重金属复合污染土壤的淋洗修复试验研究

陈 晨

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

重金属污染是我国主要的土壤环境污染问题，根据《全国土壤污染状况调查公报》，污染类型以无机型为主，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。重金属污染土壤修复技术主要包括工程措施（客土、换土等）、物理化学修复（土壤淋洗、电动修复等）、化学修复（固化、稳定化等）、生物修复（植物修复、微生物修复等）。土壤淋洗技术可快速将污染物从土壤中移除，短时间内完成高浓度污染土壤的治理，且治理费用相对较低[1]。土壤淋洗技术的修复效果受土壤质地特征、污染物类型、污染程度、淋洗剂种类与浓度、淋洗时间等因素的影响。孙涛等[2]总结了不同淋洗剂对重金属去除效果的影响，并综述了最优淋洗条件的研究。陈欣园等[3]研究了不同淋洗剂对铜、镉、铅、锌等重金属的去除效果、形态分布和土壤理化性质的影响。吴烈善等[4]研究了三种环境友好型淋洗剂对铜、铅、锌等重金属的淋洗效果，并研究了淋洗剂最佳配比、淋洗剂添加方式和淋洗时间。李玉双等[5]研究了柠檬酸对镉、铜、铅等重金属复合污染土壤的淋洗效果。

随着可持续发展要求的逐步提高，土壤淋洗剂逐渐向具有良好生物降解性和生物适应性的类型发展，如天然有机酸、生物表面活性剂等[1]。本文使用一种天然有机酸——柠檬酸对砷、镍、钴、铜等重金属复合污染土壤进行淋洗试验，研究淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等因素对修复效果的影响，分析淋洗废水的处理方法，以确定淋洗工艺最优参数，为后续修复工程提供理论依据。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验土壤取自某污染地块，采样深度为0.3～1.0 m，根据前期调查确定超标重金属为砷、镍、钴和铜。淋洗剂为柠檬酸，纯度为分析纯。试验用水为去离子水。

根据土工试验报告的粒径分布结果，该地块0.3～1.0 m处的土壤中，细砂粒和粉粒的总量占比接近70%，各粒径土粒组成如表1所示。因此，本研究重点关注该部分细颗粒土壤的淋洗效果。试验土壤处理方法为：将土壤样品风干后，过60目筛（粒径小于0.25 mm），然后称重备用。

表1 试验土壤样品土粒组成

1.2 试验设计

取若干反应瓶，每个反应瓶中放置50 g处理后的土壤，然后加入淋洗剂，使用翻转振荡器以180 r/min的转速进行淋洗；振荡完成后，利用离心机以3 000 r/min的转速离心10 min；将收集的离心液过孔径0.45 μm的滤膜，泥水分离后分别检测土壤和淋洗废水的重金属含量，并计算土壤中重金属去除率。本研究针对淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等三项参数进行对比试验。

1.2.1 淋洗剂浓度

利用柠檬酸和去离子水配制淋洗液，保持淋洗液总量不变，分别配制浓度0 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L的150 mL淋洗液，淋洗时间为1 h。淋洗处理后，土壤样品编号分别为S1、S2、S3。

1.2.2 淋洗土水比

以浓度0.3 mol/L的150 mL淋洗液为基础，保持淋洗药剂量0.045 mol（柠檬酸）不变，调整淋洗液总量，分别配制150 mL、200 mL、250 mL的淋洗液，即土水比分别为1∶3、1∶4和1∶5，淋洗时间为1 h。淋洗处理后，土壤样品编号分别为R1、R2、R3。

1.2.3 淋洗时间

根据淋洗剂浓度和淋洗土水比两项条件试验确定的最优淋洗条件（淋洗剂浓度为0.3 mol/L，淋洗土水比为1∶3），调整淋洗时间。淋洗时间分别为0.5 h、1 h、2 h。淋洗处理后，土壤样品编号分别为T1、T2、T3。

1.2.4 淋洗废水处置

根据淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等条件试验确定的最优淋洗条件，取100 g污染土壤进行淋洗反应，经泥水分离后得到淋洗废水样品。取150 mL淋洗废水进行试验，投加生石灰和聚丙烯酰胺进行絮凝沉淀，投加量分别为1 g/L和0.1 g/L，经絮凝沉淀静置后，检测上清液中重金属的浓度。

2 结果与讨论

2.1 淋洗剂浓度

不同淋洗剂浓度条件下，试验土壤中砷、镍、钴、铜的去除率如图1所示。

图1 不同淋洗剂浓度对土壤重金属洗脱效果的影响

随着柠檬酸浓度的增加，各重金属的去除率逐渐升高。柠檬酸浓度为0.3 mol/L时，砷、镍、钴、铜的去除率分别可达43.33%、73.81%、55.13%、47.09%。由此可见，柠檬酸对镍的去除效果最好，对钴的去除效果次之，对砷和铜的去除效果较差。采用浓度0.3 mol/L的柠檬酸淋洗后，各重金属的检测结果均低于本地块修复目标值。因此，本研究选择0.3 mol/L作为最优淋洗剂浓度。

2.2 淋洗土水比

不同淋洗土水比条件下，试验土壤中砷、镍、钴、铜的去除率如图2所示。随着淋洗土水比的增加，钴的去除率没有明显变化，其余三种重金属的去除率略有降低。由此可见，淋洗剂投加量保持不变时，仅提高用水量来增加淋洗液总量不能提升淋洗效果。此外，用水量的增加将会提高后续脱水工序的负荷，增加脱水难度。因此，本研究选择1∶3作为最优淋洗土水比。

图2 不同淋洗土水比对土壤重金属洗脱效果的影响

2.3 淋洗时间

不同淋洗时间条件下，试验土壤中砷、镍、钴、铜的去除率如图3所示。

图3 不同淋洗时间对土壤重金属洗脱效果的影响

随着淋洗时间的增加，各重金属的去除率略有升高。增加污染土壤与淋洗剂的接触时间，有助于淋洗剂将更多的重金属从土壤中洗脱出来。但增加淋洗时间会导致单位时间内可处理的污染土壤方量降低，即整体修复效率降低。此外，根据试验结果可知，经0.5 h淋洗后土壤的重金属浓度已低于修复目标值。因此，综合考虑节能环保和修复效率，本研究选择0.5 h作为最优淋洗时间。

2.4 淋洗废水处置

淋洗废水采用生石灰和聚丙烯酰胺处置后，各重金属的浓度均低于《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）的Ⅳ类水标准限值，如表2所示。

表2 处理后淋洗废水检测结果

3 结语

本研究通过试验，分析不同淋洗剂浓度、淋洗土水比、淋洗时间等因素对污染土壤中各重金属淋洗效果的影响。在一定淋洗条件下，柠檬酸可用于处理砷、镍、钴、铜等重金属污染的土壤。柠檬酸对镍的去除效果最好，对钴的去除效果次之，对砷和铜的去除效果较差。根据试验结果，综合考虑修复目标值、修复效率、经济效益和节能环保等因素，本研究确定了最优淋洗条件，即淋洗剂浓度为0.3 mol/L，淋洗土水比为1∶3，淋洗时间为0.5 h。在该条件下，淋洗后土壤样品中各重金属的浓度均低于修复目标值。利用生石灰和聚丙烯酰胺处置淋洗废水，处置后的废水中各重金属浓度均满足《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）的Ⅳ类水标准限值。