重金属无害化及土壤修复技术—初稿

重金属无害化及土壤修复技术,北京华清佰利环保工程有限公司天津设计部2014.3.31,大纲,重金属无害化 （1） 重金属污染（2）重金属无害化技术土壤修复技术 （1）环境修复的概念、对象和任务、类型、产生与发展（2）土壤的组成与作用（3）土壤的污染（4）土壤修复技术介绍（5）土壤修复工程介绍,重金属无害化,重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。因人类活动导致环境中的重金属含量增加，超出正常范围，并导致环境质量恶化。2011年4月初，我国首个“十二五”专项规划重金属污染综合防治“十二五”规划获得国务院正式批复，防治规划力求控制5种重金属（汞、镉、铬、铅、砷等）。,重金属污染,Pb,Cd,Cr,Hg,As,重金属污染危害及特点,重金属危害：(1)影响植物根和叶的发育； (2)破坏人体神经系统、免疫系统、骨骼系统等重金属污染特点：重金属在不同的赋存介质（水体、空气、土壤、固废等）之间可进行迁移转化，并可通过食物链危害人体健康，具有隐蔽性、长期性、不可逆性等特征。,重金属无害化,水体重金属治理技术,水体重金属污染修复治理采用以下两条基本途径，一是降低重金属在水体中的迁移能力和生物可利用性；二是将重金属从被污染水体中彻底清除 。目前国内外主要存在5种治理水体重金属污染的方法： （1）稀释法 、 换水法；（2）化学混凝 、 吸附法；（3）离子还原 、 交换法；（4）膜分离法；（5）生物（植物、动物、微生物和藻类）修复法。,重金属无害化,空气重金属无害化技术,空气中的重金属是存在于大气颗粒物(TSP)当中的，而粒径小于10m的大气颗粒物(可吸入颗粒物PM10)含有更高含量的重金属。据报道，大约75%90%的重金属分布在PM10中，且粒径越小，重金属含量越高。因此，要提取大气中的重金属，首先得除尘。除尘后形成的污染物，例如飞灰、污泥等则为含重金属污染的固体废弃物。因此空气重金属无害化技术可划归为固体废弃物重金属无害化技术。,重金属无害化,固体废物重金属无害化技术,对于含有大量重金属的固体废弃物，例如尾矿（尾砂、矿冶废渣、煤矸石、废石等）、工业污泥、生活垃圾、污染土壤等无害化，目前已经有许多应用性成果可供借鉴。在诸多处理手段中，已发展了许多重金属污染治理技术，稳定化技术是重金属污染废弃物无害化的一项重要技术，在区域性集中管理系统中占有重要地位。这些重金属稳定化技术概括起来包括：惰性固体基材固化技术，药剂稳定化技术，pH值控制技术，氧化还原电势控制技术，沉淀技术，束缚于不溶性基质技术，吸附技术等。,重金属无害化,将有害废物固定或包封在惰性固体基材中的处理方法，称为稳定化或固化。有害废物经过稳定化固化处理，其浸出毒性将大大降低，能安全地运输，并能方便地进行最终处置。对于稳定性和强度适宜的产品，还可作为建筑基材使用，稳定化/固化技术作为废物资源化利用或最终处置的预处理技术，在国内外已得到广泛应用。 现在已经得到开发利用的稳定化/固化技术主要包括水泥固化、凝硬性材料固化、热塑性做包胎、大型包胶、自胶结固化和水玻璃固化等几种类型。常规的稳定化、固化技术存在着一些不可忽视的问题，如废物经固化处理后，其增容比较大；固化体的长期稳定性等。目前对固化试样的长期化学浸出行为和物理完整性还没有客观的评价，这些都影响常规稳定化/固化技术在未来危险废物处理中的进一 步应用。针对这些问题，近年来提出采用高效化学稳定药剂进行无害化处理的概念。,重金属无害化,惰性固体基材固化技术,药剂稳定化处理是指在废弃物中加入某种化学物质，使废物中的有害成分经过变化或被引人某种稳定的晶格结构中而无害化。在废物中先加入某些药剂，使有害成分先与其发生作用，再进行固化，其浸出毒性将大大降低。 用药剂稳定化技术处理危险废物，可以在实现废物无害化的同时，达到废物少增容或不增容，从而提高危险废物处理、处置系统的总体效率和经济合理性。同时，还可通过改进螯合剂等的结构和性能，使其与废物中的危险成分之间的化学螯合作用得到强化，进而提高稳定化产物的长期稳定性，减少最终处置过程中稳定化产物对环境的影响。因此，药剂稳定化固化投术将有其广泛的应用前景。,重金属无害化,药剂稳定化技术,pH值控制技术是一种最普遍、最简单的方法。其原理为：加人碱性药剂，将废物的pH值调整致使重金属离子具有最小溶解度的范围，从而实现其稳定化。常用的pH值调节剂有石灰、苏打、氢氧化钠等。对于不同的重金属离子，其最小溶解度的范围不同。另外，除了这些常用的强碱外，大部分固化基材，如普通水泥、石灰窑灰渣、硅酸钠等也都是碱性物质，它们在固化废物的同时，也有调整pH值的作用，另外，石灰及一些类型的黏土可做pH值缓冲材料。,重金属无害化,pH值控制技术,为了使某些重金属离子更易沉淀，常要将其还原为最有利的价态。最典型的是把六价铬(Cr6+)还原为三价铬(Cr3+)，五价砷(As5+)还原为三价砷(As3+)；常用的还原剂有硫酸亚铁、硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠、二氧化硫等。,重金属无害化,氧化还原电位技术,即通过添加化学物质来改变固体废弃物中重金属的溶解性的方法来达到稳定的技术。常用的沉淀剂包括氢氧化物/氧化物、硫化物、硅酸盐、无机和有机配合物等。部分有机化合物表面的活性基团反应可与重金属离子结合形成稳定的沉淀，从而去除水相中溶解的重金属。该技术可用于湿法选矿形成的尾矿库废水中重金属处理。,重金属无害化,沉淀技术,作为处理重金属废物的常用的吸附剂有活性炭、黏土、金属氧化物(氧化铁、氧化镁、氧化铝)等天然材料(锯末、沙、泥炭、沸石等)、人工材料(飞灰、活性氧化铝、有机聚台物离子交换树脂、硅胶)等。 上述各种稳定化技术在具体项目中往往需要耦合使用，才能满足工程治理目标的要求。,重金属无害化,吸附技术,环境修复的概念,修复（remediation）是一个工程上的概念，顾名思义，是指借助外界作用力使某个受损的特定对象部分或全部恢复到原初始状态的过程。 环境修复（environmental remediation）就是研究对被污染的环境采取物理、化学与生物学技术措施，使存在于环境中的污染物质浓度减少或毒性降低或完全无害化，使得环境能够部分或者全部的恢复到原始状态。 环境污染健康环境 环境修复环境净化 环境修复”三废”治理,土壤修复技术,环境修复的对象和任务,根据环境修复的概念可知，其对象是自然界中各种各样因为环境污染和破坏等而形成的环境问题，如污染的大气、水体、土壤等 任务是即使得污染的环境能够部分或者全部恢复到原始状态。,土壤修复技术,环境修复的类型,根据环境修复的对象，环境修复可分为土壤环境修复、水体环境修复、大气环境修复、固体废物环境修复等几个类型。 根据环境修复的方法和技术手段，环境修复可分为工程修复、物理修复、化学修复、生物修复四大类型。 根据修复的形式，环境修复可分为原位修复和异位修复两个类型。,土壤修复技术,人们对环境质量越来越高的要求与随工业文明而来的环境污染和生态破坏之间的矛盾促使了环境修复学科的产生。污染预防工程、传统的环境工程（即“三废”治理工程）和环境修复工程分别属于污染物控制的产前、产中和产后三个环节，它们共同构成污染控制的全过程体系。 随着科学技术的发展，环境修复的理论研究不断深入，工程技术手段也不断更新，形成了目前物理、化学、生物多种方法共存的局面，并有由物理化学方法向生物方法发展的趋势。,土壤修复技术,环境修复的产生和发展,土壤修复技术,土壤环境,土壤修复技术,大 气 (空气迁移),水 体(水过程),生 物(生物过程),岩 石(风化过程),物质的组成、性质、结构,物质的平衡和循环,物理的 化学的 生物的,（土壤胶体表面本质和特性）,（水、 热、 能量）,物质的能量流动和平衡,土壤环境的地位、内涵与功能,大气与痕量气体交换,放,吸,CO2CH4H2SN2O,O2,水平衡、循环、转化,土 壤 （固、气、 液、生）,原、次生矿物、无机物组成,生物养分物质循环,动植物区系及微生物组成、有机物,水分性质与组成,大气与土壤气体组成,水循环平衡,支调生物过程,提供生物水、养分,地质循环地球皮肤,土壤修复技术,土壤污染是指，人类活动产生的污染物进入土壤并积累到一定程度，引起土壤质量恶化、功能降低的现象。,土壤污染的概念,1、有机物类：农药、除莠剂、酚、苯并芘、油类等。2、化学肥料：氮、磷、微量营养元素。3、重金属：镉、汞、铅、镍、铬、砷、铜、锌。4、放射性物质：铯-137、锶-90等。5、致病微生物：肠细菌、肠寄生虫、结核杆菌。,土壤污染物质,土壤修复技术,土壤修复技术,1）工业污染源：工业“三废”物质排放。2）农业污染源：化肥、农药、畜禽粪便。3）生活污染源：城乡生活废水、农家肥等。4）其它污染源（废弃物焚烧等）,土壤污染类型及来源,土壤修复技术,土壤污染的特点,1、隐蔽性和滞后性；2、累积性：持久性有机污染物（POPs）多氯联苯（PCBs）、多环芳烃（PAHs）、多氯代二苯并二噁英（PCDDs）和重金属等；3、不可逆性/持久性：难降解性污染物4、环境迁移与扩散影响5、食物链污染,土壤修复技术,土壤修复技术,根据土壤污染类型、特点和污染程度，目前土壤修复技术主要有工程修复、物理修复、化学修复、生物修复等修复技术。各修复技术在经济适用性、技术可行性方面具有不同特点，针对具体土壤修复项目，可使用不同的修复技术，或者耦合几种修复技术进行修复。,治理重金属污染土壤的常规工程修复技术主要包括客土、换土和深耕翻土等措施。通过客土、换土和深耕翻土与污土混合，可以降低土壤中重金属的含量，减少重金属对土壤-植物系统产生的毒害，降低重金属元素进入食物链的量，从而使农产品达到食品卫生标准,土壤修复技术,工程修复技术,土壤修复技术,物理修复技术,物理分离修复 蒸气浸提修复 固定稳定化修复 电动力学修复 热力学修复,土壤修复技术,物理分离修复技术,概念和原理,粒径分离（筛分） 干筛分、湿筛分、摩擦洗涤等 水力学分离 淘选机、机械粒度分级机、水力旋风分离器 密度（重力）分离 振动筛、螺旋富集器、摇床 脱水分离 过滤、压滤、离心、沉淀 泡沫浮选分离 磁分离,土壤修复技术,蒸气浸提技术（SVE）是通过降低土壤空气蒸气压，把土壤中的污染物转化为蒸气的形式而加以去除，是通过物理方法去除不饱和土壤中挥发性有机组分（VOCs）污染的一种修复技术，适用于处理高挥发性的污染物。限制土壤蒸气浸提技术应用效果的因素主要有下层土壤的异质性、土壤的渗透性、地下水位、排出的气体需要进行进一步处理等。,蒸气浸提修复（SVE）,土壤修复技术,物理 固化/稳定化修复技术就是是用物理方法将污染物固定或包封在密实的惰性基材中，使其稳定化（无害化或者资源化）的一种过程,固化/稳定化技术,电动力学修复技术利用插入介质（土壤或沉积物）中的两个电极在污染介质两端加上低压直流电场，在低强度直流电的作用下，水溶的或者吸附在土壤颗粒表层的污染物根据各自所带电荷的不同而向不同的电极方向运动：阳极附近的酸开始向介质的毛细孔移动，打破污染物与介质的结合键，此时，大量的水以电渗析方式在介质中流动，土壤等介质毛细孔中的液体被带到阳极附近，这样就将溶解到介质溶液中的污染物吸收至土壤表层得以去除。,土壤修复技术,电动力学修复技术,高温原位加热技术主要处理的污染物有半挥发性的卤代有机物和非卤代有机物、多氯联苯以及密度较高的非水质的液体有机物。低温原位加热处理的污染物主要有半挥发性的卤代物和非卤代物以及浓的非溶性的液态物质，挥发性有机物也可以用此方法进行处理。此外，原位电磁波加热修复技术属于高温原位加热技术，它利用高频电压产生的电磁波能量对现场土壤进行加热，利用热量强化土壤蒸气浸提技术，使污染物在土壤颗粒内解吸而达到修复污染土壤的目的。,土壤修复技术,热力学修复技术,土壤修复技术,化学淋洗修复 化学稳定化修复 化学氧化还原修复可渗透反应墙,化学修复技术,土壤修复技术,化学淋洗修复,借助能促进土壤环境中污染物溶解或迁移的化学/生物化学溶剂，利用重力作用或通过水力压头推动淋洗液注入被污染的土层中，然后把含有污染物的液体从土层中抽提出来，进行分离和污水处理的技术。,土壤修复技术,淋洗液种类,化学淋洗可去除土壤中的重金属、芳烃和石油类等烃类化合物以及TCE、多氯联苯、氯代苯酚等卤化物。主要的淋洗液包括： 清水。可避免二次污染问题，但去除效率有限，主要用于溶于水的重金属离子的去除。 无机溶剂，如酸、碱、盐。通过酸解、络合或离子交换作用来破坏土壤表面官能团与污染物的结合。有成本低、效果好、作用快的优点，但破坏土壤结构，产生大量废液，后处理成本高等。 螯合剂。包括EDTA类人工螯合剂和柠檬酸、苹果酸等天然螯合剂，主要用于重金属的去除。人工螯合剂有二次污染问题，天然螯合剂应用前景广阔。 表面活性剂。用于重金属和疏水性有机污染物的去除。化学表面活性剂有二次污染问题，生物表面活性剂应用前景广阔。,土壤修复技术,化学稳定化修复技术,化学稳定化是在污染土壤中加入化学试剂或化学材料，并利用它们调节污染土壤环境条件、控制反应条件、改变污染物的形态、水溶性、迁移性和生物有效性，使污染物钝化，形成不溶性或移动性差、毒性小的物质而降低其在污染环境中的生物有效性，减少其向其他环境系统的迁移或结合其他修复技术手段永久地消除污染物，实现污染环境的化学修复。主要修复对象为重金属，作用的机理主要包括吸附和离子交换作用、配合作用和共沉淀作用。,土壤修复技术,化学氧化修复(chemicaloxidation remediation)主要是向污染环境中加入化学氧化剂，依靠化学氧化剂的氧化能力，分解破坏污染环境中污染物的结构，使污染物降解或转化为低毒、低移动性物质的一种修复技术。对于污染土壤来说，化学氧化技术不需要将污染土壤全部挖掘出来，而只是在污染区的不同深度钻井，将氧化剂注入土壤中，通过氧化剂与污染物的混合、反应使污染物降解或导致形态的变化，达到修复污染环境的目的。化学氧化修复技术能够有效地处理土壤及水环境中的铁、锰和硫化氢、三氯乙烯(TCE)、四氯乙烯(PCE)等含氯溶剂，以及苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)等生物修复法难以处理的污染物。除了单独使用外，化学氧化修复技术还可与其他修复技术(如生物修复)联合使用，作为生物修复或自然生物降解之前的一个经济而有效的预处理方法。 一般来说，化学氧化技术中的氧化剂应遵循以下原则进行选择：反应必须足够强烈，使污染物通过降解、蒸发及沉淀等方式去除，并能消除或降低污染物毒性；氧化剂及反应产物应对人体无害；修复过程应是实用和经济的。现有化学氧化技术所用的氧化剂主要有二氧化氯、高锰酸钾、臭氧、双氧水及Fenton试剂高级氧化法、光催化氧化等，其中双氧水及Fenton试剂高级氧化法目前得到了越来越多的应用。,化学氧化修复技术,土壤修复技术,化学还原修复技术,化学处原修复技术主要是利用化学还原剂将污染环境中的污染物质还原从而去除的方法，多用于地下水的污染治理，是目前在欧美等发达国家新兴起来的用于原位去除污染水中有害组分的方法。化学还原法主要修复地下水中对还原作用敏感的污染物，如铬酸盐、硝酸盐和一些氯代试剂，通常反应区设在污染土壤的下方或污染源附近的含水土层中。,土壤修复技术,与传统的地下水处理技术相比较，可渗透反应墙技术是一个无需外加动力的被动系统，该处理系统的运转在地下进行，不占地面空间，比原来的泵取地下水的地面处理支术要经济、便捷。渗透反应墙一旦安装完毕，除某些情况下需要更换墙体反应材料外，几乎不需要其他运行手维护费用。实践表明，与传统的地下水抽出再处理方式相比，该技术操作费用至少能够节约30以上。,可渗透反应墙技术存在的弊病包括：首先，不可能保证把“污染斑块”中扩散出来的扩染物完全按处理的需要予以拦截和捕捉；其次，随着有毒金属、盐和生物活性物质在可渗透反应墙中的不断沉积和积累，该被动处理系统会逐渐失去其活性，所以需要定期地更换填的化学活性物质；最后，环境条件发生改变时，这些被固定的有毒金属可能重新活化。,可渗透反应墙修复技术,土壤修复技术,生物修复技术主要是利用生物特有的分解有毒有害物质的能力，去除污染环境如土壤中的污染物，达到清除环境污染的目的。 广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术。广义的生物修复可以分为微生物修复、植物修复、动物修复和生态修复四大