一种促进化学钝化剂修复复合重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种促进化学钝化剂修复复合重金属污染土壤的方法。

背景技术

化学钝化稳定以修复时间短、适用多种重金属、易操作等优势而成为当前治理重金属污染土壤的主要技术之一。常用的钝化剂包括磷酸盐，石灰、粉煤灰、无机硅肥、金属氧化物、草炭/生物炭和有机堆肥等。

但是，在化学钝化修复时，土壤中初始形成的大量低溶解性重金属化合物会阻碍其中的重金属与钝化剂反应生成更稳定化合物(残渣态)，因而一定时期后随土壤环境条件改变这类重金属被重新活化导致环境风险。同时重金属在土壤中分布的随机性和土壤环境的复杂性使所投加的钝化药剂无法及时有效地与重金属接触反应，为保证钝化效率和作用的持久性，通常施加的药剂量远高于实际发挥钝化作用的药剂量。然而过量施加钝化剂不仅会增加修复费用，还会带来土壤理化性质恶化和二次环境污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种促进化学钝化剂修复复合重金属污染土壤的方法，该方法能够促进土壤中更多的重金属与化学钝化剂形成更加稳定的化合物而实现高效快速稳定化，不仅可以提高化学钝化效果，而且可以显著减少化学钝化剂用量。

本发明通过下述技术方案实现：

一种促进化学钝化剂修复复合重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

S1、首先向复合重金属污染土壤中加入化学钝化剂，并与污染土壤混合均匀；

S2、向加入化学钝化剂的污染土壤施加直流交变电场进行处理；

S3、处理后土壤在自然状态下进行养护。

在直流交变电场下，由于电场效应使吸附在土壤颗粒表面的重金属脱附，并使土壤中初始形成的大量低溶解性重金属化合物活化，释放金属离子进入土壤溶液，有利于后期与钝化剂结合形成更稳定的重金属形态，增强修复的持久性。

并且，在直流交变电场下，土壤中重金属离子发生往复迁移移动，增加了与土壤中已施加的化学钝化剂接触机会，加快了重金属离子与钝化剂的化学反应，从而促进更加稳定金属化合物的大量形成。

在相同钝化剂使用量下，采用本发明促进化学钝化剂稳定修复后，土壤重金属浸出浓度较单纯化学钝化剂修复土壤的重金属浸出浓度低；而在满足相同土壤重金属浸出浓度标准限值条件下，本发明钝化剂用量较单纯化学钝化修复用量低。

综上，本发明通过直流电场的电化学效应将土壤中初始存在的低溶解性重金属化合物活化释放出重金属离子，然后利用直流交变电场使重金属离子在土壤中往复迁移移动以促进重金属离子与钝化剂充分反应，从而使土壤中更多的重金属与钝化剂形成更加稳定的化合物而实现高效快速稳定化，不仅可以提高化学钝化效果，而且可以显著减少钝化剂用量。

同时，通过周期性转换阴阳电极极性形成直流交变电场，在有效活化金属同时电极附近土壤没有明显的pH变化，克服了单向直流电场下阴阳极附近土壤的酸碱化明显，并且避免了在交流电场下活化效果不足的缺点。

进一步地，步骤S1中，钝化剂为重过磷酸钙和生物炭的组合，以污染土壤的重量计，重过磷酸钙的用量为1.5～2％，生物炭的用量为5～8％。

进一步地，当重过磷酸钙(Ca(H

进一步地，步骤S2中，直流交变电场的具体施加方式为：

在加入化学钝化剂后的污染土壤两端分别设置一块电极板，将电极板接通直流电源，定期交替改变两个电极板的极性，形成直流交变电场对污染土壤进行处理。

进一步地，直流电源的电压为3V/cm，两端电极板极性交换时间间隔为20min，通电处理时间为2.0h。

进一步地，电极板的材料为石墨、铂、钛或钛基金属氧化物。

进一步地，在直流交变电场处理过程中保持污染土壤的含水率为50％～60％。

进一步地，在养护阶段保持污染土壤的含水率为40～50％。

进一步地，复合重金属污染土壤中至少包括Pb、Cu、Cd、Zn中的一种。

进一步地，养护阶段进行自然养护的时间不小于7d。

该装置用于实现上述方法，或用于研究直流交变电场对土壤钝化修复影响，包括直流电源、电极板、复合重金属污染土壤和反应器；

所述复合重金属污染土壤装填在反应器内，且所述复合重金属污染土壤中混合有钝化剂；

所述电极板设置有两块，两块电极板分别设置在反应器内两端；

所述直流电源与电极板连接。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的含有化学钝化剂的复合重金属污染土壤，在直流交变电场下，释放金属离子进入土壤溶液，有利于后期与化学钝化剂结合形成更稳定的重金属形态，增强修复的持久性。

2、本发明在直流交变电场下，土壤中重金属离子发生往复迁移移动，增加了与土壤中已施加的化学钝化剂接触机会，能形成大量的稳定化合物，即与不进行直流交变电场处理相比，能形成更多的稳定化合物，提高了化学稳定性。

3、本发明的含有化学钝化剂的复合重金属污染土壤，在直流交变电场下；使土壤中更多的重金属与化学钝化剂形成更加稳定的化合物而实现高效快速稳定化，不仅可以提高化学钝化效果，而且可以显著减少化学钝化剂用量。

4、本发明通过周期性转换阴阳电极极性形成直流交变电场，在有效活化金属同时电极附近土壤没有明显的pH变化，克服了单向直流电场下阴阳极附近土壤的酸碱化明显，并且避免了在交流电场下活化效果不足的缺点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为实施例中采用的试验装置的结构示意图；

图2为实施例1中修复后重金属的浸出浓度变化，其中，(a)为Pb的浸出浓度，(b)为Cu的浸出浓度，(c)为Cd的浸出浓度；

图3为实施例1中的不同处理修复后土壤中重金属形态对比；

图4为单纯施加电场处理与原始污染土壤中重金属形态的对比。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-直流电源；2-电极板；3-复合重金属土壤；4-反应器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例中复合重金属污染土壤含有Pb、Cu、Cd，即本实施例为复合重金属Pb、Cu、Cd污染土壤的化学稳定修复。

一种促进化学钝化剂修复复合重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

步骤一、向复合重金属污染土壤中投加重过磷酸钙Ca(H

步骤二、将复合重金属污染土壤与钝化剂搅拌均匀，然后在复合重金属污染土壤区或装填污染土壤的反应器4两端分别设置1块电极板2，电极板2的材质为石墨，并调节土壤含水率至50％～60％左右；

步骤三、接通直流电源1，电压为3V/cm、电极板2极性交换时间间隔20min，通电处理土壤2h，其间补充水分保持土壤含水率50％～60％；

步骤四、电场作用完成后，将复合重金属污染土壤在自然状态下养护7d，其间需保持土壤含水率在40～50％。

本实施例采用的试验装置如图1所示：包括直流电源1、电极板2、复合重金属污染土壤3和反应器4；

所述复合重金属污染土壤3装填在反应器4内，且所述复合重金属污染土壤3中混合有钝化剂；

所述电极板2设置有两块，两块电极板2分别设置在反应器4内两端；

所述直流电源1与电极板2连接。

处理效果如下：

如图2所示，在直流交变电场联合作用下，钝化药剂用量为2％TSP+5％BC组合的处理组的复合重金属土壤修复后Pb、Cu和Cd的浸出浓度分别为1.98mg/L、93.18mg/L与0.748mg/L，钝化药剂用量为1.5％TSP+6％BC组合的处理组的重金属Pb、Cu和Cd的浸出浓度分别为4.33mg/L、77.16mg/L和0.590mg/L，钝化药剂用量为2％TSP+9％BC组合处理组的重金属Pb、Cu和Cd的浸出浓度分别为1.60mg/L、42.79mg/L和0.44mg/L而未施加直流交变电场时，仅单纯采用钝化药剂为2％TSP+9％BC组合的处理组，重金属Pb、Cu和Cd的浸出浓度分别为2.02mg/L、70.91mg/L和0.528mg/L，虽然上述三组处理均可满足GB5085.3-2007标准限值要求，但前两组在直流交变电场联合作用下，药剂的总投加量较2％TSP+9％BC组合分别减少了36.4％与31.8％。

图2所有数据都是加电场的条件下的结果。

如图3所示，对单纯投加2％TSP+9％BC钝化剂处理和直流交变电场与2％TSP+5％BC钝化剂联合处理的土壤自然养护7d后，分析土壤中重金属Pb、Cu和Cd的形态可以看出，两种不同处理下，对土壤中活性最高的弱酸提取态重金属的含量降低程度几乎处于同一水平，但施加电场联合处理的重金属Pb、Cu和Cd的可还原态含量较单纯投加钝化剂处理时分别降低了17.91％、13.29％和7.29％，同时形态更稳定的可氧化态与残渣态重金属的百分含量则进一步提高，比单纯投加钝化剂处理提高了7.61％～18％。

图3中的药剂稳定是指单纯投加2％TSP+9％BC钝化剂处理；联合技术B是指直流交变电场与2％TSP+5％BC钝化剂联合处理。

为对比单独采用交变直流电场处理(不加钝化剂)对复合重金属污染土壤修复的效果，采用与实施例1相同的电场参数：电压梯度3V/cm、极性交换时间间隔20min和通电时间2h，结果如图4。可以看出，与未施加电场也不加钝化剂的对照土壤相比，电场处理后土壤中Pb、Cu和Cd的弱酸提取态含量较未加电场提高了12.95％、24.83％和44.93％，而可还原态、可氧化态与残渣态含量均出现一定程度的下降，特别是残渣态含量较不加电场分别降低6.45％、28.10％和19.19％。交变直流电场产生电迁移、电渗析和电泳现象，同时在原位产热提高土壤温度以及带电粒子的往复振动，一定程度上促进土壤重金属化合物向不稳定态转化。因此单独采用本实施例电场参数处理土壤，反而降低了土壤重金属的稳定性，即在一定程度上促进重金属形态由稳定态向不稳定态转化，不能促进土壤重金属稳定。从而也证实本发明中交变直流电场的作用仅在于通过电场的电化学效应将土壤中初始存在的低溶解性重金属化合物活化释放出重金属离子，利于与本发明加入的钝化剂反应形成更稳定的化合物，提高钝化药剂施用后钝化效率，并减少钝化剂使用量。

综上，本发明通过直流电场的电化学效应将土壤中初始存在的低溶解性重金属化合物活化释放出重金属离子，然后利用直流交变电场使重金属离子在土壤中往复迁移移动以促进重金属离子与钝化剂充分反应，从而使土壤中更多的重金属与钝化剂形成更加稳定的化合物而实现高效快速稳定化。在达到相同土壤重金属浸出浓度值下，本发明处理技术较单纯化学钝化处理的药剂总投加量可减少30％左右，且可使不同金属可氧化态与残渣态含量平均提高10％以上，从而提高了钝化剂使用效率以及钝化效果；该方法操作简单，可以修复含多种中高浓度重金属污染的土壤，并可适用于原位和异位修复方式。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。