固化稳定化技术在重金属污染土壤修复中的应用研究

摘要：本文介绍了固化稳定化技术在重金属污染土壤修复中的基本原理和应用现状，分析了固化稳定化过程中的物理固化和化学稳定化机制，并探讨了当前技术发展及应用特点。研究通过优化固化材料选择、添加剂配比和反应条件，提高了固化产物的处理性能和长期稳定性。实验数据表明，新型材料和改性技术能显著降低重金属浸出率，确保环境安全性。此外，本文评估了固化产物的浸出特性、物理力学性能和环境适应性，提出了性能优化和绿色发展方向，为复杂污染土壤治理提供了理论依据和技术支持。

关键词：重金属污染；固化稳定化技术；土壤修复；性能优化

引言

重金属污染土壤修复是环境保护领域的重要课题，特别是在工业化迅速发展的背景下，污染问题愈发突出。重金属污染不仅影响土壤质量，还通过迁移进入地下水或食物链，危害生态环境和人体健康。固化稳定化技术因其成本低、适应性强和处理效果显著，已成为治理重金属污染土壤的主要方法。本文以《河间市瀛洲镇西关东村镀锌加工点土壤污染治理施工》项目为依托，结合国内其他城市经验，在分析固化稳定化技术原理和应用现状的基础上，探讨优化材料选择、反应条件和长期稳定性的方法。同时，通过环境安全性评估和物理力学性能测试，验证该技术的有效性，并提出优化策略和改进方向，以期为重金属污染治理提供理论依据和技术参考。

1 固化稳定化技术原理与应用现状

1.1 固化稳定化技术的基本原理

固化稳定化技术主要通过物理固化和化学稳定化过程降低重金属的生物有效性和迁移风险。重金属被固定在稳固的基质内，通过缩小暴露面积及增强材料韧性，严控污染物排放。化学稳定化主要依靠重金属与固化剂之间的反应，制备不溶性矿物质或沉积物。例如，磷酸盐与铅离子形成Pb5（PO4）3OH（公式1）：

此过程显著降低了铅的溶解度和毒性。此外，通过添加硅酸盐或有机络合剂，可进一步提高稳定化效果并减少环境影响。

1.2 当前应用现状与技术发展

目前，我国在重金属污染土壤修复方面，稳定化固化技术取得了一定成效，逐步推广至矿区治理、工业污染场地修复和垃圾填埋场改造等众多领域。依据研究成果与工程实施，我国治理重金属污染土壤的关键技术之一为固化稳定化技术，在铅、镉、砷及铬等高危害污染物管控领域成效显著。国内多试验结果证明，运用水泥基固化剂对铅污染土壤进行整治，可将铅浸出浓度降至20 mg/L以下，达到我国《污染场地土壤修复目标值》国家标准（GB36600-2018）要求。

近年来，我国研究逐渐聚焦于新型固化材料的研发，例如磷酸盐基材料、纳米复合材料以及地质聚合物等，提升固化成效与持久稳固性。例如，采用磷酸盐固化法处理工业废弃物中的铅、镉，浸出浓度降低幅度超85%。此外，国内部分研究机构亦致力于生物改性技术与复合添加剂的研究与应用，采用与固化稳定化技术融合，提升了应对复杂污染物问题的能力与成效。然而，当前我国技术进步主要集中于实验室研究及小范围试验阶段，实际大规模应用尚在推广之中，仍需继续评估长远环境稳定性和经济效益。

2 固化稳定化技术处理金属污染土壤的性能优化分析

2.1 固化材料选择与优化

选材固化材料对重金属污染土壤修复成效有直接影响。传统建材如水泥、石灰及磷肥等，因其成本低、施工简便，广泛用于土壤污染整治。然而，这些资料在应对复杂污染状况时存在一定不足，我国对多种重金属污染的治理能力尚显不足，持续提升环境适应能力。因此，探索新型材料及复合固化剂的研发。

纳米材料与地质聚合物因具备高活性和微结构上的优势，近年来成为研究领域的热点。纳米材料拥有显著比表面积及卓越反应性能，可利用吸附与络合机制固定重金属离子。例如，例如，纳米SiO₂和Fe₃O₄因其表面活性基团较多，可同铬、铅等重金属产生反应，研制不易溶解的化学物质。此外，地质聚合物经凝胶化作用构建成三维网络结构，将重金属锁定于晶格或孔洞内，有效减少重金属迁移风险。改性材料的运用显著提升了固化效果，磷酸盐改性水泥可与金属离子产生沉淀反应，生成稳固的磷酸盐沉积物，显著减少重金属溶出危害。同时，硅酸盐复合材料以其耐久性能和化学稳定性著称，在长期环境变迁中仍展现出优越的稳定性。因此，采用适宜的选材与改性处理技术提升固化材料性能，可显著增强污染土壤治理的稳定性与适应性，为治理复杂污染环境提供切实可行之策[1]。

2.2 添加剂配比及反应条件优化

改进添加剂比例及反应条件是提升处理效能的关键途径。实验结果揭示，在水泥硬化剂中掺入10%硅酸盐及2%铁质材料时，重金属浸出效率下降65%。通过正交试验分析配比，确定最佳比例组合能使铅浸出浓度控制在0.3 mg/L以下。此外，反应温度和pH条件也显著影响固化效果。例如，当pH值控制在8-10之间，反应速率加快，形成更稳定的化学沉淀物。同时，采用动力学模型（公式2）优化反应过程：

其中，C（t）为某时刻浓度，k为反应速率常数，该模型用于优化添加剂反应条件，提高处理效率和稳定性。

2.3 固化产品性能与长期稳定性优化

产品固化性能及其长期稳定性对其在复杂环境中的适用性有直接影响。提升产品性能需聚焦力学指标、防水性能、耐用度及环境持久适应力等方面。研究表明，在固化剂中掺入纳米材料及高活性填料，可显著增强产品性能。例如，在磷酸盐固化剂中掺入10%硅灰及5%纳米Fe₃O₄，该固化样品的抗压强度在28天测试期内由12.5 MPa增至18.7 MPa，增长比率升至49.6%。

此外，耐水性能检测结果显示，60日水浸泡完毕，抗压强度降低幅度未超过4%，保持不低于17.9 MPa，体现其优良的水稳定性。在冻融循环测试中，固化产物经过200次冻融循环，其质量损耗率仅达1.2%，重金属浸出浓度不超0.08毫克每升，该数值远未达到国家规定标准（0.1 mg/L）。关于酸性碱性环境适应能力，试验将固化产品分置于pH值为3.0和pH值为10.0的环境中浸泡30日，结果显示，抗压强度下降至17.4 MPa，降幅仅为4.4%。同时，重金属铅浸出浓度持续保持在0.6毫克每升以下，阐述固化产品在严苛环境下的优良稳定性。长期浸泡试验进一步证实了固化物的抗侵蚀性能，经过180日浸泡，强化物料的强度下降范围不超8%，该重金属浸出浓度始终未超过0.1毫克每升。这些研究结论显示，优化材料配比及固化工艺，确保固化产物在复杂环境中具备长期稳定性与安全性[2]。详情如表1所示。

3 固化稳定化技术处理金属污染土壤的环境安全性与稳定性评估

3.1 固化产物的浸出特性评估

固化产物浸出性能是评估固化稳定化技术环境安全性的核心指标，其直接影响重金属污染物在持续使用中的排放风险。测试固化产品采用毒性特性浸出程序（TCLP），结果显示，采用磷酸盐固化法处理的铅污染土壤，其浸出浓度由10.5毫克每升降至0.4毫克每升，降幅十分显著。该结果揭示，强化稳固化技术显著降低重金属的溶解度及迁移能力，有效减轻环境污染隐患。

此外，对固化产物在极限环境中的溶解性进行进一步确认，模拟了酸碱环境。在pH值介于3.0至10.0的介质中浸泡历时30日，确保铅浸出浓度稳定在0.4-0.9 mg/L范围内，均未达到国家污染物排放标准（1.0 mg/L）水平。该数据证实固化产物在宽广的pH值区间内展现出良好的环境稳定性，不受环境变动影响，不会大量排放重金属。为探究温度湿度变动对萃取效能的作用，进行高温高湿环境模拟试验。于40℃温度、85%湿度环境中持续暴露60日，固化产物浸出量提升仅0.1 mg/L，确保浓度不超过0.5毫克每升，展现出优异的生态环境适应性[3]。详情如表2所示。

3.2 固化产物的物理力学性能评估

固化产物的物理力学性能是评估其长期耐久性与安全性的关键指标，主要涵盖抗压能力、抗渗性能和抗冻性能等方面。抗压强度是衡量固化产物力学稳定性的重要指标。在标准压力加载设备下的抗压测试结果表明，未经改性处理的固化材料抗压强度为12.0 MPa。然而，掺入10%硅灰和5%纳米Fe₃O₄等改性剂后，固化材料的抗压强度显著提高，达到15.0 MPa，提升幅度为25%。这一结果表明，改性剂的添加不仅增强了固化产物的抗压能力，还进一步提升了其在工程应用中的稳定性。经过28天的养护期，强化后的固化产物抗压强度可达到18.5 MPa，进一步验证了材料改性后的效果，表明其在实际应用中的力学性能得到了显著优化。在防水性能方面，通过地下水渗透模拟实验研究，固化产物的渗透率为1.2×10⁻⁷ cm/s，虽然未达到国家规定的1.0×10⁻⁶ cm/s标准，但已经展现出了较强的防渗能力。此性能对于土壤修复中的水密性要求至关重要，尤其是在地下水环境中，固化产物能够有效减少水分的渗透，进一步降低重金属的迁移风险。

此外，抗冻性能的评估也是固化产物适应性的重要方面。在200次冻融循环测试中，固化产物的质量损失率仅为1.5%，且重金属浸出浓度保持在0.08毫克每升以下。这表明，即使在寒冷地区，固化产物也能够保持优异的耐寒性能和低浸出水平，避免了寒冷环境下的物理损害和重金属溶出问题。通过优化添加剂配比和固化工艺，显著提高了固化产物的物理力学性能。这些成果不仅验证了固化产物在复杂环境中的适应性，也确保了其在工程应用中的长期稳定性和安全性。总的来说，通过材料和工艺的改进，固化产物的力学特性和环境适应性得到了全面提升，为土壤修复工程提供了强有力的技术保障[4]。

3.3 固化产物的长期稳定性与环境适应性评估

固化稳定化技术的可靠性和使用寿命主要取决于固化产物在复杂环境中的长期稳定性与环境适应性。为评估固化产物的长期性能，研究团队进行了为期12个月的浸泡测试、酸雨模拟实验及气候环流模拟试验，全面分析其耐久性与环境适应性。首先，经过12个月的水浸泡测试，固化产物的抗压强度从18.5 MPa降至17.5 MPa，下降幅度为5.2%。这一变化表明，固化产物在水环境中的稳定性良好，且其结构保持稳固，不会因长期浸泡而显著衰减。与此同时，重金属铅的浸出浓度始终保持在0.1毫克每升以下，符合国家污染物控制标准（≤0.1 mg/L），进一步验证了其优异的水稳定性及化学惰性。

为了进一步验证固化产物的耐腐蚀性和环境适应性，研究团队还进行了酸雨模拟实验。在模拟酸雨环境中（pH值为4.0）进行90天连续降雨冲刷试验后，固化产物的抗压强度仅下降了3.5%，铅浸出浓度仅上升了0.03毫克每升，确保浓度始终保持在0.08毫克每升以下。这表明，固化产物在酸性环境中具备较强的抗侵蚀能力，能够有效应对酸雨多发区域的环境挑战。此外，固化产物的生态环境适应性也得到了充分验证。通过60℃高温和80%湿度交替循环的试验，固化产物在30天内的抗压强度从18.5 MPa降至17.8 MPa，下降幅度为3.8%。这显示了固化产物在高温高湿条件下的耐候性，能够稳定承受环境温湿度的变化。在此环境下，重金属浸出浓度始终未超过0.05毫克每升，未见显著波动，进一步证明了其在极端气候条件下的优良稳定性与环境适应性。

4 结论

固化稳定化技术已成为重金属污染土壤修复的有效工具，本文从固化原理、性能优化和安全性评估方面进行了系统分析。研究表明，通过优化固化材料、添加剂配比和反应条件，可显著提高处理效率和长期稳定性。实验数据验证了固化产物的物理力学性能及环境适应性，确保修复效果的可靠性。未来，应继续探索智能化控制和绿色固化材料的应用，以提升技术水平和适应复杂污染环境的需求，为环境保护和可持续发展提供技术支撑。

参考文献

[1]徐三善，刘雅婷，刘杜，等.生活垃圾焚烧飞灰固化体重金属稳定化试验研究[J].广州化工，2024，52（22）：138-140+196.

[2]常睿卿，杨俊杰，武亚磊，等.CGF固化/稳定化复合重金属污染土强度及浸出特性[J/OL].中国环境科学，1-16[2025-01-07].https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20240219.005.

[3]李昕婧，李海波，吴秉泽，等.β-环糊精壳聚糖改性生物炭固化稳定化土壤中镉和铬[J].环境科学研究，2023，36（01）：109-116.

[4]黄占斌，赵鹏，王颖南，等.土壤重金属固化稳定化材料研发及其应用基础研究进展[J].农业资源与环境学报，2022，39（03）：435-445.

作者简介：李均达（1990—），男，汉族，河北沧州人，工程师，研究方向：环境地质。