动态侵蚀作用下铅污染土固化体长期性能研究

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我国土壤重金属污染问题严峻,严重影响整个生态系统安全及人类健康,为推进我国生态文明建设带来了严峻挑战!固化/稳定化技术是重金属污染土修复领域应用最广泛和最具前景的技术,环境侵蚀条件下重金属污染土固化体稳定性能演化的定量表征与长期环境风险的评价与控制是实现重金属污染土固化处置与资源化利用的关键。固化体性能(浸出特性、强度特性及渗透特性)受酸雨等侵蚀作用影响明显,由于环境侵蚀作用下固化体性能衰减机理认知不清,缺乏相应分析与评价方法,严重制约了固化/稳定化修复技术在我国重金属污染土修复领域的应用与发展。因此,开展环境侵蚀下固化体稳定性能演化规律研究,揭示固化体稳定性能的衰减机制,构建固化体长期稳定性评价方法,对提高重金属污染固化处置风险控制及资源化利用水平意义重大。  为揭示环境侵蚀作用下重金属污染土固化体长期性能衰减机制,以铅污染土为研究对象,采用静态、半静态和动态加速侵蚀的环境模拟方法,系统开展了固化体水-力特性、微观结构及重金属地球化学行为等试验研究,揭示了环境侵蚀作用下固化体宏观物化性质演化规律与微观结构损伤机制,确定了静态与动态加速侵蚀的时间等效标准,提出了固化体长期环境风险评价方法,评估了新材料磷酸钾镁固化污染土资源化利用的可行性。研究成果可为重金属污染土固稳处置和资源化工艺设计、及长期环境风险评估提供关键的理论指导与参数支持。  本文的主要研究内容及成果如下:  (1)探究了环境侵蚀作用下固化体水-力特性演化规律。通过开展标准养护和酸碱侵蚀作用下长达3年的铅污染土固化体无侧限抗压强度试验和渗透试验,探究了铅污染土固化体的强度与渗透特性随侵蚀时间的非线性变化规律,结果表明:弱酸弱碱环境(pH为5.00-10.00)对固化体强度与渗透特性影响较小,强酸性环境(pH小于3.65)对固化体侵蚀作用明显,且随着酸性增强,固化体强度和渗透系数等主要性能指标劣化速率加快。Logistic模型(y=A2+(A1-A2)/(1+(x/x0)^p)能够很好表征重金属污染土固化体长期水力特性演化过程。  (2)揭示了环境侵蚀作用下固化体微观结构损伤机制。微观试验结果表明水泥水化生成的氢氧化钙、钙矾石等水化产物对重金属离子的包裹及离子交换是重要的固稳机理,动态侵蚀作用对固化体氢氧化钙、C-S-H及钙矾石等水化产物的溶蚀造成的固化体结构性破坏是固化体长期性能演化的微观损伤机制。  (3)确定了静态与动态加速侵蚀的时间等效标准。基于自主研发的污染土动态腐蚀仪,开展了高温加速条件下固化体主要性能(强度、渗透和浸出特性)演化规律试验研究,探究了不同温度下固化体性能变化规律,基于固化体不同性能加速试验表观活化能计算了不同温度下加速因子,结果表明:以25℃为参考温度,55℃下固化体强度演化速率加速至3.93倍,固化体铅离子浸出速率加速38.35倍。高温加速模型计算的固化体360天无侧限抗压强度为21.1 MPa,与实验值19.7 MPa差距为1.4 MPa,误差为6.64%,加速预测结果较好,表明该温度范围内加速试验具有较准确的长期预测效果。  (4)提出了重金属污染土固稳处置环境风险评价方法。通过污染土及长期养护条件下重金属污染土固化体毒性浸出试验(TCLP)、模拟酸雨浸出试验(SPLP)、生物有效性试验(NEN7371)及顺序提取试验,评估了固化体浸出特性的长期演化规律,结果显示:固化体毒性浸出及生物有效性均随养护龄期的增加而缓慢降低,养护3年的固化体由于碳化作用,毒性浸出浓度有少量增加;固化/稳定化处置将污染土中第一形态酸可溶态转移到可还原态,并在长期养护下重金属有从酸可溶态向可还原态及可氧化态转化的趋势,提出采用酸可溶态和可还原态结果评估固稳处置污染土重金属长期浸出潜力。  (5)评估了新材料磷酸钾镁固化污染土资源化利用的有效性。通过不同pH环境下为期2年的半动态浸出试验研究及不同工艺参数下MPC固化体半动态试验研究,评估了固化体资源化利用的有效性,结果表明:不同pH环境下重金属浸出符合扩散浸出机制,且固化体在弱酸弱碱环境中能够较好满足资源化利用指标要求;水土比0.50为MPC固稳处置最佳水土比,酸性环境中的固化体铅离子浸出机制主要有扩散浸出的方式控制,但在污染土中铅离子浓度变化后,铅离子浸出机制由扩散向表面洗出的方式转变;MPC固稳处置铅污染土能够较好满足资源化利用性能要求。
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