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重金属污染土壤稳定化修复材料(用量篇) ——基于几个不同角度的设计用量思考

北极星环境修复网  来源:润鸣环境  作者:毕学  2021/6/24 9:55:54  我要投稿  

北极星环境修复网讯:在重金属污染土壤修复过程中,稳定化材料的用量为表观参数之一。在实验室小试试验和工程应用中,多以“投加比”的概念量化稳定化材料的用量。以固体稳定化材料为例,其投加比为稳定化材料与污染土的质量比,常见数值范围为0.5%~10.0%,在个别极端的稳定化修复情景中,如使用固化剂成分或酸碱调节剂成分时,总体投加比可能会超出10.0%。基于稳定化工艺的实际条件需求,从以下几个方面简略分析稳定化材料投加比的设计思路和实用方法。

一、基于理论反应的材料用量设计思路

材料用量的设计思路,与材料自身的设计密切相关。此部分内容可参考《重金属污染土壤稳定化修复材料——基于理论原理和实践条件的设计思路》。单独针对稳定化材料投加比的设定,也需严谨遵循物质反应的客观过程。基础思路可分为两类,即准确化学计量条件和可预期化学平衡条件。

1)准确化学计量条件下

在水溶液中,物质的物理化学反应过程,是可以通过检测和监测手段完成精确计量的,但需要提前确认该过程所产生的产物化学组成。在原理相对清晰或反应较为简单的情况下,可以基于产物组成,逆向计算转化特定量污染物所需修复材料的用量(前提是,修复材料也具有精确的化学组成分析数据)。

2)可预期化学平衡条件下

在某些过程如溶解/沉淀过程、酸/碱过程、吸附/解吸过程中,体系条件参数是随着反应进行而变化的,仅仅基于化学计量比的简单方式,所得结果误差较大。利用化学平衡方法,引入条件参数的变化影响,可使预期修复材料的用量计算更为精准。

二、基于溶液体系的材料用量设计方法

土壤环境中,基于风险评估方法所设定污染物和稳定化材料的相互作用,本质上为基础物理化学反应为形式的过程。与水相等均相体系的物理化学反应过程相似,土壤体系的稳定化过程更多是通过水溶液体系完成传质以使物质固相表面直接接触反应、或直接在水溶液体系中完成反应历程。从这个角度来看,忽略掉部分环境因素条件,建立与土壤环境体系对应的水相修复体系,对于前者有很直接的数据参考价值。

1)材料遴选

在相似反应机理和条件下,不同反应物也对应不同的实际效果。如反应物向产物的物质转化率、化学反应速率、产物稳定性等,均可能有很大差异。在这些性能中,选择优势性能作为评价标准,更有可能筛选出潜力组分,其所形成的产品也更高效性,在用量上同比具有更大优势。

2)材料组合

当涉及多种组分材料组合或搭配时,其在水相中不同的作用过程可能会相互干扰,甚至,组分间发生反应形成新产物也是有可能的。这些过程均可能消耗原始组分或功能性组分,且消耗量有可能高于实际发挥效果的用量,从而造成实际使用量要远远大于理论设计量。

3)机理验证

不同材料用量在水相中的作用机制类似,但亦有可能产生不同的反应结果。当用量梯度足够大时,更有可能发生“拐点”现象,反而效果适得其反。针对此,验证用量与性能的关联规律,往往可得到最佳用量值。

4)性能评价

随着材料用量变化,可能出现的性能曲线类型包括“突跃”、“拐点”、“平台”等等,可根据实际数据截取最富效果阶段作为参考来完成材料用量的精细控制。

5)经验校正

在很多情况下,如修复材料非高纯度化学品、无法获知具有修复能力的活性元素或活性组分的真实含量,或反应过程对体系条件参数敏感等,往往可基于上述思路进行参数盲设,在得到多批次批量试验数据后,形成稳定的经验性数据供参考。

三、基于土壤体系的材料用量设计策略

土壤系统,因组成涉及三相,更为复杂、多变。稳定化材料在水土气三相中均可能存在或传质。如,粒径或密度较小的粉体材料易受物理扰动形成粉尘扩散、漂浮至空气中,造成少量损失;易溶性材料在水分过量环境中,受空间过大影响,无法全部充分与污染物接触,实则为无效用量。此种现象,在土壤颗粒为主的固相环境中,易有不同形式的体现。

1)土壤颗粒封闭性

在很多修复场景中,黏土质土壤经常存在,其遇水形成厘米级团块或更大泥块,具有一定的黏性和封闭性,无法快速风干、破碎或混拌,外加材料往往附于块体表面,形成“元宵体”,且在大方量堆存时多滚落于底部位置。再者,除了黏性较高土壤外,具有一定硬度的土壤或固废、危废,也存在着表面可触、内部封闭的问题,如埋深较大的胶质土,高硬度的渣类物质,均属于“自闭型”修复对象。即便通过遴选或试验,寻找到了合适的稳定化材料,但从物理工艺上,是无法支撑稳定化材料充分发挥效果的,甚至过量施用亦无济于事,故,有计划的安排时间、人力、设备,提前将污染土等做好晾干、破碎等预处理,反而更有利于控制稳定化材料的用量和提升其修复效果。

2)其他污染物竞争消耗

一般来讲,材料的设计是针对项目所设计的目标污染物的。但客观来看,污染土壤中不只存有目标污染物,还有可能存在其他的无机重金属物质或有机类物质,甚至大量的微生物群落。这些客观存在的、计划外的物质,是有可能与外源性稳定化材料进行一定接触且消耗的。当此类物理、化学、生物过程占比过大时,可以将外源性稳定化材料消耗殆尽,而于施用者而言,主观上仅仅得到修复无效的表观结论。如此,竞争消耗反而带来了思路误导,影响了材料的选用和用量的控制。此种前提,需在初始调查摸排阶段尽量了解真实的复杂情况,以便做好非目标污染物干扰的排出,必要时,加大设定用量或引入其他特异性屏蔽物质。

3)非污染物类物质消耗(包括土壤颗粒本身)

除了所关注的目标污染物和其他存在潜在竞争消耗的非目标污染物,行业内亦常常忽视土壤本体作为一种固相介质所具有的消纳能力。当土壤颗粒足够细小时,其表现出来的活跃性亦符合常规材料类的尺寸效应规律。其固相界面可大量吸附结合甚至反应掉离子态、固态的外源性物质,当这种形式的作用足够强烈时,外源性稳定化材料对于目标污染物已是减量的、低活性物质,效果自然不济。一般来讲,这种背景消耗是无法避免,也是需要设计材料用量时必须考虑到的一部分必要消耗。

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图1 几种稳定化修复材料用量在污染土壤修复实践中的相关性

四、基于土修工程的材料用量设计策略

鉴于上述提到的几个角度,材料的用量设计和经验校正,需要参考的前提条件是比较多的。而在规模化施工过程中,这些前提条件则会更加直白的展露于从业人员面前。

1)土壤粒径更大

在实际工程项目中,由于场地特殊性质,土壤团块的直观尺寸往往令人伤神。笔者曾经历过方级或半方级大小的土壤团块。此种情景中,所谓稳定化效果的保障,更多还是依靠施工计划的前瞻性准备和大量的工程操作。如此,才算是“有药可用,且药有可用”。

2)污染不均质

当场地污染面积或涉及方量较大时,如万方级别,或十万方级别,土壤中重金属污染的空间差异性较为显著,一般来讲,若能实行精细化施工,则可形成细化方案,设置含不同用量在内的材料工法参数,而不能实行精细化施工时,则需从重修复,以避免局部出现缺量修复。

3)混拌限度

目前,行业常用的药土混合设备多为一体式或单体式的搅拌装置,其在1 ~ 2次重复操作后,基本上可完成工程要求,但其混拌精细程度多停留在公斤级,在当前技术和经济双重条件要求下,无法更进一步细混。

鉴于此,对于土壤稳定化材料用量的设计,一般需要从以下几个点来出发:一是基于理论原理和基础性试验确定精准的理论用量,即“理论畴”;二是基于土壤特性和工程条件确定稳妥的保险用量,即“实践畴”;三是结合材料设计经验和临场施工经验,确认介于“理论畴”和“实践畴”之间的中间值,在能“包”住风险、保障修复效果的同时,也能将尽量提升材料的经济效率,即“容错畴”。

如此,方可将材料用好、用得恰如其分,不负好材料。

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