科学研究 > 重点项目成果介绍 >
重点项目成果介绍

国家自然科学基金重点项目成果介绍

项目名称:城市化过程中天然沉积土污染演化机理与控制技术研究

项目编号:41330641

项目执行时间:2014.1-2018.12

承担单位:东南大学岩土工程研究所

项目负责人:刘松玉教授

主要研究人员:洪振舜教授、杜延军教授、刘志彬副教授、杜广印教授

 

项目成果摘要:

本项目针对我国工业污染场地勘察测试评价与再开发利用的关键科学技术问题,采用室内试验、现场试验、理论与数值模拟分析相结合的技术路线,着重污染土体工程性质演化规律、现场勘察测试评价方法与分类方法,污染土体力学特性变化及其工程影响,典型污染场地的处理技术等四方面进行了深入系统研究。通过5年的研究,取得了系列研究成果:揭示了重金属和有机污染物在天然沉积土体中运移与演化规律及其对天然土体物理、化学、力学性状的影响规律与机制;明确了污染物对天然土体损伤基本特征和变形强度变化规律;提出了基于电阻率孔压静力触探(RCPTU)评价污染场地的特征指标,建立了污染土的工程分类方法;揭示了水泥固化重金属污染土体的强度增长模式;对高难度重金属污染土体,研发了新型固化剂,构建了固化稳定法处理重金属污染土的施工工艺;对有机污染土,揭示了有机污染物曝气法处理的机制,建立了相应的设计方法

和施工工艺。这些成果开拓了我国污染场地岩土工程治理技术领域的研究,对我国污染土壤治理技术的发展,促进城市可持续发展具有重要理论意义和工程应用前景。研究成果已在国内外重要刊物和会议共发表学术论文171篇,其中SCI、EI检索154篇;获得国家科技进步二等奖1项,教育部技术发明二等奖1项;已获授权发明专利33项;培养已毕业博士、硕士研究生13人(其中博士6人),已出版著作1部

一、项目研究背景

我国城市化进程高速发展为经济持续发展提供了强劲持久的动力,但也导致城市用地紧张、交通堵塞、环境污染等城市问题日益突出,严重制约了城市化的可持续发展。随着我国城市化的快速发展和大城市群区产业调整战略的实施,留下了大面积工业污染场地,严重阻碍了城市可持续发展(图1,图2)。

1

图1 我国城市污染场地状况和类型

因此,针对城市化进程中大量工业污染场地问题,阐明天然沉积土体中污染物演化机理、揭示污染土体力学性状的变化规律及其工程灾变影响、提出相应的处理控制技术,使之既满足环境安全需要又达到再开发利用功能,是当前我国城市可持续发展和建设面临的重大课题。

2

图2 工业污染场地的特点

二、主要研究内容

本项目以我国城市化过程中出现的典型重金属和有机污染场地为研究对象,针对其再开发利用中的关键科学技术问题进行系统研究,以满足城市可持续发展的需要。课题的研究思路如下图3,并设立了下列四个课题(图3):

3

图3课题研究思路

三、主要研究成果

课题1 天然沉积土体污染演化过程与机制

选择典型工业污染场地,现场测试和取样(图4),

分析了污染土的物理矿物化学特性和微观结构变化规律,阐明了污染物-天然沉积土间的相互作用机理,建立了天然沉积土微观结构参数与污染物运移关键参数的内在关联,评价了污染物运移演化规律(图5)。

4

图4 污染场地现场测试方法  

5

 图5  污染土的孔隙结构变化与运移特征分析结果


课题2 城市工业污染场地原位测试评价方法与工程分类

针对典型工业污染场地,采用电阻率静力触探技术(RCPTU)现场测试与取样,总结了掌握典型污染土的原位测试参数特征,总结建立了基于电学特性的污染土体定量评价方法(图6),建立了污染土体分类指标体系和工程分类方法(图7)。

6

图6  污染土的电阻率特征

7

图7  污染土的分类方法

课题3   污染土体的物理力学性状与工程灾变影响


天然土体受重金属和有机物污染后,其物理力学性质和微观结构都会发生改变(图8),进而影响工程结构稳定。选择不同类别的典型污染土类,重点选择复合重金属、挥发性有机物污染土进行了系列试验,明确了污染物类型和污染程度对土体压缩、强度和结构性影响的规律,分析了污染物对土体损伤影响的规律,研究了污染场地引起工程变形破坏的基本规律。

8

图8  污染土的工程性质变异特征

课题4 污染土体的处理控制技术

污染场地的修复处理技术主要有固化稳定法、隔离法和曝气法等(图9)。本项目针对典型复合重金属污染土,重点研究了固化/稳定技术的关键问题,包括固化剂、配比、掺量等关键控制参数对固化污染土强度、浸出率及有效扩散系数的影响规律(图10),提出了经济有效的固化/稳定设计方法。针对典型挥发性有机物污染天然沉积砂类土,重点研究了曝气法净除效果(图11),提出了控制技术的设计方法。

9

图9  污染土体处理方法

10

图10 水泥固化重金属污染土机理           图11  曝气法处理有机污染土原理

四、污染场地处理工程应用实例

2016年11月至2017年4月,课题组与江苏圣泰环境科技股份有限公司成功将研发的新型固化剂应用于江苏黄海汽配厂污染场地固化稳定化修复工程。该地块主要污染物为镍、铬、锌,表层土壤最高全量值分别为103000 mg/kg、16200 mg\kg 和4610 mg/kg。场地采用东南大学岩土工程所研发的药剂,结合配套的施工工艺取得了良好的修复效果,与传统的挖掘填埋法相比具有修复周期短,修复成本低的优点。此外,修复后固化体强度适中,适合场地的二次开发,产生了很好的经济、环境和社会效益。另外本课题成果还与上海市政院、江苏省环境科学研究院等合作在上海和南京污染场地测试评价中得到了推广应用,随着我国污染治理战略的实施,本项目成果预计能得到更多推广应用,产生更大的经济和社会效益。