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钢铁企业污染场地修复经验探索 ——我国钢铁企业场地污染特征及常用修复技术简介 Exploration of China's iron and steel enterprises' experience in contaminated site remediation


一、 钢铁厂场地污染赋存特征

钢铁厂场地的污染物通常富集在浅层土壤中。污染物的赋存和迁移,与土壤的理化性质、土层分布及含水层位置等自然条件密切相关。


1. 重金属污染赋存特征

钢铁冶炼场地的重金属污染元素主要有铜、铅、锌、铬等,通常富集于土壤表层。重金属在土壤中以可溶态、碳酸盐结合态、有机结合态、铁锰氧化物结合态和残渣态等形式存在。可溶态重金属最易在土壤中发生垂向淋溶迁移或水平迁移,其迁移动力主要是雨水入渗和地表径流携带;碳酸盐结合态重金属在有酸性降水时易发生迁移;有机物结合态重金属可缓慢释放;铁锰氧化物结合态及残渣态重金属不易发生移动,也不易被植物吸收。

重金属在土壤中的赋存形态,最重要的影响因素是土壤酸碱度和氧化还原电位,酸碱度对赋存形态的影响更为显著。大部分重金属离子在pH值低于5,氧化还原电位低于100 mV的土壤中溶解度较高。酸性土壤中,重金属离子较容易发生迁移。重金属赋存形态还受到土壤有机质含量和土壤机械组成等因素的影响。


2. 有机污染赋存特征

钢铁企业场地有机污染物如多环芳烃、苯系物、酚类、石油烃等,通常被土壤吸附而存在于非饱和层中。当污染物浓度高、污染时间较长时,污染物可沿土壤孔隙向下迁移。当高浓度污染物到达饱和层时,会在毛细上升带与饱和层交界处累积,形成LNAPL(轻质非水相液体),并沿水面扩散形成污染羽。LNAPL会随着地下水位的升降而上下浮动形成油渍污染区(Smear Zone)

图1. 轻质非水相液体(LNAPL)在地下的分布和移动

图2. LNAPL随地下水位变化形成油渍污染区


二、 常用修复技术简介


对于钢铁企业场地的土壤污染物,常用的土壤修复技术如下:

(1)重金属污染土壤修复技术:固化/稳定化、土壤淋洗、水泥窑焚烧、安全填埋、植物修复、玻璃化等。

(2)有机污染土壤修复技术:热解吸、生物堆、土壤洗脱、化学氧化、监测自然衰减、强化(蒸汽或电加热)双相抽提等。

修复技术介绍详见环保部发布的《污染场地修复技术名录(第一批)》。

由于水泥厂产量有限,接收污染土容量低,因此对于污染土方量较大的修复项目较少采用;安全填埋同样由于填埋场库容限制,以及污染土长途转运的二次污染风险,目前也较少采用;植物修复和监测自然衰减技术修复用时长,玻璃化技术成本高昂,国内钢铁企业污染场地很少采用此类技术进行污染土壤修复。因此,目前国内钢铁冶炼污染场地常用的修复技术主要有针对重金属污染的固化/稳定化、土壤洗脱技术,以及针对有机污染的热解吸、生物堆、土壤洗脱、化学氧化和强化双相抽提技术等。

对于我国钢铁冶炼场地的复杂污染情况,通常采用组合修复技术进行针对性修复。根据土壤污染特征,可以将土壤污染分为三类:单一重金属污染、单一有机污染和复合污染。单一重金属污染通常采用固化/稳定化技术进行修复;单一有机污染可采用热解吸、化学氧化、生物堆或强化双相抽提技术进行修复;对于复合污染土壤,通常采用先去除有机污染物,再修复重金属污染的思路进行治理。钢铁冶炼场地污染土壤修复策略如下图所示。

图3. 钢铁企业场地污染土壤修复策略

土壤洗脱技术是一种减量清洗技术,用于土质适宜的土壤修复工程。洗脱产生的富集污染物的泥饼仍需进行热脱附、固化稳定化或其他深度处理。

根据修复项目的工期、场地条件和资金水平等因素,可选择原位修复或者异位修复的方式。基于上述修复策略,原位修复和异位修复技术路线见下图所示。

污染土壤的原位修复,根据土壤污染类型,单一重金属污染区直接进行原位固化/稳定化修复,单一有机污染区直接进行强化双向抽提或原位化学氧化修复。对于复合污染区,以上述单一污染区的修复方式,先修复有机污染,再治理重金属污染。涉及重金属的区域修复完成后,地表需进行硬化阻隔处理,以控制重金属随扬尘扩散的风险。

图4. 钢铁冶炼场地污染土壤原位修复技术路线

污染土壤的异位修复,根据土壤污染类型,单一重金属污染土壤直接进行异位固化/稳定化修复;对于单一有机污染土壤,轻度的可采用生物堆技术进行修复,中重度的进行热脱附或化学氧化修复。对于复合污染区,以上述单一污染土壤的修复方式,先修复有机污染,再治理重金属污染。

图5. 钢铁冶炼场地污染土壤异位修复技术路线

以上修复技术路线只针对一般场地,具体工程中修复技术的选择和方案的比选,需综合考虑项目的修复目标要求、修复时限、可操作性、成本、二次污染控制和社会影响等多方面的因素。


三、 修复案例简介

本文以华南某钢铁冶炼场地修复项目为例,对典型钢铁冶炼场地的修复技术选择和修复方案设计进行介绍。


1. 华南某钢铁冶炼污染场地修复项目背景

该钢铁厂污染区域主要集中在连轧厂、炼铁厂、炼钢厂、料场、废钢堆场、废渣场等地块内,各地块存在不同程度的PAHs和重金属复合污染。

经场地调查与风险评估可知,受到污染的土壤总方量为51万m3,污染类型基本为重金属和多环芳烃、石油烃复合污染。大多数污染区污染深度集中于0-3m,少数污染区因杂填原因,污染深度扩至0-6m。


污染因子:


重金属类:Pb 、As、Cu、Zn和Ni;

多环芳烃类:萘、苊、芴、蒽、荧蒽、芘、苯并[a]蒽、䓛、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘、二苯并[a,h]蒽、菲、苯并[g,h,i]芘和苊烯(二氢苊);


总石油烃。

该修复工程选用的土壤修复技术为土壤淋洗、热解吸和固化/稳定化技术。


2. 修复工艺路线


该工程的污染土壤修复技术路线设计如下。

图6. 华南某钢铁厂场地修复总体技术路线

污染土壤首先经筛分预处理去除其中的杂质,确保后端修复工艺入料的均质性。污染土壤通过土壤淋洗设备,粒径大于75 μm的粗颗粒清洗干净达标后回填或者资源化利用,粒径小于75 μm的细颗粒泥饼干化后进热脱附设备彻底去除多环芳烃污染物。热脱附出料的土壤仍含有重金属污染,再进入固化/稳定化系统,添加药剂进行处理,控制土壤中重金属的环境风险至可接受水平,达到无害化的目的。

以土壤洗脱-热脱附-固化稳定化三种工艺的组合,来修复该钢铁冶炼污染场地的土壤,其优势如下。


(1) 实现污染土壤修复工程的减量化

通过土壤洗脱处理,将占土壤大部分体积的粗颗粒清洗干净回收利用,减少了后端热解吸和固化稳定化的处理量,节约了项目成本。


(2) 多工艺组合,修复彻底,提高修复效率

土壤热脱附去除土壤中有机污染物,固化/稳定化治理重金属污染,分步治理的思路可精细化控制修复工艺参数和修复治理,确保土壤污染治理效果达标。

土壤洗脱后占土壤较少体积的细颗粒富集了绝大部分土壤污染物,可以使后端的热脱附和固化/稳定化技术集中修复污染介质,提高修复效率。


四、 存在的问题

污染场地因其复杂性,在修复过程中会遇到很多困难和挑战。如污染土壤中含有大量混凝土、钢筋和固体废弃物等杂质,土质不均匀,会造成修复工艺参数难以稳定的问题;各修复工艺段的衔接也对土质和含水率的控制提出了很高的要求。以华南某钢铁厂修复项目为例,对钢铁厂修复项目中经常遇到的问题分析如下。


1. 污染场地拆除清理粗放,土壤中杂质多

由于国内大多数污染场地的拆除和清理工作管理粗放,生产设施的拆除和清理过程会残留大量建筑垃圾,甚至可能会因对剩余设备和化学品的不当拆除和处理,而对场地造成严重的再次污染。华南某钢铁厂污染场地,经拆除后地表残留有大量的建筑渣块、钢筋、砖块、塑料布条等杂物。这些杂物对于后端工艺设备的运行会造成很大的障碍和伤害。因此对污染土进行预处理和筛分就尤为重要。经筛分预处理后,土壤无杂质,可确保后端设备的顺畅运行。


2. 土壤质地不均匀,修复设备工艺参数不易稳定

通常污染场地的土质由上至下会有较大的变化,浅层通常是杂填土层,向下有粉土层、粉质粘土、粘土层等。不同层次的污染土,其质地、理化性质和污染物分布均有加大差异,这种差异性会导致修复设备工艺参数的波动较大,进而影响修复效果。因此,一方面要精细施工,将不同质地的土壤进行分类,分批进行修复,以针对性的调整工艺参数;另一方面,对进入修复系统的污染土先进行筛分预处理,除了可以去除土壤中的杂质,还可将土壤均质化,使进入修复系统的土壤其质地和污染浓度在一定程度上较为均匀,这样有利于后端工艺参数的稳定,也有利于保障修复效果。


3. 各修复工艺的衔接对于土壤含水率的控制要求高

对于筛分预处理-淋洗-热解吸-固化稳定化这一工艺链,工艺间的顺畅衔接非常关键,会直接影响土壤修复效率甚至修复效果。工艺衔接除土方平衡和生产调配以外,最重要的因素是土壤含水率的调节。筛分预处理工艺和热解吸工艺,要求土壤含水率低于20%,否则物料通过率低,修复成本也会上升;而土壤淋洗工艺会造成土壤含水率的上升,固化/稳定化完成后也需要添加水分进行养护。因此土壤从预处理开始到固化稳定化修复结束,含水率调节会经历降低(预处理前干化)-升高(淋洗)-降低(热解吸之前需干化)-升高(固化/稳定化养护需提升含水率)的正弦型波动过程。为保障工序衔接的顺畅,调配各工序的产能和工期安排,并辅以相应的干化或补水措施非常重要。

综上所述,钢铁冶炼场地污染分布复杂、土质异质性强,工艺串联衔接难度高,这些特点都要求对施工各环节进行精细化的设计和管理,方能使修复工程进入良性运行状态,按期保质保量完成修复任务。