固化后河湖底泥重金屬Cu、Ni的穩(wěn)定性研究

錢(qián)琪所,孟祥琪,李 超

(1.云南省生態(tài)環(huán)境工程評(píng)估中心，昆明 650032；2. 金平縣生態(tài)環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測(cè)站，云南 紅河州 661500)

引 言

有色金屬采礦、浮選和冶煉，在帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也造成了極大的生態(tài)環(huán)境壓力，礦區(qū)的河道湖泊同樣承受極大的重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)[1]。礦區(qū)地區(qū)河道湖泊主要受到重金屬污染，針對(duì)這些污染，同樣，城市周邊的河流湖泊也多受到周邊工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染，河湖底泥污染成為普遍現(xiàn)象，目前多采用底泥疏浚的方式對(duì)河湖底泥進(jìn)行處理[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)大部分區(qū)域，首先對(duì)河湖底泥進(jìn)行脫水處理，再采用填埋方式處理脫水后河湖底泥，這種方式存在較大的環(huán)境影響，且底泥無(wú)資源化利用，同時(shí)易受到土地條件限制[4]。疏浚后河湖底泥主要為黏土質(zhì)和細(xì)粉砂質(zhì)的顆粒物為主，污染物主要包括重金屬和難降解有機(jī)污染物，其中又以重金屬對(duì)環(huán)境和生物的毒性最大[5-6]。為防止底泥脫水填埋后對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，通常要對(duì)污泥中的重金屬進(jìn)行處理[1,7]。對(duì)于受重金屬污染的河湖底泥處理，使用固化/穩(wěn)定化技術(shù)是經(jīng)濟(jì)有效且實(shí)用的方法，在國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)研究實(shí)例中取得了成功[8～10]。

但是，當(dāng)固化后河湖底泥進(jìn)入填埋場(chǎng)，其重金屬穩(wěn)定性受到酸雨、填埋時(shí)間等環(huán)境因素的影響，而改變其化學(xué)性質(zhì)從而影響其穩(wěn)定性，固化后河湖底泥中重金屬等有害物質(zhì)重新活化并釋放到環(huán)境中，對(duì)環(huán)境、生物及人體健康造成不同程度的影響，帶來(lái)巨大環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題[11～13]。河湖底泥重金屬Cu、Ni污染主要集中于Cu、Ni礦區(qū)，污染來(lái)源于Cu、Ni采礦、浮選、冶煉工業(yè)[14]。因此，在河湖底泥重金屬Cu、Ni污染區(qū)域，開(kāi)展在不同環(huán)境條件下重金屬的毒性評(píng)價(jià)，確保固化后河湖底泥填埋的安全性，是極其必要的。

現(xiàn)階段，我國(guó)尚沒(méi)有針對(duì)固化后河湖底泥重金屬穩(wěn)定性及毒性評(píng)估的完善的技術(shù)方法，尤其未完善在如酸雨、高溫、長(zhǎng)期填埋的條件下，對(duì)固化后河湖底泥中重金屬的浸出穩(wěn)定性及毒性試驗(yàn)方法。通過(guò)本項(xiàng)目的進(jìn)行，針對(duì)我國(guó)固化后河湖底泥中重金屬的穩(wěn)定性評(píng)估需求，建立其重金屬毒性評(píng)價(jià)方法，為固化后河湖底泥重金屬的穩(wěn)定性評(píng)估提供相關(guān)技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 固化后河湖底泥基本性質(zhì)分析

試驗(yàn)樣品來(lái)源于云南紅河某縣河流底泥，該河流上流有銅鎳硫化礦浮選廠(chǎng)，該河流底泥中重金屬Cu、Ni含量較高。選擇固化/穩(wěn)定化處理后受重金屬污染的河湖底泥作為重金屬釋放動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象，取試驗(yàn)底泥樣30 m3，自然晾曬并碾壓破碎，過(guò)10目篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，重復(fù)碾壓篩分過(guò)程至樣品全部過(guò)篩，篩下物混勻備用。對(duì)預(yù)處理后的樣品取樣測(cè)定其重金屬含量，分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知河湖底泥樣品中Cu、Ni的含量較高，故選取河湖底泥中重金屬Cu、Ni為研究對(duì)象。

表1 河湖底泥樣品中重金屬含量Tab.1 Heavy metal content in sediment samples from rivers and lakes (mg/kg)

1.2 試驗(yàn)方法

將樣品置于反應(yīng)罐中，反應(yīng)罐尺寸為H1.2m、Φ1m，上部和底部分別設(shè)有溢流孔和淋溶孔，中部留取樣孔，在不同復(fù)合條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)共有16個(gè)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)罐，編號(hào)為①到。填埋場(chǎng)為固化后河湖底泥的主要去向，根據(jù)填埋場(chǎng)的日常環(huán)境影響因子情況，模擬試驗(yàn)條件選取包括溫度、降雨量、降雨pH和光照強(qiáng)度，其中結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件，控制各環(huán)境因子，用恒溫房控制溫度，流量計(jì)控制模擬降雨量，調(diào)配酸堿試劑模擬酸雨情況下的pH=4條件，通過(guò)UV燈光照來(lái)實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的改變。其中，溫度選取25℃和40℃，降雨量選取當(dāng)?shù)貑吸c(diǎn)最大雨量，降雨pH值選取4和7，光照強(qiáng)度選取當(dāng)?shù)啬昶骄照諒?qiáng)度的1倍和3倍。每種復(fù)合條件試驗(yàn)進(jìn)行兩組試驗(yàn)形成對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)周期為110天，每隔10天進(jìn)行一次模擬降雨試驗(yàn)并進(jìn)行取樣，取試驗(yàn)后河湖底泥樣和淋溶液樣，對(duì)于溢流液和淋溶液分別計(jì)量，各樣品按GB/T17141-1997檢測(cè)其重金屬的含量，用于研究固化后河湖底泥的穩(wěn)定性。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Tab.2 Experimental design plan

2 結(jié)果與討論

2.1 不同試驗(yàn)條件對(duì)固化后河湖底泥中Cu浸出規(guī)律的影響

試驗(yàn)對(duì)比分析各組平行試驗(yàn)，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果，研究在不同溫度、pH值以及光照強(qiáng)度條件下，重金屬Cu的時(shí)間序列浸出規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同時(shí)間段固化后河湖底泥中Cu的浸出率Fig.1 The leaching rate of Cu in sediments of rivers and lakes after solidification in different time periods

由圖1可知，總體來(lái)看，固化后河湖底泥中Cu的浸出率變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性，0～20天Cu的浸出率顯著增加，隨后降低并趨于平穩(wěn)。(1)pH值對(duì)比試驗(yàn)，分別在不同光照強(qiáng)度和溫度條件下，探究了pH對(duì)固化后河湖底泥中重金屬Cu浸出率的影響，對(duì)比圖1中線(xiàn)段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值變化對(duì)固化后河湖底泥中Cu的浸出影響甚微。(2)光照強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，分別在不同pH和溫度條件下，研究了光照強(qiáng)度對(duì)Cu浸出率的影響，對(duì)比圖1中線(xiàn)段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照強(qiáng)度變化對(duì)固化后河湖底泥中Cu的浸出基本無(wú)影響。(3)溫度對(duì)比試驗(yàn)，分別在不同pH和光照強(qiáng)度條件下，研究了溫度對(duì)Cu浸出率的影響，對(duì)比圖1中線(xiàn)段1和2、5和6、3和4、7和8可知，溫度變化對(duì)試驗(yàn)固化后河湖底泥中Cu的浸出基本無(wú)影響。對(duì)比各個(gè)因素對(duì)固化后河湖底泥中Cu的浸出率，可知各因素下Cu的10天浸出率低于3%，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)固化后河湖底泥中Cu浸出總量分析

試驗(yàn)對(duì)比分析各組平行試驗(yàn)，研究在不同溫度、pH值以及光照強(qiáng)度條件下，重金屬Cu的累積浸出規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)固化后河湖底泥中Cu的累積浸出率Fig.2 Cu cumulative leaching rate in the river and lake sediments after solidificaiton

2.3 不同試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)固化后河湖底泥中Ni浸出規(guī)律的影響

試驗(yàn)對(duì)比分析各組平行試驗(yàn)，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果，研究在不同溫度、pH值以及光照強(qiáng)度條件下，重金屬Ni的時(shí)間序列浸出規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同時(shí)間段試驗(yàn)底泥中Ni浸出率Fig.3 Ni leaching rate in the sediment during different time periods

由圖3可知，總體來(lái)看，固化后河湖底泥中Ni的浸出率變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性，0～20天Ni的浸出率顯著增加，隨后降低并趨于平穩(wěn)。(1)pH值對(duì)比試驗(yàn)，分別在不同光照強(qiáng)度和溫度條件下，研究了pH對(duì)Ni浸出率的影響，對(duì)比圖2中線(xiàn)段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值變化對(duì)固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無(wú)影響。(2)光照強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，分別在不同溫度和pH的條件下，研究了光照強(qiáng)度對(duì)Ni浸出率的影響，對(duì)比圖2中線(xiàn)段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照強(qiáng)度變化對(duì)固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無(wú)影響。(3)溫度對(duì)比試驗(yàn)，分別在不同pH和光照強(qiáng)度條件下，研究了溫度對(duì)Ni浸出率的影響，對(duì)比圖3中線(xiàn)段1和2、5和6、3和4、7和8可知，溫度變化對(duì)固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無(wú)影響。對(duì)比各個(gè)因素對(duì)固化后河湖底泥中Ni的浸出率，可知各因素下Ni的10天浸出率低于1%，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 試驗(yàn)固化后河湖底泥中Ni浸出總量分析

試驗(yàn)對(duì)比分析各組平行試驗(yàn)，研究在不同溫度、pH值和光照強(qiáng)度條件下Ni的累積浸出規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)固化后河湖底泥中Ni的累積浸出率Fig.4 Ni cumulative leaching rate in river and lake sediments after solidification

3 結(jié) 論

3.1 Cu、Ni的時(shí)間序列浸出規(guī)律分析

試驗(yàn)研究在不同溫度、pH值和光照強(qiáng)度條件下，Cu、Ni的時(shí)間序列浸出規(guī)律，結(jié)果表明，不論是溫度、pH值以及光照強(qiáng)度的變化均對(duì)固化后河湖底泥中Cu、Ni的浸出影響甚微。各因素下Cu、Ni的10天浸出率分別不超過(guò)3%和1%。

3.2 Cu、Ni的累積浸出規(guī)律分析

試驗(yàn)研究在不同溫度、pH值和光照強(qiáng)度條件下，Cu、Ni的累積浸出規(guī)律，①～試驗(yàn)，從第70天后出現(xiàn)重金屬Cu、Ni的累積浸出率拐點(diǎn)，70天后Ni的累積浸出率變化趨勢(shì)趨于平坦，且連續(xù)試驗(yàn)后重金屬Cu、Ni的浸出率依然較低，維持在較低百分比以下?？芍?，固化后河湖底泥中Cu、Ni的100天累計(jì)浸出率最大不超過(guò)9%和4%，其中90%以上的Cu和95%以上的Ni處于穩(wěn)定狀態(tài)。