场地土壤重金属修复材料：基于理论原理和实践条件的设计思路

查看全部 · 发表于 2021-4-7 10:20:54

重金属是土壤修复行业中的一类典型修复对象。目前，对于国内多种多样的重金属污染土壤修复情景，大多采用比较快速、经济的稳定化技术以匹配工期紧、资金少等修复过程中经常存在的现实问题。适宜的修复材料是土壤重金属稳定化技术实施的重要基础和前提。本文从土壤重金属稳定化的理论原理和修复实践两个角度，对重金属稳定化修复材料的实用性设计思路进行简要梳理。

一、基于理论原理的重金属稳定化修复材料设计思路

土壤中重金属的稳定化修复过程，本质上为重金属元素与修复材料之间的相互作用过程。此作用过程，实质上为极其复杂的物理化学反应过程。对于某一具体修复情景，需首先考虑，基于稳定化技术选用的修复机制在热力学角度下是否可发生。土壤中重金属污染物的稳定化过程为其低溶解度或高稳定性产物的形成过程。在特定条件下，修复材料与污染物种的接触反应是否可发生，决定了修复材料是否可对重金属污染物起到稳定化作用。场地已有修复环境能够满足稳定化反应所必需的反应条件，为选择修复材料的基本依据之一。

其依据之二为：要达到稳定化修复目标，基本条件为在一定时间内完成相关稳定化反应过程，这对稳定化反应速率提出了要求。大部分接触反应的反应速率，是与底物即污染物和修复材料的初始量相关的。在污染土壤环境中，污染物的初始浓度是固定的，故修复材料在实际使用时需满足反应动力学浓度或用量的基本要求。在此基础上，基于化学反应动力学中基元反应的概念，充分理解稳定化反应过程中的反应历程，识别修复机制中的决速步骤，对稳定化修复材料组分的设计和机制的应用十分具有参考价值。

其依据之三为：当修复过程满足热力学反应的要求、修复条件也满足反应动力学的条件时，也只是在短期内达到物理化学反应过程的平衡状态。而这种平衡状态，是可受到环境条件的影响而变化的。故在设计稳定化修复材料时，有必要将相关环境条件也考虑在内以便优化，从而让预设材料通过预设机制达到长期稳定效果。常用的判定依据和立足点，无外乎基础化学原理中经常出现的几种基础概念：吸附-解析平衡、沉淀-溶解平衡、酸-碱平衡、相平衡等。对于大多数重金属稳定化材料，吸附-解析平衡、沉淀-溶解平衡、酸-碱平衡等都是比较重要的修复机制调控途径。将基础性概念深入理解并关联至修复情景，可为理论机制定性和修复效果量化带来实质性参考依据。

二、基于修复实践的重金属稳定化修复材料设计思路

基于以上简述，可将重金属稳定化修复材料的设计思路分为对土壤对象的充分/全面调研、对修复需求的深度解读与认知、对材料的科学遴选和谨慎设计、对修复效果的多维评价等四个必要环节（图1）。

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图1 修复材料在污染土壤修复实践中的设计思路（以重金属污染为例）

1）对土壤对象的充分/全面调研

土壤本身由固、液、气三相组成，具有较复杂的多相性，比单一水相体系更为复杂。基于经验数据累积抽提客观的、具有统计学意义的数据规律，在实际应用过程中更富有兼容性。将地域性差异、污染源差异、污染机制差异、（微）生物学差异等纳入背景考察过程，可对污染的治理策略起到辅助作用。

鉴于此，在足够基数的理论实验结论和实际修复项目经验的基础上，建立土壤样品的背景污染信息库，可为修复方案的设计和修复材料的选用和施用带来极大便利。另外，全面、深度调研亦可将多种不确定因素提前锁定，避免修复过程出现异常导致技术失误或经济损失。

对于具体修复实践项目，土壤污染物的元素差异性、污染土壤所在地域的特性、污染土壤所在区域内存在的污染物非均质性分布等基础性数据为项目的特征属性。对于土壤自身的差异性，需从宏观和微观两个方面考虑。以场地类型土壤为例，具体宏观因素可涉及场地所在地域、精细区域划分、待修复土壤体量、场地历史用途所涉及生产工艺等；以农用地类型土壤为例，具体宏观元素可涉及地区经济作物、耕作周期等。具体微观因素可涉及土壤颗粒类型与尺寸、土壤酸碱度、土壤含水率等关键因子。

2）对修复需求的深度解读与认知

不同类型的重金属污染物在设置对应修复目标时，因元素类型、参考标准、技术条件、处置方式、敏感受体等影响往往需要面对不同的修复目标值。即便对于同一种重金属污染物，实际修复技术工艺和修复材料也会有明显不同。面对复杂的修复状况，从材料设计和使用的角度出发考虑，需结合工程条件和修复后土壤面向的使用规划，设定并绑定多种附件条件，对材料实际发挥效用过程进行约束。如此匹配，可使稳定化材料的设计以需求为导向，具备较高的实际可操作性。

从需求角度来看，对于污染物的污染浓度和修复目标值的客观匹配，有必要结合实际经验数据。国内土壤重金属污染元素主要为Cr、As、Pb、Cd、Hg等高毒性污染物，常见的元素污染浓度可从0.1 mg/L跨越至100 mg/L，而对应的修复目标值则可由0.1 mg/L跨越至0.01 mg/L等数量级（图2）。针对不同污染元素、污染浓度和修复目标值的组合情景，重金属稳定化材料的设计思路和实际应用策略也可能有较大差异。

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图2 稳定化修复材料对重金属污染土壤的常见修复范围区分

（以典型元素在行业内常用修复数值为参考）

1）对材料的科学遴选和谨慎设计

对于材料的选择，实用性为优先考虑的重点。对于实用型的重金属污染土壤修复材料或组成组分，需在了解基本化学类、化工类常识的前提下，掌握其在重金属污染土壤修复领域中的性能优势和现实短板。在经过充分理论分析和实验验证后，修复材料才能进入土壤修复实践环节应用中。

对于如何设计重金属污染土壤稳定化修复材料，需了解市场对该类材料的诉求，即高效、长效、生态无毒害、兼容工艺等目标。在材料应用过程中，应同时满足这些目标的要求。

目前，重金属污染土壤稳定化修复材料的设计模式，可总结为以下四种方式（图3）：天然材料直接使用、人工改性材料利用、设计合成材料运用及工业产物（含工业级化学品）二次利用。前三种更着眼于材料产生的源头和途径，在特定的高浓度重金属污染或高难度重金属污染有较大优势；而第四种方式则更具有环境意义和经济效益，在兼容性和实用性方面更胜一筹。

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图3 重金属污染土壤稳定化修复材料的设计角度

1）对修复效果的多维评价

关于修复效果，可从多个角度进行评价：

第一，高效性，可涉及材料对重金属污染稳定化过程的高效性、材料对稳定化修复条件（含设备）的依赖性、材料修复过程抗干扰能力等多个方面，重点在于材料对重金属浸出毒性的降低能力；

第二，环境友好性，可涉及材料自身附带的潜在危害、材料引入后对动植物等生命体依赖环境的干扰、材料稳定化产物对生态环境系统平衡的潜在影响等，重点在于材料对整体原始环境条件的影响能力；

第三，经济性，可涉及材料自身的研发周期及生产成本、修复土后土壤（场地类）的可开发价值、修复后土壤（农用地类）的种植用途价值等，重点在于材料所带来的直接经济价值和长期附加效益；

第四，长期稳定性，可涉及多种形式的数据对比，如阶段性抽样检测和实验性加速老化评价等，重点着眼于材料的稳定、持续修复能力。

基于多个实际场景经验，较大比例的案例着眼于优先满足高效性和经济性，对于环境友好性和长期稳定性等，相关质量要求处于稳定提升中。但通过对不同维度的评价效果进行分化，可适当反馈于初始的目标确认、对象分析、材料策略设计等先决环节。需要注意的是，通过大量工程案例的修复效果综合评价一种修复材料的实际修复能力和效果更具客观说服力。此外，从长期修复目标来看，实际修复项目的修复和评价周期多以年计，这与一周左右的实验室批量小试和上百年老化过程的自然环境模拟实验数据会有较大差别。修复材料的长期修复效果评估推荐多种方式开展，如修复材料自身的长期稳定性评估、场地后续采样抽查评估、实验室同步修复评估，柱/淋溶实验模拟评估等。