重金屬污染土壤穩(wěn)定化修復材料（用量篇） ——基于幾個不同角度的設計用量思考

環(huán)境修復網(wǎng)訊:在重金屬污染土壤修復過程中，穩(wěn)定化材料的用量為表觀參數(shù)之一。在實驗室小試試驗和工程應用中，多以“投加比”的概念量化穩(wěn)定化材料的用量。以固體穩(wěn)定化材料為例，其投加比為穩(wěn)定化材料與污染土的質量比，常見數(shù)值范圍為0.5%~10.0%，在個別極端的穩(wěn)定化修復情景中，如使用固化劑成分或酸堿調節(jié)劑成分時，總體投加比可能會超出10.0%。基于穩(wěn)定化工藝的實際條件需求，從以下幾個方面簡略分析穩(wěn)定化材料投加比的設計思路和實用方法。

一、基于理論反應的材料用量設計思路

材料用量的設計思路，與材料自身的設計密切相關。此部分內容可參考《重金屬污染土壤穩(wěn)定化修復材料——基于理論原理和實踐條件的設計思路》。單獨針對穩(wěn)定化材料投加比的設定，也需嚴謹遵循物質反應的客觀過程?；A思路可分為兩類，即準確化學計量條件和可預期化學平衡條件。

1）準確化學計量條件下

在水溶液中，物質的物理化學反應過程，是可以通過檢測和監(jiān)測手段完成精確計量的，但需要提前確認該過程所產生的產物化學組成。在原理相對清晰或反應較為簡單的情況下，可以基于產物組成，逆向計算轉化特定量污染物所需修復材料的用量（前提是，修復材料也具有精確的化學組成分析數(shù)據(jù)）。

2）可預期化學平衡條件下

在某些過程如溶解/沉淀過程、酸/堿過程、吸附/解吸過程中，體系條件參數(shù)是隨著反應進行而變化的，僅僅基于化學計量比的簡單方式，所得結果誤差較大。利用化學平衡方法，引入條件參數(shù)的變化影響，可使預期修復材料的用量計算更為精準。

二、基于溶液體系的材料用量設計方法

土壤環(huán)境中，基于風險評估方法所設定污染物和穩(wěn)定化材料的相互作用，本質上為基礎物理化學反應為形式的過程。與水相等均相體系的物理化學反應過程相似，土壤體系的穩(wěn)定化過程更多是通過水溶液體系完成傳質以使物質固相表面直接接觸反應、或直接在水溶液體系中完成反應歷程。從這個角度來看，忽略掉部分環(huán)境因素條件，建立與土壤環(huán)境體系對應的水相修復體系，對于前者有很直接的數(shù)據(jù)參考價值。

1）材料遴選

在相似反應機理和條件下，不同反應物也對應不同的實際效果。如反應物向產物的物質轉化率、化學反應速率、產物穩(wěn)定性等，均可能有很大差異。在這些性能中，選擇優(yōu)勢性能作為評價標準，更有可能篩選出潛力組分，其所形成的產品也更高效性，在用量上同比具有更大優(yōu)勢。

2）材料組合

當涉及多種組分材料組合或搭配時，其在水相中不同的作用過程可能會相互干擾，甚至，組分間發(fā)生反應形成新產物也是有可能的。這些過程均可能消耗原始組分或功能性組分，且消耗量有可能高于實際發(fā)揮效果的用量，從而造成實際使用量要遠遠大于理論設計量。

3）機理驗證

不同材料用量在水相中的作用機制類似，但亦有可能產生不同的反應結果。當用量梯度足夠大時，更有可能發(fā)生“拐點”現(xiàn)象，反而效果適得其反。針對此，驗證用量與性能的關聯(lián)規(guī)律，往往可得到最佳用量值。

4）性能評價

隨著材料用量變化，可能出現(xiàn)的性能曲線類型包括“突躍”、“拐點”、“平臺”等等，可根據(jù)實際數(shù)據(jù)截取最富效果階段作為參考來完成材料用量的精細控制。

5）經驗校正

在很多情況下，如修復材料非高純度化學品、無法獲知具有修復能力的活性元素或活性組分的真實含量，或反應過程對體系條件參數(shù)敏感等，往往可基于上述思路進行參數(shù)盲設，在得到多批次批量試驗數(shù)據(jù)后，形成穩(wěn)定的經驗性數(shù)據(jù)供參考。

三、基于土壤體系的材料用量設計策略

土壤系統(tǒng)，因組成涉及三相，更為復雜、多變。穩(wěn)定化材料在水土氣三相中均可能存在或傳質。如，粒徑或密度較小的粉體材料易受物理擾動形成粉塵擴散、漂浮至空氣中，造成少量損失；易溶性材料在水分過量環(huán)境中，受空間過大影響，無法全部充分與污染物接觸，實則為無效用量。此種現(xiàn)象，在土壤顆粒為主的固相環(huán)境中，易有不同形式的體現(xiàn)。

1）土壤顆粒封閉性

在很多修復場景中，黏土質土壤經常存在，其遇水形成厘米級團塊或更大泥塊，具有一定的黏性和封閉性，無法快速風干、破碎或混拌，外加材料往往附于塊體表面，形成“元宵體”，且在大方量堆存時多滾落于底部位置。再者，除了黏性較高土壤外，具有一定硬度的土壤或固廢、危廢，也存在著表面可觸、內部封閉的問題，如埋深較大的膠質土，高硬度的渣類物質，均屬于“自閉型”修復對象。即便通過遴選或試驗，尋找到了合適的穩(wěn)定化材料，但從物理工藝上，是無法支撐穩(wěn)定化材料充分發(fā)揮效果的，甚至過量施用亦無濟于事，故，有計劃的安排時間、人力、設備，提前將污染土等做好晾干、破碎等預處理，反而更有利于控制穩(wěn)定化材料的用量和提升其修復效果。

2）其他污染物競爭消耗

一般來講，材料的設計是針對項目所設計的目標污染物的。但客觀來看，污染土壤中不只存有目標污染物，還有可能存在其他的無機重金屬物質或有機類物質，甚至大量的微生物群落。這些客觀存在的、計劃外的物質，是有可能與外源性穩(wěn)定化材料進行一定接觸且消耗的。當此類物理、化學、生物過程占比過大時，可以將外源性穩(wěn)定化材料消耗殆盡，而于施用者而言，主觀上僅僅得到修復無效的表觀結論。如此，競爭消耗反而帶來了思路誤導，影響了材料的選用和用量的控制。此種前提，需在初始調查摸排階段盡量了解真實的復雜情況，以便做好非目標污染物干擾的排出，必要時，加大設定用量或引入其他特異性屏蔽物質。

3）非污染物類物質消耗（包括土壤顆粒本身）

除了所關注的目標污染物和其他存在潛在競爭消耗的非目標污染物，行業(yè)內亦常常忽視土壤本體作為一種固相介質所具有的消納能力。當土壤顆粒足夠細小時，其表現(xiàn)出來的活躍性亦符合常規(guī)材料類的尺寸效應規(guī)律。其固相界面可大量吸附結合甚至反應掉離子態(tài)、固態(tài)的外源性物質，當這種形式的作用足夠強烈時，外源性穩(wěn)定化材料對于目標污染物已是減量的、低活性物質，效果自然不濟。一般來講，這種背景消耗是無法避免，也是需要設計材料用量時必須考慮到的一部分必要消耗。

圖1 幾種穩(wěn)定化修復材料用量在污染土壤修復實踐中的相關性

四、基于土修工程的材料用量設計策略

鑒于上述提到的幾個角度，材料的用量設計和經驗校正，需要參考的前提條件是比較多的。而在規(guī)?；┕み^程中，這些前提條件則會更加直白的展露于從業(yè)人員面前。

1）土壤粒徑更大

在實際工程項目中，由于場地特殊性質，土壤團塊的直觀尺寸往往令人傷神。筆者曾經歷過方級或半方級大小的土壤團塊。此種情景中，所謂穩(wěn)定化效果的保障，更多還是依靠施工計劃的前瞻性準備和大量的工程操作。如此，才算是“有藥可用，且藥有可用”。

2）污染不均質

當場地污染面積或涉及方量較大時，如萬方級別，或十萬方級別，土壤中重金屬污染的空間差異性較為顯著，一般來講，若能實行精細化施工，則可形成細化方案，設置含不同用量在內的材料工法參數(shù)，而不能實行精細化施工時，則需從重修復，以避免局部出現(xiàn)缺量修復。

3）混拌限度

目前，行業(yè)常用的藥土混合設備多為一體式或單體式的攪拌裝置，其在1 ~ 2次重復操作后，基本上可完成工程要求，但其混拌精細程度多停留在公斤級，在當前技術和經濟雙重條件要求下，無法更進一步細混。

鑒于此，對于土壤穩(wěn)定化材料用量的設計，一般需要從以下幾個點來出發(fā)：一是基于理論原理和基礎性試驗確定精準的理論用量，即“理論疇”；二是基于土壤特性和工程條件確定穩(wěn)妥的保險用量，即“實踐疇”；三是結合材料設計經驗和臨場施工經驗，確認介于“理論疇”和“實踐疇”之間的中間值，在能“包”住風險、保障修復效果的同時，也能將盡量提升材料的經濟效率，即“容錯疇”。

如此，方可將材料用好、用得恰如其分，不負好材料。