北極星環境修復網訊:重金屬是土壤修復行業中的一類典型修復對象。目前，對於國內多種多樣的重金屬汙染土壤修復情景，大多採用比較快速、經濟的穩定化技術以匹配工期緊、資金少等修復過程中經常存在的現實問題。適宜的修復材料是土壤重金屬穩定化技術實施的重要基礎和前提。本文從土壤重金屬穩定化的理論原理和修復實踐兩個角度，對重金屬穩定化修復材料的實用性設計思路進行簡要梳理。
一、基於理論原理的重金屬穩定化修復材料設計思路
土壤中重金屬的穩定化修復過程，本質上為重金屬元素與修復材料之間的相互作用過程。此作用過程，實質上為極其複雜的物理化學反應過程。對於某一具體修復情景，需首先考慮，基於穩定化技術選用的修復機制在熱力學角度下是否可發生。土壤中重金屬汙染物的穩定化過程為其低溶解度或高穩定性產物的形成過程。在特定條件下，修復材料與汙染物種的接觸反應是否可發生，決定了修復材料是否可對重金屬汙染物起到穩定化作用。場地已有修復環境能夠滿足穩定化反應所必需的反應條件，為選擇修復材料的基本依據之一。
其依據之二為：要達到穩定化修複目標，基本條件為在一定時間內完成相關穩定化反應過程，這對穩定化反應速率提出了要求。大部分接觸反應的反應速率，是與底物即汙染物和修復材料的初始量相關的。在汙染土壤環境中，汙染物的初始濃度是固定的，故修復材料在實際使用時需滿足反應動力學濃度或用量的基本要求。在此基礎上，基於化學反應動力學中基元反應的概念，充分理解穩定化反應過程中的反應歷程，識別修復機制中的決速步驟，對穩定化修復材料組分的設計和機制的應用十分具有參考價值。
其依據之三為：當修復過程滿足熱力學反應的要求、修復條件也滿足反應動力學的條件時，也只是在短期內達到物理化學反應過程的平衡狀態。而這種平衡狀態，是可受到環境條件的影響而變化的。故在設計穩定化修復材料時，有必要將相關環境條件也考慮在內以便優化，從而讓預設材料通過預設機制達到長期穩定效果。常用的判定依據和立足點，無外乎基礎化學原理中經常出現的幾種基礎概念：吸附-解析平衡、沉澱-溶解平衡、酸-鹼平衡、相平衡等。對於大多數重金屬穩定化材料，吸附-解析平衡、沉澱-溶解平衡、酸-鹼平衡等都是比較重要的修復機制調控途徑。將基礎性概念深入理解並關聯至修復情景，可為理論機制定性和修復效果量化帶來實質性參考依據。
二、基於修復實踐的重金屬穩定化修復材料設計思路
基於以上簡述，可將重金屬穩定化修復材料的設計思路分為對土壤對象的充分/全面調研、對修復需求的深度解讀與認知、對材料的科學遴選和謹慎設計、對修復效果的多維評價等四個必要環節（圖1）。
圖1 修復材料在汙染土壤修復實踐中的設計思路（以重金屬汙染為例）
1）對土壤對象的充分/全面調研
土壤本身由固、液、氣三相組成，具有較複雜的多相性，比單一水相體系更為複雜。基於經驗數據累積抽提客觀的、具有統計學意義的數據規律，在實際應用過程中更富有兼容性。將地域性差異、汙染源差異、汙染機制差異、（微）生物學差異等納入背景考察過程，可對汙染的治理策略起到輔助作用。
鑑於此，在足夠基數的理論實驗結論和實際修復項目經驗的基礎上，建立土壤樣品的背景汙染信息庫，可為修複方案的設計和修復材料的選用和施用帶來極大便利。另外，全面、深度調研亦可將多種不確定因素提前鎖定，避免修復過程出現異常導致技術失誤或經濟損失。
對於具體修復實踐項目，土壤汙染物的元素差異性、汙染土壤所在地域的特性、汙染土壤所在區域內存在的汙染物非均質性分布等基礎性數據為項目的特徵屬性。對於土壤自身的差異性，需從宏觀和微觀兩個方面考慮。以場地類型土壤為例，具體宏觀因素可涉及場地所在地域、精細區域劃分、待修復土壤體量、場地歷史用途所涉及生產工藝等；以農用地類型土壤為例，具體宏觀元素可涉及地區經濟作物、耕作周期等。具體微觀因素可涉及土壤顆粒類型與尺寸、土壤酸鹼度、土壤含水率等關鍵因子。
2）對修復需求的深度解讀與認知
不同類型的重金屬汙染物在設置對應修複目標時，因元素類型、參考標準、技術條件、處置方式、敏感受體等影響往往需要面對不同的修複目標值。即便對於同一種重金屬汙染物，實際修復技術工藝和修復材料也會有明顯不同。面對複雜的修復狀況，從材料設計和使用的角度出發考慮，需結合工程條件和修復后土壤面向的使用規劃，設定並綁定多種附件條件，對材料實際發揮效用過程進行約束。如此匹配，可使穩定化材料的設計以需求為導向，具備較高的實際可操作性。
從需求角度來看，對於汙染物的汙染濃度和修複目標值的客觀匹配，有必要結合實際經驗數據。國內土壤重金屬汙染元素主要為Cr、As、Pb、Cd、Hg等高毒性汙染物，常見的元素汙染濃度可從0.1 mg/L跨越至100 mg/L，而對應的修複目標值則可由0.1 mg/L跨越至0.01 mg/L等數量級（圖2）。針對不同汙染元素、汙染濃度和修複目標值的組合情景，重金屬穩定化材料的設計思路和實際應用策略也可能有較大差異。
圖2 穩定化修復材料對重金屬汙染土壤的常見修復範圍區分
（以典型元素在行業內常用修複數值為參考）
1）對材料的科學遴選和謹慎設計
對於材料的選擇，實用性為優先考慮的重點。對於實用型的重金屬汙染土壤修復材料或組成組分，需在了解基本化學類、化工類常識的前提下，掌握其在重金屬汙染土壤修復領域中的性能優勢和現實短板。在經過充分理論分析和實驗驗證後，修復材料才能進入土壤修復實踐環節應用中。
對於如何設計重金屬汙染土壤穩定化修復材料，需了解市場對該類材料的訴求，即高效、長效、生態無毒害、兼容工藝等目標。在材料應用過程中，應同時滿足這些目標的要求。
目前，重金屬汙染土壤穩定化修復材料的設計模式，可總結為以下四種方式（圖3）：天然材料直接使用、人工改性材料利用、設計合成材料運用及工業產物（含工業級化學品）二次利用。前三種更著眼於材料產生的源頭和途徑，在特定的高濃度重金屬汙染或高難度重金屬汙染有較大優勢；而第四種方式則更具有環境意義和經濟效益，在兼容性和實用性方面更勝一籌。
圖3 重金屬汙染土壤穩定化修復材料的設計角度
1）對修復效果的多維評價
關於修復效果，可從多個角度進行評價：
第一，高效性，可涉及材料對重金屬汙染穩定化過程的高效性、材料對穩定化修復條件（含設備）的依賴性、材料修復過程抗幹擾能力等多個方面，重點在於材料對重金屬浸出毒性的降低能力；
第二，環境友好性，可涉及材料自身附帶的潛在危害、材料引入後對動植物等生命體依賴環境的幹擾、材料穩定化產物對生態環境系統平衡的潛在影響等，重點在於材料對整體原始環境條件的影響能力；
第三，經濟性，可涉及材料自身的研發周期及生產成本、修復土后土壤（場地類）的可開發價值、修復后土壤（農用地類）的種植用途價值等，重點在於材料所帶來的直接經濟價值和長期附加效益；
第四，長期穩定性，可涉及多種形式的數據對比，如階段性抽樣檢測和實驗性加速老化評價等，重點著眼於材料的穩定、持續修復能力。
基於多個實際場景經驗，較大比例的案例著眼於優先滿足高效性和經濟性，對於環境友好性和長期穩定性等，相關質量要求處於穩定提升中。但通過對不同維度的評價效果進行分化，可適當反饋於初始的目標確認、對象分析、材料策略設計等先決環節。需要注意的是，通過大量工程案例的修復效果綜合評價一種修復材料的實際修復能力和效果更具客觀說服力。此外，從長期修複目標來看，實際修復項目的修復和評價周期多以年計，這與一周左右的實驗室批量小試和上百年老化過程的自然環境模擬實驗數據會有較大差別。修復材料的長期修復效果評估推薦多種方式開展，如修復材料自身的長期穩定性評估、場地後續採樣抽查評估、實驗室同步修複評估，柱/淋溶實驗模擬評估等。
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