錢琪所,孟祥琪,李 超

(1.云南省生態(tài)環(huán)境工程評估中心，昆明 650032；2. 金平縣生態(tài)環(huán)境執(zhí)法監(jiān)測站，云南 紅河州 661500)

引 言

有色金屬采礦、浮選和冶煉，在帶來巨大的經(jīng)濟效益的同時，也造成了極大的生態(tài)環(huán)境壓力，礦區(qū)的河道湖泊同樣承受極大的重金屬污染風(fēng)險[1]。礦區(qū)地區(qū)河道湖泊主要受到重金屬污染，針對這些污染，同樣，城市周邊的河流湖泊也多受到周邊工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染，河湖底泥污染成為普遍現(xiàn)象，目前多采用底泥疏浚的方式對河湖底泥進(jìn)行處理[2-3]。目前，國內(nèi)大部分區(qū)域，首先對河湖底泥進(jìn)行脫水處理，再采用填埋方式處理脫水后河湖底泥，這種方式存在較大的環(huán)境影響，且底泥無資源化利用，同時易受到土地條件限制[4]。疏浚后河湖底泥主要為黏土質(zhì)和細(xì)粉砂質(zhì)的顆粒物為主，污染物主要包括重金屬和難降解有機污染物，其中又以重金屬對環(huán)境和生物的毒性最大[5-6]。為防止底泥脫水填埋后對環(huán)境產(chǎn)生污染，通常要對污泥中的重金屬進(jìn)行處理[1,7]。對于受重金屬污染的河湖底泥處理，使用固化/穩(wěn)定化技術(shù)是經(jīng)濟有效且實用的方法，在國內(nèi)外多項研究實例中取得了成功[8～10]。

但是，當(dāng)固化后河湖底泥進(jìn)入填埋場，其重金屬穩(wěn)定性受到酸雨、填埋時間等環(huán)境因素的影響，而改變其化學(xué)性質(zhì)從而影響其穩(wěn)定性，固化后河湖底泥中重金屬等有害物質(zhì)重新活化并釋放到環(huán)境中，對環(huán)境、生物及人體健康造成不同程度的影響，帶來巨大環(huán)境安全風(fēng)險問題[11～13]。河湖底泥重金屬Cu、Ni污染主要集中于Cu、Ni礦區(qū)，污染來源于Cu、Ni采礦、浮選、冶煉工業(yè)[14]。因此，在河湖底泥重金屬Cu、Ni污染區(qū)域，開展在不同環(huán)境條件下重金屬的毒性評價，確保固化后河湖底泥填埋的安全性，是極其必要的。

現(xiàn)階段，我國尚沒有針對固化后河湖底泥重金屬穩(wěn)定性及毒性評估的完善的技術(shù)方法，尤其未完善在如酸雨、高溫、長期填埋的條件下，對固化后河湖底泥中重金屬的浸出穩(wěn)定性及毒性試驗方法。通過本項目的進(jìn)行，針對我國固化后河湖底泥中重金屬的穩(wěn)定性評估需求，建立其重金屬毒性評價方法，為固化后河湖底泥重金屬的穩(wěn)定性評估提供相關(guān)技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 固化后河湖底泥基本性質(zhì)分析

試驗樣品來源于云南紅河某縣河流底泥，該河流上流有銅鎳硫化礦浮選廠，該河流底泥中重金屬Cu、Ni含量較高。選擇固化/穩(wěn)定化處理后受重金屬污染的河湖底泥作為重金屬釋放動力學(xué)研究對象，取試驗底泥樣30 m3，自然晾曬并碾壓破碎，過10目篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，重復(fù)碾壓篩分過程至樣品全部過篩，篩下物混勻備用。對預(yù)處理后的樣品取樣測定其重金屬含量，分析結(jié)果見表1。由表1可知河湖底泥樣品中Cu、Ni的含量較高，故選取河湖底泥中重金屬Cu、Ni為研究對象。

表1 河湖底泥樣品中重金屬含量Tab.1 Heavy metal content in sediment samples from rivers and lakes (mg/kg)

1.2 試驗方法

將樣品置于反應(yīng)罐中，反應(yīng)罐尺寸為H1.2m、Φ1m，上部和底部分別設(shè)有溢流孔和淋溶孔，中部留取樣孔，在不同復(fù)合條件下進(jìn)行試驗。試驗共有16個實驗反應(yīng)罐，編號為①到。填埋場為固化后河湖底泥的主要去向，根據(jù)填埋場的日常環(huán)境影響因子情況，模擬試驗條件選取包括溫度、降雨量、降雨pH和光照強度，其中結(jié)合現(xiàn)實條件，控制各環(huán)境因子，用恒溫房控制溫度，流量計控制模擬降雨量，調(diào)配酸堿試劑模擬酸雨情況下的pH=4條件，通過UV燈光照來實現(xiàn)光照強度的改變。其中，溫度選取25℃和40℃，降雨量選取當(dāng)?shù)貑吸c最大雨量，降雨pH值選取4和7，光照強度選取當(dāng)?shù)啬昶骄照諒姸鹊?倍和3倍。每種復(fù)合條件試驗進(jìn)行兩組試驗形成對比試驗。試驗周期為110天，每隔10天進(jìn)行一次模擬降雨試驗并進(jìn)行取樣，取試驗后河湖底泥樣和淋溶液樣，對于溢流液和淋溶液分別計量，各樣品按GB/T17141-1997檢測其重金屬的含量，用于研究固化后河湖底泥的穩(wěn)定性。具體試驗設(shè)計方案見表2。

表2 試驗設(shè)計方案Tab.2 Experimental design plan

2 結(jié)果與討論

2.1 不同試驗條件對固化后河湖底泥中Cu浸出規(guī)律的影響

試驗對比分析各組平行試驗，取平均值為試驗結(jié)果，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下，重金屬Cu的時間序列浸出規(guī)律，結(jié)果見圖1。

圖1 不同時間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

由圖1可知，總體來看，固化后河湖底泥中Cu的浸出率變化趨勢呈現(xiàn)一致性，0～20天Cu的浸出率顯著增加，隨后降低并趨于平穩(wěn)。(1)pH值對比試驗，分別在不同光照強度和溫度條件下，探究了pH對固化后河湖底泥中重金屬Cu浸出率的影響，對比圖1中線段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值變化對固化后河湖底泥中Cu的浸出影響甚微。(2)光照強度對比試驗，分別在不同pH和溫度條件下，研究了光照強度對Cu浸出率的影響，對比圖1中線段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照強度變化對固化后河湖底泥中Cu的浸出基本無影響。(3)溫度對比試驗，分別在不同pH和光照強度條件下，研究了溫度對Cu浸出率的影響，對比圖1中線段1和2、5和6、3和4、7和8可知，溫度變化對試驗固化后河湖底泥中Cu的浸出基本無影響。對比各個因素對固化后河湖底泥中Cu的浸出率，可知各因素下Cu的10天浸出率低于3%，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 試驗固化后河湖底泥中Cu浸出總量分析

試驗對比分析各組平行試驗，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下，重金屬Cu的累積浸出規(guī)律，結(jié)果見圖2。

圖2 試驗固化后河湖底泥中Cu的累積浸出率Fig.2 Cu cumulative leaching rate in the river and lake sediments after solidificaiton

2.3 不同試驗條件對試驗固化后河湖底泥中Ni浸出規(guī)律的影響

試驗對比分析各組平行試驗，取平均值為試驗結(jié)果，研究在不同溫度、pH值以及光照強度條件下，重金屬Ni的時間序列浸出規(guī)律，結(jié)果見圖3。

圖3 不同時間段試驗底泥中Ni浸出率Fig.3 Ni leaching rate in the sediment during different time periods

由圖3可知，總體來看，固化后河湖底泥中Ni的浸出率變化趨勢呈現(xiàn)一致性，0～20天Ni的浸出率顯著增加，隨后降低并趨于平穩(wěn)。(1)pH值對比試驗，分別在不同光照強度和溫度條件下，研究了pH對Ni浸出率的影響，對比圖2中線段1和3、2和4、5和7、6和8可知，pH值變化對固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無影響。(2)光照強度對比試驗，分別在不同溫度和pH的條件下，研究了光照強度對Ni浸出率的影響，對比圖2中線段1和5、2和6、3和7、4和8可知，光照強度變化對固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無影響。(3)溫度對比試驗，分別在不同pH和光照強度條件下，研究了溫度對Ni浸出率的影響，對比圖3中線段1和2、5和6、3和4、7和8可知，溫度變化對固化后河湖底泥中Ni的浸出基本無影響。對比各個因素對固化后河湖底泥中Ni的浸出率，可知各因素下Ni的10天浸出率低于1%，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 試驗固化后河湖底泥中Ni浸出總量分析

試驗對比分析各組平行試驗，研究在不同溫度、pH值和光照強度條件下Ni的累積浸出規(guī)律，結(jié)果見圖4。

圖4 試驗固化后河湖底泥中Ni的累積浸出率Fig.4 Ni cumulative leaching rate in river and lake sediments after solidification

3 結(jié) 論

3.1 Cu、Ni的時間序列浸出規(guī)律分析

試驗研究在不同溫度、pH值和光照強度條件下，Cu、Ni的時間序列浸出規(guī)律，結(jié)果表明，不論是溫度、pH值以及光照強度的變化均對固化后河湖底泥中Cu、Ni的浸出影響甚微。各因素下Cu、Ni的10天浸出率分別不超過3%和1%。

3.2 Cu、Ni的累積浸出規(guī)律分析

試驗研究在不同溫度、pH值和光照強度條件下，Cu、Ni的累積浸出規(guī)律，①～試驗，從第70天后出現(xiàn)重金屬Cu、Ni的累積浸出率拐點，70天后Ni的累積浸出率變化趨勢趨于平坦，且連續(xù)試驗后重金屬Cu、Ni的浸出率依然較低，維持在較低百分比以下?？芍?，固化后河湖底泥中Cu、Ni的100天累計浸出率最大不超過9%和4%，其中90%以上的Cu和95%以上的Ni處于穩(wěn)定狀態(tài)。