固化后河湖底泥重金屬Cu、Ni的穩(wěn)定性研究

錢琪所,孟祥琪,李 超

(1.云南省生態(tài)環(huán)境工程評估中心，昆明 650032；2. 金平縣生態(tài)環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測站，云南 紅河州 661500)

引 言

有色金屬采礦、浮選和冶煉，在帶來巨大的經(jīng)濟效益的同時，也造成了極大的生態(tài)環(huán)境壓力，礦區(qū)的河道湖泊同樣承受極大的重金屬污染風險[1]。礦區(qū)地區(qū)河道湖泊主要受到重金屬污染，針對這些污染，同樣，城市周邊的河流湖泊也多受到周邊工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染，河湖底泥污染成為普遍現(xiàn)象，目前多采用底泥疏浚的方式對河湖底泥進行處理[2-3]。目前，國內(nèi)大部分區(qū)域，首先對河湖底泥進行脫水處理，再采用填埋方式處理脫水后河湖底泥，這種方式存在較大的環(huán)境影響，且底泥無資源化利用，同時易受到土地條件限制[4]。疏浚后河湖底泥主要為黏土質(zhì)和細粉砂質(zhì)的顆粒物為主，污染物主要包括重金屬和難降解有機污染物，其中又以重金屬對環(huán)境和生物的毒性最大[5-6]。為防止底泥脫水填埋后對環(huán)境產(chǎn)生污染，通常要對污泥中的重金屬進行處理[1,7]。對于受重金屬污染的河湖底泥處理，使用固化/穩(wěn)定化技術(shù)是經(jīng)濟有效且實用的方法，在國內(nèi)外多項研究實例中取得了成功[8～10]。

但是，當固化后河湖底泥進入填埋場，其重金屬穩(wěn)定性受到酸雨、填埋時間等環(huán)境因素的影響，而改變其化學性質(zhì)從而影響其穩(wěn)定性，固化后河湖底泥中重金屬等有害物質(zhì)重新活化并釋放到環(huán)境中，對環(huán)境、生物及人體健康造成不同程度的影響，帶來巨大環(huán)境安全風險問題[11～13]。河湖底泥重金屬Cu、Ni污染主要集中于Cu、Ni礦區(qū)，污染來源于Cu、Ni采礦、浮選、冶煉工業(yè)[14]。因此，在河湖底泥重金屬Cu、Ni污染區(qū)域，開展在不同環(huán)境條件下重金屬的毒性評價，確保固化后河湖底泥填埋的安全性，是極其必要的。

現(xiàn)階段，我國尚沒有針對固化后河湖底泥重金屬穩(wěn)定性及毒性評估的完善的技術(shù)方法，尤其未完善在如酸雨、高溫、長期填埋的條件下，對固化后河湖底泥中重金屬的浸出穩(wěn)定性及毒性試驗方法。通過本項目的進行，針對我國固化后河湖底泥中重金屬的穩(wěn)定性評估需求，建立其重金屬毒性評價方法，為固化后河湖底泥重金屬的穩(wěn)定性評估提供相關(guān)技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 固化后河湖底泥基本性質(zhì)分析

試驗樣品來源于云南紅河某縣河流底泥，該河流上流有銅鎳硫化礦浮選廠，該河流底泥中重金屬Cu、Ni含量較高。選擇固化/穩(wěn)定化處理后受重金屬污染的河湖底泥作為重金屬釋放動力學研究對象，取試驗底泥樣30 m3，自然晾曬并碾壓破碎，過10目篩網(wǎng)進行篩分，重復碾壓篩分過程至樣品全部過篩，篩下物混勻備用。對預(yù)處理后的樣品取樣測定其重金屬含量，分析結(jié)果見表1。由表1可知河湖底泥樣品中Cu、Ni的含量較高，故選取河湖底泥中重金屬Cu、Ni為研究對象。

表1 河湖底泥樣品中重金屬含量Tab.1 Heavy metal content in sediment samples from rivers and lakes (mg/kg)

1.2 試驗方法

將樣品置于反應(yīng)罐中，反應(yīng)罐尺寸為H1.2m、Φ1m，上部和底部分別設(shè)有溢流孔和淋溶孔，中部留取樣孔，在不同復合條件下進行試驗。試驗共有16個實驗反應(yīng)罐，編號為①到。填埋場為固化后河湖底泥的主要去向，根據(jù)填埋場的日常環(huán)境影響因子情況，模擬試驗條件選取包括溫度、降雨量、降雨pH和光照強度，其中結(jié)合現(xiàn)實條件，控制各環(huán)境因子，用恒溫房控制溫度，流量計控制模擬降雨量，調(diào)配酸堿試劑模擬酸雨情況下的pH=4條件，通過UV燈光照來實現(xiàn)光照強度的改變。其中，溫度選取25℃和40℃，降雨量選取當?shù)貑吸c最大雨量，降雨pH值選取4和7，光照強度選取當?shù)啬昶骄照諒姸鹊?倍和3倍。每種復合條件試驗進行兩組試驗形成對比試驗。試驗周期為110天，每隔10天進行一次模擬降雨試驗并進行取樣，取試驗后河湖底泥樣和淋溶液樣，對于溢流液和淋溶液分別計量，各樣品按GB/T17141-1997檢測其重金屬的含量，用于研究固化后河湖底泥的穩(wěn)定性。具體試驗設(shè)計方案見表2。

表2 試驗設(shè)計方案Tab.2 Experimental design plan

2 結(jié)果與討論

2.1 不同試驗條件對固化后河湖底泥中Cu浸出規(guī)律的影響

試驗對比分析各組平行試驗，取平均值為試驗結(jié)果，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下，重金屬Cu的時間序列浸出規(guī)律，結(jié)果見圖1。

圖1 不同時間段固化后河湖底泥中Cu的浸出率Fig.1 The leaching rate of Cu in sediments of rivers and lakes after solidification in different time periods

由圖1可知，總體來看，固化后河湖底泥中Cu的浸出率變化趨勢呈現(xiàn)一致性，0～20天Cu的浸出率顯著增加，隨后降低并趨于平穩(wěn)。(1)pH值對比試驗，分別在不同光照強度和溫度條件下，探究了pH對固化后河湖底泥中重金屬Cu浸出率的影響，對比圖1中線段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值變化對固化后河湖底泥中Cu的浸出影響甚微。(2)光照強度對比試驗，分別在不同pH和溫度條件下，研究了光照強度對Cu浸出率的影響，對比圖1中線段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照強度變化對固化后河湖底泥中Cu的浸出基本無影響。(3)溫度對比試驗，分別在不同pH和光照強度條件下，研究了溫度對Cu浸出率的影響，對比圖1中線段1和2、5和6、3和4、7和8可知，溫度變化對試驗固化后河湖底泥中Cu的浸出基本無影響。對比各個因素對固化后河湖底泥中Cu的浸出率，可知各因素下Cu的10天浸出率低于3%，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 試驗固化后河湖底泥中Cu浸出總量分析

試驗對比分析各組平行試驗，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下，重金屬Cu的累積浸出規(guī)律，結(jié)果見圖2。

圖2 試驗固化后河湖底泥中Cu的累積浸出率Fig.2 Cu cumulative leaching rate in the river and lake sediments after solidificaiton

2.3 不同試驗條件對試驗固化后河湖底泥中Ni浸出規(guī)律的影響

試驗對比分析各組平行試驗，取平均值為試驗結(jié)果，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下，重金屬Ni的時間序列浸出規(guī)律，結(jié)果見圖3。

圖3 不同時間段試驗底泥中Ni浸出率Fig.3 Ni leaching rate in the sediment during different time periods

由圖3可知，總體來看，固化后河湖底泥中Ni的浸出率變化趨勢呈現(xiàn)一致性，0～20天Ni的浸出率顯著增加，隨后降低并趨于平穩(wěn)。(1)pH值對比試驗，分別在不同光照強度和溫度條件下，研究了pH對Ni浸出率的影響，對比圖2中線段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值變化對固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無影響。(2)光照強度對比試驗，分別在不同溫度和pH的條件下，研究了光照強度對Ni浸出率的影響，對比圖2中線段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照強度變化對固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無影響。(3)溫度對比試驗，分別在不同pH和光照強度條件下，研究了溫度對Ni浸出率的影響，對比圖3中線段1和2、5和6、3和4、7和8可知，溫度變化對固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無影響。對比各個因素對固化后河湖底泥中Ni的浸出率，可知各因素下Ni的10天浸出率低于1%，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 試驗固化后河湖底泥中Ni浸出總量分析

試驗對比分析各組平行試驗，研究在不同溫度、pH值和光照強度條件下Ni的累積浸出規(guī)律，結(jié)果見圖4。

圖4 試驗固化后河湖底泥中Ni的累積浸出率Fig.4 Ni cumulative leaching rate in river and lake sediments after solidification

3 結(jié) 論

3.1 Cu、Ni的時間序列浸出規(guī)律分析

試驗研究在不同溫度、pH值和光照強度條件下，Cu、Ni的時間序列浸出規(guī)律，結(jié)果表明，不論是溫度、pH值以及光照強度的變化均對固化后河湖底泥中Cu、Ni的浸出影響甚微。各因素下Cu、Ni的10天浸出率分別不超過3%和1%。

3.2 Cu、Ni的累積浸出規(guī)律分析

試驗研究在不同溫度、pH值和光照強度條件下，Cu、Ni的累積浸出規(guī)律，①～試驗，從第70天后出現(xiàn)重金屬Cu、Ni的累積浸出率拐點，70天后Ni的累積浸出率變化趨勢趨于平坦，且連續(xù)試驗后重金屬Cu、Ni的浸出率依然較低，維持在較低百分比以下。可知，固化后河湖底泥中Cu、Ni的100天累計浸出率最大不超過9%和4%，其中90%以上的Cu和95%以上的Ni處于穩(wěn)定狀態(tài)。