重金属污染土壤异位淋洗技术工程应用解析

王成桢 孙启刚 梁仁刚 何茂金 王 涛 肖 超

（杰瑞环保科技有限公司，山东 烟台 264003）

1 重金属土壤污染特性

重金属污染属于无机污染物污染，土壤重金属污染物主要有汞、镉、铅、铜、铬、砷、镍、铁、锰、锌。国内外环境科学界以Tessier连续提取法将土壤重金属分为5种形态，即离子交换态、碳酸盐结合态、铁猛氧化态、有机质结合态、残渣态，淋洗技术可有效降低土壤中离子交换态，碳酸盐结合态以及部分有机结合态的重金属污染，从而降低重金属的活性，减少对环境的污染；土壤重金属淋洗技术主要通过淋洗液，将重金属转移至液相中，同时通过筛分将污染较少的大颗粒物筛分出来[1]，实现减量化，其基本理论依据是重金属污染更易富集在较小的土壤粒径上，呈现明显的粒度效应。在杰瑞承接的大量淋洗工程项目中，基本符合这一规律，图1为杰瑞设备应用的某处理现场Cd元素含量与粒径关系勘探结果（图1），从该数据可以分析出Cd元素含量基本上随粒径的减小而增加。大量的重金属Cd元素富集在粒径150微米以下的土壤颗粒中。

图1 某处理现场Cd元素含量与粒径关系

2 重金属污染土壤异位淋洗工程应用介绍

重金属污染土壤异位淋洗是指通过添加水或增效剂，采用物理分离或增效淋洗等手段，分离污染较重的土壤组分或将富集在固相上的污染物转移到液相的技术，淋洗处理可以有效地减少重金属污染土壤的固化/稳定的处理量，实现减量化，同时实现一定比例的物料资源化利用。异位淋洗技术在重金属污染土壤处理领域逐渐被应用，有效降低了处理成本及对土壤的二次污染，尤其适用于砂质土壤的重金属污染。

图2是杰瑞在某重金属异位淋洗作业现场采用的作业流程，该流程由预处理、分级处理、浓缩处理、脱水处理、水处理、稳定化处理等组成；该项目待处理物料偏砂质，但存在大量的杂物如植物根系等，因此在进行淋洗作业前需要进行预处理，预处理在较多的淋洗工程中均有应用，预处理的目的是将容易造成设备堵塞的植物根系及大颗粒物料等提前去除，确保设备能够稳定连续运行，减少维护停机成本；重金属异位淋洗技术的核心在于分级处理，分级处理是该技术中决定减量化层度的关键，将重金属含量达标的土壤尽可能多地分离出来取决于粒径筛分的精度和准确性，在工程应用中，因不同区域受污染的层度以及污染物的种类不同，导致合格物料粒径范围会有较大的波动，需要根据勘察结果预判合适的粒径划分范围，在该现场采用了不同的分级设备来实现精确粒径控制，如滚筒洗砂机、振动筛、螺旋洗砂机、旋流器等设备，该项目现场将粒径划分为50mm以上、1mm～50mm、150μm～1mm、75μm～150μm，筛分后不同粒径等级的物料再经过取样测试确定重金属含量达标的粒径范围，重金属含量达标的土壤可以回填或具有经济价值的资源化利用，而富集有高浓度重金属的土壤微粒需要进行固化/稳定化处理；经分级后的淋洗液中含有大量重金属超标的土壤细粒，这部分土壤细粒需要通过浓缩处理从淋洗液中分离出来，常见的方法是采用重力沉降原理进行浓缩，在该项目现场由于75μm以下颗粒较多，采用了多级沉降罐及加药加速沉降的方式进行浓缩，在浓缩过程中需要关注淋洗液中固相的含量，当淋洗液中固相含量较高时要采用多级分离，避免固相过多沉降罐负荷较大导致沉降效果差，同时沉降罐容易淤堵造成淋洗作业停滞。浓缩后产生的固相含水率极高，不能直接固化/稳定化，这部分含水量极高的土壤细粒则需要在进行脱水处理，尽可能地降低含水率，从而降低固化/稳定化处理的成本，土壤细粒的脱水方法有很多，可采用离心分离设备、带式脱水机、板框压滤等设备，各种方法各有优劣，当需要连续作业且占地较小时可选择带式脱水机和离心分离设备，但带式脱水机滤带易于磨损，耗损较大，离心分离设备耗电量较大，操作难度高，当对占地面积没有太大限制时可采用多台板框压滤解决其不能连续作业的问题。该项目现场由于含砂较高，易造成带式脱水机滤带磨损，同时考虑到占地问题，采用了离心分离设备，处理后的物料含水率约85%，基本达到了降低含水率的目的，同时该含水率也有利于进行固化/稳定化作业；经过淋洗后的淋洗液虽然去除了土壤细粒，但土壤中易于溶解的重金属成分进入至淋洗液中，随着不断地淋洗，其重金属浓度含量增高，不能再进行淋洗作业且不能随意排放，同时淋洗作业过程会使用大量淋洗液，淋洗液不进行处理就会产生大量的废液。为解决该问题，需要实现淋洗液的循环利用，该项目现场引入了水处理工艺，通过加药将液相中的重金属螯合，沉降去除，使淋洗液循环使用，减少淋洗液用量，减少工程运营成本，沉降后的重金属螯合物经过脱水，再固化/稳定化处理，在整个作业过程中几乎不产生废液，只需要根据实际情况补充作业过程中损耗的淋洗液即可。

图2 重金属污染土壤淋洗技术流程图

3 淋洗与其他处置技术对比

近年来随着社会经济的快速发展，土壤中重金属含量不断增加，土壤重金属污染已成为社会普遍的环境问题，国家环保法律法规的不断健全，土壤重金属污染处理技术也在不断完善，其中可分为淋洗技术、生物修复技术、固化修复技术、热力学修复技术、电力学修复技术、换土改良技术等。

通过处理量、处理成本、处理周期等方面的比较分析（表1），可以看出土壤淋洗技术优势明显，可实现处理无二次污染，降低对土壤的伤害，最大程度地保持土壤活性，实现具有经济价值的资源化利用；但该技术也存在局限性，其主要的目的是减量化，而不是最终处理技术，需要与其他技术相结合，同时土壤的粒径组成对该技术有极强的限制。因此该技术在土壤粒径组成能满足要求的情况下，具有较高的市场应用价值，在欧美、韩国等国家均有成功的应用，国内在砂质土壤重金属污染领域也在积极推广和应用。

表1 重金属污染土壤处理技术对比表

4 粒径分布对工程应用的影响

淋洗工艺处理结果的评定标准以物料的重金属含量及种类为主要依据，影响处理结果的因素有很多，如原料中重金属的形态、含量、组成等，这些因素会直接或间接影响淋洗作业流程及处理后的效果，在工程应用中，工程成本是评价工程施工优劣的关键指标，结合杰瑞在多个现场的处理经验，土壤粒径分布情况，直接影响减量化的比例，进而影响工程成本，是决定淋洗工艺是否能够应用的关键指标。较小粒径的土壤比例含量过高，土壤富集重金属的能力增加，重金属洗脱难度增大，从而造成单位时间内处理量下降且筛分出重金属含量达标的大颗粒物占比较低，淋洗作业后的大量物料需要进行固化/稳定化，工程成本增加。 结合杰瑞多年的积累经验及实践，在其他条件相对一致的情况下，粒径分布对处理量的影响趋势如图3；从该图中可以分析得到，小颗粒物的含量多少对淋洗技术处理量的影响非常大，在小颗粒物含量超过15%时，同类型物料的处理量迅速下降，处理成本及处理难度会迅速增加，减量化的效果大幅下降，原则上该技术不再适合工程应用。在杰瑞接触的重金属污染土壤治理工程中，针对小颗粒含量超标的现场，一般推荐直接进行固化/稳定化作业，如强行进行淋洗作业，由于小颗粒物含量高，前端筛分出的达标大颗粒物料占比极低，处理量极低，减量化效果差且会导致浓缩作业出现淤堵，脱水作业强度增加，成本大幅增加，最终进行固化/稳定化的物料占比高，无法达到减量化降本目的，因此此类现场一般直接进行固化/稳定化作业是较好的选择。

图3 粒径分布对处理量的影响趋势

5 淋洗工程验收依据

重金属污染土壤经淋洗工艺处理后，会产生三类基本产物：重金属含量较少的大颗粒物料、重金属富集的淋洗液以及浓缩脱水后富集重金属的细粒。结合杰瑞多个成功交付的淋洗工程中的经验以及相关的法律法规，此类工程可参考以下标准作为验收依据：

重金属含量较少的大颗粒物料，此类物料是淋洗减量化的主要目标，经淋洗后其重金属含量需要达标，可实现回填或具有经济价值的资源化利用，有利于降低工程成本。此类物料主要的验收标准可参照GB 36600-2018《土壤环境质量建筑用地土壤污染风险管控标准》以及GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》中的相关要求执行，在具体项目中需要根据不同的污染物及处理后土壤最终的用途，选择合适的验收标准。

重金属富集的淋洗液是淋洗减量化作业中必然的产物，根据杰瑞在各现场的工程经验，淋洗液的使用量是被处理对象的2～3倍甚至更高，此类溶液中重金属含量远超过国家相关规定，单位体积内其富含的重金属指标接近或者超过原料中的重金属指标，因此不可直接进行循环使用。而工程实际作业中，需要配备相应的水处理系统，用于降低循环过程中淋洗液的重金属浓度，实现淋洗液循环使用，降低工程成本。工程结束后，剩余的淋洗液最终需要进行处置，如按照危险废弃物进行处置，成本太高，一般工程中会通过水处理系统，将指标降至法规许可范围内，达标排放至污水管网或其他地域，经处理后淋洗液指标可参照GB 8978-1996《综合污水排放标准》中的要求，具体执行时需要根据排放的方式及地域，选择合适的排放等级标准。

浓缩脱水后富集重金属的细粒，此类物料中富集了原物料中的重金属，其重金属含量严重超标且粒径较小，在工程应用中已经不适合再次进行淋洗减量化作业，此类物料一般需要进行固化/稳定化处理。处理后的物料要求按照浸出毒性评估方法进行评估，当前阶段我国通常使用的检验土壤毒性的办法是浸出毒性评估，一般采用醋酸缓冲液法或硫酸硝酸法，其中使用率最高的是硫酸硝酸法[2]；当污染土壤固化/稳定化处理后进行原址或异地填埋时，其评估标准可参考GB/T 14848-1993《地下水质标准》或根据污染物浓度进行风险评估推算确定；由于pH值对固化/稳定化后的物料毒性影响较大，尤其是当周围环境pH值呈现酸性时，物料将逐渐恢复毒性，因此当污染土壤固化/稳定化后再利用时，需要根据再利用的具体情景选择相对应的评估方法与标准，以降低风险。

6 结语

土壤淋洗技术在重金属污染土壤领域的应用，具有一定的优势，可避免对土壤的二次污染，有效降低处理成本。但在工程应用过程中，需要关注减量化层度，充分评估可行性，尤其是粒径分布对工程应用的影响，降低工程施工风险。分级出不同粒径的物料以及淋洗液的达标处理，是工程交付的关键，须严格按照相应法律法规进行处理，避免发生潜在的环境二次污染风险。