模擬自然因素下固化后河湖底泥中Cr和Pb的釋放規(guī)律

武蘭蘭,譚 爍，楊煜曦,翟德勤

(中電建生態(tài)環(huán)境集團有限公司，深圳國涚檢測技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518100)

城市河道和湖泊由于長期受到周邊工農(nóng)業(yè)廢水排放的影響，淤積嚴重，需定期進行河湖污泥的疏浚清理。由于河湖底泥中含有大量的氮磷化合物、重金屬以及有機物等污染物，嚴重破壞了水體的生態(tài)環(huán)境，成為我國乃至全世界的重要環(huán)境問題[1-2]。目前我國大部分地區(qū)將污泥脫水后填埋處理，這種方式對環(huán)境影響大、資源化利用程度低，而且受環(huán)境和土地條件限制。疏挖的底泥以黏土質(zhì)和細粉砂質(zhì)的顆粒物為主，其中污染物主要包括重金屬和難降解有機污染物，其中以重金屬對水體和生物的毒性最大[3,4]。為防止污泥固化填埋后對環(huán)境產(chǎn)生污染，通常要對污泥中的重金屬進行處理[5]。目前污泥中重金屬元素的處理方法有：電化學法[6,7]、微波法[8,9]、酸化法[10,11]、絡合劑處理法[12,13]、離子交換法[14,15]、吸附法[16,17]、氨浸法[18,19]以及固化/穩(wěn)定化法[20]。對于含重金屬污泥處理，固化/穩(wěn)定化技術(shù)被認為是實用而且經(jīng)濟有效的方法，在國內(nèi)外多項研究實例中取得了成功[21,22]。

為驗證污泥脫水固化后的效果，需要研究污泥中重金屬的釋放率。已有研究表明，重金屬極易受到如酸雨、填埋時間等改變其化學性質(zhì)的環(huán)境因素的影響，從污泥中釋放的機制主要為：溶解作用、離子交換作用和解吸作用[23]，若泥餅中重金屬等有害物質(zhì)從固化體中釋放到環(huán)境中，對環(huán)境生物及人體健康也會造成嚴重影響，會給環(huán)境安全帶來巨大風險[24,25]。因此，需要開展重金屬在環(huán)境條件下的重金屬毒性評價，確保污泥固化后填埋對環(huán)境和人體的安全性。

目前，我國尚沒有針對底泥固化后重金屬的穩(wěn)定性及毒性評估的系統(tǒng)性技術(shù)方法，尤其是實際環(huán)境條件下如酸雨、高溫、長期填埋對底泥固化中重金屬的浸出穩(wěn)定性以及毒性試驗方法，以及在實際環(huán)境條件下的室外柱浸出試驗方法。本項目針對我國清淤底泥固化后余土中重金屬的穩(wěn)定性評估需求，建立余土中重金屬毒性評價方法，為余土中重金屬的穩(wěn)定性評估提供支持。

1 材料和方法

1.1 試驗余土性質(zhì)分析

選擇固化/穩(wěn)定化處理后的含重金屬余土作為重金屬釋放動力學研究對象，取具有代表性的底泥樣30m3，進行自然晾曬處理，將晾曬后的底泥樣首先進行碾壓破碎，然后篩分(過2mm篩孔的篩子)，篩上部分繼續(xù)碾壓后過篩，直至30m3余土樣全部過篩，將過篩后的余土樣混勻備用。對預處理后的余土進行取樣分析，其中的重金屬含量，分析結(jié)果見表1。由表1可知試驗余土中Cr、Pb的含量相對較高，故主要研究對象為試驗余土中的Cr、Pb。

表1 試驗余土重金屬含量分析結(jié)果 (mg/kg)

1.2 試驗方法

將試驗余土置于處理罐(H1.2m、Φ1m，上部設有溢流孔，底部設有滲濾孔，側(cè)壁設有取樣孔)中，在不同復合條件下進行試驗。試驗條件包括溫度為25、40℃，模擬降雨量為單點最大雨量，模擬降雨pH值為4、7，模擬光照強度為當?shù)啬昶骄照諒姸鹊?、3倍。選取不同的復合試驗條件進行試驗，每種復合條件試驗進行兩組試驗(在兩個處理罐中同時進行，如表2中“○○”所示)以便形成對比試驗。試驗時長為110d，每隔10d進行一次模擬降雨試驗并進行取樣，取樣為試驗余土樣和滲濾液樣。對于溢流液和滲濾液都要進行計量，每個樣都進行化驗分析其中重金屬的含量：土壤質(zhì)量鉛的測定采用GB/T17141-1997石墨爐原子吸收分光光度計法，鉻的測定采用HJ491-2009火焰原子吸收分光光度計法，用于研究余土的穩(wěn)定性。試驗的溫度通過恒溫房來控制，模擬降雨量通過流量計控制，模擬降雨pH值通過酸堿試劑來調(diào)配，模擬光照強度通過UV燈光照來實現(xiàn)。具體試驗設計方案見表2。

表2 試驗設計方案

*注：○為實驗裝置

2 結(jié)果與討論

試驗裝置共計16個，編號為1#～16#。1#、2#為平行試驗，試驗條件為：1倍平均日照強度，溫度=25℃，模擬降雨pH=4；3#、4#為平行試驗，1倍平均日照強度，溫度=40℃，模擬降雨pH=4；5#、6#為平行試驗，1倍平均日照強度，溫度=25℃，模擬降雨pH=7；7#、8#為平行試驗，1倍平均日照強度，溫度=40℃，模擬降雨pH=7；9#、10#為平行試驗，3倍平均日照強度，溫度=25℃，模擬降雨pH=4；11#、12#為平行試驗，3倍平均日照強度，溫度=40℃，模擬降雨pH=4；13#、14#為平行試驗，3倍平均日照強度，溫度=25℃，模擬降雨pH=7；15#、16#為平行試驗，3倍平均日照強度，溫度=40℃，模擬降雨pH=7。

(1)不同試驗條件對試驗余土中Cr浸出規(guī)律的影響(模擬降雨試驗)

試驗以每組平行試驗為分析研究對象(每組平行試驗的平均值作為試驗結(jié)果)，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下Cr的階段性浸出規(guī)律，試驗結(jié)果見圖1。

由圖1可知，①pH值對比試驗(圖線1與3、圖線2與4、圖線5與7、圖線6與8)分別在不同溫度以及光照強度的條件下研究了pH對Cr浸出率的影響，結(jié)果表明pH值變化對試驗底泥中Cr的浸出基本無影響。②光照強度對比試驗(圖線1與5、圖線2與6、圖線3與7、圖線4與8)分別在不同溫度以及pH的條件下研究了光照強度對Cr浸出率的影響，結(jié)果表明光照強度變化對試驗底泥中Cr的浸出基本無影響。③溫度對比試驗(圖線1與2、圖線5與6、圖線3與4、圖線7與8)分別在不同光照強度以及pH的條件下研究了溫度對Cr浸出率的影響，結(jié)果表明溫度變化對試驗余土中Cr的浸出基本無影響。

(2)試驗余土中Cr浸出總量分析(模擬降雨試驗)

試驗以每組平行試驗為分析研究對象，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下Cr的累積浸出規(guī)律，試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可知，1#～16#試驗Cr的累積浸出率在試驗30d后出現(xiàn)拐點，之后Cr的累積浸出率便不再增加且拐點處Cr的浸出率較低。由此可知，試驗余土中98%以上的Cr處于平穩(wěn)狀態(tài)，無需繼續(xù)檢測觀察。

(3)不同試驗條件對試驗余土中Pb浸出規(guī)律的影響(模擬降雨試驗)

試驗以每組平行試驗為分析研究對象(化驗結(jié)果取每組平行試驗的平均值)，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下Pb的階段性浸出規(guī)律，試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，①pH值對比試驗(圖線1與3、圖線2與4、圖線5與7、圖線6與8)分別在不同溫度以及光照強度的條件下研究了pH對Pb浸出率的影響，結(jié)果表明pH值變化對試驗底泥中Pb的浸出基本無影響。②光照強度對比試驗(圖線1與5、圖線2與6、圖線3與7、圖線4與8)分別在不同溫度以及pH的條件下研究了光照強度對Pb浸出率的影響，結(jié)果表明光照強度變化對試驗底泥中Pb的浸出基本無影響。③溫度對比試驗(圖線1與2、圖線5與6、圖線3與4、圖線7與8)分別在不同光照強度以及pH的條件下研究了溫度對Pb浸出率的影響，結(jié)果表明溫度變化對試驗余土中Pb的浸出基本無影響。

(4)試驗余土中Pb浸出總量分析(模擬降雨試驗)

試驗以每組平行試驗為分析研究對象，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下Pb的累積浸出規(guī)律，試驗結(jié)果見圖4。

由圖4可知，1#～16#試驗Pb的累積浸出率在試驗90d后出現(xiàn)拐點，之后Pb的累積浸出率便不再增加且拐點處Pb的浸出率較低。由此可知，試驗余土中99%以上的Pb處于平穩(wěn)狀態(tài)，無需繼續(xù)檢測觀察。

3 結(jié)論

(1)Cr、Pb的階段性浸出規(guī)律分析

試驗以每組平行試驗為分析研究對象(化驗結(jié)果取每組平行試驗的平均值)，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下Cr、Pb的階段性浸出規(guī)律，試驗結(jié)果表明溫度、pH值以及光照強度的變化均對試驗余土中Cr、Pb的浸出基本無影響。

(2)Cr、Pb的累積浸出規(guī)律分析

試驗以每組平行試驗為分析研究對象，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下Cr、Pb的累積浸出規(guī)律，1#～16#試驗Cr、Pb的累積浸出率分別在在試驗30、90d后有拐點變化，累積浸出率便不再增加且拐點處Cr、Pb的浸出率較低。由此可知，試驗余土中98%以上的Cr以及99%以上的Pb處于平穩(wěn)狀態(tài)，無需繼續(xù)檢測觀察。