一种用于重金属污染土壤路基改良剂及其应用的制作方法

1.本发明属于土壤污染处理技术领域，尤其涉及一种用于重金属污染土壤路基改良剂及其应用。


背景技术：

2.近年来我国城市升级改造加速，产业结构调整，工矿企业关停搬迁。涉及制药、冶金、石油焦化、交通运输等多种行业部分遗留大量的污染场地，形成城市中的“毒地”，对城市土地资源的再开发利用带来生态环境和人体健康安全带来巨大的风险，阻碍城市建设及经济发展，尤其土地资源严重紧张的大中城市影响更烈。据我国首次《土壤污染状况调查公报》表明，全国土壤总的点位超标率为16.1％，其中重金属超标点位占总超标点位数的80％以上。另一方面，城市升级改造过程中基础设施建设尤其道路建设对土壤填料创造了极大的需求，一些城市集中工程建设往往需要从外地购买调运路基填土，极大的增加了工程投资，同时污染土方往往治理后进行安全填埋既增加占地费用，也违背国家无害化、减量化、资源化方针政策，造成极大的浪费。重金属污染土壤实施路基填土改良治理具有重要的应用价值和广阔的前景。
3.由于历史原因，遗留工矿企业地块内土壤一般含有石块、砖渣以及夹杂各种遗弃废物，加上受到不同程度的重金属污染。场地内土壤往往不能满足路基填料的工程特性。
4.目前，重金属污染土壤修复技术主要有，固化稳定化(s/s)技术是重金属污染土壤修复治理工程应用最广泛技术之一。固化稳定化技术主要是通过往污染土壤添加固化/稳定化药剂，使土壤中污染物转变为不可流动固体/紧密固体或者转变为低溶解度、低迁移性及低毒性的物质过程。但常规固化/稳定化技术往往是针对土壤中浸出超标的污染物转化为浸出不超标的情况，未对是否符合路基填土工程特性要求进行考察或者改良，不能够实现重金属污染土壤道路路基填土资源化的应用。如专利文献cn208055777 u公布了一种阻挡固化污染土重金属离子扩散的路基结构，仅仅提供了污染土壤作为公路路基建设的路基结构，能够有效的防止固化污染土中重金属的离子扩散，且满足路基的要求，但未提供用于固化稳定化污染土壤药剂的方面；专利文献cn103894410 a所公布的污染土壤稳定固化处理及在路基填方中的运用方法是：虽然重金属污染土壤经处理后能够起到稳定化固化的目的，且污染土壤压实后能够满足路基填土，但未公布稳定化固化药剂组成及仅仅能够处置铅、锌、铜等部分阳离子性重金属，未能够对铅、镉、砷、汞复合污染土壤进行验证。
5.本着重金属污染土壤资源化的目的，本发明提供了一种用于重金属污染土壤路基改良剂及其使用工艺。


技术实现要素：

6.本发明公布一种用于重金属污染土壤路基改良剂及其使用工艺能有效的降低铅镉汞砷复合污染土壤中重金属浸出含量，又能提高污染土壤的强度。
7.为了实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案予以实现。
8.一种用于重金属污染的土壤路基改良剂，包括，
9.组分a，所述组分a包括以下原料：第一吸附剂、胶化反应剂、骨架颗粒以及胶化反应延缓剂，所述第一吸附剂、胶化反应剂、骨架颗粒以及胶化反应延缓剂均为粒径小于100mm颗粒，混合后得到组分a；
10.组分b，所述组分b包括包括以下原料：第二吸附剂、第三吸附剂以及ph调节剂，所述第二吸附剂、第三吸附剂以及ph调节剂混合后的到组分b；
11.所述组分a与组分b接触时，第一吸附剂、第二吸附剂以及第三吸附剂利用吸附、络合或沉淀中至少一种方式固化稳定化土壤中的重金属，同时，第二吸附剂可与胶化反应剂发生胶结反应可形成固结体，固化稳定化土壤中的重金属，所述骨架颗粒提供胶结反应中的骨架，所述胶化反应延缓剂用于延缓胶化反应，促进胶化反应充分进行，ph调节剂对土壤ph进行调节。
12.本技术方案中，设置多个吸附剂，进而能够更加有效的进行多种重金属的吸附，尤其能够有效降低阳离子型重金属，使得重金属得到初步的去除，土壤中的成分得到改良。
13.本技术方案中，在组分混合时，首先成分之间，由于物理化学特性等，故组分a和组分b之间发生胶化反应，进而使得土壤中分散的小颗粒等，能够得以固化，进而能够提升土壤的整体强度，使其更加适合于路基材料的高强度要求，通过这种改良剂对于土壤的处理，使得重金属污染后的土壤不仅重金属降低，污染降低，而且利用土壤中原本就存在的遗留工矿企业地块内的石块、砖渣以及夹杂各种遗弃废物，使其充分融合到土壤中，变成土壤的强度增加剂，提升土壤强度，变废为宝。
14.本技术方案中，第二吸附剂能够同时作为吸附剂以及胶化反应剂，节省材料，同时，通过胶化反应延缓剂延缓胶化时间，充分使得土壤中的颗粒得以固结，提升强度。本技术方案中，胶化反应延缓剂用于延缓胶化反应，胶化具体是指原料在规定的温度和时间下的变稠或结块程度，如果胶化反映太快，则导致重金属中的一部分没有被彻底吸附，同时隐藏在土壤中的成分快速凝结，此时无法及时搅拌，土壤中原本就存在的遗留工矿企业地块内的石块、砖渣以及夹杂各种遗弃废物没有与土壤充分均匀混合，则强度不稳定，使用起来还是存在问题。
15.作为本发明的进一步改进，所述组分a包括以下质量份数的原料：30-50份第一吸附剂、5-10份胶化反应剂、25-50份胶化反应剂以及1-5份骨架颗粒。
16.本技术方案中，通过对于组分的调整以及实验，得出在这一个原料及范围，进而在这个范围内，能得到较好的效果，由于每个原料不仅影响对于重金属的吸附等，而且影响后期的固结等，故这一配比也是通过多种对比以及分析等，得到的。本技术方案中，利用较多的第一吸附剂，所述第一吸附剂具体为水硫酸亚铁，其能够有效降低阳离子型重金属铅、镉、汞等，但是此时会调整酸碱度，故需要增加比较多的第一吸附剂，而胶化反应剂与第二吸附剂反应，根据反应配比调整即可；而骨架颗粒，述组分骨架颗粒提供固结体反应核心骨架作用，故其成分含量比较低，使得成分搭配更加合理。
17.作为本发明的进一步改进，所述组分b包括包括以下质量份数的原料：10-50份第二吸附剂、20-50份第三吸附剂以及30-55份ph调节剂。
18.本技术方案中，对于b组分，其后期加入，进而其是在先吸附的基础上进行的再吸附，故选用两种吸附剂，同时其增加ph调节剂，在此时才会发生胶化反应，延缓胶化，促进土
壤的固结。
19.作为本发明的进一步改进，所述胶化反应延缓剂硼砂，ph调节剂为粉煤灰，所述硼砂和粉煤灰的质量份数比为：1-5：30-50。
20.本技术方案中，为了确保比较好的延缓效果，故采用了一种延缓剂，具体地，在延缓时，1)硼砂可以作为胶化反应延缓剂，主要延缓胶化反应，以使重金属能够充分固化稳定化，同时保证土壤强度得以提升；2)粉煤灰主要调节土壤ph，同时起到整个配方稳定化化药剂的填充剂。本实施例中，采用1-5：30-50这一比例，粉煤灰比较多，主要是为了更好的调节酸碱度，尤其是经过水硫酸亚铁处理后的土壤，进而确保土壤ph值的有效调整，使得土壤更加适合于使用。
21.作为本发明的进一步改进，所述组分a与组分b的质量份数比为1-5：1-3。
22.本技术方案中，组分a中一水硫酸亚铁主要对重金属铅、镉、汞、砷复合污染土壤中砷的稳定化起专属的吸附沉淀作用，并对整个配方体系起到调节ph作用。但其稳定化作用效率低于组分b磷矿粉对对重金属铅、镉、汞、砷复合污染土壤中铅、镉、汞的稳定化起专属的吸附沉淀作用。为保证同时对铅、镉、汞、砷复合污染土壤中稳定化固化作用，因此保证组分a多余组分b。若出现单一污染(如阴离子砷)，组分b可少，出现阳离子污染(铅、镉、汞)，组分b可偏多。
23.作为本发明的进一步改进，所述第一吸附剂为亚铁盐类，所述第二吸附剂为磷矿粉，所述第三吸附剂为海泡石。
24.本技术方案中，亚铁盐类主要通过络合反应，对砷等阴离子重金属进行吸附沉淀，而磷矿粉对铅、镉、汞等阳离子重金属进行吸附沉淀，海泡石对铅、镉等重金属进行吸附。三者在一定比例下可同时对阴阳离子重金属进行吸附沉淀，达到重金属去除的效果。
25.本发明还公开了一种用于重金属污染的土壤路基改良剂的应用，所述用于重金属污染的土壤路基改良剂在含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中的应用。
26.本技术方案中，相比于其他的而言，常规重金属稳定化固化药剂仅仅降低重金属浸出浓度，而未对修复后重金属污染土壤强度提升或未说明，本发明对重金属污染土壤即降低浸出浓度又提升土质强度，满足路基要求。
27.作为本发明的进一步改进，先将组分a撒播于所述含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中，养护后再将组分b撒播于养护后的含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中。
28.本技术方案中，先用组分a，再用组分b，设计本意是先加入亚铁盐稳定化固化重金属如阴离子砷，组分a中含沸石颗粒，提供胶化反应骨架核心，然后加入组分b稳定化固化重金属铅、镉、砷。但组分a、b加入先后也无很大区别。
29.作为本发明的进一步改进，所述组分a撒播中和/或所述组分b撒播后，所述含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中的含水率为20-35％。
30.本技术方案中，保持含水率20-35％是为稳定化固化反应充分(包含胶化、提供一定反应介质及水)，低于20％水量太少，不利于反应。高于35％土壤易流动。
具体实施方式
31.下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
32.实施例1
33.本实施例，主要介绍大概一种用于重金属污染的土壤路基改良剂的组分等。
34.本实施例中的一种用于重金属污染的土壤路基改良剂，包括，
35.组分a，所述组分a包括以下原料：第一吸附剂、胶化反应剂、骨架颗粒以及胶化反应延缓剂，所述第一吸附剂、胶化反应剂、骨架颗粒、以及胶化反应延缓剂，均为粒径小于100mm颗粒，混合后得到组分a；
36.组分b，所述组分b包括以下原料：第二吸附剂、第三吸附剂以及ph调节剂，所述第二吸附剂、第三吸附剂以及ph调节剂混合后的到组分b；
37.所述组分a与组分b接触时，第一吸附剂、第二吸附剂以及第三吸附剂利用吸附、络合或沉淀中至少一种方式固化稳定化土壤中的重金属，同时，第二吸附剂可与胶化反应剂发生胶结反应可形成固结体，固化稳定化土壤中的重金属，所述骨架颗粒提供胶结反应中的骨架，所述胶化反应延缓剂用于延缓胶化反应，促进胶化反应充分进行，ph调节剂对土壤ph进行调节。
38.本实施例中，设置多个吸附剂，进而能够更加有效的进行多种重金属的吸附，尤其能够同时有效降低阴阳离子型重金属，使得重金属得到初步的去除，土壤中的成分得到改良。
39.本实施例中，在组分混合时，首先成分之间，由于物理化学特性等，故组分a和组分b之间发生胶化反应，进而使得土壤中分散的小颗粒等，能够得以固化，进而能够提升土壤的整体强度，使其更加适合于路基材料的高强度要求，通过这种改良剂对于土壤的处理，使得重金属污染后的土壤不仅重金属得以固定，浸出浓度降低，同时，利用土壤中原本就存在的遗留工矿企业地块内的石块、砖渣以及夹杂各种遗弃废物，使其充分融合到土壤中，变成土壤的强度增加剂，提升土壤强度，变废为宝。
40.现有技术中，大多对于污染土壤的处理为：利用用设备对污染土壤进行破碎筛分后加入药剂，而在加入药剂之前，石块和砖渣作为杂质被筛分出去，无法作为后期的土壤进行利用，导致大量强度比较强的石块和砖渣被遗弃浪费，造成资源浪费。而本发明中，直接进行胶化反应，进而土壤中遗留的工矿企业地块内石块、砖渣，能够被循环利用，实现资源的可循环再利用，进而土壤的整体重量等基本没有多少变化，在修建路基时，无需增加新的土壤，且土壤强度比较强，成本低，适合于大规模推广。
41.本实施例中，第二吸附剂能够同时作为吸附剂以及胶化反应剂，节省材料，同时，通过胶化反应延缓剂延缓胶化时间，充分使得土壤中的颗粒得以固结，提升强度。进一步地，胶化反应延缓剂用于延缓胶化反应，胶化具体是指原料在规定的温度和时间下的变稠或结块程度，如果胶化反映太快，则导致重金属中的一部分没有被彻底吸附，同时隐藏在土壤中的成分快速凝结，此时无法及时搅拌，土壤中原本就存在的遗留工矿企业地块内的石块、砖渣以及夹杂各种遗弃废物没有与土壤充分均匀混合，则强度不稳定，使用起来还是存在问题。
42.本实施例中，组分a/b中第一、第二、第三吸附剂剂自身通过吸附、络合或沉淀中至少一种方式固化稳定化土壤中的重金属，所述组分a与组分b接触时，第二吸附剂可与胶化反应剂发生胶结反应可形成固结体，固化稳定化土壤中的重金属，同时提高土壤土质强度。所述组分骨架颗粒提供固结体反应核心骨架作用，所述胶化反应延缓剂用于延缓胶化反应，促进胶化反应充分进行，ph调节剂对整体方案中土壤ph调节作用。本发明处置后污染土
壤不仅能够固化稳定化土壤中重金属，也可提高污染土壤强度，进而满足道路路基资源化填筑要求。
43.实施例2
44.本实施例中，详细介绍配方。
45.进一步地，所述组分a包括以下质量份数的原料：30-50份第一吸附剂、5-10份胶化反应剂、25-50份胶化反应剂以及1-5份骨架颗粒。
46.本实施例中，通过对于组分的调整以及实验，得出在这一个原料及范围，进而在这个范围内，能得到较好的效果，由于每个原料不仅影响对于重金属的吸附等，而且影响后期的固结等，故这一配比也是通过多种对比以及分析等，得到的。本实施例中，利用较多的第一吸附剂，所述第一吸附剂具体为一水硫酸亚铁，其能够有效降低阴离子型重金属砷等，但是此时会调整酸碱度，故需要增加比较多的第一吸附剂，而胶化反应剂与第二吸附剂反应，根据反应配比调整即可；而骨架颗粒，述组分骨架颗粒提供固结体反应核心骨架作用，故其成分含量比较低，使得成分搭配更加合理。
47.具体地，所述组分b包括包括以下质量份数的原料：10-50份第二吸附剂、20-50份第三吸附剂以及30-55份ph调节剂。
48.本实施例中，对于b组分，其后期加入，进而其是在先吸附的基础上进行阳离子再吸附，故选用两种吸附剂，同时其增加有延缓剂，在此时才会发生胶化反应，延缓胶化，促进土壤的固结。
49.更进一步地，所述ph调节剂包括硼砂和粉煤灰，所述胶化反应延缓剂硼砂，ph调节剂为粉煤灰，所述硼砂和粉煤灰的质量份数比为：1-5：30-50。
50.本实施例中。具体地，在延缓时，1)硼砂起到延缓胶化作用；2)粉煤灰可以作为ph调节剂，延缓作用小于硼砂的延缓作用；粉煤灰同时起到整个配方稳定化化药剂的填充剂及ph调节作用(弱碱环境)。本实施例中，采用1-5：30-50这一比例，粉煤灰比较多，主要是为了更好的调节酸碱度，尤其是经过水硫酸亚铁处理后的土壤，进而确保土壤ph值的有效调整，使得土壤更加适合于使用。
51.具体地，所述组分a与组分b的质量份数比为1-5：1-3。
52.本实施例中，组分a中一水硫酸亚铁主要对重金属铅、镉、汞、砷复合污染土壤中砷的稳定化起专属的吸附沉淀作用，并对整个配方体系起到调节ph作用。但其稳定化作用效率低于组分b磷矿粉对对重金属铅、镉、汞、砷复合污染土壤中铅、镉、汞的稳定化起专属的吸附沉淀作用。为保证同时对铅、镉、汞、砷复合污染土壤中稳定化固化作用，因此保证组分a多余组分b。若出现单一污染(如阴离子砷)，组分b可少，出现阳离子污染(铅、镉、汞)，组分b可偏多。
53.进一步地，所述第一吸附剂为亚铁盐类，所述第二吸附剂为磷矿粉，所述第三吸附剂为海泡石。
54.本技术方案中，亚铁盐类主要通过络合反应，对砷等阴离子重金属进行吸附沉淀，而磷矿粉对铅、镉、汞等阳离子重金属进行吸附沉淀，海泡石对铅、镉等重金属进行吸附。三者在一定比例下可同时对阴阳离子重金属进行吸附沉淀，达到重金属去除的效果。
55.本发明还公开了一种用于重金属污染的土壤路基改良剂的应用，所述用于重金属污染的土壤路基改良剂在含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中的应用。
56.常规重金属稳定化固化药剂仅仅降低重金属浸出浓度，而未对修复后重金属污染土壤强度提升或未说明，本发明对重金属污染土壤即降低浸出浓度又提升土质强度，满足路基要求。
57.进一步地，先将组分a喷洒于所述含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中，养护后再将组分b喷洒于养护后的含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中。
58.本实施例中，先用组分a，再用组分b，设计本意是先加入亚铁盐稳定化固化重金属如阴离子砷，组分a中含沸石颗粒，提供胶化反应核心，然后加入组分b稳定化固化重金属铅、镉、砷。但组分a、b加入先后也无很大区别。
59.具体地，所述组分a喷洒中和/或所述组分b喷洒后，所述含有铅镉汞砷复合污染的土壤路基中的含水率为20-35％。
60.本实施例中，保持含水率20-35是为稳定化固化反应充分(包含胶化、提供一定反应介质及水)，低于20水量太少，不利于反应。高于35土壤易流动。
61.实施例3
62.本实施例，结合具体应用为主进行介绍。
63.本实施例中的一种用于重金属污染土壤路基改良药剂，由组分a和组分b组成，按照5个具体方案进行阐述，其中，各个方案中的各组分组成如下(质量比)：
64.方案1中组分配比：
65.组分a：30％一水硫酸亚铁；5％沸石、50％轻烧粉以及1％硼砂
66.组分b：10％磷矿粉、30％粉煤灰以及50％海泡石。
67.混合时，组分a与组分b的质量份数比为1:1。
68.方案2中组分配比：
69.组分a：35％一水硫酸亚铁；7％沸石、45％轻烧粉以及2％硼砂；
70.组分b：20％磷矿粉、35％粉煤灰以及45％海泡石。
71.混合时，组分a与组分b的质量份数比为1:2。
72.方案3中组分配比：
73.组分a：40％一水硫酸亚铁、8％沸石、38％轻烧粉以及3％硼砂；
74.组分b：31％磷矿粉、40％粉煤灰以及35％海泡石。
75.混合时，组分a与组分b的质量份数比为5:1。
76.方案4中组分配比：
77.组分a：40％一水硫酸亚铁、8％沸石、30％轻烧粉以及4％硼砂
78.组分b：40％磷矿粉、38％粉煤灰以及20％海泡石。
79.混合时，组分a与组分b的质量份数比为3:2。
80.方案5中组分配比：
81.组分a：50％一水硫酸亚铁、10％沸石、25％轻烧粉以及5％硼砂；
82.组分b：50％磷矿粉、30％粉煤灰以及20％海泡石。
83.混合时，组分a与组分b的质量份数比为5:3。
84.上述5个具体方案中，各个配方制备一种用于重金属污染土壤路基改良药剂的使用工艺，具体步骤为：
85.按照上述比例称取组分a各组分，混合搅拌均匀；
86.按照上述比例称取组分b各组分，混合搅拌均匀；
87.利用设备将重金属污染土壤筛分、破碎至50mm以下粒径，添加组分1-5％a药剂，混合均匀，洒水至含水率约20-35％，覆盖养护3-5d。
88.养护结束后，继续添加组分b药剂，添加量1-3％，混合均匀，洒水至含水率约20-35％，覆盖养护3-5d。
89.第二次养护结束后，对污染土壤重金属浸出含量及土壤cbr进行测定。
90.(2)技术效果
91.本发明的有益效果为：本发明改良药剂含有能够有效吸附砷的亚铁盐材料，磷矿粉及海泡石能够有效降低阳离子型重金属铅、镉、汞等，通过吸附、络合和沉淀反应稳定化重金属铅、镉、汞、砷等，同时改良药剂利用轻烧粉中氧化镁与含磷矿物的胶化反应，起到固化、提升强度的作用。沸石粉起到胶化固结骨料作用，且加入硼砂、粉煤灰对延缓胶化反应起到一定作用。本发明中改良药剂可处理不同程度的重金属污染土壤，既能有效的降低土壤中重金属浸出含量，又能提高污染土壤的强度，对重金属污染土壤资源化利用提供一种方法。
92.以湖南某冶炼场地污染土壤为例，任意取方案1-5(取其中一个方案)中获得用于重金属污染土壤路基改良药剂，将其与污染的土壤路基混合，则土壤处理前后重金属浸出值(hj/t 299-2007浸提方法)和cbr变化如表1所示。cbr是指路基填料强度，是加州承载比的英文缩写。是道路路基材料的重要力学指标。对于城镇道路路基填料在填方路基。cbr填料要求如下表1：
93.表1：路基填料强度(cbr)的最小值
[0094][0095]
方案1实施结果(对应实施例3中的方案3)如表2
[0096]
表2：
[0097][0098]
通过本发明中的方案，对于铅、砷阴阳离子复合污染土壤本方案能够同时有效降低两种重金属浸出浓度。重金属铅浸出浓度从0.312mg/l降低至0.054mg/l，重金属砷浸出
浓度从0.265mg/l降低至0.032mg/l，均低于《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)iv类限值。同时，土壤cbr从1.63％增加到4.13％，根据市政道路路基填料要求，满足道路路床以下填筑要求。方案2实施结果(对应实施例3中的方案1和2)如表3
[0099]
表3：
[0100][0101]
通过本发明中的方案2，针对铅、镉阳离子复合污染土壤本方案能够降低重金属浸出浓度。重金属铅浸出浓度从0.423mg/l降低至0.044mg/l，重金属镉浸出浓度从0.102mg/l降低至0.004mg/l，均低于《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)iv类限值。同时，土壤cbr从2.33％增加到5.24％，根据市政道路路基填料要求，满足道路路床以下填筑要求。
[0102]
方案3实施结果(对应实施例3中的方案4和5)
[0103][0104]
参照表1-表3中的结果可以看出，通过本发明中的方案，针对阴离子型砷污染土壤本方案能够降低其浸出浓度。重金属砷浸出浓度从0.323mg/l降低至0.042mg/l，均低于《地表水环境质量标准》(gb3838-2002)iv类限值。同时，土壤cbr从1.31％增加到3.63％，根据市政道路路基填料要求，满足道路路床以下填筑要求。
[0105]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。