重金屬污染土壤異位淋洗技術工程應用解析

王成楨 孫啟剛 梁仁剛 何茂金 王 濤 肖 超

（杰瑞環保科技有限公司，山東 煙臺 264003）

1 重金屬土壤污染特性

重金屬污染屬于無機污染物污染，土壤重金屬污染物主要有汞、鎘、鉛、銅、鉻、砷、鎳、鐵、錳、鋅。國內外環境科學界以Tessier連續提取法將土壤重金屬分為5種形態，即離子交換態、碳酸鹽結合態、鐵猛氧化態、有機質結合態、殘渣態，淋洗技術可有效降低土壤中離子交換態，碳酸鹽結合態以及部分有機結合態的重金屬污染，從而降低重金屬的活性，減少對環境的污染；土壤重金屬淋洗技術主要通過淋洗液，將重金屬轉移至液相中，同時通過篩分將污染較少的大顆粒物篩分出來[1]，實現減量化，其基本理論依據是重金屬污染更易富集在較小的土壤粒徑上，呈現明顯的粒度效應。在杰瑞承接的大量淋洗工程項目中，基本符合這一規律，圖1為杰瑞設備應用的某處理現場Cd元素含量與粒徑關系勘探結果（圖1），從該數據可以分析出Cd元素含量基本上隨粒徑的減小而增加。大量的重金屬Cd元素富集在粒徑150微米以下的土壤顆粒中。

圖1 某處理現場Cd元素含量與粒徑關系

2 重金屬污染土壤異位淋洗工程應用介紹

重金屬污染土壤異位淋洗是指通過添加水或增效劑，采用物理分離或增效淋洗等手段，分離污染較重的土壤組分或將富集在固相上的污染物轉移到液相的技術，淋洗處理可以有效地減少重金屬污染土壤的固化/穩定的處理量，實現減量化，同時實現一定比例的物料資源化利用。異位淋洗技術在重金屬污染土壤處理領域逐漸被應用，有效降低了處理成本及對土壤的二次污染，尤其適用于砂質土壤的重金屬污染。

圖2是杰瑞在某重金屬異位淋洗作業現場采用的作業流程，該流程由預處理、分級處理、濃縮處理、脫水處理、水處理、穩定化處理等組成；該項目待處理物料偏砂質，但存在大量的雜物如植物根系等，因此在進行淋洗作業前需要進行預處理，預處理在較多的淋洗工程中均有應用，預處理的目的是將容易造成設備堵塞的植物根系及大顆粒物料等提前去除，確保設備能夠穩定連續運行，減少維護停機成本；重金屬異位淋洗技術的核心在于分級處理，分級處理是該技術中決定減量化層度的關鍵，將重金屬含量達標的土壤盡可能多地分離出來取決于粒徑篩分的精度和準確性，在工程應用中，因不同區域受污染的層度以及污染物的種類不同，導致合格物料粒徑范圍會有較大的波動，需要根據勘察結果預判合適的粒徑劃分范圍，在該現場采用了不同的分級設備來實現精確粒徑控制，如滾筒洗砂機、振動篩、螺旋洗砂機、旋流器等設備，該項目現場將粒徑劃分為50mm以上、1mm～50mm、150μm～1mm、75μm～150μm，篩分后不同粒徑等級的物料再經過取樣測試確定重金屬含量達標的粒徑范圍，重金屬含量達標的土壤可以回填或具有經濟價值的資源化利用，而富集有高濃度重金屬的土壤微粒需要進行固化/穩定化處理；經分級后的淋洗液中含有大量重金屬超標的土壤細粒，這部分土壤細粒需要通過濃縮處理從淋洗液中分離出來，常見的方法是采用重力沉降原理進行濃縮，在該項目現場由于75μm以下顆粒較多，采用了多級沉降罐及加藥加速沉降的方式進行濃縮，在濃縮過程中需要關注淋洗液中固相的含量，當淋洗液中固相含量較高時要采用多級分離，避免固相過多沉降罐負荷較大導致沉降效果差，同時沉降罐容易淤堵造成淋洗作業停滯。濃縮后產生的固相含水率極高，不能直接固化/穩定化，這部分含水量極高的土壤細粒則需要在進行脫水處理，盡可能地降低含水率，從而降低固化/穩定化處理的成本，土壤細粒的脫水方法有很多，可采用離心分離設備、帶式脫水機、板框壓濾等設備，各種方法各有優劣，當需要連續作業且占地較小時可選擇帶式脫水機和離心分離設備，但帶式脫水機濾帶易于磨損，耗損較大，離心分離設備耗電量較大，操作難度高，當對占地面積沒有太大限制時可采用多臺板框壓濾解決其不能連續作業的問題。該項目現場由于含砂較高，易造成帶式脫水機濾帶磨損，同時考慮到占地問題，采用了離心分離設備，處理后的物料含水率約85%，基本達到了降低含水率的目的，同時該含水率也有利于進行固化/穩定化作業；經過淋洗后的淋洗液雖然去除了土壤細粒，但土壤中易于溶解的重金屬成分進入至淋洗液中，隨著不斷地淋洗，其重金屬濃度含量增高，不能再進行淋洗作業且不能隨意排放，同時淋洗作業過程會使用大量淋洗液，淋洗液不進行處理就會產生大量的廢液。為解決該問題，需要實現淋洗液的循環利用，該項目現場引入了水處理工藝，通過加藥將液相中的重金屬螯合，沉降去除，使淋洗液循環使用，減少淋洗液用量，減少工程運營成本，沉降后的重金屬螯合物經過脫水，再固化/穩定化處理，在整個作業過程中幾乎不產生廢液，只需要根據實際情況補充作業過程中損耗的淋洗液即可。

圖2 重金屬污染土壤淋洗技術流程圖

3 淋洗與其他處置技術對比

近年來隨著社會經濟的快速發展，土壤中重金屬含量不斷增加，土壤重金屬污染已成為社會普遍的環境問題，國家環保法律法規的不斷健全，土壤重金屬污染處理技術也在不斷完善，其中可分為淋洗技術、生物修復技術、固化修復技術、熱力學修復技術、電力學修復技術、換土改良技術等。

通過處理量、處理成本、處理周期等方面的比較分析（表1），可以看出土壤淋洗技術優勢明顯，可實現處理無二次污染，降低對土壤的傷害，最大程度地保持土壤活性，實現具有經濟價值的資源化利用；但該技術也存在局限性，其主要的目的是減量化，而不是最終處理技術，需要與其他技術相結合，同時土壤的粒徑組成對該技術有極強的限制。因此該技術在土壤粒徑組成能滿足要求的情況下，具有較高的市場應用價值，在歐美、韓國等國家均有成功的應用，國內在砂質土壤重金屬污染領域也在積極推廣和應用。

表1 重金屬污染土壤處理技術對比表

4 粒徑分布對工程應用的影響

淋洗工藝處理結果的評定標準以物料的重金屬含量及種類為主要依據，影響處理結果的因素有很多，如原料中重金屬的形態、含量、組成等，這些因素會直接或間接影響淋洗作業流程及處理后的效果，在工程應用中，工程成本是評價工程施工優劣的關鍵指標，結合杰瑞在多個現場的處理經驗，土壤粒徑分布情況，直接影響減量化的比例，進而影響工程成本，是決定淋洗工藝是否能夠應用的關鍵指標。較小粒徑的土壤比例含量過高，土壤富集重金屬的能力增加，重金屬洗脫難度增大，從而造成單位時間內處理量下降且篩分出重金屬含量達標的大顆粒物占比較低，淋洗作業后的大量物料需要進行固化/穩定化，工程成本增加。 結合杰瑞多年的積累經驗及實踐，在其他條件相對一致的情況下，粒徑分布對處理量的影響趨勢如圖3；從該圖中可以分析得到，小顆粒物的含量多少對淋洗技術處理量的影響非常大，在小顆粒物含量超過15%時，同類型物料的處理量迅速下降，處理成本及處理難度會迅速增加，減量化的效果大幅下降，原則上該技術不再適合工程應用。在杰瑞接觸的重金屬污染土壤治理工程中，針對小顆粒含量超標的現場，一般推薦直接進行固化/穩定化作業，如強行進行淋洗作業，由于小顆粒物含量高，前端篩分出的達標大顆粒物料占比極低，處理量極低，減量化效果差且會導致濃縮作業出現淤堵，脫水作業強度增加，成本大幅增加，最終進行固化/穩定化的物料占比高，無法達到減量化降本目的，因此此類現場一般直接進行固化/穩定化作業是較好的選擇。

圖3 粒徑分布對處理量的影響趨勢

5 淋洗工程驗收依據

重金屬污染土壤經淋洗工藝處理后，會產生三類基本產物：重金屬含量較少的大顆粒物料、重金屬富集的淋洗液以及濃縮脫水后富集重金屬的細粒。結合杰瑞多個成功交付的淋洗工程中的經驗以及相關的法律法規，此類工程可參考以下標準作為驗收依據：

重金屬含量較少的大顆粒物料，此類物料是淋洗減量化的主要目標，經淋洗后其重金屬含量需要達標，可實現回填或具有經濟價值的資源化利用，有利于降低工程成本。此類物料主要的驗收標準可參照GB 36600-2018《土壤環境質量建筑用地土壤污染風險管控標準》以及GB 15618-2018《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》中的相關要求執行，在具體項目中需要根據不同的污染物及處理后土壤最終的用途，選擇合適的驗收標準。

重金屬富集的淋洗液是淋洗減量化作業中必然的產物，根據杰瑞在各現場的工程經驗，淋洗液的使用量是被處理對象的2～3倍甚至更高，此類溶液中重金屬含量遠超過國家相關規定，單位體積內其富含的重金屬指標接近或者超過原料中的重金屬指標，因此不可直接進行循環使用。而工程實際作業中，需要配備相應的水處理系統，用于降低循環過程中淋洗液的重金屬濃度，實現淋洗液循環使用，降低工程成本。工程結束后，剩余的淋洗液最終需要進行處置，如按照危險廢棄物進行處置，成本太高，一般工程中會通過水處理系統，將指標降至法規許可范圍內，達標排放至污水管網或其他地域，經處理后淋洗液指標可參照GB 8978-1996《綜合污水排放標準》中的要求，具體執行時需要根據排放的方式及地域，選擇合適的排放等級標準。

濃縮脫水后富集重金屬的細粒，此類物料中富集了原物料中的重金屬，其重金屬含量嚴重超標且粒徑較小，在工程應用中已經不適合再次進行淋洗減量化作業，此類物料一般需要進行固化/穩定化處理。處理后的物料要求按照浸出毒性評估方法進行評估，當前階段我國通常使用的檢驗土壤毒性的辦法是浸出毒性評估，一般采用醋酸緩沖液法或硫酸硝酸法，其中使用率最高的是硫酸硝酸法[2]；當污染土壤固化/穩定化處理后進行原址或異地填埋時，其評估標準可參考GB/T 14848-1993《地下水質標準》或根據污染物濃度進行風險評估推算確定；由于pH值對固化/穩定化后的物料毒性影響較大，尤其是當周圍環境pH值呈現酸性時，物料將逐漸恢復毒性，因此當污染土壤固化/穩定化后再利用時，需要根據再利用的具體情景選擇相對應的評估方法與標準，以降低風險。

6 結語

土壤淋洗技術在重金屬污染土壤領域的應用，具有一定的優勢，可避免對土壤的二次污染，有效降低處理成本。但在工程應用過程中，需要關注減量化層度，充分評估可行性，尤其是粒徑分布對工程應用的影響，降低工程施工風險。分級出不同粒徑的物料以及淋洗液的達標處理，是工程交付的關鍵，須嚴格按照相應法律法規進行處理，避免發生潛在的環境二次污染風險。