上海某退役有色鑄造場地修復方案優化設計

馮凱

（上海清沐環境技術有限公司，上海 201108）

1 引言

近年來，土壤淋洗修復技術逐漸成為國內重金屬污染土壤修復的研究熱點［1-2］。土壤淋洗技術通過淋洗劑的化學消解－螯合作用和物理擾動方法的結合，將重金屬從土壤顆粒中洗脫去除，實現土壤重金屬總量的降低，是一種相對徹底的修復技術。

土壤淋洗修復的特點是影響因素眾多，包括淋洗劑種類、淋洗液濃度、液固比、淋洗時長、淋洗次數等，在進行修復方案設計時需開展多因素分析以實現最佳結果。本文通過對某適用淋洗技術的典型污染地塊開展研究，試圖建立類似地塊土壤淋洗多因素分析的優化路徑，首先基于場地污染特征開展實驗室小試，對小試中存在的不確定性因素進行響應面優化模擬，最終確定最優組合值，并再次試驗進行驗證。

2 地塊概況和污染特征

上海某退役有色鑄造廠地塊擬規劃為商業辦公用地。經土壤污染狀況調查，查明地塊土壤受銅、銻、鎳、砷和鉛等多種重金屬復合污染，經風險評估判斷其濃度超過了人體健康風險可接受水平，需開展土壤修復方可用于規劃用途。

本次研究在項目地塊重污染區采集了代表性土壤樣品，開展了粒徑分級試驗和各粒徑組分重金屬的含量檢測。采用地累積指數判定土壤污染程度，采用粒徑比重指數評估重金屬在不同土壤粒徑組分中的富集情況［3］。

2.1 重金屬地累積指數分析

地累積指數（Igeo值）的計算公式為：式中，Csample為樣品濃度，mg/kg；Cbackground為背景濃度，mg/kg。

污染判別標準為：Igeo≤0 為未污染，0＜Igeo≤1 為未污染－中度污染，1＜Igeo≤2 為中度污染，2＜Igeo≤3 為中度污染－重度污染，3＜Igeo≤4 為重度污染，4＜Igeo≤5為重度污染－極度污染，Igeo＞5 為極度污染。

根據關注重金屬的檢測數據和上海市背景值［4］計算了Igeo值，據此判定供試土壤的污染程度在重度污染－極度污染之間，見表1。

表1 項目地塊供試土壤污染情況

2.2 重金屬粒徑比重指數分析

粒徑比重指數（GSFs）的計算公式為：

GSFs＝（HMi×GSi）/∑（HMi×GSi）

式中，HMi為各粒徑重金屬的濃度，mg/kg；GSi為各粒徑的質量百分比，%。

利用密目尼龍篩獲得不同粒徑等級的土壤樣品，檢測各粒徑組分中關注重金屬的含量，根據實測數據，各重金屬的GSFs 統計如圖1 所示。

圖1 各重金屬的GSFs 統計

從圖1 可見，供試土壤的粒徑主要位于砂礫類的區間，屬于雜填土。關注重金屬則主要分布于黏粉粒的粒徑范圍，其次為粉細砂、砂礫類和礫石類，表明土壤顆粒越細，重金屬的含量越高，即粒徑比重指數越高。

3 淋洗修復方案設計

3.1 修復技術定量化篩選

項目地塊位于中心城區，規劃為商業辦公項目，要求采用較為安全徹底的修復方式，修復周期不宜過長，修復過程中需最大程度控制二次污染。根據以上原則，初步篩選了幾種可能適用的修復技術，包括異位固化穩定化（修復后外運利用）、異位土壤淋洗（修復后土壤回填）、異地水泥窯協同處置以及異地安全填埋等。

為提高修復技術篩選的科學性，參考相關技術規范、研究成果［5］以及專家意見，建立了適用于本項目的修復技術定量化篩選指標體系，見表2。

表2 修復技術定量化篩選指標體系和評分標準

根據該指標體系和評分標準進行計算，得到各備選技術的得分，從高到低依次為異位土壤淋洗、異位固化穩定化、水泥窯協同處置和異地安全填埋，詳見表3。根據定量化篩選的結果，選擇異位土壤淋洗技術作為本修復方案的推薦技術。

表3 備選修復技術定量化篩選結果及其說明

3.2 淋洗修復試驗和優化模擬

3.2.1 實驗室小試設計和結果分析

研究表明，重金屬污染土壤的無機淋洗劑包括鹽酸和草酸等［6］；對于多種重金屬復合污染土壤，螯合劑（如琥珀酸、EDTA 和檸檬酸等）對重金屬的去除率較高［7-9］；影響淋洗效果的因素包括淋洗液濃度、液固比、淋洗時長、攪拌強度和淋洗次數等［5，10］。由于尚不明確各影響因素對項目土壤的適用情況，先按照設定的順序依次開展單因素試驗（下一級試驗的條件基于前一級試驗的結果確定），見表4。

表4 重金屬淋洗修復小試設計

實驗室小試的結果表明：

（1）淋洗劑效果。鹽酸＞檸檬酸＞琥珀酸≈EDTA＞草酸＞去離子水。由于鹽酸為易制毒的管制化學品，從工程實際應用的角度選擇檸檬酸作為淋洗劑。

（2）淋洗液濃度。檸檬酸濃度達到0.5 mol/L 以上，可實現修復目標值（修復后銅、銻、鎳、砷和鉛的去除率分別為58.0%，43.0%，36.0%，53.1%，78.4%）；且隨淋洗劑濃度的增加，去除率呈進一步提高的趨勢（淋洗劑濃度為2.0 mol/L 時，去除率平均提升10.2%）。

（3）液固比。液固比在5 ∶1～15 ∶1 mL/g 范圍內時，其對淋洗效果的影響趨勢不顯著。

（4）淋洗時長。單次淋洗時長在1～3 h 范圍內時，其對淋洗效果的影響趨勢不顯著。

（5）攪拌強度。攪拌強度在60～180 r/min 范圍內時，其對淋洗效果的影響趨勢不顯著。

（6）淋洗次數。二次淋洗平均可提升去除率12.3%，為確保修復效果，選擇淋洗2 次。

3.2.2 前期不確定因素優化模擬和驗證

首次實驗室小試過程中，未能得出液固比、淋洗時長和攪拌強度3 個影響因素對淋洗效果的影響趨勢，為了進一步確定這3 項指標的最佳值，本研究采用響應面（RSM）法中的Box－Behnken Design 進行二次小試優化設計，見表5。

表5 二次小試優化設計（BBD 自變量編碼及設置水平）

按照優化設計的15 組試驗開展二次小試，并以5 種關注重金屬修復后的平均占標率P（修復后總量/修復目標值，%）作為響應值，得出的結論為：

（1）使用Design Expert 12.0 軟件進行二次線性回歸擬合，得到修復效果P 與三因素的預測模擬為：P＝0.81－0.034A－0.025B－0.021C＋0.001 4AB－0.022AC＋0.000 3BC＋0.011A2－0.012B2＋0.005 6C2。對修復效果P 的影響依次為：A（液固比）＞B（淋洗時長）＞C（攪拌強度）。本模型的F＝5.5，P＝0.038＜0.05，表明差異性顯著；R2＝0.908 3，表明本方程對修復效果P 的擬合度達到了90.83%，擬合效果較好。

（2）對三因素進行RSM 交互分析，分析結果如圖2 所示。由圖2 可見，其他條件固定時，液固比越高、淋洗時間越長、攪拌強度越高，則修復效果越好。軟件推導的最佳條件為：A＝5.2 mL/g，B＝2.2 h，C＝149 r/min，此時對應的P＝0.84（修復后總量平均為目標值的84%）。

圖2 不確定三因素RSM 交互項分析

以模擬所得的最優條件組合開展多次驗證性小試，所得的修復效果P 在0.82～0.89 之間，且所有關注重金屬的總量均在修復目標值以內，表明模擬結果可靠。因此，本方案經實驗室小試和軟件優化模擬所確定的參數組合為：采用0.5 mol/L 檸檬酸為淋洗劑，液固比5.2 mL/g，攪拌強度149 r/min，淋洗時長2.2 h（單次1.1 h×淋洗2 次）。

4 結論

本研究針對上海某退役有色鑄造場地進行修復方案設計。項目地塊土壤受銅、銻、鎳、砷和鉛等多種重金屬復合污染，基于地累積指數判斷污染程度在重度污染－極度污染之間，且重金屬主要富集在粒徑占比較小的細顆粒土壤中。

本研究建立了適用于本項目的修復技術定量化篩選指標體系，并根據項目情況進行了定量化篩選，選擇異位土壤淋洗技術作為本項目的修復技術。在修復技術參數的設計過程中，通過前期探索性實驗室小試、軟件輔助優化模擬、驗證性試驗的模式，最終確定了本項目的最佳技術參數組合為：淋洗劑采用0.5 mol/L 檸檬酸，液固比5.2 mL/g，攪拌強度149 r/min，淋洗時長2.2 h（單次1.1 h×淋洗2 次）。