固化后河湖底泥重金属Cu、Ni的稳定性研究

钱琪所,孟祥琪,李 超

(1.云南省生态环境工程评估中心，昆明 650032；2. 金平县生态环境执法监测站，云南 红河州 661500)

引 言

有色金属采矿、浮选和冶炼，在带来巨大的经济效益的同时，也造成了极大的生态环境压力，矿区的河道湖泊同样承受极大的重金属污染风险[1]。矿区地区河道湖泊主要受到重金属污染，针对这些污染，同样，城市周边的河流湖泊也多受到周边工业、农业污染，河湖底泥污染成为普遍现象，目前多采用底泥疏浚的方式对河湖底泥进行处理[2-3]。目前，国内大部分区域，首先对河湖底泥进行脱水处理，再采用填埋方式处理脱水后河湖底泥，这种方式存在较大的环境影响，且底泥无资源化利用，同时易受到土地条件限制[4]。疏浚后河湖底泥主要为黏土质和细粉砂质的颗粒物为主，污染物主要包括重金属和难降解有机污染物，其中又以重金属对环境和生物的毒性最大[5-6]。为防止底泥脱水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[1,7]。对于受重金属污染的河湖底泥处理，使用固化/稳定化技术是经济有效且实用的方法，在国内外多项研究实例中取得了成功[8～10]。

但是，当固化后河湖底泥进入填埋场，其重金属稳定性受到酸雨、填埋时间等环境因素的影响，而改变其化学性质从而影响其稳定性，固化后河湖底泥中重金属等有害物质重新活化并释放到环境中，对环境、生物及人体健康造成不同程度的影响，带来巨大环境安全风险问题[11～13]。河湖底泥重金属Cu、Ni污染主要集中于Cu、Ni矿区，污染来源于Cu、Ni采矿、浮选、冶炼工业[14]。因此，在河湖底泥重金属Cu、Ni污染区域，开展在不同环境条件下重金属的毒性评价，确保固化后河湖底泥填埋的安全性，是极其必要的。

现阶段，我国尚没有针对固化后河湖底泥重金属稳定性及毒性评估的完善的技术方法，尤其未完善在如酸雨、高温、长期填埋的条件下，对固化后河湖底泥中重金属的浸出稳定性及毒性试验方法。通过本项目的进行，针对我国固化后河湖底泥中重金属的稳定性评估需求，建立其重金属毒性评价方法，为固化后河湖底泥重金属的稳定性评估提供相关技术支持。

1 材料和方法

1.1 固化后河湖底泥基本性质分析

试验样品来源于云南红河某县河流底泥，该河流上流有铜镍硫化矿浮选厂，该河流底泥中重金属Cu、Ni含量较高。选择固化/稳定化处理后受重金属污染的河湖底泥作为重金属释放动力学研究对象，取试验底泥样30 m3，自然晾晒并碾压破碎，过10目筛网进行筛分，重复碾压筛分过程至样品全部过筛，筛下物混匀备用。对预处理后的样品取样测定其重金属含量，分析结果见表1。由表1可知河湖底泥样品中Cu、Ni的含量较高，故选取河湖底泥中重金属Cu、Ni为研究对象。

表1 河湖底泥样品中重金属含量Tab.1 Heavy metal content in sediment samples from rivers and lakes (mg/kg)

1.2 试验方法

将样品置于反应罐中，反应罐尺寸为H1.2m、Φ1m，上部和底部分别设有溢流孔和淋溶孔，中部留取样孔，在不同复合条件下进行试验。试验共有16个实验反应罐，编号为①到。填埋场为固化后河湖底泥的主要去向，根据填埋场的日常环境影响因子情况，模拟试验条件选取包括温度、降雨量、降雨pH和光照强度，其中结合现实条件，控制各环境因子，用恒温房控制温度，流量计控制模拟降雨量，调配酸碱试剂模拟酸雨情况下的pH=4条件，通过UV灯光照来实现光照强度的改变。其中，温度选取25℃和40℃，降雨量选取当地单点最大雨量，降雨pH值选取4和7，光照强度选取当地年平均日照强度的1倍和3倍。每种复合条件试验进行两组试验形成对比试验。试验周期为110天，每隔10天进行一次模拟降雨试验并进行取样，取试验后河湖底泥样和淋溶液样，对于溢流液和淋溶液分别计量，各样品按GB/T17141-1997检测其重金属的含量，用于研究固化后河湖底泥的稳定性。具体试验设计方案见表2。

表2 试验设计方案Tab.2 Experimental design plan

2 结果与讨论

2.1 不同试验条件对固化后河湖底泥中Cu浸出规律的影响

试验对比分析各组平行试验，取平均值为试验结果，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下，重金属Cu的时间序列浸出规律，结果见图1。

图1 不同时间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

由图1可知，总体来看，固化后河湖底泥中Cu的浸出率变化趋势呈现一致性，0～20天Cu的浸出率显著增加，随后降低并趋于平稳。(1)pH值对比试验，分别在不同光照强度和温度条件下，探究了pH对固化后河湖底泥中重金属Cu浸出率的影响，对比图1中线段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值变化对固化后河湖底泥中Cu的浸出影响甚微。(2)光照强度对比试验，分别在不同pH和温度条件下，研究了光照强度对Cu浸出率的影响，对比图1中线段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照强度变化对固化后河湖底泥中Cu的浸出基本无影响。(3)温度对比试验，分别在不同pH和光照强度条件下，研究了温度对Cu浸出率的影响，对比图1中线段1和2、5和6、3和4、7和8可知，温度变化对试验固化后河湖底泥中Cu的浸出基本无影响。对比各个因素对固化后河湖底泥中Cu的浸出率，可知各因素下Cu的10天浸出率低于3%，处于较稳定状态。

2.2 试验固化后河湖底泥中Cu浸出总量分析

试验对比分析各组平行试验，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下，重金属Cu的累积浸出规律，结果见图2。

图2 试验固化后河湖底泥中Cu的累积浸出率Fig.2 Cu cumulative leaching rate in the river and lake sediments after solidificaiton

2.3 不同试验条件对试验固化后河湖底泥中Ni浸出规律的影响

试验对比分析各组平行试验，取平均值为试验结果，研究在不同温度、pH值以及光照强度条件下，重金属Ni的时间序列浸出规律，结果见图3。

图3 不同时间段试验底泥中Ni浸出率Fig.3 Ni leaching rate in the sediment during different time periods

由图3可知，总体来看，固化后河湖底泥中Ni的浸出率变化趋势呈现一致性，0～20天Ni的浸出率显著增加，随后降低并趋于平稳。(1)pH值对比试验，分别在不同光照强度和温度条件下，研究了pH对Ni浸出率的影响，对比图2中线段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值变化对固化后河湖底泥中Ni的浸出基本无影响。(2)光照强度对比试验，分别在不同温度和pH的条件下，研究了光照强度对Ni浸出率的影响，对比图2中线段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照强度变化对固化后河湖底泥中Ni的浸出基本无影响。(3)温度对比试验，分别在不同pH和光照强度条件下，研究了温度对Ni浸出率的影响，对比图3中线段1和2、5和6、3和4、7和8可知，温度变化对固化后河湖底泥中Ni的浸出基本无影响。对比各个因素对固化后河湖底泥中Ni的浸出率，可知各因素下Ni的10天浸出率低于1%，处于较稳定状态。

2.4 试验固化后河湖底泥中Ni浸出总量分析

试验对比分析各组平行试验，研究在不同温度、pH值和光照强度条件下Ni的累积浸出规律，结果见图4。

图4 试验固化后河湖底泥中Ni的累积浸出率Fig.4 Ni cumulative leaching rate in river and lake sediments after solidification

3 结 论

3.1 Cu、Ni的时间序列浸出规律分析

试验研究在不同温度、pH值和光照强度条件下，Cu、Ni的时间序列浸出规律，结果表明，不论是温度、pH值以及光照强度的变化均对固化后河湖底泥中Cu、Ni的浸出影响甚微。各因素下Cu、Ni的10天浸出率分别不超过3%和1%。

3.2 Cu、Ni的累积浸出规律分析

试验研究在不同温度、pH值和光照强度条件下，Cu、Ni的累积浸出规律，①～试验，从第70天后出现重金属Cu、Ni的累积浸出率拐点，70天后Ni的累积浸出率变化趋势趋于平坦，且连续试验后重金属Cu、Ni的浸出率依然较低，维持在较低百分比以下。可知，固化后河湖底泥中Cu、Ni的100天累计浸出率最大不超过9%和4%，其中90%以上的Cu和95%以上的Ni处于稳定状态。