土壤污染实验研究

土壤污染实验研究

张鹏飞张勇

（河南理工大学土木工程学院，河南焦作454000）

摘要：目前抽出处理法(pump&treat)是修复污染土壤常用的方法之一。本研究利用土体冻结过程中，在一定温度和水分条件下，未冻土侧水分（溶质）向冻结锋面迁移和冻融作用改变土的结构导致渗透性增强的特性，结合抽出处理法(pump&treat)，为提高其抽出效率进行试验研究。试验以含有NaCl（模拟污染物）溶液的粘土为研究对象，进行了不同条件的冻融循环试验。

关键词：污染土壤修复；冻胀；水分迁移；冻融循环

一引言

随着人类大规模地开发利用土地资源以及工业化的发展与城市化的推进，土壤污染问题日益凸现。土壤污染导致土壤的自然功能失调，土壤质量恶化而引起的危害动植物的生长、人类的健康、工农业生产以及生态环境的安全问题。然而污染修复技术的发展远远不能适应日益加剧的土壤污染。因此，经济高效的污染土壤修复技术研究是改善我国环境质量的迫切要求，也是国际上学科研究的热点。

目前，普遍应用的方法是抽出-处理法（PumpandTreat），该法可以防止污染物向周围迁移和扩散，可以将抽出的地下水或有害气体在地面得到合适的净化处理后，重新注入地下或用作其他用途，从而减轻地下水和土壤的污染程度。尽管该法可以高效率的去除污染物，但难以有效去除渗透性差的土和非饱和土中的污染物及低浓度污染物[1-3]。

重金属污染物在土中以不同形式对土进行污染，如溶于土中的液相、随水合物和碳酸盐沉淀、混入矿物质和有机物中以及吸附在胶体表面等。目前的污染土壤修复（物理、化学、生物修复）方法只能解决一种或两种金属阳离子的污染，所以探索用简单方法处理多种污染物意义重大。如Gay[4-7]等通过研究提出了利用冻结峰面的移动，排除悬浊液中的金属污染物的“低温净化法”。

本文的思路为，利用土体冻结过程中未冻土侧水分（溶质）向冻结锋面迁移（析出）和冻融循环导致土壤渗透性增大的特性，结合传统的抽出-处理法进行了污染土壤洗净研究。本文为验证低温冻结净化法的实现可能性，对含有NaCl（模拟污染物）的土体试样进行了不同条件下的冻融循环试验。

二试验内容

（一）试样制备

试样的制备顺序为，首先向粘土中加入1.5倍液限的浓度为2%的NaCl溶液(100g蒸馏水中加入2gNaCl)，放置12小时后搅拌4小时。然后以100kPa压力进行预固结，后制成直径100mm、高度为80mm的试样，其初期含水比约47%。

（二）试验仪器及方法

单向冻融试验装置，由温度控制与采集、变形量测定、给排水量测定等装置构成。温控装置有2个独立的低温恒温水槽（顶板、底板），每一冷浴均可通过程序控制温度的瞬态变化，温控误差为±0.01℃。为测定冻融界面的位置沿着垂直方向每2cm布置一支热敏电阻温度计。在土样的顶端安装位移传感器，测定冻胀和融沉变形。给排水量则利用电子天平测定锥形瓶收集的水量变化来确定。试验结束后，试样和排水中的NaCl量的变化通过电导率换算确定。作为冻融试验的比较，利用装置又进行了变水头加压试验。变水头加压试验中，通过锥形瓶的高度调整控制其水头差。加压试验的给排水采用顶端补水，下端排水方法。试验中施加上部载荷均为20kPa。为防止试验过程中，冻土与试模之间的冻结力抑制土体的冻胀，F/T5-1、F/T5-2、F/T3-1、F/T1-1试验，设置顶板为Tw(高温端)，底板为Tc（低温端），使试样从下端向上端冻结。考虑冻结方向对结果的影响，F/T3-2设置顶板为Tc（低温端），底板Tw(高温端)，使试样从上端向下端冻结。以上试验均采用从Tw侧补水，从Tc侧排水（融解）的方式。考虑冷却方式对试验结果影响，采用了三种冷却方式（一端斜坡式、两端斜坡式、阶梯式）。

三试验结果及考察

（一）冻融试验结果

随着土体冻结，一部分液态水冻结为冰，土壤未冻水含水量减少，基质势降低。在土壤基质势（未冻水含量）梯度作用下，土壤未冻结区水分不断向冻结锋面迁移并冻结，致使冻结锋面处含水量丰富，锋面附近含水量变化剧烈，冻胀变形量也增大。在土壤上层融化过程中，在冻结期聚集于冻土层的水分融化并在重力梯度作用下向下迁移，致使融化锋面处出现一个含水量的峰值区，但是冻结引起的变形量在融沉后会残留一定的净变形量。第2-5次冻融循环中，融沉量比冻胀量、排水量比补水量明显增大。补水条件下反复冻融使得土的含水量增大，土体融化后，冰变成水并体积变小，使得土体发生沉降，因此开始几个冻融循环中土体发生的沉降量大于冻胀量。

第2次冻融循环时排水量和NaCl排出量最大，但是通过检测得到排出的NaCl浓度为2%。也就是说NaCl浓度没有因冻结过程的补水而稀释改变。由此认为空隙中的NaCl不会被高温侧的补水所稀释，只是在温度和压力梯度下向低温侧迁移。

（二）冷却方式对洗净效果的影响

为了研究不同冷却方式对冻融水分迁移的影响，进行了两组试验。试验给出F/T5-1和F/T5-2的补水和排水及排水中NaCl含量比较结果。F/T5-2第1次循环采用斜坡式冷却，第2次循环开始采用了阶梯式冷却；F/T5-1全部采用一端斜坡式冷却。比较2个试验结果可看出，两者的给排水量没有显著差别，但是排水中NaCl含量相差近6倍。分析原因为：前者冻结速率较快，水分来不及迁移就在原位产生冻结，并形成一层较为密实的冰层，对冷量的继续传递产生阻碍作用，影响冻结的进一步发展，从而土体结构没有被充分破坏，影响了溶质的迁移。

四结语

本研究利用冻融循环作用对污染土壤结构实行重新分布和冻结条件下土体内部水分发生迁移的特性，探讨了利用冻融作用修复污染土壤的实现可能性。土体在低温条件下，温度开始下降，若达到其冻结温度，土壤孔隙中的水分便开始冻结，伴随着这一冻结的过程土体内部将会发生一系列响应，如部分孔隙水开始冻结，冰晶生长，土体产生冻胀，在土水势梯度的作用下水分由未冻侧开始向冻结侧迁移，应该注意到在冻结过程中还存在着冰的提纯过程，冰在分凝的过程中会把土颗粒排开，或将溶质析出。

上述结论验证了利用冻融现象修复污染土壤的实现可能性。此项修复技术不仅对周边环境影响小，而且处理期间能够防止污染物两次扩散。利用人工冻结法对修复污染土壤固然可行，但需要长期的能量消耗，维护和运行费用高，从而制约其技术的发展。鉴于中国季节冻土占中国领土面积一半以上的地理条件，下一步目标为，利用季节冻土区域特有的冻融交替现象（寒区负温为冻结能源），进行污染土壤修复的基础研究。即利用土体冻结过程中，在一定的温度梯度和水分条件下，未冻土侧水分（溶质）向冻结锋面迁移（析出）的特性，研究如何提高冻结锋面积聚的污染物的浓度，如何把冻结锋面积聚的高浓度污染物抽到地表进行处理的低温冻结净化污染土壤的技术。

参考文献

[1]周启星,宋玉芳.污染土壤修复原理及方法[M].科学技术出版社,2004,330-408.

[2]李培军,刘宛,孙铁珩等.我国污染土壤修复研究现状与展望[J].生态学杂志,2006,25(12):1544-1548.

[3]骆永明.污染土壤修复技术研究现状与趋势[J].化学进展,2009,21(2):558-565.