异位淋洗修复工艺研究进展

顾春杰 李超 陆永春

摘 要：物理筛分、化学提取、物理化学联合应用等3种典型异位淋洗修复工艺由采矿与选矿工业发展而来。该文阐述了物理筛分、化学提取、物理化学联合工艺的应用原理，总结了物理化学联合工艺的基本流程路线及业内应用情况，分析了上述工艺的适用条件和特性，并提出了几点建议，为异位淋洗技术研究及工艺筛选提供参考。

关键词：物理筛分;化学提取;联合应用;工艺对比;研究进展

中图分类号 TQ423 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）03-0195-04

Abstract： Three typical ex-situ leaching remediation processes， including physical screening， chemical extraction， and combined application of physical chemistry， were developed from the mining and mineral processing industries. This article elaborates the application principles， applicable conditions， and characteristics of the physical screening， chemical extraction， and physical and chemical combined processes in detail， and focuses on the basic process routes and industry applications of the physical and chemical combined processes. Finally， combined with the introduction of the application characteristics of the above process， a summary and suggestion are made to provide guidance and reference for the research of ectopic leaching technology and process screening.

Key words： Physical sieving; Chemical extraction; Combined application; Process comparison; Research progress

根據2014年环境保护部和国土资源部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境总体状况不容乐观，无机污染与有机污染并存，从污染分布情况看，南方土壤污染重于北方，其中尤其以镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍等重金属污染类型为主[1]。重金属污染分布的区域性具有显著特点，相关污染地区正成为重点防控区。因此，我国重金属污染土壤治理刻不容缓，其治理技术日益成为当前环境领域关注的焦点问题。

污染土壤修复技术的研究起步于20世纪70—80年代。针对浓度较高的重金属污染土壤修复，土壤淋洗技术因其应用工艺、成本优势及根治效应已成为该领域研究的热点技术之一。土壤淋洗技术是指将能够促进污染物溶解或迁移作用的液相药剂注射或渗透至污染土层中，运用溶剂与污染重金属发生的解吸、螯合、溶解或络合等物理化学反应，产生溶解性的重金属离子或金属络合物，并携带污染物至根层外，即将土壤中的重金属污染物洗脱转移至液相的技术[2]。该技术可以从根本上降低土壤重金属总量，且修复后场地可根据后续用地规划再开发利用，是一种经济、高效的修复技术。

按照主体工艺处置位置进行划分，淋洗修复技术可分为原位和异位2种[3]。原位淋洗修复技术适用于多孔隙、易渗透且水力传导系数>10-3cm/s的土壤，对应土体理化性质要求较高，同时无法对污染去除率及淋洗工期进行有效预测[4]。相对而言，异位淋洗修复技术可通过减量浓缩工艺，对目标污染物进行更具针对性、更高效地彻底去除。结合技术的应用特性，原位淋洗修复技术较为适用于河流两岸、滨海平原一带等以砂性地层为主的区域，而我国地域广阔、土壤类型复杂多样，以砂作为主要构成的地层区域相对较少，多会夹杂部分粘土层、粉土层等，故异位淋洗修复技术的应用前景更加广阔。

1 土壤异位淋洗技术工艺分类

针对重金属污染土壤的防控治理，此前相关专业技术人士类比采矿与选矿工业，研究设计出物理筛分、化学提取、物理筛分与化学提取联合应用等3种典型淋洗修复工艺[5]。根据修复行业目前的应用情况来看，异位淋洗技术多以物理筛分（physical separation，PS）结合化学提取的方式（chemical extraction，CE）作为应用体现，2种工艺的组合应用可系统地应对不同的污染程度、土质特性所引起的工艺变化，普适性较强。工程实践中，亦可根据现场具体的污染情况，结合3种典型淋洗修复工艺特性来综合考量选择，使得应用工艺高效且更具针对性，同时减少了不必要的工艺环节带来的成本开支。

1.1 物理筛分工艺 土壤颗粒粒径是影响重金属富集分配的一个重要因素。颗粒物表面结构特征、比表面、粒径和表面活性吸附电位等均会影响重金属的形态、含量及分布，其中粒径是主要控制参数之一[6]。简而言之，土壤颗粒粒径越细，其对重金属的吸附性就越强。物理筛分工艺方式多种多样，具体涉及机械筛分、水力分级、重力浓缩、泡沫浮选、磁力分选、静电分选和摩擦清洗等[7]，详见表1。上述工艺的核心原理正是基于不同粒径土壤中重金属的富集分配规律作为基础而展开。具体来说，物理筛分就是将土壤进行预处理破碎，剔除大体积石块（杂物），并将相对洁净的粗颗粒如砂石、砾石（>75μm）与重金属易富集的细颗粒如粉粒、黏粒（<75μm）分离，根据得到的粗、细颗粒土壤重金属富集程度选择性开展修复，实现减量化处理。一般而言，后续修复措施的选取由分离物污染程度决定，具体包括原地回填、固化稳定化、以及重金属冶金法等，物理筛分工艺详见图1。

1.2 化学提取工艺 化学提取工艺是指采取淋洗溶剂直接对重金属污染土壤进行喷淋或者洗涤，致使溶剂与重金属发生解吸、螯合、溶解或络合等物理化学反应，产生溶解性的金属离子或金属络合产物，并洗脱转移至液相，以此达到去除污染物的目的。化学提取工艺利用淋洗剂将重金属污染物分解或洗脱转移至液相后，仍遗有淋洗后土壤脱水及淋洗液的处理循环利用2个工序，其工艺路线见图2。

（1）对于淋洗修复后的土壤，其脱水工艺主要涉及离心脱水、板框压滤脱水、带式过滤脱水3种，经固液分离后的淋洗土壤视其含水率情况可直接回填利用，分离后的淋洗液则需进行处理[8]。（2）通常淋洗液中既包含重金属螯合物，又存在游离态金属离子。故对于淋洗废液的处理循环，需要综合考虑重金属和淋洗剂的类型，来对处理工艺进行选取，以此对重金属与淋洗剂进行收集回收。其中利用电化学法可使络合态重金属离子迅速破络并在阴极形成金属单质，同时阳极处可回收螯合剂;利用沉淀法可使重金属形成硫化物或氢氧化物等沉淀后分离;无机盐等非螯合淋洗剂，可用膜分离法将重金属分离，并获得再生无机盐淋洗剂[9]。

经查阅文献，袁珊珊等[10]应用化学提取工艺修复氰污染土壤，并以清水作为淋洗剂，土水比控制在1∶5，经提取工艺后土壤中氰化物满足总量（9.86mg·kg−1）和浸出（0.1mg·L−1）的双重修复目标，后续淋洗废水破氰处置合格后作为淋洗液循环使用。马先芮[11]于上海某大规模重金属污染场地中采用化学提取工艺对污染土壤进行淋洗修复，过程中以0.01mol/L淋洗液浓度、水土比3∶1～7∶1、淋洗时间0.5～2h等技术参数取得较好的修复效果，后续淋洗土壤采用叠螺脱水机进行土水分离，分离废液经混凝沉淀工艺处理后作为淋洗液循环使用。

1.3 筛分提取联合工艺 筛分提取联合工艺作为异位淋洗技术应用的主要形式，通过整合物理筛分与化学提取工艺并进行优化设计而来，依据筛分工序对污染土壤粒径分级从而达到减量浓缩目的，并调节土体理化性质以增加后续淋洗环节洗脱效果。经查阅文献，罗志远[12]采用物理化学联合修复法对某冶炼企业污染土壤进行修复治理，结果显示：粒径分级后的粗粒级（>0.25mm）土壤目标污染物检测达标，实现减量修复。剩余的中粒级（0.25～0.074mm）和细粒级（<0.074mm）土壤则采用EDTA进行淋洗修复，结果表明中粒级土壤相较细粒径土壤更容易满足修复目标值要求，后续试验可针对淋洗时间、淋洗温度、淋洗剂浓度等参数进行深入探索，以期达到更好的去除效果;熊惠磊等[13]根据重金属污染土壤减量浓缩的设计理念，利用多级筛分式淋洗系统将土壤分离成>10mm、2～10mm和<2mm等3种不同粒径物料，根据不同粒径物料的污染程度用清水（水土比2∶1）作为淋洗剂开展针对性淋洗修复，淋洗后泥浆采用板框式压滤机脱水减量，淋洗后废液经沉淀、过滤、活性碳吸附后循环使用，工程修复效率与成本控制较为理想。

物理筛分与化学提取联合工艺路线不唯一，具体以土壤土性、污染类型、污染浓度等条件作为基础，来对土壤粒径分级、淋洗洗脱、固液分离、废水处理等单元做深化设计。图3为物理筛分与化学提取联合工艺的基本路线，其主要工艺流程为：（1）重金属污染土壤初筛分，分选出石块及块状土，利用低浓度淋洗液对其进行冲洗或者浸泡，确保包裹于石块表面的污染土壤脱落，分离得到的清洁大石块回填或外运处理;（2）初筛分得到的筛下土粒径组成相对细小均匀，为进行污染浓缩，仍需将其细分为中/细颗粒土。分选出的中颗粒土壤利用土石分离装置进行淋洗及砂石分离，分离得到的清洁砂石回填或外运处理;（3）重金属污染物易富集浓缩于细颗粒土壤，该部分土壤进入相应淋洗设备，合理控制淋洗参数，进行污染物的高效脱附;（4）粗、中、细颗粒土壤淋洗环节产生的含泥废液统一进行固液分离，分离干土达标后可直接回填利用，如若不达标则继续进行淋洗脱附，分离后废水则需进入废水处理环节，经检测达标可作为淋洗液回用，亦可纳管排放。

2 工艺特性对比

2.1 适用条件

2.1.1 物理筛分工艺 土壤粗细粒径差值大小、黏粒占比、目标污染物浓度均会造成物理筛分效率低下。物理筛分工艺更适用于粒径差异较大的砂性土壤，过小的粒径分布、过高的黏粒占比（>30%）均不利于相关筛分设备进行粒径分级，从而影响污染浓缩效率，无法进行有效减量化处理[14];土壤颗粒的粒径大小影响其对重金属的吸附性，然而过高的目标污染物浓度亦会整体提高土壤粗细颗粒中污染含量占比，使得工艺的污染浓缩初衷失去意义。

2.1.2 化学提取工艺 化学提取工艺影响因素主要包括三大类：（1）土壤的地球化学性质，如土壤质地、阳离子交换浓度、缓冲能力、有机质含量等;（2）重金属污染物特性，如重金属类型、浓度、赋存形态等;（3）淋洗工艺过程参数，如pH、洗脱时间、洗脱次数、添加方式、液固比等。从根本上决定化学提取工艺适用性的包括土壤质地、土壤阳离子交换浓度、重金属赋存形态等几种因素。其中土壤黏粒对重金属具有较强吸附性，同时其物理化学性亦会影响后续混合搅拌均匀性，无法保证淋洗剂与污染物质的充分接触反应，有学者认为黏质土占比达到20%～30%时，化学淋洗效率较低[15];土壤重金属阳离子交换容量越大，即阳离子被吸附的数量越多，就越难将重金属从污染土壤中解吸[16];重金属的形态与淋洗效率密切相关，有效态重金属淋洗效率由大至小为：可交换态>碳酸盐结合态>铁锰氧化物结合态>有机物结合态>残渣态[17]，如若土壤中有机物结合态、残渣态等含量占比较多，采用异位淋洗技术将很难达到修复要求。

2.1.3 物理化学联合工艺 物理化学联合工艺基于物理筛分与化学提取整合优化设计而来，弥补了两种工艺在单独使用时的缺陷与不足。对于适用特性，联合工艺的应用影響因素基本与物理筛分工艺和化学提取工艺一致，因联合工艺集成筛分减量与洗脱去除2大功能模块的不间断连续作业，使该工艺对于土壤质地特征、污染赋存形态等方面的要求更为苛刻。

2.2 工艺对比 物理筛分、化学提取、物理化学联合应用等3种典型异位淋洗修复工艺均可切实有效地修复土壤重金属污染。然而，上述工艺在影响因素、污染去除方式、修复出土土性、污染去处率、实施难度、运行成本等方面均存在不同之处。实践过程中，需根据具体的工程特点结合工艺特性来进行综合考量选择。3种典型异位淋洗修复工艺特性对比见表2。

物理筛分工艺适用于粒径差异大、黏粒占比少、污染浓度低的砂性污染场地，对于污染物浓缩减量、易于工程实现、成本控制等方面存在显著优势，然而该工艺无法独自消纳处理分级浓缩后污染土壤，需依赖后续措施（如：固化稳定化、离子交换法、电解冶金法等）。

相比物理筛分工艺，化学提取工艺不具备减量化手段，在土壤阳离子交换浓度、重金属赋存形态等条件适宜的情况下，该工艺更擅长集中修复高浓度重金属污染;而物理化学联合工艺集成减量浓缩和强效洗脱环节于一体，一定程度上弥补了工艺单独使用时的缺陷与不足。综合而言，化学提取、物理化学联合应用工艺可独立、彻底去除粗细土壤颗粒中富集的重金属污染物，永久消除对环境的潜在危害，但这2种工艺的主要缺点在于淋洗效果所受影响因素众多，工艺相对复杂，其次是治理后土壤物理化学性质发生改变，且矿物元素流失导致土壤肥力下降[18]。

3 结语

异位淋洗修复技术可以稳定、有效地去除重金属污染。为保证淋洗技术在重金属污染场地具有更广阔的应用前景，本文针对今后异位土壤淋洗修复技术的发展，提出以下几点建议：

（1）实践过程中，建议根据具体的工程特点结合工艺特性来综合考量异位淋洗修复工艺的选择，使得应用工艺高效且更具针对性，减少不必要的工艺环节带来的成本开支。

（2）建议对土壤粒径分布、黏粒占比、重金属富集分布规律等因素进行细致研究，确定合理的粒径筛分参数与多级筛分模式，高效完成減量化分离。

（3）建议对土壤缓冲能力、有机质含量、重金属类型、存在形态等因素进行研究，确定淋洗剂的选取范围，避免或减少不相关矿物元素的洗脱流失，影响修复土壤的肥力。

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（责编：张宏民）

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