
2、制备土壤模拟样：
选用市面上所售的固化/稳定化药剂并按照相应的使用说明开展镍污染土壤修复工作，修复完后取一定量土壤开展长效性评估。具体为首先在土壤填充柱3内填充石英砂(粒径约为1～2mm，厚度约为3～5cm)，并用蒸馏水进行淋洗，使石英砂充分吸水；然后装填修复后的土壤(可在30～80cm，本实施例优选为50cm)，并在此用蒸馏水进行冲洗，使土壤吸水饱和后压实；最后再填充吸水饱和的细砂(粒径约为1～2mm，厚度约为3～6cm)。
3、配制模拟酸雨：
根据广州市历年降雨可知，广州市降雨量约为1800mm。选用降雨量为2000mm进行试验。按照100年进行评价，经核算配制pH＝3～4的溶液总计约1600L(降雨量*土壤横截面积)。
4、淋洗测试：
取人为模拟镍污染土壤3kg(镍含量600mg/kg，砂土)加入18L塑料桶中，而后向塑料桶加入市售固化/稳定化药剂(生石灰)600g，搅拌均匀后，养护7天，养护期间每天定期加入一定量的自来水。待养护结束后，取100g修复后的土壤，依据《固体废物浸出毒性浸出方法-水平振荡法(HJ 557-2010)》对修复后土壤进行评估，浸出液中重金属含量按照《地下水质量标准(GB/T 14848-2017)》中四类要求进行评价(镍离子含量≤0.1mg/L)。反应结束后采用原子吸收分光光度计测定浸出液中镍离子含量为0.03mg/L，初步符合修复要求。
在土壤填充柱3内填充石英砂(粒径约为1～2mm，厚度约为3～5cm)，并用蒸馏水进行淋洗，使石英砂充分吸水；然后装填修复后的土壤(可在30～80cm，本实施例优选为50cm)，并在此用蒸馏水进行冲洗，使土壤吸水饱和后压实；最后再填充吸水饱和的细砂(粒径约为1～2mm，厚度约为3～6cm)。装填完毕后，开始淋洗实验。按照12个小时内降完一年(一个周期)的雨量，设定蠕动泵流速为1.3L/h，进行淋洗。淋洗开始后，开启土壤填充柱3底部阀门，收集淋洗液。一个周期完毕后，在淋洗液接收器内取水样检测水中镍离子含量。如果符合要求，则继续进行淋洗，直至不符合要求，计算淋洗次数推算长效性周期。一个淋洗周期内淋洗液中重金属含量如表1所示。
表1淋洗液中镍离子含量
Figure BDA0002438434570000061
从表中可以看出，修复后土壤经过4个小时淋洗后淋洗液中镍离子含量已经超过了《地下水质量标准(GB/T 14848-2017)》中四类要求(镍离子含量≤0.1mg/L)，因此，可以推算出采用石灰修复镍污染土壤的有效期为3个月。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法，其特征在于：包括以下步骤：
取经固化/稳定化修复后符合要求的土壤制备成土壤模拟样，用模拟酸雨淋洗土壤模拟样直至淋洗液不符合原始土壤所在位置地下水功能区要求，记录不符合要求前的模拟酸雨淋洗总量并根据模拟酸雨淋洗总量计算修复技术的长效性周期。
2.根据权利要求1所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法，其特征在于：所述淋洗操作至少为一次，单次淋洗所用的模拟酸雨体积总量＝单位周期内的降雨总量*土壤模拟样的截面积，长效性周期的计算方法为：长效性周期＝单位周期时长*模拟酸雨淋洗总量/每次淋洗所用的模拟酸雨体积总量。
3.根据权利要求1所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法，其特征在于：淋洗时模拟酸雨的流速为0～120mL/min；优选为10～100mL/min；更优选为10～50mL/min。
4.根据权利要求1所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价方法，其特征在于：所述土壤模拟样的制备方法如下：取吸水饱和的石英砂，在所述石英砂上铺设修复后的原始土壤，将所述原始土壤润湿后压实，再在压实后的土壤上覆盖吸水饱和的细砂。
5.一种基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置，其特征在于：包括模拟酸雨发生器、输送件、土壤容器和淋洗液接收器，其中，所述模拟酸雨发生器用于制备模拟酸雨；所述输送件用于将所述模拟酸雨发生器中制备的模拟酸雨输送至所述土壤容器内；所述土壤容器底部设有出液口，所述淋洗液接收器位于所述出液口的下方。
6.根据权利要求5所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置，其特征在于：所述模拟酸雨发生器包括pH计、酸液储罐、进水管、储液箱和搅拌器，所述pH计和搅拌器伸入所述储液箱内部，所述酸液储罐和进水管分别与所述储液箱连通，所述进水管连接外设水源。
7.根据权利要求5所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置，其特征在于：所述土壤容器为多个。
8.根据权利要求5所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置，其特征在于：所述土壤容器为土壤填充柱；优选地，所述土壤填充柱侧壁上设有泾流口，下部设有多孔板；优选地，所述多孔板的直径为10～15cm。
9.根据权利要求5所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置，其特征在于：所述输送件包括布水器；优选地，所述布水器包括一个圆形的喷头，所述喷头的直径为10～15cm。
10.根据权利要求5所述的基于固化/稳定化重金属污染土壤修复剂长效性评价装置，其特征在于：所述装置还包括可移动支架，所述土壤容器安装在所述可移动支架上。
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