重金属污染场地水泥窑协同处置修复工程案例

柯瑞,周冲,王星,李慧

(1.中兰环保科技股份有限公司,广东 深圳 518000;2.湖北省地质局地球物理勘探大队,湖北 武汉 430100)

重金属污染产生的原因有很多种,其中主要形成原因是人类的生产生活活动[1]。如化学制药、石油化工等工业企业在生产过程中会产生大量的废渣、废气和废水,这些废渣、废气和废水含有大量的重金属,它们通过各种方式进入土壤中,造成土壤重金属污染[2]。本项目场地正是制药企业[3]拆迁后的遗留场地,在生产过程中由于环保意识不强,未采取有效的管控措施,造成了土壤的重金属污染。

张益硕等人[4]的研究表明土壤重金属的修复是通过阻止重金属污染物的迁移、减少重金属污染的总浓度、降低生物对重金属的富集作用,使土壤环境中的重金属对人体的危害降低,可分为物理、化学、生物及联合修复方式[5]。郭宝蔓等人[6]研究了水泥窑在重金属污染土壤中的应用,总结出水泥窑协同处置技术适用范围广、修复快速且效果彻底,有助于污染地块尽快移出污染名录,加快后续开发建设,并保证地块的长期安全性;同时产生了可观收益,可广泛应用于污染土壤修复。

本文通过研究水泥窑协同处置重金属污染土壤的工程实例,对此实例的修复全过程进行了系统地研究总结,进而表明重金属污染场地使用水泥窑协同处置的技术和经济是可行的。修复后的场地彻底解决了污染土壤风险,修复目标完成,后期也不需要进行长期监控等措施,为土壤修复提供了一种新思路和途径,为后续类似场地的修复提供了工程管理和技术参考[7-9]。

1 项目背景

1.1 场地概况

项目场地距离长江300 m,占地面积28 852.404 m2。1997年12月建成制药生产车间,主要采用生物发酵工艺生产过红霉素碱、四环素碱等抗生素原料药和制剂产品。随着城市的发展,场地四周陆续建设了城市主干道、学校、商场和居住小区等,有发展成城市区域中心的趋势。为适应城市的发展需求,2010年场地工厂停产,2021年完成设备、厂房的搬迁和拆除工作。政府根据城市发展规划将地块规划为二类居住用地和商住用地。管地块所有权人按照《土壤污染防治法》要求委托第三方调查单位对场地进行了调查和风评,并根据风评结论按程序通过招投标优选了专业公司对场地进行了修复。

1.2 水文地质

前期场地调查工作期间建设了6口水文监测井,并对6口水文监测井进行了稳定水位观测,其中:JX-ZK1点位水位埋深0.4 m、标高21.707 m,JX-ZK2点位水位埋深0.55 m、标高18.567 m,JX-ZK3点位水位埋深0.63 m、标高18.797 m,JX-ZK4点位水位埋深0.48 m、标高23.08 m,JX-ZK5点位水位埋深0.45 m、标高19.347 m,JX-ZK6点位水位埋深0.77 m、标高20.715 m。总结水温监测数据,绘制等水位线图,表明场区地下水流向为自东向西,水位最大高差约4.5 m,水力梯度约3%。查阅区域水文资料分析,地下水流向同时会受降雨量及长江水位影响,季节性变化。

初详查为场地拆除前,部分区域取样有偏差。2021年场地完成拆除后进行补充取样调查,补充了前期不足区域的调查数据。依据土工样分析,场区内地质条件较简单,地层岩性为第四系(Q4ml)杂填土、第四系湖积(Q4l)淤泥、第四系冲洪积(Q4al+dl)黏土。自上而下地层岩性依次为:

1)杂填土(Q4ml),杂色,松散,潮湿,主要由建筑垃圾及碎石组成,充填少量黏性土。场区全场分布,层顶高程14.08～20.82 m,层厚分布为0.6～5.3 m,平均层厚3.27 m;

2)淤泥(Q4l),灰黑色,软塑,含腐殖质,有腥臭味,场区局部分布,部分未揭穿。层顶高程13.65～18.39 m,层厚分布为0.8～1.7 m,平均层厚1.22 m;

3)粉质黏土(Q4al+pl),褐黄色,可塑,含少量铁锰质氧化物。场区全场分布。层顶高程12.25～17.03 m,层厚分布为0.7～5.4 m,平均层厚2.61 m。

1.3 场地调查情况

根据项目调查及风评报告显示,调查阶段共检出重金属指标8种(砷、镉、铜、铅、汞、镍、锑、钒),其中砷、镉、铅、汞、锑、钒污染物浓度超过本地块的土壤筛选值,砷、镉、铅超过了管制值。

超过一类用地筛选值的污染物有重金属砷、镉、铅、汞、锑、钒共6种,但超标率均较低。其中,镉超标率为2.89%,砷、汞、锑、钒超标率为1.16%,铅超标率为0.58%。整个地块超标点位较少,共计5个。

地下水检测指标包括《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)表1中常规指标。对比Ⅳ类标准,本次调查的上层滞水中主要是总硬度和碘化物存在轻微超标。

表1 土壤中关注污染物的修复目标值

依据用地规划性质,进行了健康风险评估,结果显示,砷、镉、铅、汞、锑、钒6个指标风险计算结果均超过了可接受水平,可能对人体具有危害,需采取进一步的修复措施。地下水中仅总硬度、碘化物超筛选值,但两种污染物在现有的情境下均没有暴露途径,表明在该地块上层滞水对人体没有健康风险,不需要开展下一步的管控措施。

1.4 修复目标和工程量

根据风险评估结论,对项目场地污染土壤治理后,场地土壤中相关重金属含量不超过如表1所示限值。

项目治理对象主要为重金属污染土壤,经计算地块范围内各层污染面积和深度,治理工程量如表2所示。

表2 地块超修复目标值面积及方量

2 修复技术方案

选择修复技术方案时,根据场地用地规划、场地的污染特征和风险评价结果,一般优先选择风险管控措施。对于需要采用修复措施的区域,一般考虑土地未来的规划和建设施工,将修复措施与土地未来规划和建设施工相结合,再综合考虑修复措施对后期开发建设影响,避免重复工作,造成资源浪费。项目整体技术路线如图1所示,主要分为污染土壤清挖和转运、水泥窑协同处置、项目验收等主要工程。

图1 修复技术路线图

3 项目实施

3.1 施工准备

项目实施前需进行资料收集、方案编制及评审等工作。项目现场也需进行功能分区及建设,各种物料、机械设备及人员准备,为项目的实施提供坚实的基础。

3.2 土方开挖、暂存和运输

3.2.1 测量放线

对修复区域按照设计点位使用RTK进行测量定位,监理单位派员旁站复核,参建各方确认无误后进行后续清挖施工。

3.2.2 污染土壤开挖

首先进行地表硬化进行破除,转运至建渣处置区域进行冲洗处置,污染土壤进行分层开挖转运至暂存区使用ALLU斗进行分筛堆存,污染土壤覆盖HDPE膜防止雨水及扬尘,建渣转运建渣处置区处置。其次开挖过程中地基等障碍物及时按实施方案进行破除处置,并做好记录。最后开挖到设计范围后及时进行取样自检和效果评估,检测不合格区域扩大开挖范围,直至检测指标合格。

3.2.3 污染土壤场内暂存

采用“0.3 m厚粘土保护层+1.5 mm双光面膜+20 cm C20混凝土”对地面进行防渗,防渗面积450 m2,该防渗场地作为土壤开挖后的临时暂存场地,土壤暂存并及时苫盖,并在四周设置排水沟。

3.2.4 污染土方运输

严格按照批准的运输路线进行,使用符合标准车辆,出场前对车辆进行清洗,使用北斗系统监控车辆运行轨迹。污染土壤按要求进行覆盖,使用《污染土壤运输联单》各方签字确认土方重量等基本信息。

3.3 水泥窑处置

水泥窑处置单位取得相应处置资质,按照《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ 662—2013)与《水泥窑协同处置固体废物污染控制标准》(GB 30485—2013)的要求进行处置。

水泥窑协同处置总体流程如图2所示,主要处置过程为污染土壤贮存、预处理、投加、焚烧和尾气处理等流程。相关单位全程监控,对处置现场、处置过程的二次污染控制效果、处置后水泥产品质量进行监测评估。

图2 水泥窑协同处置总体流程图

污染土壤作为水泥的部分生料,添加比例为3%～5%。生料经窑尾塔架顶部喂入预热器,经过四级旋风筒与上升的高温气流逐级换热后进入分解炉,炉内窑尾高速喷腾而上的近1 000 ℃的气流与三次风管高速水平对向喷入的850～950 ℃的两股气流和煤粉交汇混合,煤粉无焰燃烧,整个炉内形成了气温达870～900 ℃的温度场,气体在炉内通过时间为2 s、物料在炉内通过时间为5～7 s;生料大部分在此分解,分解率高达90%,分解后物料由分解料上部随气流进入第五级旋风筒内,物料与废气分离从竖烟道(与炉底部相接)两侧喂入窑尾。在整个流程中,水泥窑内高温气体与物料流动方向相反,湍流强烈,有利于固相的充分混合、提高传热传质与热化学反应效率;物料在回转窑高温状态下停留时间长,有利于废物充分高温分解。

窑尾气温可达1 050 ℃,生料由此开始主要进行固相反应,同时随窑旋转缓慢向窑头移动,直至进入烧成带(距窑20 m处)进行充足的液相反应;在此,由三通道燃烧器喷入煤粉剧烈燃烧,提供充足热量,气体温度高达1 750 ℃,物料温度达1 450 ℃,保证了分解后物料反应完全,煅烧为优质的水泥熟料。

3.4 基坑回填

基坑使用外购净土进行回填,分层压实。回填净土按照《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准》(GB 36600—2018)表1中45项指标进行检测,检测结果达到一类用地要求限值以下。

3.5 二次污染防控措施

修复过程中主要针对大气、水、固废、噪声和土壤进行二次污染防控。

1)水污染防治:雨污分流、污水分类处置方式,修建截水沟防治雨水进入污染区,污染废水使用污水处置设施处置外排,生活污染进城市污水管网。

2)大气污染防治:外露土方覆盖防扬尘,露天施工在无风或风速较小时进行,使用雾炮降尘,机械设备有合格尾气处置装置。

3)固废污染防治:分类收集,生活垃圾专委托环卫处置,其他一般固废综合利用或者填埋。

4)噪声防治:使用低噪声设备,合理安排施工工序。

5)土壤污染防治:暂存处置区等进行防渗、沿途遗漏及时收集,强化监测。

4 项目修复效果评估

4.1 土壤清挖范围及效果评估

查阅工程资料记录及复核确定的污染范围完成基坑清挖工作,水平边界及垂向高程均符合清挖要求。采集72套基坑侧壁及坑底样品,所有开挖基坑坑底和侧壁关注污染物检测结果满足评估目标值,所有验收样品均已经检测合格,达到验收标准。

4.2 外运处置效果评估

核实施工单位转运量,处置单位接收处置量,污染土壤外运量、接收量及处置量一致。外运污染土壤4 729.52 t,处置单位出具接收处置证明,完成处置。对产品熟料进行检测,处置效果满足验收标准。

4.3 修复过程环境影响评估

土壤运输与储存环保措施落实到位,整体施工过程中环保措施情况落实到位,施工过程中未对环境造成二次污染。

4.4 潜在二次污染区验证及建渣回填土监测

潜在二次污染区共采集10套样品,所有样品均未超过该阶段地块修复目标值,施工过程中未对周边土壤造成二次污染。废弃建渣共计采集3个样品,所有样品均未超过该阶段地块修复目标值。回填土共计采集6个样品,监测因子为土壤常规45项,选择具备CMA和CNAS资质的第三方公司进行检测,所有样品均达到《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中一类用地筛选值。

5 结论

1)完成地块污染土壤4 729.52 t污染土壤的开挖及水泥窑处置。

2)水泥窑协同处置重金属砷、镉、铅、汞、锑、钒的污染土壤是可行的。后期不需对地块进行长期监控,修复效果满足使用要求。

3)对于一类用地要求的重金属污染场地可参考本工程模式及修复技术,具有较高的推广价值。