重金屬污染土壤異位淋洗技術(shù)工程應(yīng)用解析

王成楨 孫啟剛 梁仁剛 何茂金 王 濤 肖 超

（杰瑞環(huán)保科技有限公司，山東 煙臺 264003）

1 重金屬土壤污染特性

重金屬污染屬于無機(jī)污染物污染，土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳、鋅。國內(nèi)外環(huán)境科學(xué)界以Tessier連續(xù)提取法將土壤重金屬分為5種形態(tài)，即離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵猛氧化態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)，淋洗技術(shù)可有效降低土壤中離子交換態(tài)，碳酸鹽結(jié)合態(tài)以及部分有機(jī)結(jié)合態(tài)的重金屬污染，從而降低重金屬的活性，減少對環(huán)境的污染；土壤重金屬淋洗技術(shù)主要通過淋洗液，將重金屬轉(zhuǎn)移至液相中，同時通過篩分將污染較少的大顆粒物篩分出來[1]，實(shí)現(xiàn)減量化，其基本理論依據(jù)是重金屬污染更易富集在較小的土壤粒徑上，呈現(xiàn)明顯的粒度效應(yīng)。在杰瑞承接的大量淋洗工程項(xiàng)目中，基本符合這一規(guī)律，圖1為杰瑞設(shè)備應(yīng)用的某處理現(xiàn)場Cd元素含量與粒徑關(guān)系勘探結(jié)果（圖1），從該數(shù)據(jù)可以分析出Cd元素含量基本上隨粒徑的減小而增加。大量的重金屬Cd元素富集在粒徑150微米以下的土壤顆粒中。

圖1 某處理現(xiàn)場Cd元素含量與粒徑關(guān)系

2 重金屬污染土壤異位淋洗工程應(yīng)用介紹

重金屬污染土壤異位淋洗是指通過添加水或增效劑，采用物理分離或增效淋洗等手段，分離污染較重的土壤組分或?qū)⒏患诠滔嗌系奈廴疚镛D(zhuǎn)移到液相的技術(shù)，淋洗處理可以有效地減少重金屬污染土壤的固化/穩(wěn)定的處理量，實(shí)現(xiàn)減量化，同時實(shí)現(xiàn)一定比例的物料資源化利用。異位淋洗技術(shù)在重金屬污染土壤處理領(lǐng)域逐漸被應(yīng)用，有效降低了處理成本及對土壤的二次污染，尤其適用于砂質(zhì)土壤的重金屬污染。

圖2是杰瑞在某重金屬異位淋洗作業(yè)現(xiàn)場采用的作業(yè)流程，該流程由預(yù)處理、分級處理、濃縮處理、脫水處理、水處理、穩(wěn)定化處理等組成；該項(xiàng)目待處理物料偏砂質(zhì)，但存在大量的雜物如植物根系等，因此在進(jìn)行淋洗作業(yè)前需要進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理在較多的淋洗工程中均有應(yīng)用，預(yù)處理的目的是將容易造成設(shè)備堵塞的植物根系及大顆粒物料等提前去除，確保設(shè)備能夠穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，減少維護(hù)停機(jī)成本；重金屬異位淋洗技術(shù)的核心在于分級處理，分級處理是該技術(shù)中決定減量化層度的關(guān)鍵，將重金屬含量達(dá)標(biāo)的土壤盡可能多地分離出來取決于粒徑篩分的精度和準(zhǔn)確性，在工程應(yīng)用中，因不同區(qū)域受污染的層度以及污染物的種類不同，導(dǎo)致合格物料粒徑范圍會有較大的波動，需要根據(jù)勘察結(jié)果預(yù)判合適的粒徑劃分范圍，在該現(xiàn)場采用了不同的分級設(shè)備來實(shí)現(xiàn)精確粒徑控制，如滾筒洗砂機(jī)、振動篩、螺旋洗砂機(jī)、旋流器等設(shè)備，該項(xiàng)目現(xiàn)場將粒徑劃分為50mm以上、1mm～50mm、150μm～1mm、75μm～150μm，篩分后不同粒徑等級的物料再經(jīng)過取樣測試確定重金屬含量達(dá)標(biāo)的粒徑范圍，重金屬含量達(dá)標(biāo)的土壤可以回填或具有經(jīng)濟(jì)價值的資源化利用，而富集有高濃度重金屬的土壤微粒需要進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理；經(jīng)分級后的淋洗液中含有大量重金屬超標(biāo)的土壤細(xì)粒，這部分土壤細(xì)粒需要通過濃縮處理從淋洗液中分離出來，常見的方法是采用重力沉降原理進(jìn)行濃縮，在該項(xiàng)目現(xiàn)場由于75μm以下顆粒較多，采用了多級沉降罐及加藥加速沉降的方式進(jìn)行濃縮，在濃縮過程中需要關(guān)注淋洗液中固相的含量，當(dāng)淋洗液中固相含量較高時要采用多級分離，避免固相過多沉降罐負(fù)荷較大導(dǎo)致沉降效果差，同時沉降罐容易淤堵造成淋洗作業(yè)停滯。濃縮后產(chǎn)生的固相含水率極高，不能直接固化/穩(wěn)定化，這部分含水量極高的土壤細(xì)粒則需要在進(jìn)行脫水處理，盡可能地降低含水率，從而降低固化/穩(wěn)定化處理的成本，土壤細(xì)粒的脫水方法有很多，可采用離心分離設(shè)備、帶式脫水機(jī)、板框壓濾等設(shè)備，各種方法各有優(yōu)劣，當(dāng)需要連續(xù)作業(yè)且占地較小時可選擇帶式脫水機(jī)和離心分離設(shè)備，但帶式脫水機(jī)濾帶易于磨損，耗損較大，離心分離設(shè)備耗電量較大，操作難度高，當(dāng)對占地面積沒有太大限制時可采用多臺板框壓濾解決其不能連續(xù)作業(yè)的問題。該項(xiàng)目現(xiàn)場由于含砂較高，易造成帶式脫水機(jī)濾帶磨損，同時考慮到占地問題，采用了離心分離設(shè)備，處理后的物料含水率約85%，基本達(dá)到了降低含水率的目的，同時該含水率也有利于進(jìn)行固化/穩(wěn)定化作業(yè)；經(jīng)過淋洗后的淋洗液雖然去除了土壤細(xì)粒，但土壤中易于溶解的重金屬成分進(jìn)入至淋洗液中，隨著不斷地淋洗，其重金屬濃度含量增高，不能再進(jìn)行淋洗作業(yè)且不能隨意排放，同時淋洗作業(yè)過程會使用大量淋洗液，淋洗液不進(jìn)行處理就會產(chǎn)生大量的廢液。為解決該問題，需要實(shí)現(xiàn)淋洗液的循環(huán)利用，該項(xiàng)目現(xiàn)場引入了水處理工藝，通過加藥將液相中的重金屬螯合，沉降去除，使淋洗液循環(huán)使用，減少淋洗液用量，減少工程運(yùn)營成本，沉降后的重金屬螯合物經(jīng)過脫水，再固化/穩(wěn)定化處理，在整個作業(yè)過程中幾乎不產(chǎn)生廢液，只需要根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)充作業(yè)過程中損耗的淋洗液即可。

圖2 重金屬污染土壤淋洗技術(shù)流程圖

3 淋洗與其他處置技術(shù)對比

近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤中重金屬含量不斷增加，土壤重金屬污染已成為社會普遍的環(huán)境問題，國家環(huán)保法律法規(guī)的不斷健全，土壤重金屬污染處理技術(shù)也在不斷完善，其中可分為淋洗技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)、固化修復(fù)技術(shù)、熱力學(xué)修復(fù)技術(shù)、電力學(xué)修復(fù)技術(shù)、換土改良技術(shù)等。

通過處理量、處理成本、處理周期等方面的比較分析（表1），可以看出土壤淋洗技術(shù)優(yōu)勢明顯，可實(shí)現(xiàn)處理無二次污染，降低對土壤的傷害，最大程度地保持土壤活性，實(shí)現(xiàn)具有經(jīng)濟(jì)價值的資源化利用；但該技術(shù)也存在局限性，其主要的目的是減量化，而不是最終處理技術(shù)，需要與其他技術(shù)相結(jié)合，同時土壤的粒徑組成對該技術(shù)有極強(qiáng)的限制。因此該技術(shù)在土壤粒徑組成能滿足要求的情況下，具有較高的市場應(yīng)用價值，在歐美、韓國等國家均有成功的應(yīng)用，國內(nèi)在砂質(zhì)土壤重金屬污染領(lǐng)域也在積極推廣和應(yīng)用。

表1 重金屬污染土壤處理技術(shù)對比表

4 粒徑分布對工程應(yīng)用的影響

淋洗工藝處理結(jié)果的評定標(biāo)準(zhǔn)以物料的重金屬含量及種類為主要依據(jù)，影響處理結(jié)果的因素有很多，如原料中重金屬的形態(tài)、含量、組成等，這些因素會直接或間接影響淋洗作業(yè)流程及處理后的效果，在工程應(yīng)用中，工程成本是評價工程施工優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)合杰瑞在多個現(xiàn)場的處理經(jīng)驗(yàn)，土壤粒徑分布情況，直接影響減量化的比例，進(jìn)而影響工程成本，是決定淋洗工藝是否能夠應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)。較小粒徑的土壤比例含量過高，土壤富集重金屬的能力增加，重金屬洗脫難度增大，從而造成單位時間內(nèi)處理量下降且篩分出重金屬含量達(dá)標(biāo)的大顆粒物占比較低，淋洗作業(yè)后的大量物料需要進(jìn)行固化/穩(wěn)定化，工程成本增加。 結(jié)合杰瑞多年的積累經(jīng)驗(yàn)及實(shí)踐，在其他條件相對一致的情況下，粒徑分布對處理量的影響趨勢如圖3；從該圖中可以分析得到，小顆粒物的含量多少對淋洗技術(shù)處理量的影響非常大，在小顆粒物含量超過15%時，同類型物料的處理量迅速下降，處理成本及處理難度會迅速增加，減量化的效果大幅下降，原則上該技術(shù)不再適合工程應(yīng)用。在杰瑞接觸的重金屬污染土壤治理工程中，針對小顆粒含量超標(biāo)的現(xiàn)場，一般推薦直接進(jìn)行固化/穩(wěn)定化作業(yè)，如強(qiáng)行進(jìn)行淋洗作業(yè)，由于小顆粒物含量高，前端篩分出的達(dá)標(biāo)大顆粒物料占比極低，處理量極低，減量化效果差且會導(dǎo)致濃縮作業(yè)出現(xiàn)淤堵，脫水作業(yè)強(qiáng)度增加，成本大幅增加，最終進(jìn)行固化/穩(wěn)定化的物料占比高，無法達(dá)到減量化降本目的，因此此類現(xiàn)場一般直接進(jìn)行固化/穩(wěn)定化作業(yè)是較好的選擇。

圖3 粒徑分布對處理量的影響趨勢

5 淋洗工程驗(yàn)收依據(jù)

重金屬污染土壤經(jīng)淋洗工藝處理后，會產(chǎn)生三類基本產(chǎn)物：重金屬含量較少的大顆粒物料、重金屬富集的淋洗液以及濃縮脫水后富集重金屬的細(xì)粒。結(jié)合杰瑞多個成功交付的淋洗工程中的經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的法律法規(guī)，此類工程可參考以下標(biāo)準(zhǔn)作為驗(yàn)收依據(jù)：

重金屬含量較少的大顆粒物料，此類物料是淋洗減量化的主要目標(biāo)，經(jīng)淋洗后其重金屬含量需要達(dá)標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)回填或具有經(jīng)濟(jì)價值的資源化利用，有利于降低工程成本。此類物料主要的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可參照GB 36600-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量建筑用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》以及GB 15618-2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)要求執(zhí)行，在具體項(xiàng)目中需要根據(jù)不同的污染物及處理后土壤最終的用途，選擇合適的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

重金屬富集的淋洗液是淋洗減量化作業(yè)中必然的產(chǎn)物，根據(jù)杰瑞在各現(xiàn)場的工程經(jīng)驗(yàn)，淋洗液的使用量是被處理對象的2～3倍甚至更高，此類溶液中重金屬含量遠(yuǎn)超過國家相關(guān)規(guī)定，單位體積內(nèi)其富含的重金屬指標(biāo)接近或者超過原料中的重金屬指標(biāo)，因此不可直接進(jìn)行循環(huán)使用。而工程實(shí)際作業(yè)中，需要配備相應(yīng)的水處理系統(tǒng)，用于降低循環(huán)過程中淋洗液的重金屬濃度，實(shí)現(xiàn)淋洗液循環(huán)使用，降低工程成本。工程結(jié)束后，剩余的淋洗液最終需要進(jìn)行處置，如按照危險(xiǎn)廢棄物進(jìn)行處置，成本太高，一般工程中會通過水處理系統(tǒng)，將指標(biāo)降至法規(guī)許可范圍內(nèi)，達(dá)標(biāo)排放至污水管網(wǎng)或其他地域，經(jīng)處理后淋洗液指標(biāo)可參照GB 8978-1996《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》中的要求，具體執(zhí)行時需要根據(jù)排放的方式及地域，選擇合適的排放等級標(biāo)準(zhǔn)。

濃縮脫水后富集重金屬的細(xì)粒，此類物料中富集了原物料中的重金屬，其重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)且粒徑較小，在工程應(yīng)用中已經(jīng)不適合再次進(jìn)行淋洗減量化作業(yè)，此類物料一般需要進(jìn)行固化/穩(wěn)定化處理。處理后的物料要求按照浸出毒性評估方法進(jìn)行評估，當(dāng)前階段我國通常使用的檢驗(yàn)土壤毒性的辦法是浸出毒性評估，一般采用醋酸緩沖液法或硫酸硝酸法，其中使用率最高的是硫酸硝酸法[2]；當(dāng)污染土壤固化/穩(wěn)定化處理后進(jìn)行原址或異地填埋時，其評估標(biāo)準(zhǔn)可參考GB/T 14848-1993《地下水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》或根據(jù)污染物濃度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估推算確定；由于pH值對固化/穩(wěn)定化后的物料毒性影響較大，尤其是當(dāng)周圍環(huán)境pH值呈現(xiàn)酸性時，物料將逐漸恢復(fù)毒性，因此當(dāng)污染土壤固化/穩(wěn)定化后再利用時，需要根據(jù)再利用的具體情景選擇相對應(yīng)的評估方法與標(biāo)準(zhǔn)，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

土壤淋洗技術(shù)在重金屬污染土壤領(lǐng)域的應(yīng)用，具有一定的優(yōu)勢，可避免對土壤的二次污染，有效降低處理成本。但在工程應(yīng)用過程中，需要關(guān)注減量化層度，充分評估可行性，尤其是粒徑分布對工程應(yīng)用的影響，降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)。分級出不同粒徑的物料以及淋洗液的達(dá)標(biāo)處理，是工程交付的關(guān)鍵，須嚴(yán)格按照相應(yīng)法律法規(guī)進(jìn)行處理，避免發(fā)生潛在的環(huán)境二次污染風(fēng)險(xiǎn)。