水库污染治理与修复土壤氧化稳定化中试试验研究

发表时间：2021-01-06T03:14:24.802Z 来源：《建筑细部》2020年第26期 作者： 吕明超

[导读] 唐河污水库位于白洋淀西部，污水库于1975年紧邻唐河故道由人工开挖建成，从西到东总长17.5km，分南北2库，总库容1350万m3，其中南库630万m3，北库720万m3。1977年北库投入使用，主要用于存放保定市高浓度工业污水，污水通过排污管网汇集，经24km排污干渠蓄入北污水库，共计使用约为42年时间。中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州 450001

摘要：针对长期以来严重影响根底质量的废弃物资资源化利用，无害化处理水平不高，化学投入品使用不科学、不规范，土壤污染治理危机是全球可持续发展面临的重大挑战。我国水污染问题严重，需要从源头管理，实现污染预防，以此解决我国的水环境污染问题；对于已经污染的土壤采取修复治理的措施解决；因此，土壤改良应从“防”和“治”两个方面进行。本文就水库污染治理与修复土壤氧化稳定化中试试验进行研究和分析。

关键词：水库；污染治理；修复；土壤；试验

一、污水库土壤污染概况

唐河污水库位于白洋淀西部，污水库于1975年紧邻唐河故道由人工开挖建成，从西到东总长17.5km，分南北2库，总库容1350万m3，其中南库630万m3，北库720万m3。1977年北库投入使用，主要用于存放保定市高浓度工业污水，污水通过排污管网汇集，经24km排污干渠蓄入北污水库，共计使用约为42年时间。为解决唐河污水库污染问题，保障白洋淀生态环境安全与周边人群健康，2018年5月雄安新区启动了唐河污水库污染治理与生态修复一期工程，主要对库余污水和固体垃圾进行了清理，2019年7月完工。2020年5月，启动了唐河污水库污染治理与生态修复二期工程，主要工作内容为唐河污水库北库上游8.5km范围内土壤（包含底泥）治理与风险管控（含堤防部位）以及地下水监测预警的施工。

唐河污水库位于安新县西南方向，东经115°39′39″～115°50′49″，北纬38°47′″～38°48′58″；距离安新县县城约21.5km，距离保定市区约19km。范围为唐河污水库北库内上游8.5 km，受乡间道路和垃圾堵塞影响（一期工程中已修筑成过堤路），唐河污水库污染治理与生态修复二期工程范围（图1）被分割为8个不相连接的污染坑，从西到东依次编号为1~8号坑，最东端距离白洋淀约9.4 km。

二、试验技术路线

（1）针对有机污染土壤采用化学氧化工艺。工艺为向污染土壤先后添加调理剂、氧化剂和活化剂，通化学强氧化作用，使土壤中的污染物转化为无毒或相对毒性较小的物质。氧化复材采用过硫酸盐。该方法可处理石油烃、BTEX（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）、酚类、MTBE（甲基叔丁基醚）、含氯有机溶剂、多环芳烃、农药等生物修复法、热脱附法难以处理的污染物。

（2）针对有机无机复合污染土壤采用化学氧化后稳定化工艺。工艺为中度污染土壤进行氧化处理后，加入调理剂，进行预处理（目的是调节土体pH值、含水率、消耗剩余氧化剂等），并向污染土壤中加入重金属稳定剂，以化学或物理的方式通过吸附、沉淀、络合、离子交换和氧化还原等一系列反应，改变重金属在土壤中的化学形态，减少有害组分毒性、溶解迁移性，降低污染物的生物有效性，从而达到修复效果。稳定化过程中主要包括水合反应、硫化物沉淀、磷酸盐沉淀、氧化还原控制、吸附沉淀等综合作用。 三、试验准备 3.1 试验场地布置

试验场地选定在临时租用的车间内进行生产试验，试验区域划分为五块功能区，分别为药剂存放区、氧化液剂制备区、污染土堆存区、混料作业区以及修复后养护区。

3.2 试验材料与设备

本次试验所需主要设备和药剂材料如表1所示。为保证工程进度，相关设备及材料都按时进场。

3.3 药剂及设备进场

为保障试验顺利进行，试验前，完成试验调节剂及活化剂、氧化/稳定剂、拌和专用设备ALLU破碎筛分斗（1台）及其他设备材料进场工作。

（1）调节剂和活化剂

实验中，由于污染土壤需进行调节含水量、pH值等预处理，拟采用CaO进行调节，调节剂共计进场8t，而活化剂NaOH仅对氧化剂产生效应，进场2t。调节剂与活化剂均具备化学成分监测报告、化学品安全技术说明书、质量证明文件等材料，并满足国家有关产品质量要求，不会产生二次污染。 （2）氧化剂

实验采用两种氧化剂，分别为氧化剂PS、氧化剂SPC。氧化剂PS共计进场4 t，氧化剂SPC共计进场2t。氧化药剂均具备化学成分监测报告、化学品安全技术说明书、质量证明文件等材料，并满足国家有关产品质量要求，不会产生二次污染。 （3）处理设备

破碎筛分设备为ALLU破碎筛分斗，功能是把运输至车间的土堆通过筛分预处理进行分堆存放，同时，利用其进行土壤与氧化/稳定剂均匀拌合，按照试验要求，1号坑120 m3污染土壤分成约10方/堆，共12堆，3号坑污染土壤进行补充实验，分为约5方/堆，共2堆。 3.4 药剂堆放

土壤修复用的药剂遇水会提前发挥药效，容易导致药剂效果提前释放而导致失效，因此使用之前需要注意防水保存，在堆存区底部布置木质或塑料托盘等防止受潮。 3.5 氧化/稳定剂配比确定

对堆体进行周长和高度测量，计算得出堆体的方量，该方量为筛分后蓬松土的方量，并采用标准尺寸箱配合磅秤进行密度测算，密度为1.2 g/cm3。根据每堆土的重量和氧化/稳定剂掺量比例测算每个土堆的氧化/稳定剂质量。 四、修复实施方案 4.1 液体药剂制备

根据土壤修复治理后的质量目标要求，为选择合理溶剂配合比，确定最经济的药剂用量来确定活化剂、氧化剂和需水量后，搬运不同药剂，在容量分别为0.5 t及1t的溶药桶中进行依次加药混合（加药过程中需不断搅拌以防过热），其中，氧化剂的掺量梯度为1%，2%，3%，而药剂包装袋作危废处理，置入现场吨袋中便于后期处理。 4.2化学氧化处理

（1）含水量及调节pH值预处理

利用ALLU筛分斗直接破除粒径大于30mm的杂物，将调理剂袋装的CaO药剂（每袋质量为40 kg）混合到待修复土体中，将其与粒径小于20～30 mm的污染土壤加药剂混拌均匀。试验中采用不同的药剂比例和不同的溶液掺量进行混拌后，以达到降低土壤含水量、调节土壤pH和提高土壤中反应温度的效果。拌合次数是决定后期加药修复效果的关键因素，混拌次数过多，CaO产生热量可能会消耗殆尽，对后期即刻加入的氧化药剂的活化作用减弱，从而削弱效果，混拌次数过少，可能导致CaO与污染土壤混合不均匀，土壤颗粒化包裹严重，因此，本次试验选择2遍拌合，之后即刻加入液体药剂进行混合。需注意，拌合生石灰的过程中可能会产生粉尘，需降低 ALLU斗进行拌合并对其采取一定的防尘处理措施。 （2）液体药剂混拌

待调理剂与土壤均匀混拌结束，即刻通过自吸泵抽提药剂桶中的药剂，利用喷液器将配置好的液体药剂喷洒至土壤中，喷洒效率约为0.2～0.25 m3/分钟，在注入药剂的同时，ALLU筛分斗需不断拌合土壤数遍直至药剂喷完，使土壤最大程度地与药剂接触均匀，确保土壤污染物与药剂充分反应。 4.3 压实整形养护

各污染土堆加入氧化剂后，采用装载机对锥形土体压实堆填且覆膜以模拟实际施工中超高堆体养护状态，正式进入养护阶段。并对每个土堆进行标识，标明稳定剂种类和掺加量。此外，针对3号坑的复合污染土堆，待其养护1天后，立即添加不同稳定剂进行重金属稳定化处理。

4.4 稳定化处理

针对3号坑复合污染土堆，待氧化处置完成后，分堆分次添加稳定化剂SS-A和SS-D，其处理方式与添加调节剂方式类似，将稳定剂物料袋装入ALLU筛分斗进行破袋，通过拌合将药剂与污染土壤混合均匀，最后利用装载机压实堆填覆膜养护3天。 4.5 养护和采样

通过药剂拌和，对修复处理后的有机修复土壤进行分堆养护，养护期达1～3天时，将养护后的修复土壤进行样品采集送第三方检测机构检测，同时现场对其进行温度、含水率、氧化还原电位、pH值等进行检测。每一土堆采样方法为：对称选取压实土堆侧面的四个点位，并选取顶面的中心点，分别对这五个点位进行采样；每个点位位于土堆表面开挖20cm左右后取样，每个点位大约取100 g氧化/稳定化污染土；最后将这五组污染土混合，去除小石子等异物。其余土堆取样手段与前一致。 五、试验结果 5.1 pH值

1、3号坑有机及复合污染土壤经氧化/稳定化前后的pH值见表2和7.1-2。通过添加活化剂与调理剂使土壤pH基本保持在11～12左右，增加氧化剂活性，为污染土壤发生化学氧化作用提供较好的反应环境。 5.2 ORP值

表4和表5为有机及复合污染土处理前后的氧化还原电位（ORP值）。1、3号坑的ORP值随药剂添加而下降，而养护过程中下降尤为明显，说明随着土壤pH值升高，氧化剂在土壤中反应较为剧烈。另外，稳定化过程的ORP值相较于氧化过程较高，说明稳定化剂具有一定减水作用，可能略微降低土壤pH。 5.3 含水率

土壤处理时及养护周期中的含水率变化见表6和7.3-2。1号坑经过化学氧化作用后的含水率基本达到25%～30%左右，比原污染土含水率高，表明高含水率条件下，氧化剂能够与土壤充分反应，不断消耗有机污染物，同时说明化学氧化条件下养护土壤时要整形土壤并覆膜。3号坑土壤虽通过第一步化学氧化反应，但第二步稳定化作用对土壤起到一定的减水作用，因此，相较于1号坑土壤，3号坑复合污染土壤的含水率较低，接近20%。 5.4 温度

表8和7.4-2为土壤氧化/稳定化过程中的温度变化情况，随着药剂添加，整体反应温度保持在50～60℃，其促进了化学氧化/稳定化对复合污染物的进一步反应及固定，具有积极作用。放热持续时间维持在5小时左右。 5.5 1号坑污染土氧化效果评估

1号坑取样污染土壤本底值（全量）见表10。乙苯、1，2，3-三氯丙烷、萘、菲、苯并（a）蒽、苯并（b）荧蒽、苯并（a）芘、茚并（1，2，3-cd）芘、二苯并（a，h）蒽、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯、2，4-二硝基甲苯、阿特拉津、石油烃因子超标，其中重点关注污染因子石油烃超标较为显著，超标倍数在1～2倍之间。由“场调报告”和“初步设计”等以及相关文献报告可知，该类土属于典型中度有机污染土壤，处置难度较高，具备代表性。

为测试不同氧化剂（过硫酸钠PS和过碳酸钠SPC）及其掺量变化对有机污染物的处理效果，对养护3天的氧化污染土进行取样测试。结论如下：

（1）PS氧化剂（过硫酸钠）在2%和3%掺量下均可使复合有机污染物达到标准限值以下，具有良好的化学氧化效果，而高碱条件下1%掺量基本可使复合有机污染物达到标准限值以下，低碱条件下全部不达标。

（2）SPC氧化剂（过碳酸钠）在高碱条件下2%和3%掺量均可使复合有机污染物达到标准限值以下，具有良好的化学氧化效果，而低碱条件及1%掺量复合有机污染物达标情况较差。 5.6 3号坑污染土氧化+稳定化效果评估

表11为3号坑有机+重金属复合污染土壤的背景值（全量）及氧化稳定化后的污染物浓度。具备复合污染典型性，污染因子包括各类重金属和有机污染物，其中关注污染物包括类重金属砷、重金属锑镉铜铅、氟化物及有机石油烃等。

由于之前一部分中试已测试了不同稳定化药剂及掺量对单独复合重金属污染土壤的处理效果，且在不同氧化剂掺量下对1号坑有机污染土壤进行详细研究，因此，在此仅利用两种稳定化剂SS-A、SS-D和一种氧化剂PS在相同掺量下对其进行分析。结论如下：

在~3%稳定剂SS-A、SS-D +~3%氧化剂PS剂量+4%调节剂+2%活化剂共同作用下，有机+重金属复合污染土壤污染因子皆能达到相应修复目标值。

表11 3号坑1-2堆有机+重金属复合污染土处理试验结果

六、总结与建议

在规模化施工过程中，应注意以下事项：

（1）在土壤开挖过程中，需对不同类型污染土壤进行分区堆存，避免不同类型污染土壤相互掺混，造成土壤处理效果不佳。 （2）在处理每一批污染土壤前，需要利用便携式设备多点测试土壤污染物含量，据此设定稳定剂添加量，保障土壤修复效果满足设计要求。

（3）对于含水率较低、污染程度较重的土壤，需要添加水分促进稳定剂与土壤污染物之间反应；土壤含水率较高的土壤，加稳定剂拌匀后可直接进行养护。

（4）施工过程中，需对每批次土壤充分混合，避免混合不均造成局部土壤污染物浓度高，导致局部区域土壤修复不达标，影响工程进度。

（5）实施过程中，当出现土壤污染情况现场监测与前期场地调查结果差异较大时，需及时调整稳定剂添加方案和养护参数。 （6）实施过程中，根据土壤污染状况及含水率等因素及时调整ALLU筛分设备及一体化设备运行工况，对于土壤颗粒满足设计要求的直接加药利用ALLU筛分设备搅拌均匀。