飛灰道路利用的環(huán)境風險及其時空分異特性

孫淑娜,諶宏偉,折開浪,彭向訓,于振洋,姚光遠,徐 亞

飛灰道路利用的環(huán)境風險及其時空分異特性

孫淑娜1,2,諶宏偉1*,折開浪2,3,彭向訓1,于振洋1,姚光遠2,徐 亞2**

(1.長沙理工大學水利與環(huán)境工程學院,洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114；2.中國環(huán)境科學研究院，固體廢物污染控制技術(shù)研究所,環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室,北京 100012；3.吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院,吉林 長春 130118)

為在綜合考慮長期風化導(dǎo)致的污染物釋放變化、區(qū)域氣候條件差異、以及參數(shù)不確定性影響下,精細評估飛灰道路基材資源化利用過程對淺層地下水資源(在飲用水質(zhì)量方面)潛在風險及其時空分異特性，提出了一種綜合的基于風險的方法,可用于評估堿性廢料(如焚燒飛灰)部分替代公路墊層材料的回收潛力.將估算源濃度的浸出試驗結(jié)果與風險評估程序中通常采用的歸趨-遷移模型相結(jié)合,通過實驗室浸出試驗?zāi)M未風化和風化條件下的污染物釋放,采用Monte Carlo方法模擬參數(shù)不確定性對風險的影響,針對不同氣候特征對環(huán)境風險區(qū)域特性的影響進行評估.結(jié)果顯示:在華北地區(qū)典型氣候條件下,所識別的7種目標污染物中,Zn、Cd和Pb存在暴露點預(yù)測濃度超標的可能,超標概率分別為34%、96%和7%,導(dǎo)致其暴露濃度(以95%分位值表征)均超標,環(huán)境風險不可忽視;碳酸化作用會使得部分污染物的溶出特性發(fā)生變化,并導(dǎo)致長期風險的變化,具體到碳酸化后的暴露濃度,Cd呈下降趨勢,Ni和Zn基本不變或變化較小,Cr、Cu、As明顯增加但仍顯著低于標準限值,而Pb離子暴露濃度顯著增加的同時超標情況從1倍增加到3.5倍,需要引起重點關(guān)注;由于降雨等區(qū)域差異化參數(shù)的影響,不同區(qū)域之間風險差異較大,差異最大的干旱區(qū)和半干旱區(qū)暴露濃度相差近2倍;不同區(qū)域超標的共性污染物為Zn和Cd,另外,濕潤/半濕潤區(qū)域還存在Pb暴露濃度超標.

飛灰資源化；MonteCarlo方法；風險評估；區(qū)域差異；飛灰碳酸化

隨著垃圾焚燒行業(yè)的快速發(fā)展,生活垃圾焚燒飛灰的產(chǎn)生量和堆積量逐年增加[1].全國垃圾填埋場與危險廢棄物填埋場的容量已接近飽和,垃圾焚燒飛灰的資源化利用已成為發(fā)展的必然趨勢.近年來飛灰作為一種新型材料,可考慮作為替代筑路材料的部分基材,實現(xiàn)焚燒飛灰的無害化資源化利用,同時還可降低工程造價[2].

近年來,國內(nèi)外學者針對飛灰作道路基材的力學特性展開了大量實驗和工程測試,研究表明飛灰取代部分細集料、水泥滿足路基工程材料的承載力要求[3-8]

理論上,現(xiàn)代公路被設(shè)計得具有優(yōu)良的排水性能,可以減少地表水入滲對作為道路基材的飛灰的淋溶,進而減少飛灰中污染物的釋放和對地下水環(huán)境的負面影響;同時,由于埋藏于地下且特征污染組分以無機非揮發(fā)性污染物為主,意外接觸、蒸汽吸入等暴露途徑被切斷,飛灰道路基材利用過程的總體風險較小.因此,在詳細評估飛灰中所含污染物的釋放及其對環(huán)境和人類健康的潛在影響的基礎(chǔ)上,飛灰道路基材利用過程的環(huán)境風險是可控的.大量實驗表明,飛灰作道路基材所需關(guān)注的污染組分主要為Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb 和Hg等.

上述研究主要關(guān)注飛灰及其加工產(chǎn)物利用過程的浸出毒性和釋放特征,基于浸出濃度與地下水水質(zhì)限值的關(guān)系評估對淺層地下水環(huán)境的影響;部分學者還輔以簡化的DAF因子方法評估對地下水的環(huán)境影響.然而飛灰道路基材利用過程,污染物釋放及其在淺層潛水中的遷移歸趨受諸多因素和多個地表地下水文/水化學過程影響,DAF模型對污染物的釋放,及遷移歸趨過程進行了過度的簡化,可能放大了評估結(jié)果的不確定性,增加基于風險的管理決策難度;另外,模型中諸多參數(shù)均存在不確定性,比如降雨、入滲不僅存在日/月/年等不同時間尺度上的差異,各個不同區(qū)域間差異也較大,采用確定性的模擬浸出實驗或者確定性的模型參數(shù)難以準確表征飛灰道路過程地下水環(huán)境影響的嚴重程度及對應(yīng)可能性,也即風險.為克服這些不足,向銳等[14]和徐亞等[15-16]學者采用污染物歸趨-遷移模型以及不確定性模型耦合的方法研究固廢填埋處置過程的環(huán)境后果及對應(yīng)概率;Martina等[17]評估了利用焚燒爐渣道路利用的風險;但是填埋條件下污染物釋放、暴露和風險演化場景與道路利用存在差異,而飛灰與爐渣中污染物的釋放和環(huán)境風險特性也有差異,特別是在不同pH值和長期浸出特征方面,爐渣相較飛灰污染物含量較少且穩(wěn)定性更好,因此亟待綜合考慮復(fù)雜遷移-過程和參數(shù)不確定性精細評估飛灰資源化利用的風險.

本文提出了一種綜合的基于風險的方法,可用于評估堿性廢料(如焚燒飛灰)部分替代公路墊層材料的回收潛力.該方法旨在綜合考慮長期風化導(dǎo)致的污染物釋放變化、區(qū)域氣候條件差異、以及參數(shù)不確定性影響下,精細評估飛灰道路基材資源化利用過程對淺層地下水資源(在飲用水質(zhì)量方面)潛在風險及其時空分異特性.論文將估算源濃度的浸出試驗結(jié)果與風險評估程序中通常采用的歸趨-遷移模型相結(jié)合.為了模擬老化條件下污染物釋放特性,采用碳酸化處理飛灰進行實驗室浸出試驗與原灰進行比較;通過Monte Carlo模擬參數(shù)不確定性對風險的影響;通過區(qū)域差異化的降雨參數(shù)輸入刻畫不同區(qū)域的氣候特征的影響.

1 方法和材料

1.1 風險評估方法

1.1.1 暴露場景模擬 將生活垃圾焚燒飛灰作為非粘結(jié)材料用于道路基層建設(shè).飛灰作為路基材料使用主要位于地下某個深度,因此直接接觸(意外攝入、皮膚接觸或吸入灰塵等)暴露途徑可以排除;另一方面,焚燒飛灰中大多數(shù)檢測到的污染物不揮發(fā),因此蒸汽吸入的暴露途徑也可以預(yù)先排除.綜合考慮焚燒飛灰中殘留的污染物類型和本研究中假設(shè)的利用情景(路基填充物),暴露模型僅考慮污染物從飛灰中浸出滲透到地下水中這一暴露途徑,其暴露過程可以概化如圖1所示.

另外,實際道路會因地形或建筑因素而呈現(xiàn)彎曲狀態(tài),為了簡化模型,將道路近似處理成線段;如果需要評估的道路較長且蜿蜒曲折(圖2),則將其細分為幾個近似線性的路段,每個路段相當于1個獨立單元,按照圖1所示概化模型進行評估.

圖1　飛灰作為路基污染物暴露場景概化

圖2　彎曲道路簡化示意

1.1.2 風險評估程序 暴露點地下水中污染物的預(yù)期濃度poc,取決于暴露點(POC)的設(shè)置.當暴露點直接在源上方時,POC等于0),當暴露點距離源一段距離時,POC>0;上述不同條件下預(yù)期濃度分別按公式(1)和(2)計算.

式中:source表示該污染源的潛在可浸出濃度, mg/L;LF[-]浸出因子,即污染物在從源頭遷移到地下地下水過程中的衰減;DAF[-]污染物在地下水中的稀釋衰減系數(shù),當暴露點距水源一定距離時(POC>0),則應(yīng)考慮該系數(shù).

浸出因子可通過式(3)確定:

式中:LDF[-]是滲濾液稀釋系數(shù),用于表征含污染物的滲濾液遷移到到地下水過程中發(fā)生的濃度稀釋(ASTM, 2000):

(4)

式中:gw為地下水混合帶高度,m;gw為地下水達西流速,m/a;為地下水源區(qū)縱向?qū)挾?m;eff為地下水有效入滲速率,通常根據(jù)預(yù)期的年降水量(m/a)乘以凈入滲率[-]來估算,m/a.

地下水混合區(qū)厚度可通過式(2-5)確定:

式中:a(m)為地下水厚度;地下水達西流速通過式(2-6)確定:

式中:sat為土壤導(dǎo)水率,m/a;為地下水梯度,m/m;e[-]為飽和區(qū)有效孔隙度.

式(3)中的SAM[-]通常也包括在淋溶因子(LF)中,它是土壤衰減模型,主要考慮從滲濾液中提取的成分稀釋到受影響土壤帶下的干凈土壤,通過式(7)確定:

式中:為水源厚度,m;f為地下水位深度,m.

式(2)中的稀釋衰減因子(即DAF)考慮了各個方向(,,)的彌散現(xiàn)象,可通過式(8)確定:

式中:w為與地下水流正交的水源區(qū)寬度,m;gw為地下水混合帶厚度,見式(5),m;POC為與水源順應(yīng)點的距離,m;x、x、x分別為縱向、橫向和垂直彌散系數(shù),m.

式中:x、x、x可通過(9)～(11)式計算:

source在式(1)和式(2)代表污染源污染物的潛在可浸出濃度,可從實驗室浸出實驗結(jié)果中確定.根據(jù)上述假設(shè),可計算出符合poc點的地下水濃度為式(12)和式(13):

假設(shè)飛灰層下的滲濾液入滲速率eff,等于通過道路的平均凈入滲水量,即年降水量,乘以利用情景條件下預(yù)期的凈入滲速率.

假設(shè)暴露點(POC)位于污染源一定距離的地方,將污染物在包氣帶和地下水飽和帶中遷移擴散進行評估,通過與地下水水質(zhì)標準的比較,計算地下水資源的潛在風險.根據(jù)ASTM標準[18]的建議,假設(shè)攝入水的時間為30a.

1.1.3 Monte Carlo方法 該法是一種基于隨機數(shù)的計算方法,依賴重復(fù)的隨機抽樣得到的數(shù)值結(jié)果[23].在本研究中,從暴露源到污染物遷移過程中,各項參數(shù)難以用單一值表征.為了估計潛在風險的變化,對氣候、水文地質(zhì)條件等參數(shù)的不確定性影響污染物遷移擴散過程,進行Monte Carlo方法模擬,在預(yù)期的范圍內(nèi)隨機改變輸入?yún)?shù)以分析復(fù)合因素不確定性影響下DAF的概率分布.

表1　不確定性參數(shù)的分布范圍

主要考慮的不確定性參數(shù)包括地下水酸堿度、降水量、土壤導(dǎo)水率等.具體而言,路基層的厚度()是根據(jù)國內(nèi)交通公路一般路基填料幾何要求的標準值[24]中選擇的為0.3～1.2m;道路的寬度()為3.5～30m[25].選擇華北平原地區(qū)為風險評估的典型區(qū)域,其地下水位(L)假設(shè)在2～3m范圍內(nèi).路基層下土壤有效孔隙度e= 0.156～0.463,sat=8.24～153.46m/ a[20].地下水梯度在0.001～0.05m/m,厚度a在10～50m,統(tǒng)計北京地區(qū)2000～2019年間的降水量,降水量()取均值為489mm/a,呈對數(shù)正態(tài)分布,幾何標準差為11.3;假設(shè)路體凈入滲率()均值為7%,呈對數(shù)正態(tài)分布,幾何標準差為2,具體參數(shù)及其取值范圍見表1.

1.2 實驗材料處理

本研究中飛灰均于2020年6月從南宮生活垃圾焚燒廠采取,該廠位于北京市大興區(qū),焚燒爐為機械爐排爐,設(shè)計日處理生活垃圾1000t,采用煙氣凈化系統(tǒng)采用半干法脫酸+布袋除塵器+活性炭噴射+選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)的工藝流程,排放標準達到歐盟2000/76/EU標準.

所有樣品均為粉末狀,呈灰白色或暗灰色,含水率為2.19%,密度2.69g/cm3,為模擬長期風化條件下,飛灰浸出特性的長期變化,一組樣品直接進行浸出實驗?zāi)M并表征其污染物釋放特征;另一組在浸出實驗前,按照李為華等學者[26-28]方法在實驗室進行碳酸化,通過短時間內(nèi)高濃度碳酸化實驗?zāi)M長期條件下低濃度的自然老化導(dǎo)致的污染物釋放特性變化.碳酸化實驗采用混凝土碳酸化試驗箱(7H-2型),調(diào)整濕度為45%,溫度30℃,CO2濃度為20%,時長15d.

在實際使用場景中,飛灰和水泥、碎石按照4:5:91的比例混合后作為路基材料,經(jīng)擊實試驗與7d無側(cè)限抗壓強度等試驗,可滿足道路碎石基材的抗壓強度、抗劈裂強度、水穩(wěn)定性、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)以及干燥收縮等性能要求[29-34].模擬實驗濃度根據(jù)上述配比確定,但考慮到最終路基產(chǎn)品的浸出特性受水泥材料中本身有害組分濃度以及水泥對飛灰中有害組分固化效果等因素影響,不同水泥差異較大,因此采用飛灰進行浸出實驗得到飛灰浸出濃度,并根據(jù)4:100的配比換算為路基材料產(chǎn)品的浸出濃度,以排除水泥材料對浸出特性的干擾.高濃度碳酸化實驗以達到模擬效果.

本研究不考慮水泥對飛灰中污染組分的固化作用,采用純飛灰直接做室內(nèi)浸出實驗,故poc點最終的地下水濃度(mg/L)為式(14)和式(15):

1.3 浸出實驗

飛灰重金屬浸出方法依照國家標準《固體廢物浸出毒性浸出方法醋酸緩沖溶液法》(HJ/T 300— 2007)中的方法[35],稱取100g待測飛灰樣品,按照液固比為L/S=20:1加入醋酸浸提劑,蓋緊瓶蓋后固定在翻轉(zhuǎn)式振蕩裝置上,轉(zhuǎn)速為30r/min,于25℃下振蕩18h,4000r/min離心10min, 用0.45μm 的微孔濾膜過濾后,使用ICP-OES測量樣品中重金屬的含量.

浸出實驗結(jié)果表明,Hg及其化合物以及PAHs等濃度極低,因此將Hg以外的其他重金屬Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb等作為本研究的關(guān)注污染物進行重點研究.

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)果驗證

在采用Monte Carlo方法對參數(shù)不確定性進行分析過程中,迭代次數(shù)是影響最終結(jié)果的重要因素.優(yōu)化出一個合適的迭代模擬次數(shù)可以提高準確度、節(jié)約時間、減少計算資源浪費.將不同迭代次數(shù)下累計頻率為5%、10%、50%、90%、95%、99%、99.99%的污染物遷移擴散倍數(shù)分別取100組,并統(tǒng)計其標準差.

圖3　不同累計頻率在不同迭代次數(shù)時標準差分布圖

如圖3所示,不同百分位的標準差均隨迭代次數(shù)的增大而降低,即迭代次數(shù)越高數(shù)據(jù)越穩(wěn)定.在統(tǒng)計過程中,設(shè)定第+1次迭代與次迭代的標準差變化在0.00002以內(nèi),則次迭代即可使數(shù)據(jù)達到穩(wěn)定.如圖4所示,5000次計算可以滿足5%、10%、50%、90%、95%累計頻率下數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性;若希望獲得累計頻率為99%、99.99%的穩(wěn)定數(shù)據(jù)分布,則需要進一步提高迭代次數(shù).

圖4　5000與5001迭代次數(shù)下不同累計頻率標準差

2.2 原灰在華北地區(qū)做路基填充材料對地下水的污染風險

2.2.1 污染組分濃度累計頻率分布(暴露點超標概率) 為更直觀的觀測污染組分在地下水中的超標情況,將各種污染物在地下水中的預(yù)測值與其對應(yīng)限值進行了比較,得到了各污染組分相對Ⅲ類地下水限值[36]的占標率.計算方法見式(16),計算結(jié)果如圖5所示.從圖中可知,Cr、Ni、Cu和As4種污染物經(jīng)地下水遷移轉(zhuǎn)化后濃度的占標率分布均在0.00017～0.07之間,風險完全可控;Pb占標率的最大值在0.6左右,無超標風險,但需引起關(guān)注;Zn和Cd經(jīng)地下水遷移轉(zhuǎn)化后濃度的占標率有大于1的可能,超出Ⅲ類地下水限值的概率分別是0.86%、73%.

式中:P為第個污染物濃度占標率,%;Ci為估算模式計算出的第個污染物濃度,mg/L;0i為第個污染物的Ⅲ類地下水限值,mg/L.

為分析Zn、Cd和Pb出現(xiàn)超標可能性的原因,我們定義污染物從固廢中的浸出濃度與其對應(yīng)的環(huán)境標準限值的比值(式17)為潛在危險指數(shù)(PHI, Potential Hazardous Index),并分析污染物PHI大小與其超標概率的關(guān)系.

式中:CPi為第i個污染物濃度潛在危險指數(shù),%;Cji為第i個污染物浸出濃度實測值,mg/L.

根據(jù)式(16)計算得到的Zn、Cd和Pb3種污染物的PHI值如圖6所示.從圖中可知,3種污染物的PHI均大于100,其中超標概率最高的Cd離子的潛在危險系數(shù)高達1526.這說明污染物的超標概率與PHI有直接關(guān)系,PHI可以表征固廢資源化過程中某種污染物的析出對環(huán)境造成的潛在危害.分析其原因,是因為污染物浸出濃度的大小直接反應(yīng)飛灰道路基材使用過程中可以析出有害物質(zhì)的能力;而環(huán)境標準限值通常與該污染物質(zhì)的毒性大小高度相關(guān).

進一步分析可知,Zn的PHI值高是因其浸出濃度高達241.005mg/L;Cd的浸出濃度15.26mg/L低于Zn,但其潛在危險系數(shù)最高,是Zn的6倍左右,原因是因為Cd離子毒性更強.Cd離子可通過消化道侵入人體,會造成肺、骨、腎、肝、免疫系統(tǒng)和生殖器官等產(chǎn)生一系列損傷[37],其嚴重超標不僅會對環(huán)境造成影響, 更會使人體健康面臨巨大考驗[38],故限值相較其他離子更低;Pb離子的潛在危險系數(shù)是120.1,主要也是因其毒性強,很容易被胃腸道吸收,它對人體的腎臟、大腦、血液、神經(jīng)系統(tǒng)等會造成不可逆的損傷[39].

圖6　污染組分潛在危險指數(shù)

上述結(jié)論與其他學者的研究結(jié)論相似,均表明Zn、Cd和Pb是飛灰利用處置過程中需要重點關(guān)注的污染物.如武志明[40]在對垃圾焚燒飛灰做毒性浸出實驗時,檢出Cr、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb6種重金屬元素,其中Zn、Cd、Pb3種重金屬元素在多個樣品中出現(xiàn)濃度超標情況,與本研究中的實驗結(jié)果基本一致.另外,研究表明[41-42],我國生活垃圾焚燒飛灰中超標的重金屬主要以Pb和Cd為主,且這些重金屬會與醋酸反應(yīng)生成絡(luò)合物,促進其浸出,使得其PHI進一步增大.

2.2.2 第95%分位值超標情況(暴露濃度超標情況)風險評估中濃度控制上限(upper control limit, UCL)是對污染物風險監(jiān)控的重要參數(shù).

圖7　50%、95%、99.99%分位值污染組分濃度對比

目前國際上將這一概念定義為對污染物暴露點濃度(exposure point concentration, EPC)的估計.即污染物在大量數(shù)據(jù)樣本中平均濃度的保守估計,最常使用的是污染物取樣樣本算數(shù)平均值的95%置信上限.而國內(nèi)固體廢物資源化風險評估取值多為污染物濃度的中位數(shù)或最大值.

為此本文比較不同累計頻率下的地下水中污染物濃度,結(jié)果如圖7所示.從圖中可知,不同累計頻率下,同一種污染物的濃度差距最高可達4.6倍.反映平均水平的50%分位值暴露濃度是是95%分位值的1/3;反映極為不利情景下的99.99%分位值暴露濃度為95%分位值的1.6倍.顯然,若取中位數(shù)為暴露濃度,風險值會偏小,低估風險;若取最大值為暴露濃度,風險評估過于保守,造成過度無害化處置,增加再利用過程資源和能源消耗,不利于減污降碳協(xié)同增效.

因此,本文定義95%置信區(qū)間上限值為暴露濃度,不同污染物的暴露濃度見表2.從表中可知,6種污染組分的暴露濃度在標準限值以內(nèi),風險在可控范圍內(nèi).其中Cr、Ni、Cu、和As這4種污染組分的暴露濃度均低于標準限值的1/50,風險極低;Zn、 Pb的暴露濃度接近標準限值.僅有Cd離子的暴露濃度超標,為標準限值的4.55倍,需引起重視.

表2 南宮焚燒飛灰做道路填充材料污染組分濃度與標準值的對比(mg/L)

2.3 區(qū)域條件對地下水污染風險的影響

不同區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)及氣候條件的變化均會影響污染組分遷移擴散的過程.我國幅員遼闊,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地下水賦存類型多樣且空間分布規(guī)律不明顯,從水文地質(zhì)條件上劃分區(qū)域困難.而降水量作為氣候最重要的要素之一,同時直接影響路基填充材料中有害物質(zhì)析出的液固比,故本文將降水量作為分區(qū)的依據(jù),選取干旱、半干旱、半濕潤、濕潤4個區(qū)域討論飛灰做路基填充材料對地下水污染風險的區(qū)域差異性.

由表3可知,南宮飛灰路基材料利用場景下,干旱區(qū)域與半干旱/濕潤/半濕潤區(qū)域的風險存在明顯差異.在干旱區(qū)域內(nèi),7種觀測的污染組分暴露濃度均低于Ⅲ類地下水限值,風險在可控范圍內(nèi),其中Cr、Ni、Cu、Zn、As和Pb6種污染組分的占標率分布在0.00026～0.1087之間,遠低于1,在風險可控范圍內(nèi);Cd離子在干旱區(qū)利用條件下,暴露濃度是標準限值的59%,雖然比較接近標準限值,存在一定風險,但仍處于可接受范圍.

而在半干旱地區(qū),Cd離子的暴露濃度出現(xiàn)超標情況,是標準限值的1.38倍,輕微超標,其他污染組分的占標率在0.00092～0.1653之間;在半濕潤/濕潤地區(qū),仍僅有Cd這一種污染組分出現(xiàn)超標情況,且其他6種污染組分的占標率遠小于1,風險在可控范圍內(nèi).

從降水量的分區(qū)縱向觀察,顯然,固廢道路利用情景下,暴露濃度和環(huán)境風險與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系,均隨降雨量的增大而增大.值得注意的是包氣帶厚度和包氣帶介質(zhì)特性,以及土壤特性(如酸堿度、有機質(zhì)含量等)、降水的pH值會影響飛灰中污染物液固分配和釋放、在地下介質(zhì)中的吸附衰減等,進而對影響最終的風險.但研究表明,從全國尺度來看,存在明顯區(qū)域省域差異并對風險影響明顯的主要是降雨或凈降雨.這也是美國等國外發(fā)達國家將區(qū)域降雨量的大小作為固體廢物管理豁免重要依據(jù)指標的原因,如美國《小型豁免填埋場固體廢物處置設(shè)施標準》文件規(guī)定,降雨量小于635mm/a的地區(qū)[43],生活垃圾填埋場建設(shè)可以不滿足正規(guī)生活垃圾填埋場的防滲、導(dǎo)排等要求.其他特性參數(shù)在省域間缺乏明顯或者當前科學技術(shù)條件下可表征的差異性規(guī)律,在本文中沒有深入進行討論.但考慮到這些參數(shù)對風險的影響,建議在對飛灰等固廢資源化利用的具體項目進行環(huán)境影響評價或風險評價時應(yīng)該充分考慮上述因素的影響.

表3 南宮飛灰在不同區(qū)域內(nèi)各污染組分的暴露濃度(mg/L)

2.4 碳酸化對地下水污染風險的影響

碳酸化以后的地下水風險評估結(jié)果如表4所示.有5種污染物碳酸化后暴露濃度低于限值,且其中4種污染物Cr、Ni、Cu和As碳酸化后暴露濃度不超過標準限值的1/10;2種超標污染物分別是Cd和Pb離子,其暴露濃分別是標準限值的6.80倍、1.18倍.

進一步分析碳酸化前后,各污染物濃度的變化.7種特征污染物中,碳酸化后暴露濃度明顯降低的是Cd,但其降低后仍超出標準限值3倍左右;碳酸化后暴露濃度及超標情況不變或者變化很小的是Ni和Zn;碳酸化后暴露濃度顯著增加的是Cr、Cu、As、Pb.其中Cr、As、Cu雖然顯著增加,但增加后濃度仍低于標準限值的1/10,風險變化可忽略;Pb離子暴露濃度顯著增加,且由未超標變成超標情況,需要特別關(guān)注其長期環(huán)境風險.

碳酸化后的飛灰經(jīng)遷移擴散后在觀測井處的重金屬離子濃度變化主要是因為飛灰碳酸化后的浸出濃度發(fā)生變化.

圖8顯示了南宮生活垃圾焚燒廠飛灰與碳酸化后的飛灰中重金屬的浸出濃度,由圖可知,經(jīng)過碳酸化后(模擬自然老化)的飛灰Ni和Zn離子浸出濃度變化幅度不大,基本可忽略;Cd離子濃度變小,僅有原灰的3/4;Cr、Cu、As和Pb離子的浸出濃度明顯增大,其中Cr和As離子變化幅度最大,分別為原灰浸出濃度的6.78和9.05倍,這可能是反應(yīng)過程中,Cr離子隨著碳酸化反應(yīng)先生成難溶的Cr(OH)3,但隨著反應(yīng)時間延長,會氧化為Cr6+,從而易被浸出,且飛灰中的Ca離子與CO32-離子生成CaCO3沉淀,伴隨著

圖8　南宮原灰與碳酸化飛灰重金屬浸出濃度對比

表4 南宮焚燒飛灰原灰與模擬老化后做道路填充材料污染組分濃度與標準值的對比(mg/L)

pH值的降低,部分離子更易析出.Pb離子在4種碳酸化后浸出濃度增大的離子中,雖然增幅不是最大,但是碳酸化后的暴露濃度在原灰做路基填充材料就超標的情況下,提高到原灰的3.32倍,需特別關(guān)注.研究表明,Pb的性質(zhì)穩(wěn)定難以降解,是對人體極為有害的重金屬元素[44-45].若地下水中Pb離子濃度超標,Pb其化合物可經(jīng)消化道進入人體,引起貧血、腦水腫和肝臟損傷等器官危害.因此評估飛灰路基利用的環(huán)境風險時,應(yīng)重點關(guān)注自然老化導(dǎo)致的Pb釋放增加和環(huán)境風險增大.

3 結(jié)論

3.1用5000次不確定性迭代計算可以滿足用于評估地下水污染風險數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性要求.

3.2在華北地區(qū)典型氣候條件下,所識別的7種目標污染物Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb中Zn和Cd均存在暴露點預(yù)測濃度超標的可能,超標概率分別為0.87%和73%,且上述污染物中Cd以95%分位值表征的暴露濃度大于對應(yīng)的Ⅲ類地下水限值,環(huán)境風險不可忽視.

3.3由于降雨等區(qū)域差異化參數(shù)的影響,不同區(qū)域之間風險差異較大,差異最大的干旱區(qū)和濕潤區(qū)相差4.44倍.干旱/半干旱區(qū)域中觀測污染組分均為超標,6種污染組分占標率均遠小于1,僅有Cd暴露濃度在半干旱區(qū)接近限值標準,濕潤/半濕潤區(qū)域Cd暴露濃度存在輕微超標情況.

3.4飛灰道路填充材料使用過程中的碳酸化作用會使得部分污染物的釋放特性發(fā)生變化,并導(dǎo)致利用過程長期環(huán)境風險的變化,其中碳酸化后,暴露濃度降低的是Cd,暴露濃度及超標情況不變或者變化很小的是Ni和Zn,暴露濃度明顯增加但仍顯著低于標準限值的是Cr、Cu、As;碳酸化后Pb離子暴露濃度顯著增加的同時超標情況從未超標變成超標,是考慮飛灰道路基材利用的長期風險時需要重點關(guān)注的污染物.

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Environmental risk characteristics and temporal and spatial differentiation characteristics of fly ash road filling and utilization.

SUN Shu-na1,2, CHEN Hong-wei1*, SHE Kai-lang2,3, PENG Xiang-xun1, YU Zhen-yang1, YAO Guang-yuan2, XU Ya2**

(1.Key Laboratory of Dongting Lake Aquatic Eco-Environmental Control and Restoration of Hunan Province, School of Hydraulic and Environmental Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China；2.State Key Laboratory of Environmental Benchmarks and Risk Assessment, Research Institute of Solid Waste Management, Chinese Research Academy of Environment Science, Beijing 100012, China；3.College of Municipal and Environmental Engineering, Jilin University of Construction, Changchun 130118, China)., 2022,42(6)：2714～2723

A comprehensive risk-based method was proposed to assess the potential risk and spatio-temporal differentiation of shallow groundwater resources (in terms of drinking water quality) in the process of recycling fly ash road base materials under the influence of comprehensive consideration of pollutant release changes caused by long-term weathering, regional climate conditions and parameter uncertainty. It could be used to evaluate the recovery potential of alkaline wastes (such as incineration fly ash) to partially replace highway cushion materials. The results of the leaching test for estimating the source concentration were combined with the fate migration model commonly used in the risk assessment procedure. The pollutant release under unweathered and weathered conditions was simulated through the laboratory leaching test. The impact of parameter uncertainty on the risk was simulated by Monte Carlo method, and the impact of different climatic characteristics on the characteristics of environmental risk areas was evaluated. The results showed that under the typical climatic conditions in North China, among the seven identified target pollutants, the predicted concentrations of Zn, Cd and Pb at the exposure points might exceed the standard, with the probability of exceeding the standard of 34%, 96% and 7% respectively. As a result, their exposure concentrations (represented by 95% quantile) exceeded the standard, and the environmental risk could not be ignored; Carbonation would change the dissolution characteristics of some pollutants and led to changes in long-term risks. Specifically, with regarded to the exposure concentration after carbonation, Cd showed a downward trend, Ni and Zn remained basically unchanged or changed slightly, Cr, Cu and as increased significantly but were still significantly lower than the standard limit, while the exposure concentration of Pb ions increased significantly and the exceeding standard increased from 1 to 3. 5 times, which requires special attention; Due to the influence of regional differential parameters such as rainfall, the risk difference between different regions was large, and the exposure concentration difference between the arid and semi-arid regions with the largest difference was nearly 2 times; The common pollutants exceeding the standard in different areas were Zn and Cd. In addition, there were Pb exposure concentrations exceeding the standard in humid / semi humid areas.

fly ash recycling; Monte Carlo method; risk assessment; regional differences; fly ash carbonation

X705

A

1000-6923(2022)06-2714-11

孫淑娜(1997-),女,湖北荊門人,長沙理工大學碩士研究生,主要從事地下水環(huán)境風險評估方面研究.

2021-10-28

國家重點研發(fā)計劃項目(2020YFC1806304);湖南省水利科技項目(XSKJ2019081-09)

* 責任作者, 副教授, 303424977@qq.com; ** 副研究員, xuya@craes.org.cn