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重金属复合污染土壤的淋洗修复试验研究

来源:专题范文 时间:2024-01-30 18:57:02

陈 晨

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

重金属污染是我国主要的土壤环境污染问题,根据《全国土壤污染状况调查公报》,污染类型以无机型为主,无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。重金属污染土壤修复技术主要包括工程措施(客土、换土等)、物理化学修复(土壤淋洗、电动修复等)、化学修复(固化、稳定化等)、生物修复(植物修复、微生物修复等)。土壤淋洗技术可快速将污染物从土壤中移除,短时间内完成高浓度污染土壤的治理,且治理费用相对较低[1]。土壤淋洗技术的修复效果受土壤质地特征、污染物类型、污染程度、淋洗剂种类与浓度、淋洗时间等因素的影响。孙涛等[2]总结了不同淋洗剂对重金属去除效果的影响,并综述了最优淋洗条件的研究。陈欣园等[3]研究了不同淋洗剂对铜、镉、铅、锌等重金属的去除效果、形态分布和土壤理化性质的影响。吴烈善等[4]研究了三种环境友好型淋洗剂对铜、铅、锌等重金属的淋洗效果,并研究了淋洗剂最佳配比、淋洗剂添加方式和淋洗时间。李玉双等[5]研究了柠檬酸对镉、铜、铅等重金属复合污染土壤的淋洗效果。

随着可持续发展要求的逐步提高,土壤淋洗剂逐渐向具有良好生物降解性和生物适应性的类型发展,如天然有机酸、生物表面活性剂等[1]。本文使用一种天然有机酸——柠檬酸对砷、镍、钴、铜等重金属复合污染土壤进行淋洗试验,研究淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等因素对修复效果的影响,分析淋洗废水的处理方法,以确定淋洗工艺最优参数,为后续修复工程提供理论依据。

1.1 试验材料

试验土壤取自某污染地块,采样深度为0.3~1.0 m,根据前期调查确定超标重金属为砷、镍、钴和铜。淋洗剂为柠檬酸,纯度为分析纯。试验用水为去离子水。

根据土工试验报告的粒径分布结果,该地块0.3~1.0 m处的土壤中,细砂粒和粉粒的总量占比接近70%,各粒径土粒组成如表1所示。因此,本研究重点关注该部分细颗粒土壤的淋洗效果。试验土壤处理方法为:将土壤样品风干后,过60目筛(粒径小于0.25 mm),然后称重备用。

表1 试验土壤样品土粒组成

1.2 试验设计

取若干反应瓶,每个反应瓶中放置50 g处理后的土壤,然后加入淋洗剂,使用翻转振荡器以180 r/min的转速进行淋洗;
振荡完成后,利用离心机以3 000 r/min的转速离心10 min;
将收集的离心液过孔径0.45 μm的滤膜,泥水分离后分别检测土壤和淋洗废水的重金属含量,并计算土壤中重金属去除率。本研究针对淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等三项参数进行对比试验。

1.2.1 淋洗剂浓度

利用柠檬酸和去离子水配制淋洗液,保持淋洗液总量不变,分别配制浓度0 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L的150 mL淋洗液,淋洗时间为1 h。淋洗处理后,土壤样品编号分别为S1、S2、S3。

1.2.2 淋洗土水比

以浓度0.3 mol/L的150 mL淋洗液为基础,保持淋洗药剂量0.045 mol(柠檬酸)不变,调整淋洗液总量,分别配制150 mL、200 mL、250 mL的淋洗液,即土水比分别为1∶3、1∶4和1∶5,淋洗时间为1 h。淋洗处理后,土壤样品编号分别为R1、R2、R3。

1.2.3 淋洗时间

根据淋洗剂浓度和淋洗土水比两项条件试验确定的最优淋洗条件(淋洗剂浓度为0.3 mol/L,淋洗土水比为1∶3),调整淋洗时间。淋洗时间分别为0.5 h、1 h、2 h。淋洗处理后,土壤样品编号分别为T1、T2、T3。

1.2.4 淋洗废水处置

根据淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等条件试验确定的最优淋洗条件,取100 g污染土壤进行淋洗反应,经泥水分离后得到淋洗废水样品。取150 mL淋洗废水进行试验,投加生石灰和聚丙烯酰胺进行絮凝沉淀,投加量分别为1 g/L和0.1 g/L,经絮凝沉淀静置后,检测上清液中重金属的浓度。

2.1 淋洗剂浓度

不同淋洗剂浓度条件下,试验土壤中砷、镍、钴、铜的去除率如图1所示。

图1 不同淋洗剂浓度对土壤重金属洗脱效果的影响

随着柠檬酸浓度的增加,各重金属的去除率逐渐升高。柠檬酸浓度为0.3 mol/L时,砷、镍、钴、铜的去除率分别可达43.33%、73.81%、55.13%、47.09%。由此可见,柠檬酸对镍的去除效果最好,对钴的去除效果次之,对砷和铜的去除效果较差。采用浓度0.3 mol/L的柠檬酸淋洗后,各重金属的检测结果均低于本地块修复目标值。因此,本研究选择0.3 mol/L作为最优淋洗剂浓度。

2.2 淋洗土水比

不同淋洗土水比条件下,试验土壤中砷、镍、钴、铜的去除率如图2所示。随着淋洗土水比的增加,钴的去除率没有明显变化,其余三种重金属的去除率略有降低。由此可见,淋洗剂投加量保持不变时,仅提高用水量来增加淋洗液总量不能提升淋洗效果。此外,用水量的增加将会提高后续脱水工序的负荷,增加脱水难度。因此,本研究选择1∶3作为最优淋洗土水比。

图2 不同淋洗土水比对土壤重金属洗脱效果的影响

2.3 淋洗时间

不同淋洗时间条件下,试验土壤中砷、镍、钴、铜的去除率如图3所示。

图3 不同淋洗时间对土壤重金属洗脱效果的影响

随着淋洗时间的增加,各重金属的去除率略有升高。增加污染土壤与淋洗剂的接触时间,有助于淋洗剂将更多的重金属从土壤中洗脱出来。但增加淋洗时间会导致单位时间内可处理的污染土壤方量降低,即整体修复效率降低。此外,根据试验结果可知,经0.5 h淋洗后土壤的重金属浓度已低于修复目标值。因此,综合考虑节能环保和修复效率,本研究选择0.5 h作为最优淋洗时间。

2.4 淋洗废水处置

淋洗废水采用生石灰和聚丙烯酰胺处置后,各重金属的浓度均低于《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)的Ⅳ类水标准限值,如表2所示。

表2 处理后淋洗废水检测结果

本研究通过试验,分析不同淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等因素对污染土壤中各重金属淋洗效果的影响。在一定淋洗条件下,柠檬酸可用于处理砷、镍、钴、铜等重金属污染的土壤。柠檬酸对镍的去除效果最好,对钴的去除效果次之,对砷和铜的去除效果较差。根据试验结果,综合考虑修复目标值、修复效率、经济效益和节能环保等因素,本研究确定了最优淋洗条件,即淋洗剂浓度为0.3 mol/L,淋洗土水比为1∶3,淋洗时间为0.5 h。在该条件下,淋洗后土壤样品中各重金属的浓度均低于修复目标值。利用生石灰和聚丙烯酰胺处置淋洗废水,处置后的废水中各重金属浓度均满足《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)的Ⅳ类水标准限值。

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