新型磷酸鹽固化劑固化高濃度鋅鉛污染土的機理及長期穩(wěn)定性試驗研究.pdf

1、高濃度復合重金屬污染場地的固化穩(wěn)定化修復技術，是當今環(huán)境巖土工程界研究的熱點、重點、難點內(nèi)容之一。水泥作為常用固化劑，較難滿足高濃度復合重金屬污染土的固化穩(wěn)定要求，并且凍融循環(huán)、碳化、酸雨浸泡等復雜環(huán)境會影響水泥固化污染土的長期穩(wěn)定性。本文以國家自然科學基金重點項目子課題(No.41330641)、國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）課題專項子課題(No.2013AA06A206)、國家自然科學基金項目(No.41472258)、江蘇省

2、基礎研究計劃重點項目(No.BK2010060)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(No.CXZZ_0159)和東南大學優(yōu)秀博士學位論文基金項目(No.YBJJ1241)資助為依托，以工業(yè)污染場地典型污染物鋅(Zn)、鉛(Pb)為研究對象，研發(fā)新型磷酸鹽固化劑（型號KMP）。探討KMP與Zn、Pb污染物的相互作用機理;闡明凍融循環(huán)、碳化、酸雨浸泡等復雜環(huán)境作用下KMP固化Zn、Pb污染土的控制機理;明確KMP固化Zn、Pb污染土在凍

3、融和碳化作用下的溶出、強度、生物毒性等變化規(guī)律;定量評價酸雨浸泡對KMP固化污染土Zn、Pb運移特性的影響。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)系統(tǒng)回顧了國內(nèi)外固化穩(wěn)定化技術的應用及研究現(xiàn)狀;歸納了傳統(tǒng)固化劑的應用現(xiàn)狀及局限性;闡明了磷酸鹽固化劑固定重金屬污染物的性狀及控制機理;總結了固化重金屬污染土的長期穩(wěn)定性和評價方法;探討了降雨作用下固化污染土重金屬運移特性研究現(xiàn)狀;指出了上述研究中存在和需要解決的問題。
　　(2)介

4、紹了試驗材料的基本物理化學性質;提供了磷礦粉酸化方法;給出了KMP固化劑、污染土、KMP和PC固化污染土，以及人工酸雨溶液的制備方法;列舉了微觀、溶出、強度以及發(fā)光細菌生物毒性等相關試驗的內(nèi)容與方案。
　　(3)明確KMP與Zn、Pb污染物的相互作用機理。針對KMP固化Zn、Pb污染物的X射線衍射結果，采用絕熱K值法定量分析主要生成產(chǎn)物的相對含量，并探討其與KMP固化污染土溶出和強度等變化關系;結合掃描電鏡/能譜分析（SEM/ED

5、S），確定主要生成產(chǎn)物在不同初始Zn、Pb濃度時的微觀特征和典型區(qū)域化學元素質量比。結果表明:含Zn、Pb磷酸鹽如Zn3(PO4)2·4H2O、CaZn2(PO4)2·2H2O、和Pb5(PO4)3F為KMP固定Zn、Pb污染物的主要形式，磷酸鎂系列產(chǎn)物如Mg3(PO4)2、 Mg3(PO4)2·8H2O和MgHPO4·7H2O等為提供固化土體強度的主要來源。
　　(4)闡明復雜環(huán)境下KMP固化Zn、Pb污染土的溶出控制機理。通過

6、酸緩沖能力試驗、pH-dependent試驗以及三步提取溶出試驗，分析復雜環(huán)境下KMP和PC固化污染土酸緩能力隨初始Zn、Pb濃度的變化規(guī)律;建立了KMP和PC固化污染土浸出液Zn、Pb和Ca、Mg相互關系;明確了復雜環(huán)境和與浸提液反應后土體Zn、Pb化學賦存形態(tài)。結果表明:與PC相比，KMP固化污染土酸緩沖能力β值較高，Zn和Pb在浸出液pH值8～10.5和4～10.5之間溶出穩(wěn)定且低2～3個數(shù)量級，其殘渣態(tài)含量高約2～3倍。

7、　　(5)提出復雜環(huán)境下KMP固化Zn、Pb污染土的微觀機理。通過X射線衍射、電鏡/能譜-元素面掃描，以及壓汞等微觀測試，定量分析復雜環(huán)境下KMP和PC固化污染土累積進汞量、高斯函數(shù)擬合參數(shù)（ai和μi）、孔隙分布特征隨初始Zn、Pb濃度的變化規(guī)律;探討碳化作用對固化污染土的主要水化產(chǎn)物及含Zn、Pb化合物的影響;闡述了KMP和PC固化污染土微觀形態(tài)轉變和典型區(qū)域化學元素質量比的變化規(guī)律。結果表明:凍融循環(huán)對固化污染土累積進汞量、孔隙分

8、布影響較大，與PC相比，KMP固化污染土微觀機構受復雜環(huán)境影響較小。
　　(6)評價復雜環(huán)境下KMP固化Zn、Pb污染土的長期穩(wěn)定性。探討復雜環(huán)境、初始Zn、Pb濃度對KMP和PC固化污染土溶出、強度和生物毒性的變化影響;建立浸出液Zn、Pb溶出濃度與電導率EC值、土體pH值的相互關系;建立強度與干密度、土體pH值的相互關系;明確了凍融循環(huán)下土體質量和體積損失率的變化，以及碳化深度演化特征;探明了相對發(fā)光強度（I0）及半效應最大濃

9、度(EC50)的變化規(guī)律;給出了復雜環(huán)境下固化污染土的服役壽命預測方法。結果表明:凍融循環(huán)導致固化污染土的Zn、Pb溶出量增加、強度降低、發(fā)光細菌毒性升高;碳化作用固化穩(wěn)定效果相反。與PC相比，KMP固化污染土的抗凍融和碳化能力更強;KMP和PC固化Zn1.5Pb2污染土的服役壽命分別為50年和0.4年，碳化深度分別為0.17m和0.03 m。
　　(7)明確了復雜環(huán)境下KMP和PC固化污染土的Zn、Pb運移特性。通過半動態(tài)浸出試

10、驗，明確了不同pH值硝酸/硫酸浸提液作用下，經(jīng)歷標準養(yǎng)護、凍融循環(huán)及碳化作用的KMP和PC固化污染土Zn、Pb有效擴散系數(shù)(D*)的變化規(guī)律;對比浸泡前后固化污染土孔隙分布規(guī)律、微觀結構形態(tài)、以及典型區(qū)域化學元素質量比變化規(guī)律。結果表明:浸出液pH=5和7的D*值接近，浸出液pH值降低到2時，D*值增高約1到3個數(shù)量級，凍融循環(huán)可小幅度提高D*值，碳化作用效果相反;與PC相比，KMP固化污染土的D*值低約3到4個數(shù)量級，重金屬固定效果高