化学淋洗法修复重金属Hg污染土壤的应用实例研究

许 蕾

（上海城投上境生态修复科技有限公司，上海 200030）

近年来，土壤污染成为社会广泛关注的问题之一，因此，修复污染土壤的工作具有重要意义。其中，重金属污染地块的修复又是土壤修复行业中的重中之重[1]。目前，化学淋洗法是应用较多的土壤修复技术，特别适用于修复工期短、修复量大的建设用地。该方法主要是利用化学淋洗剂对土壤中的重金属污染物进行解吸、螯合等化学作用，并将重金属转移到淋洗液中，使重金属彻底从土壤中分离出来。该方法的优势在于修复效果彻底稳定，且适用于高浓度污染的土壤[2]，因此，也逐渐成为重金属污染土壤治理的首选修复技术，被越来越多地应用到实际修复工程中[3]。在实际的土壤修复过程中，常用的淋洗剂包括乙二胺四乙酸二钠（EDTA）、柠檬酸、草酸、FeCl3等。其中，柠檬酸可与重金属离子形成可溶性的络合物，从而促进金属离子的解吸[4]；而EDTA是一种含有氨基以及羧基的螯合剂，有六个配位原子，能满足多数金属离子的配位数，可与金属离子配合生成具有多个五元环的螯合物[5]，且对大部分重金属均表现出较好的络合能力，能有效解吸土壤中的重金属，同时也能溶解较多的重金属化合物[6]。

本文以上海市某地块重金属Hg污染土壤修复工程为例，通过实验室小试，从EDTA、三氯化铁、柠檬酸、EDTA和柠檬酸复配药剂四种淋洗剂中，筛选出最适合本工程的淋洗剂，并通过淋洗优化实验，确定适合本项目污染土壤的淋洗工艺参数。经现场中试试验验证了该工艺参数的有效性，并成功应用于实际修复工程中。

1 污染地块概况

该地块原为工业用地，未来用地类型包括住宅组团用地、基础教育用地、商务办公用地、公共绿地和道路用地等。根据前期调查和风险评估资料，该地块土壤受重金属汞污染，汞最高检出浓度为37.9 mg/kg，现场清理目标值和修复目标值均为8 mg/kg，经匡算污染深度为0～1 m，污染总方量约770 m3。

2 实验室小试

现场采集污染区域内的土壤作为供试土壤，采样量为25 kg。经实验室检测土壤样品中汞的平均初始浓度为37.2 mg/kg，pH值为8.56，含水率为24%。用该土壤分别进行粒径分析实验、淋洗药剂筛选实验、最佳淋洗剂浓度实验、最佳搅拌时间实验以及最佳固液比实验。

2.1 粒径分析

首先，通过对污染土壤的粒径分级和污染物在不同粒径的分布试验，判定淋洗方法是否适合该地块。实验步骤如下：在烧杯中称取风干后的污染土壤100 g，加入200 mL清水，用玻璃棒搅拌至泥浆状；然后，在电动振筛机放置四种孔径的筛网（2 mm、0.9 mm、0.3 mm和0.075 mm），对泥浆状的土壤进行振动筛分；最后，将各级筛上物风干并称重，计算土壤中不同粒径颗粒质量占比。

2.2 淋洗药剂筛选

通过淋洗药剂筛选实验来确定适合本地块污染土壤的最佳淋洗剂。在烧杯中各称取100 g污染土壤，分别加入500 mL浓度为5 mmol/L的EDTA、三氯化铁、柠檬酸、柠檬酸和EDTA复配药剂，机械搅拌30 min后进行过滤，过滤后的土壤风干后分析检测。

2.3 确定最佳淋洗剂浓度

选择上述实验中确定的最佳淋洗药剂开展实验。在3个烧杯中各称取100 g污染土，分别加入500 mL浓度为1 mmol/L、5 mmol/L、10 mmol/L的最佳淋洗剂，机械搅拌30 min后进行过滤，过滤后的土壤风干后分析检测。

2.4 确定最佳固液比

选择上述实验中确定的最佳淋洗药剂和最佳淋洗剂浓度开展实验。在3个烧杯中各称取100 g污染土壤，各分别加入200 mL、500 mL、800 mL淋洗剂，机械搅拌30 min后进行过滤，过滤后的土壤风干后分析检测。

2.5 确定最佳淋洗时间

选择上述实验中确定的最佳淋洗药剂、最佳淋洗剂浓度和最佳固液比开展实验。在3个烧杯中各称取100 g污染土壤（粒径小于0.3 mm），分别加入500 mL淋洗剂，分别机械搅拌30 min、60 min、120 min后进行过滤，过滤后的土壤风干后分析检测。

2.6 实验主要结论

（1）粒径分析实验：原始土样共100 g，粒径分析实验表明供试土壤中2 mm粒径以上土壤质量为15.2 g，占比15.2%；0.9～2 mm粒径土壤质量为11.6 g，占比11.6%；0.3～0.9 mm粒径土壤质量为16.7 g，占比16.7%；0.075～0.3 mm粒径土壤质量为8.9 g，占比8.9%；0.075 mm粒径以下土壤质量为44.2 g，占比44.2%。对于土壤淋洗技术而言，分级效率越高越有利于淋洗工艺成本控制及淋洗效率提高。本次粒径分析结果显示，0.075 mm以上粒径占比55.8%，对比20%分离质量要求，本地块土壤满足淋洗技术适用要求。根据XRF检测结果，0.3 mm以下小粒径土壤中污染物浓度较高，因此，为了提高实验的有效性，在后续实验中均使用粒径小于0.3 mm的土壤作为供试土壤。粒径分析实验确认了土壤样品中各粒径占比，可为后期土壤淋洗项目施工各粒径出土量提供参考，也可以为各淋洗单元设备调试提供处理量依据。

（2）淋洗药剂筛选实验结果表明：EDTA、三氯化铁、柠檬酸、EDTA和柠檬酸复配药剂均可去除土壤中的汞，但相同浓度下EDTA和柠檬酸复配药剂对汞的去除效果最好，因此，确定EDTA和柠檬酸复配药剂为最佳淋洗药剂。

（3）最佳淋洗剂浓度实验结果表明：浓度1 mmol/L、5 mmol/L、10 mmol/L的EDTA和柠檬酸复配药剂对供试土壤中的汞均具有去除效果，且去除率会随着EDTA和柠檬酸复配药剂浓度的升高而增大，但在EDTA和柠檬酸复配药剂浓度为1 mmol/L时，即可达到土壤修复目标值。因此，确定EDTA和柠檬酸复配药剂的最佳浓度为1 mmol/L。各类淋洗剂的浓度对重金属Hg污染土壤的去除率的影响，如图1所示。

图1 各类淋洗剂的浓度对重金属Hg污染土壤去除率的影响

（4）最佳固液比实验结果表明：提高固液比可提高重金属去除率，即在固液比为1∶5可达到较高的去除率，但继续提高固液比，重金属的去除率上升不明显。因此，确定淋洗的最佳固液比为1∶5，具体情况如图2所示。

图2 固液比对重金属Hg去除率的影响

（5）最佳淋洗时间实验结果表明：当淋洗时间分别为30 min、60 min、120 min时，汞去除率分别为85.3%、87.6%和88.7%。因淋洗时间与淋洗成本直接相关，考虑到实际应用的经济绿色原则，即提高淋洗效率，降低淋洗成本，确定EDTA和柠檬酸复配药剂的最佳淋洗时间为30 min。

3 淋洗现场中试

（1）土壤样品选取：首先，选取20 m3污染土壤，现场筛分混匀后用XRF进行快速检测，然后，选取浓度高的土壤作为中试用土，最后，取1个样品送实验室检测。实验室检出供试土壤中汞浓度为26.7 mg/kg。

（2）土壤淋洗药剂：是根据实验室的小试结果确定现场中试的淋洗参数。本次淋洗中试选择EDTA和柠檬酸复配药剂作为土壤淋洗药剂，淋洗剂浓度为1～10 mmol/L。

（3）试验参数：土壤淋洗中试中的淋洗固液比为1∶5，泥浆池中泥浆停留总时间为30 min。

（4）淋洗中试流程

①土壤预处理：先将重金属污染土进行预处理，主要是将土壤中大粒径的石块及颗粒筛分破碎，直至满足后续淋洗施工进料要求，且土壤粒径不大于60 mm。

②滚筒筛分机筛分及淋洗：在完成土壤预处理后，首先由挖机将土壤转移至淋洗设备进料斗内，而料斗内的土壤会在重力作用下转移至滚筒筛分机入口；然后在滚筒筛分机的入口处喷入淋洗液与污染土壤混合，使土壤与淋洗液在滚筒内进行连续充分搅拌淋洗，并将土壤团块进一步筛分至较小尺寸。其中，泥浆及小于2 mm的砂土在滚筒筛分机的筛分段会落入滚筒筛下的收集槽内，并流入一级泥浆池，而泥浆会在搅拌器的作用下进一步淋洗，将污染物从土壤中洗脱；最后，滚筒筛分机末端的高压喷淋设备，对大于2 mm的砂石进行冲洗，经滚筒筛分机的出料口排出，运至堆场暂存。

③水力旋流器筛分及淋洗：一级泥浆池中的沙土泥浆混合物通过泥浆泵泵入水力旋流器进行二次筛分。同时，通过设置水力旋流器（粗、细料的“切割点”为0.15 mm）将泥浆分成粗、细粒度物料（分离效率可达到＞99%）。经水力旋流器分级后，0.15～2 mm的颗粒由水力旋流器底部排出，在重力作用下流入振动筛分机，且在振动筛作用下，沙石附带的泥浆由筛孔排出流入二级泥浆池，脱水砂土由出料口排出，堆置于指定场地。而小于0.15 mm颗粒及泥浆会从水力旋流器上部排出进入二级泥浆池。二级泥浆池接受水力旋流器和振动筛分机输送的泥浆，并由设置的搅拌器再对泥浆进行进一步搅拌淋洗。

④泥浆脱水：二级泥浆池中的泥浆会进入沉淀池，而沉淀池底泥通过泥浆泵泵入板框压滤机，再利用板框压滤机对泥浆进行脱水干化，干化泥饼由传送带运出，堆置于指定场地。沉淀池上清液与压滤水进入水处理设备。板框压滤机的压滤压力通过试运行设定为0.8 MPa，每小时压滤出土量为10～15 m3。取板框压滤出土送实验室检测，分析土壤中汞浓度。

⑤淋洗废水处理：淋洗废水的去向主要分为三个部分，第一部分进入土壤损失约20%，这部分废水需后续补充；第二部分为泥浆中废水，这部分通过压滤设备，将废水压滤出后全部输送至污水处理站处理后回用；最后一部分为沉淀池上清液，这部分废水全部直接抽至污水处理站处理后回用。

（5）淋洗中试结果

根据实验室检测结果，当淋洗剂浓度分别为1 mmol/L、5 mmol/L和10 mmol/L时，且在淋洗固液比为1∶5，淋洗时间为30 min的条件下，板框压滤出土中重金属汞的检出浓度分别为1.24 mg/kg、0.429 mg/kg和0.469 mg/kg，去除率分别为96.0%、98.4%和98.23%。淋洗中试试验确定后续大规模淋洗施工的工艺参数如下：淋洗剂为EDTA和柠檬酸复配药剂，淋洗剂浓度为1 mmol/L，淋洗固液比为1∶5，淋洗时间为30 min。在以上工艺参数的基础上，汞污染土壤经淋洗修复后可满足本地块的修复目标值。

4 工程实施

淋洗现场施工内容包括污染土壤清挖、土壤预处理、土壤淋洗修复、土壤自检、效果评估以及土壤回填。污染范围内的污染土壤使用反铲挖掘机开挖，开挖后使用密闭运输车运输至淋洗修复区域内进行预处理；预处理过程主要采用ALLU筛分斗对土壤进行筛分、破碎，且筛分2次，以筛除土壤中大块的建筑垃圾，并破碎土壤颗粒至60 mm以下，以满足淋洗施工进料要求；预处理完成后的污染土壤进行后续淋洗修复，淋洗修复日处理量约150 m3。在淋洗过程中，首先通过挖掘机将污染土壤送入淋洗设备淋洗，依次通过滚筒筛分机、一级泥浆池、水力旋流器、振动筛、二级泥浆池、板框压滤机，以此对石块、细砂、土壤进行淋洗，各设备出料转运至待检区暂存。淋洗废水经现场配套的水处理设备处理后回用，施工结束后最后一批次废水经自检和效果评估满足《地下水质量标准》（GB/T 14848-2017）后，纳管排放。

本项目淋洗修复汞污染土壤共770 m3，淋洗施工历时5 d。土壤淋洗完成并取样自检合格后，效果评估单位对现场基坑侧壁、坑底以及修复后的重金属污染土壤进行了采样验收。评估采样检测结果表明，本项目开挖后的基坑达到了现场清理目标值，修复后的土壤中汞浓度满足本地块的修复目标值。并且，在基坑和土壤效果评估合格后，所有土壤回填基坑。

5 结论

本文针对上海市某污染地块重金属Hg污染的问题，通过淋洗优化实验，从EDTA、三氯化铁、柠檬酸、EDTA和柠檬酸复配药剂四种淋洗剂中，筛选出EDTA和柠檬酸复配药剂是最适合本工程的淋洗剂，并确定了淋洗施工的最佳工艺参数，并以该工艺参数开展了现场施工，修复后污染土壤中Hg浓度显著降低，满足本工程的修复目标值。本研究通过实验小试和现场中试优化了淋洗反应条件，并在实际工程进行了应用，这对于重金属污染土壤的修复施工具有实践指导意义。