重金屬復合污染土壤的淋洗修復試驗研究

陳 晨

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

重金屬污染是我國主要的土壤環境污染問題，根據《全國土壤污染狀況調查公報》，污染類型以無機型為主，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%。重金屬污染土壤修復技術主要包括工程措施（客土、換土等）、物理化學修復（土壤淋洗、電動修復等）、化學修復（固化、穩定化等）、生物修復（植物修復、微生物修復等）。土壤淋洗技術可快速將污染物從土壤中移除，短時間內完成高濃度污染土壤的治理，且治理費用相對較低[1]。土壤淋洗技術的修復效果受土壤質地特征、污染物類型、污染程度、淋洗劑種類與濃度、淋洗時間等因素的影響。孫濤等[2]總結了不同淋洗劑對重金屬去除效果的影響，并綜述了最優淋洗條件的研究。陳欣園等[3]研究了不同淋洗劑對銅、鎘、鉛、鋅等重金屬的去除效果、形態分布和土壤理化性質的影響。吳烈善等[4]研究了三種環境友好型淋洗劑對銅、鉛、鋅等重金屬的淋洗效果，并研究了淋洗劑最佳配比、淋洗劑添加方式和淋洗時間。李玉雙等[5]研究了檸檬酸對鎘、銅、鉛等重金屬復合污染土壤的淋洗效果。

隨著可持續發展要求的逐步提高，土壤淋洗劑逐漸向具有良好生物降解性和生物適應性的類型發展，如天然有機酸、生物表面活性劑等[1]。本文使用一種天然有機酸——檸檬酸對砷、鎳、鈷、銅等重金屬復合污染土壤進行淋洗試驗，研究淋洗劑濃度、淋洗土水比、淋洗時間等因素對修復效果的影響，分析淋洗廢水的處理方法，以確定淋洗工藝最優參數，為后續修復工程提供理論依據。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗土壤取自某污染地塊，采樣深度為0.3～1.0 m，根據前期調查確定超標重金屬為砷、鎳、鈷和銅。淋洗劑為檸檬酸，純度為分析純。試驗用水為去離子水。

根據土工試驗報告的粒徑分布結果，該地塊0.3～1.0 m處的土壤中，細砂粒和粉粒的總量占比接近70%，各粒徑土粒組成如表1所示。因此，本研究重點關注該部分細顆粒土壤的淋洗效果。試驗土壤處理方法為：將土壤樣品風干后，過60目篩（粒徑小于0.25 mm），然后稱重備用。

表1 試驗土壤樣品土粒組成

1.2 試驗設計

取若干反應瓶，每個反應瓶中放置50 g處理后的土壤，然后加入淋洗劑，使用翻轉振蕩器以180 r/min的轉速進行淋洗；振蕩完成后，利用離心機以3 000 r/min的轉速離心10 min；將收集的離心液過孔徑0.45 μm的濾膜，泥水分離后分別檢測土壤和淋洗廢水的重金屬含量，并計算土壤中重金屬去除率。本研究針對淋洗劑濃度、淋洗土水比、淋洗時間等三項參數進行對比試驗。

1.2.1 淋洗劑濃度

利用檸檬酸和去離子水配制淋洗液，保持淋洗液總量不變，分別配制濃度0 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L的150 mL淋洗液，淋洗時間為1 h。淋洗處理后，土壤樣品編號分別為S1、S2、S3。

1.2.2 淋洗土水比

以濃度0.3 mol/L的150 mL淋洗液為基礎，保持淋洗藥劑量0.045 mol（檸檬酸）不變，調整淋洗液總量，分別配制150 mL、200 mL、250 mL的淋洗液，即土水比分別為1∶3、1∶4和1∶5，淋洗時間為1 h。淋洗處理后，土壤樣品編號分別為R1、R2、R3。

1.2.3 淋洗時間

根據淋洗劑濃度和淋洗土水比兩項條件試驗確定的最優淋洗條件（淋洗劑濃度為0.3 mol/L，淋洗土水比為1∶3），調整淋洗時間。淋洗時間分別為0.5 h、1 h、2 h。淋洗處理后，土壤樣品編號分別為T1、T2、T3。

1.2.4 淋洗廢水處置

根據淋洗劑濃度、淋洗土水比、淋洗時間等條件試驗確定的最優淋洗條件，取100 g污染土壤進行淋洗反應，經泥水分離后得到淋洗廢水樣品。取150 mL淋洗廢水進行試驗，投加生石灰和聚丙烯酰胺進行絮凝沉淀，投加量分別為1 g/L和0.1 g/L，經絮凝沉淀靜置后，檢測上清液中重金屬的濃度。

2 結果與討論

2.1 淋洗劑濃度

不同淋洗劑濃度條件下，試驗土壤中砷、鎳、鈷、銅的去除率如圖1所示。

圖1 不同淋洗劑濃度對土壤重金屬洗脫效果的影響

隨著檸檬酸濃度的增加，各重金屬的去除率逐漸升高。檸檬酸濃度為0.3 mol/L時，砷、鎳、鈷、銅的去除率分別可達43.33%、73.81%、55.13%、47.09%。由此可見，檸檬酸對鎳的去除效果最好，對鈷的去除效果次之，對砷和銅的去除效果較差。采用濃度0.3 mol/L的檸檬酸淋洗后，各重金屬的檢測結果均低于本地塊修復目標值。因此，本研究選擇0.3 mol/L作為最優淋洗劑濃度。

2.2 淋洗土水比

不同淋洗土水比條件下，試驗土壤中砷、鎳、鈷、銅的去除率如圖2所示。隨著淋洗土水比的增加，鈷的去除率沒有明顯變化，其余三種重金屬的去除率略有降低。由此可見，淋洗劑投加量保持不變時，僅提高用水量來增加淋洗液總量不能提升淋洗效果。此外，用水量的增加將會提高后續脫水工序的負荷，增加脫水難度。因此，本研究選擇1∶3作為最優淋洗土水比。

圖2 不同淋洗土水比對土壤重金屬洗脫效果的影響

2.3 淋洗時間

不同淋洗時間條件下，試驗土壤中砷、鎳、鈷、銅的去除率如圖3所示。

圖3 不同淋洗時間對土壤重金屬洗脫效果的影響

隨著淋洗時間的增加，各重金屬的去除率略有升高。增加污染土壤與淋洗劑的接觸時間，有助于淋洗劑將更多的重金屬從土壤中洗脫出來。但增加淋洗時間會導致單位時間內可處理的污染土壤方量降低，即整體修復效率降低。此外，根據試驗結果可知，經0.5 h淋洗后土壤的重金屬濃度已低于修復目標值。因此，綜合考慮節能環保和修復效率，本研究選擇0.5 h作為最優淋洗時間。

2.4 淋洗廢水處置

淋洗廢水采用生石灰和聚丙烯酰胺處置后，各重金屬的濃度均低于《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）的Ⅳ類水標準限值，如表2所示。

表2 處理后淋洗廢水檢測結果

3 結語

本研究通過試驗，分析不同淋洗劑濃度、淋洗土水比、淋洗時間等因素對污染土壤中各重金屬淋洗效果的影響。在一定淋洗條件下，檸檬酸可用于處理砷、鎳、鈷、銅等重金屬污染的土壤。檸檬酸對鎳的去除效果最好，對鈷的去除效果次之，對砷和銅的去除效果較差。根據試驗結果，綜合考慮修復目標值、修復效率、經濟效益和節能環保等因素，本研究確定了最優淋洗條件，即淋洗劑濃度為0.3 mol/L，淋洗土水比為1∶3，淋洗時間為0.5 h。在該條件下，淋洗后土壤樣品中各重金屬的濃度均低于修復目標值。利用生石灰和聚丙烯酰胺處置淋洗廢水，處置后的廢水中各重金屬濃度均滿足《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）的Ⅳ類水標準限值。