硅铝基矿物环境修复材料构建共性关键技术开发与应用

技术联系人：侯浩波

联系人单位：武汉大学资源与环境科学学院

联系人电话：13908644407

项目一：基于工业废渣的硅铝基环境修复材料的研发与应用

项目来源：国家重点研发计划，建筑垃圾资源化全产业链高效利用关键技术研究与应用，2017YFC0703307；863计划，脱硫石膏与钛白石膏制备高端建材资源化技术与示范，2012AA06A111；湖北省重大科技专项，利用低品位工业废渣开发特种胶凝材料及产业化，2009ACA003

主要创新点：产品创新，基于同相类同相理论，研发针对淤泥固化、软基处理软土固化剂。固化过程中改变了固化土中孔径分布并有效降低填充土壤颗粒间空隙，使土壤颗粒表面产生不可逆转的凝结硬化，固化后的软土具有很高的水稳性和强度稳定性。

土壤固化机理

客观评价：余永富院士于2007年鉴定“基于工业废渣的高强耐水土壤固化剂研制及应用”成果后评价：该技术以工业废渣为主要原料（>80%）。采用机械、化学的方法，充分活化和激发工业废渣的活性，研制出硅铝基环境修复材料系列产品。突破了传统高钙基水泥物料体系，创新性地提出了液态渣三层次结构模型，有效提高灰渣活性。深入研究硅铝基环境修复材料固化剂固化土壤的机理，通过改善土壤（粘土、粉细砂、淤泥等）颗粒接触，强化结构联结，增加颗粒接触面积，使颗粒从过度接触转化为同相类同相接触，使土体在固化过程中产生物理结合和化学结合，提高土体强度、水稳定性和耐久性。已成功编制行业规范《软土固化剂》 (CJ/T526-2018)。该项目研究成果处于国际领先水平。

工程实例：武汉市三环线东段青化路立交至老武黄立交建设项目，是武汉三环线最后施工的一段，全长9646米。该段采用HAS固化剂固化20～30mm碎石和石屑做60cm稳定碎石基层，上面直接铺沥青路面，质量要求高。但所用石屑基本成粉状，无明显级配，含泥量高大14.5%，采用水泥稳定碎石石屑无法满足要求。

 

该段采用5%HAS固化剂、60%石屑和35%碎石稳定基层，7天无侧限抗压强度平均4.2MPa,现场钻芯取样强度平均高达6.8MPa，性能良好，满足设计要求。该工程于2011年建成，通车后车流量巨大，且常年受大量重型车碾压，使用至今，未发现有开裂沉降现象。

鹦鹉洲长江大桥汉阳岸接线工程是二环线的组成部分，沿墨水湖北路中线布设，设双向6车道。在鹦鹉大道路口与鹦鹉洲长江大桥汉阳岸引桥相接。由于现场工地存在大量生活垃圾土，常规处理方法检测结果均不能达标，施工方采用HAS土壤固化剂处理垃圾土后，弯成值和密实度检测达标，效果获得施工的好评。

 

项目二：重金属污染土壤靶向修复共性关键技术开发与应用

项目来源：湖北省技术创新专项重大项目，重金属污染场地土壤协同阻控与生态修复关键技术研究，2016ACA162

主要创新点：提出了亚纳米硅铝基高硫型、卤素型两类环境材料常温下对重金属的修复机理，发现了钙矾石、AFm、氯铝酸钙能与重金属阴离子团发生置换反应，根据化学反应平衡常数不同，砷酸根优先与Cl^-置换，铬酸根优先与硫酸根置换，致使重金属晶格化。两类材料分别固化砷、铬污染土壤时，实现了固结体浸出浓度值达到国家规定的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）IV类水体标准排放限值。

客观评价：倪晋仁院士于2018年鉴定“重金属污染土壤靶向修复共性关键技术开发与应用”成果后评价：该项目成果从1998年开始应用在国内二十余个省300余项工程项目中，在国家首例重金属类污染场地修复示范项目原武汉染料厂场地修复、“长江大保护”战略的标志性项目宜昌田田化工遗留场地修复，使“泥变土、土变岩石”，降低修复材料用量30%，提升施工效率30%，降低施工成本40%。项目成果推动了土壤生态修复与固体废物循环利用学科的发展，解决了固体废物综合利用与土壤修复的难题，该项目研究成果处于国际领先水平。

项目创建的重金属污染土壤靶向修复技术体系，为研究重金属污染土壤防治技术理论提供了可靠的科学依据。成果于2013年发表在《Construction and Building Materials》等杂志上，并引起了国内外关注。Shen 教授在《Chemical Engineering Journal》上评价：“由于Cl^-具有高交换容量和大比表面积，Friedel’s盐是阴离子污染物的优良捕捉剂”肯定了该固溶体材料的靶向固结作用。

重金属靶向修复机理

工程实例：原武汉染料厂生产场地重金属复合污染土壤修复治理工程，该地块厂区占地面积约262.5亩，濒临汉江，地势低，环境风险大；重金属污染面积为27261m²，重金属污染土壤总量为26.45万m³。该项目为国家发改委在全国启动的首个重金属污染土壤治理与修复试点示范工程，武汉大学是该项目的核心技术支持单位。

污染场地土壤经修复后，取样实测Pb浸出浓度值为0.008~0.04 mg/L、总砷的浓度值为0.01~0.06 mg/L、铬的浓度值为0.01~0.05 mg/L，达到国家规定的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）IV类水体的排放限值，土壤固化体28d强度达到3MPa以上，满足后续基础工程对土壤地基的需求。

项目三：有机污染土壤高效修复共性关键技术开发与应用

项目来源：NSERC项目，石油污泥废物利用

主要创新点：集加热有机污染土壤，分离有机污染物，冷却、回收污染物于一体。无有二次污染；最终检测排放最小；耗能低，效率提高1倍；设备灵活，可移动、现场处理，低运费，占地小。

技术原理 生物炭吸附土壤有机物

HQ高效氧化剂对有机物污染土壤的原位修复，氧化电位超过氧化性极强的羟基自由基；与羟基自由基原理相同，但更稳定；适用范围广，在任何条件下都适用；可氧化降解大部分有机物。

工程实例：某有机物复合污染土壤修复治理工程，采用HQ高效氧化剂对有机物污染土壤的原位修复，-9m以下污染区有机污染土壤，采用原位高压旋喷注射氧化药剂的方式进行修复。

翻抛机常温解吸 双轴搅拌式土壤改良机药剂混合

原位施工布点 高压旋喷现场施工

热脱附现场

项目四：湖泊内源污染生态清淤-污泥绿色改性技术开发与应用

项目来源：国家科技支撑计划，中部水网区连片村镇控源与水体强化净化技术集成与示范，2012BAJ21B06

主要创新点：基于污泥含水率高难脱水的特点，提出污泥绿色预处理技术体系与深度脱水理论体系，研发了绿色改性低能耗预处理与高效脱水一体化技术、高效厌氧消化与资源再生综合利用技术、污泥低能耗与高效脱水干化装备开发技术和工业污泥多重重金属复合共稳定及深度晶格固化技术等关键共性技术，实现了污/淤泥的快速固液分离，提高了机械脱水效率和污泥处理效率。

客观评价：张勇传院士于2013年鉴定“污泥机械脱水化学改性一体化处理技术”成果后评价：该技术利用脱硫灰渣、钢渣等工业废渣开发出了具有自主知识产权的污/淤泥改性剂，提出了“深度破壁理论”，提高了污泥处理效率，可有效地应用于大规模湖泊清淤和疏浚污泥的就地利用。该项目创新明显，总体技术达到国际领先水平。

污泥改性原理

工程实例：滇池宝象河和外海北部疏浚底泥脱水工程，目前世界最大的湖泊清淤工程，滇池外海主要入湖河口及重点区域底泥疏浚工程——第三标段外海北部疏浚底泥脱水工程，所实施工程泥浆来源为疏浚工程外海北部标段，本期处理淤泥工程量400万m³，工期为2014-2015年。采用武汉大学专有技术绿色改性-高级氧化改性-并行式搅拌-压滤脱水可将淤泥含水率快速降低至30%以下；脱水效率提高1倍；尾水SS小于20mg/L，清澈见底且无任何异味，可以达标排放入湖。

外海北部 发改委主任何立峰视察工程现场

绿色改性生产线 板框压滤脱水

尾水达标回流入湖 脱水泥饼再利用

项目五：尾矿库生态修复共性关键技术开发与应用

项目来源：863计划，氟石膏无害化处理及资源化利用关键技术研发与示范，2009AA06400；国家重点研发计划，重金属尾矿库污染高效固化/稳定化材料、技术与装备，2018YFC1801700

主要创新点：提出静态塌陷区全尾砂固结湿法充填技术和动态塌陷区半干法固结尾矿充填技术，研发出硅铝基高硫型尾矿固化剂，实现了全尾矿固结充填，解决了传统水泥固结必须使用分级尾矿的难题，极大地改善了固结尾矿流动度。尾矿固结体浸出浓度值及尾矿固结后尾水的重金属浓度值可以达到国家规定的《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）IV类水体标准排放限值；基于尾砂改性功能材料与生物炭复合微球的协同作用机制，实现尾矿库表层阻隔、重金属钝化抑制与吸附，贫瘠尾砂改良为土壤；针对重金属尾矿库存在边坡缺陷与安全度不足，现有表层覆盖装备效率低等问题，基于稳定化喷射和高压网喷技术，研发物化/生物覆盖高效施工装备以及边坡覆盖装备；通过多层级生态修复理论体系的建立，构建由阻隔层-导水层-植物生长层组成的生态修复技术，通过具有完整分布结构的适生植物生态群落重构尾矿库生态功能，实现重金属尾矿库区生态重构。

项目目标：项目选取西南地区铜矿、铅锌矿、镍钴矿、锡矿、汞矿、砷锑矿、铬矿等典型矿种，针对尾矿中Pb、Hg、Cd、Cr、As、Cu、Zn、Sn、Ni、Sb等重金属开展：尾矿库重金属迁移转化行为、重金属多尺度多层级污染阻控机制、尾矿库表土生态重构机制等重大科学问题的研究；基于尾矿分级分类处置的尾矿高效稳定化环境功能材料、尾砂自胶结、高压旋喷灌浆、尾矿库结构优化、表土生态功能重构等关键共性技术及装备研发；通过典型矿种尾矿安全处理处置与生态重构的集成示范，开发出适合西南重有色金属尾矿及尾矿库重金属污染高效阻控以及表土生态功能重构的新理论和技术；最终通过集成与示范验证形成可复制、可移植、经济高效的重金属尾矿安全处置及侵蚀土壤修复整体解决方案。

尾矿库生态修复效果示意图

工程实例：大冶铁矿尾矿胶结充填工程，本项目揭示了高硫型环境修复材料与硅铝质尾矿固结微观架构及作用机制，构建尾矿固结体强度和硫酸盐侵蚀下损伤模型，解决尾矿利用率低、污染风险大、全尾矿固结充填效果差和尾矿固结体浸出污染物浓度不达标等难题，尾矿固结体浸出液中重金属含量符合污水综合排放标准GB8978-1996，且均在地下水质量标准(GB/T14848-93)IV类限值以下。

充填车间 充填现场

尾矿库表土生态重构 尾矿库无土覆绿