重金属污染土固化稳定化技术的对比分析
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摘 要：本文介绍了重金属固化稳定化（S/S）技术的起源，以及我国污染物场地的现状和政策。对比分析了固化稳定化（S/S）胶凝材料的分类和机理，以及固化稳定化（S/S）技术的分类和机理。研究表明重金属的固稳包含了以下3种机制：通过固化剂的水化反应产物（例如水合物CSH）与污染物的相互作用，对污染物进行化学固定;通过各类水合物的表面对污染物进行物理吸附;对污染物的物理包裹。在工程实践中，固化/稳定过程可以使用原位或非原位技术完成。
关键词：重金属 固化 稳定化 对比分析
中图分类号：TU411 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0083-02
Abstract： This paper introduces the origin of heavy metal solidification stabilization （S/S） technology， as well as the current situation and policy of pollutant sites in China. The classification and mechanism of S / S cementitious materials， as well as the classification and mechanism of S / S technology were compared and analyzed. The results show that the stabilization of heavy metals includes the following three mechanisms： chemical fixation of pollutants through the interaction between the hydration reaction products （such as hydrate CSH） of the curing agent and pollutants; physical adsorption of pollutants through the surface of various hydrates; physical encapsulation of pollutants. In engineering practice， the curing / stabilization process can be accomplished using in situ or non in situ techniques.
Key Words： Heavy metal; Solidification; Stabilization
固化稳定化（S/S）技术的起源可以追溯到20世纪50年代对放射性废物的固化处置，70年代，欧美发达国家对土壤中污染物的固定/稳定化技术进行了深入研究。如美国在处理低水平放射性液体废物时，先用蛭石等矿物进行吸附，或者先用普通水泥将其固化，然后再进行填埋处置。自20世纪80年代以来，在场地修复的实际应用技术中，固定/稳定化技术由于对土壤中重金属、非金属无机物、放射性物质和多种有机污染物都有很好的处理效果，已成为仅次于SVE技术的第二大修复技术。近些年，我国对环境保护日益重视，加大了对重金属污染场地的治理，随着《重金属污染综合防治“十二五”规划》的完成和《土壤污染防治行动计划》的出台，全国各地区的重金属污染场地修复工程将会大量地开展。从已完成工程的处理效果来看，水泥窑协同处置和固化/稳定化依然是最主要的技术，从环境危害、经济性和成本考虑，重金属污染土固化稳定化处置将是未来我国主要推广和研究的技术。
1 固化稳定化（S/S）胶凝材料的分类和机理
常用的S/S 胶凝材料可以分为以下4 类：（1）无机粘结物质，如水泥、石灰等;（2）有机粘结剂，如沥青等热塑性材料;（3）热硬化有机聚合物，如尿素、酚醛塑料和环氧化物等;（4）玻璃质物质。由于技术的完善性、成本等方面的原因，水泥和石灰等无机材料在实际工程中的应用最广泛，占项目数的90%以上。在过去的50年里，应用最为广泛的是水泥固化重金属技术。水泥是一种无机胶结材料，水化反应后会生成坚硬的水泥固化体。水泥固化的机理是重金属在水泥的水化过程中，通过化学吸收、吸附、沉降、离子交换、钝化等多种方式与水泥发生化学反应，最终重金属以络合物或氢氧化物的形式残留在水泥水化形成的水化硅酸盐胶体表面上，同時水泥的固化也为重金属提供了碱性环境，从而抑制了重金属的渗滤。水泥的种类很多，常见的有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、矾土水泥等，这些都可以作为重金属污染物固化处理的材料，其中最常用的是普通硅酸盐水泥。凝固时间、水灰比、水泥与废物比、添加剂、固化块的成型条件等工艺参数是影响水泥固化的因素，为达到较好的固化效果，在实际工程中要严格控制这些参数。
2 固化稳定化（S/S）技术的分类和机理
2.1 石灰/火山灰固化技术
根据波索来效应，在有水的情况下，细火山灰粉末能在常温下与碱金属和碱土金属的氢氧化物发生凝硬反应。石灰/火山灰固化技术是指利用波索来反应的物质为固化材料，如水泥窑灰、石灰垃圾、焚烧飞灰、熔矿炉炉渣等，对危险废物进行的固化稳定化方法。火山灰质材料含有硅酸盐或铝硅酸盐矿物，当其活性被激发时，具有类似水泥的胶凝特性。在适当的催化环境下，火山灰物质会与污染物进行波索来反应，可将污染物中的重金属成分吸附于波索来反应产生的胶体结晶中。石灰中的Ca2+对Cd2+元素有拮抗作用，而且可以提高土壤的pH值，因此石灰被认为是抑制镉污染的有效措施，且能促进酸性土壤上的植物吸收镉。 2.2 塑性材料包容法技术
塑性材料包容法属于有机型的固化稳定化处理技术，按使用材料的性能，可将该技术划分为热固性塑料包容和热塑性材料包容。热固性塑料指在加热时会从液体变成固体并硬化的材料，即使以后再次加热也不会重新液化或软化，它实际上是一种从小分子变成大分子的交链聚合过程。目前使用较多的材料是脲醛树脂、环氧树脂、聚酯、酚醛树脂等，其固化物具有耐腐蚀、强度高、高抗渗、抗冻性好等优点。在众多热固性塑料中，脲醛树脂使用较广泛，具有价格低、使用方便、固化速度快、耐水性好、耐腐蚀性好。热塑性材料指那些在加热/冷却时能反复转化和硬化的有机材料，常见的有聚氯乙烯、沥青、聚乙烯、石蜡等。在较高温度下，这些材料具有可塑性和流动性，而在常温下则变为坚硬的固体，这些特性是对固体废弃物进行固化处理的理论基础。
2.3 玻璃化技术
玻璃化技术即熔融固化技术，在高温下利用热能把固态污染物熔化为玻璃状或陶瓷-玻璃状物质，将固化体转变为玻璃体的致密结晶结构，实现永久稳定。污染物被玻璃化固化后，其中有机污染物将被热解摧毁或转化为气体逸出，而其中的重金属和放射性物质则被紧密地束缚于己熔化的玻璃体内。熔融固化技术是目前国内外较先进的重金属固体无公害处理技术。
3 结语
尚需进一步研究经过固化/稳定技术处理后，重金属污染土强度和微观特性的影响因素，完善土-重金属-固化剂三者之间的相互作用机理。归纳总结重金属的固稳机制有以下3种：
（1）化学固定机制。即通过固化剂的水化反应产物与污染物进行相互作用。
（2）物理吸附机制。利用各类水合物的表面实现对污染物的物理吸附。
（3）物理包裹机制。采用原位或非原位技术手段对污染物进行物理包裹。
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