模拟自然因素下固化后河湖底泥中Cr和Pb的释放规律

武兰兰,谭 烁，杨煜曦,翟德勤

(中电建生态环境集团有限公司，深圳国涚检测技术有限公司，广东 深圳 518100)

城市河道和湖泊由于长期受到周边工农业废水排放的影响，淤积严重，需定期进行河湖污泥的疏浚清理。由于河湖底泥中含有大量的氮磷化合物、重金属以及有机物等污染物，严重破坏了水体的生态环境，成为我国乃至全世界的重要环境问题[1-2]。目前我国大部分地区将污泥脱水后填埋处理，这种方式对环境影响大、资源化利用程度低，而且受环境和土地条件限制。疏挖的底泥以黏土质和细粉砂质的颗粒物为主，其中污染物主要包括重金属和难降解有机污染物，其中以重金属对水体和生物的毒性最大[3,4]。为防止污泥固化填埋后对环境产生污染，通常要对污泥中的重金属进行处理[5]。目前污泥中重金属元素的处理方法有：电化学法[6,7]、微波法[8,9]、酸化法[10,11]、络合剂处理法[12,13]、离子交换法[14,15]、吸附法[16,17]、氨浸法[18,19]以及固化/稳定化法[20]。对于含重金属污泥处理，固化/稳定化技术被认为是实用而且经济有效的方法，在国内外多项研究实例中取得了成功[21,22]。

为验证污泥脱水固化后的效果，需要研究污泥中重金属的释放率。已有研究表明，重金属极易受到如酸雨、填埋时间等改变其化学性质的环境因素的影响，从污泥中释放的机制主要为：溶解作用、离子交换作用和解吸作用[23]，若泥饼中重金属等有害物质从固化体中释放到环境中，对环境生物及人体健康也会造成严重影响，会给环境安全带来巨大风险[24,25]。因此，需要开展重金属在环境条件下的重金属毒性评价，确保污泥固化后填埋对环境和人体的安全性。

目前，我国尚没有针对底泥固化后重金属的稳定性及毒性评估的系统性技术方法，尤其是实际环境条件下如酸雨、高温、长期填埋对底泥固化中重金属的浸出稳定性以及毒性试验方法，以及在实际环境条件下的室外柱浸出试验方法。本项目针对我国清淤底泥固化后余土中重金属的稳定性评估需求，建立余土中重金属毒性评价方法，为余土中重金属的稳定性评估提供支持。

1 材料和方法

1.1 试验余土性质分析

选择固化/稳定化处理后的含重金属余土作为重金属释放动力学研究对象，取具有代表性的底泥样30m3，进行自然晾晒处理，将晾晒后的底泥样首先进行碾压破碎，然后筛分(过2mm筛孔的筛子)，筛上部分继续碾压后过筛，直至30m3余土样全部过筛，将过筛后的余土样混匀备用。对预处理后的余土进行取样分析，其中的重金属含量，分析结果见表1。由表1可知试验余土中Cr、Pb的含量相对较高，故主要研究对象为试验余土中的Cr、Pb。

表1 试验余土重金属含量分析结果 (mg/kg)

1.2 试验方法

将试验余土置于处理罐(H1.2m、Φ1m，上部设有溢流孔，底部设有渗滤孔，侧壁设有取样孔)中，在不同复合条件下进行试验。试验条件包括温度为25、40℃，模拟降雨量为单点最大雨量，模拟降雨pH值为4、7，模拟光照强度为当地年平均日照强度的1、3倍。选取不同的复合试验条件进行试验，每种复合条件试验进行两组试验(在两个处理罐中同时进行，如表2中“○○”所示)以便形成对比试验。试验时长为110d，每隔10d进行一次模拟降雨试验并进行取样，取样为试验余土样和渗滤液样。对于溢流液和渗滤液都要进行计量，每个样都进行化验分析其中重金属的含量：土壤质量铅的测定采用GB/T17141-1997石墨炉原子吸收分光光度计法，铬的测定采用HJ491-2009火焰原子吸收分光光度计法，用于研究余土的稳定性。试验的温度通过恒温房来控制，模拟降雨量通过流量计控制，模拟降雨pH值通过酸碱试剂来调配，模拟光照强度通过UV灯光照来实现。具体试验设计方案见表2。

表2 试验设计方案

*注：○为实验装置

2 结果与讨论

试验装置共计16个，编号为1#～16#。1#、2#为平行试验，试验条件为：1倍平均日照强度，温度=25℃，模拟降雨pH=4；3#、4#为平行试验，1倍平均日照强度，温度=40℃，模拟降雨pH=4；5#、6#为平行试验，1倍平均日照强度，温度=25℃，模拟降雨pH=7；7#、8#为平行试验，1倍平均日照强度，温度=40℃，模拟降雨pH=7；9#、10#为平行试验，3倍平均日照强度，温度=25℃，模拟降雨pH=4；11#、12#为平行试验，3倍平均日照强度，温度=40℃，模拟降雨pH=4；13#、14#为平行试验，3倍平均日照强度，温度=25℃，模拟降雨pH=7；15#、16#为平行试验，3倍平均日照强度，温度=40℃，模拟降雨pH=7。

(1)不同试验条件对试验余土中Cr浸出规律的影响(模拟降雨试验)

试验以每组平行试验为分析研究对象(每组平行试验的平均值作为试验结果)，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下Cr的阶段性浸出规律，试验结果见图1。

由图1可知，①pH值对比试验(图线1与3、图线2与4、图线5与7、图线6与8)分别在不同温度以及光照强度的条件下研究了pH对Cr浸出率的影响，结果表明pH值变化对试验底泥中Cr的浸出基本无影响。②光照强度对比试验(图线1与5、图线2与6、图线3与7、图线4与8)分别在不同温度以及pH的条件下研究了光照强度对Cr浸出率的影响，结果表明光照强度变化对试验底泥中Cr的浸出基本无影响。③温度对比试验(图线1与2、图线5与6、图线3与4、图线7与8)分别在不同光照强度以及pH的条件下研究了温度对Cr浸出率的影响，结果表明温度变化对试验余土中Cr的浸出基本无影响。

(2)试验余土中Cr浸出总量分析(模拟降雨试验)

试验以每组平行试验为分析研究对象，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下Cr的累积浸出规律，试验结果见图2。

由图2可知，1#～16#试验Cr的累积浸出率在试验30d后出现拐点，之后Cr的累积浸出率便不再增加且拐点处Cr的浸出率较低。由此可知，试验余土中98%以上的Cr处于平稳状态，无需继续检测观察。

(3)不同试验条件对试验余土中Pb浸出规律的影响(模拟降雨试验)

试验以每组平行试验为分析研究对象(化验结果取每组平行试验的平均值)，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下Pb的阶段性浸出规律，试验结果见图3。

由图3可知，①pH值对比试验(图线1与3、图线2与4、图线5与7、图线6与8)分别在不同温度以及光照强度的条件下研究了pH对Pb浸出率的影响，结果表明pH值变化对试验底泥中Pb的浸出基本无影响。②光照强度对比试验(图线1与5、图线2与6、图线3与7、图线4与8)分别在不同温度以及pH的条件下研究了光照强度对Pb浸出率的影响，结果表明光照强度变化对试验底泥中Pb的浸出基本无影响。③温度对比试验(图线1与2、图线5与6、图线3与4、图线7与8)分别在不同光照强度以及pH的条件下研究了温度对Pb浸出率的影响，结果表明温度变化对试验余土中Pb的浸出基本无影响。

(4)试验余土中Pb浸出总量分析(模拟降雨试验)

试验以每组平行试验为分析研究对象，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下Pb的累积浸出规律，试验结果见图4。

由图4可知，1#～16#试验Pb的累积浸出率在试验90d后出现拐点，之后Pb的累积浸出率便不再增加且拐点处Pb的浸出率较低。由此可知，试验余土中99%以上的Pb处于平稳状态，无需继续检测观察。

3 结论

(1)Cr、Pb的阶段性浸出规律分析

试验以每组平行试验为分析研究对象(化验结果取每组平行试验的平均值)，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下Cr、Pb的阶段性浸出规律，试验结果表明温度、pH值以及光照强度的变化均对试验余土中Cr、Pb的浸出基本无影响。

(2)Cr、Pb的累积浸出规律分析

试验以每组平行试验为分析研究对象，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下Cr、Pb的累积浸出规律，1#～16#试验Cr、Pb的累积浸出率分别在在试验30、90d后有拐点变化，累积浸出率便不再增加且拐点处Cr、Pb的浸出率较低。由此可知，试验余土中98%以上的Cr以及99%以上的Pb处于平稳状态，无需继续检测观察。