降低土壤含水率的添加剂研究

降低土壤含水率的添加剂研究

门志伟  康大平

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摘  要：对有机污染土壤采用水泥窑协同焚烧修复技术与基于水泥窑的热脱附修复技术时，土壤含水率较高，有时无法满足入窑焚烧的需求。本论文选用生石灰作为降低有机污染土壤含水率的添加剂，探究生石灰添加量对污染土壤含水率的影响，并将本次论文的数据结果，应用到处置雄安新区安新县某场地危险废物的项目中。

关键词：污染土壤、含水率、理化性质、生石灰

土壤是人类生存发展的基础，随着我国社会经济的高速发展，工业化、城市化、农业集约化的变化越来越快，工业“三废”和城市生活废水排放逐渐加重，以及农村耕地施用大量化肥和农药，加速了土壤污染。

当前，市场上运用较多的土壤修复技术包括原位修复技术和异位修复技术。当运用水泥窑协同焚烧修复技术时，土壤含水率较高，有时无法满足入窑焚烧的需求，会增长修复周期，不利于项目开展。有研究选用高分子吸水树脂、木屑、小麦秸秆、玉米秸秆等吸水材料作为降低土壤含水率的添加剂，但这类材料只能通过物理吸水降低土壤的含水率，整体中的自由水并未得到减少。在处置前，同样需要经过预处理降低含水率。

2020年秋冬，我公司在对雄安新区安新县某场地危险废物进行处置时发现，现场试挖表明，堆存坑上部废物含水率较低可以直接清理装袋，但是中部及底部含水率偏高，试挖过程有液体析出，不能直接装袋转移。

综上，本论文拟研发一种与土壤混配后，既可以降低土壤含水率，添加后不会使污染土壤中污染物质逸散，且不影响水泥产品质量的添加剂。

1 研究内容与研究方法

1.1 研究内容

本论文选用生石灰作为降低有机污染土壤含水率的添加剂，探究在不同土壤类型中（黏土、粉土、细砂），生石灰投加量对有机污染土壤含水率的影响，通过小试实验，得出不同类型、不同含水率的土壤在添加不同量生石灰后的含水率变化情况；并分析生石灰作为添加剂的经济与社会效益。

1.2 研究材料

（1）试验土壤：本项目不同初始含水率的有机污染土壤为初始含水率分别为35％、30％和25％的有机污染土壤。所使用的有机污染土壤是指含有总石油烃(C10-C40)、萘、苊、苯并[a]蒽、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]蒽或苯并[g,h,i]苝中的至少一种的土壤，含量分别为1000-5080、70-726、30-200、15-130、80-275、38.2-160、1.5-178、15-137、1.5-85和40-128mg/kg。

（2）生石灰：CaO(分析纯)，纯度≥98．0％。

1.3 研究方法

试验选用初始含水率分别为35％、30％和25％的土壤各30kg，均分成15份，每份2kg，分别设置3%、5％、10％、20％和30％的生石灰添加量，每组设三个平行试验，反应时间均为3天，对于每组试验结果取平均值。

添加生石灰充分混拌后放入气柜（用于存放有机污染土壤，防止对环境造成二次污染），反应3天后测定土壤含水率的变化。

2 添加生石灰对土壤含水率的影响

2.1 降低土壤含水率，改善污染物的传质和传递过程

生石灰遇水会发生化学反应生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，吸收水分后生成的Ca(OH)2和Mg(OH)2还会继续吸收水分，进行溶解和电离作用。这些作用，加上生石灰的升温作用，可导致土壤自由水因吸收或受热蒸发而减少。

表2-1~2-3分别给出了在不同类型土壤中（黏土、粉土、细砂）添加生石灰后土壤含水率的变化。当土壤含水率为35%时，黏土和粉土需要添加30%，细砂需添加20%的生石灰；当土壤含水率为30%时，黏土和粉土添加20%的生石灰，细砂需添加10%的生石灰；当土壤含水率为25%时，黏土、粉土、细砂分别添加10%、5%、3%就已经能把土壤含水率降低至进料要求。

在添加不同量的生石灰后，其含水率呈明显的下降趋势。并且，不同类型的土壤初始含水率相同的情况下，在添加相同量的生石灰后，其土壤最终含水率表现为：细砂＜粉土＜黏土。表明土壤的孔隙度越大，生石灰的添加越有助于土壤含水率的降低。

表2-1 添加不同生石灰后土壤含水率的变化（黏土）

表2-2 添加不同生石灰后土壤含水率的变化（粉土）

表2-3 添加不同生石灰后土壤含水率的变化（细砂）

已有研究表明，当土壤含水率较高时，土壤中的水分还会占据气体扩散通道，使土壤的孔隙率下降、通透性变差，影响污染物的扩散。由此可以认为，生石灰可有效地降低土壤含水率，进而起到改善污染物在土壤中的传质过程、促进污染物气体挥发和逸出的作用。

2.2 粗化土壤粒径，增加土壤通透性，利于污染物气体的运移

生石灰是一种传统的土壤质地改良剂。在其添加到土壤中后，通过碳酸化、凝胶、结晶等作用，可明显改变土壤粒度和化学组成。当生石灰掺入到粉黏土中，粒径会发生不同程度的粗化，砂粒含量大幅度增加，黏粒含量大幅减小。土壤的颗粒越粗，渗透系数越大，土壤孔隙度越大，土壤通透性能就越好，越有利于土壤中气体的运移和扩散，而且土壤颗粒粗化后，比表面积减少，还会减弱土壤颗粒对污染物的吸附能力。可见，在土壤中加人生石灰，能粗化土壤粒径、提高土壤通透性、强化土壤污染物传输过程，促进VOC的挥发。

3 效益分析

通过本研究，在掌握了小试中生石灰投加量的同时，还将投加量参数运用到处置雄安新区安新县某场地危险废物的项目中，有效降低了中下层废物的含水率，保障了废物清挖、运输、贮存和后续处置工作的安全。减少废物运输过程中二次污染问题，降低对存储与处置地点附近人群的危害，从源头上降低二次污染的产生，有良好的社会效益。

按照5万吨/年的污染土处置量，使用生石灰添加剂后，可平均降低约10%含水率，按照260元/吨污染土处置价格，可节约处置成本130万。同时缩短项目修复周期，具有良好的经济效益。

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参考文献

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[2]张强, 刘彬, 刘巍, 等. 污染土壤的物化修复治理技术[J]. 化学通报, 2014, (4). 328-332.

[3]史怡, 李发生, 徐竹, 等. 机械通风法处理土壤中氯代烃的修复效果研究[J]. 环境科学与技术, 2013, (12).78-83,89.

[4]郑志平. 纳米SiO2及石灰改性南昌地区高液限粘土试验研究[D].南昌大学, 2010.

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