固体废物中重金属对土壤环境的污染与处理措施研究_孙显根.pdf

第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 15作者简介:孙显根(1969 )，男，大学本科，高级工程师，研究方向:固废及土壤污染防治。文章编号:1674 6139(2023)02 0113 06固体废物中重金属对土壤环境的污染与处理措施研究孙显根，李碧峰，韩桂成(杭州市生态环境局富阳分局，浙江 杭州 311400)摘要:固体废物中的重金属元素是一种典型的污染物，其对人体健康和环境生态安全均具有很大的负面影响。为此，从重金属污染源浸出、渗流、土壤吸附以及迁移转换等方面出发，模拟固体废物中重金属对土壤环境的污染过程。在测定固体废物中的重金属含量后，从污染源控制、传播路径控制以及污染土壤修复三个方面，提出土壤重金属污染的处理措施。实验结果表明:在落实土壤环境污染处理措施后，研究区域土壤中铅、镍、铬、汞四种重金属含量分别降低了 0.57 mg/kg、0.84 mg/kg、0.63 mg/kg 和 0.73 mg/kg，对于提高土地的使用效率具有积极作用。关键词:固体废物;重金属污染;土壤环境污染;污染处理措施中图分类号:X53文献标志码:APollution of Heavy Metals in Solid Waste toSoil Environment and Treatment MeasuresSun Xiangen，Li Bifeng，Han Guicheng(Fuyang Branch of Hangzhou Municipal Ecology and Environment Bureau，Hangzhou 311400，China)Abstract:Heavy metal elements in solid waste are a typical pollutant，which has a great negative impact on human health andenvironmental ecological safety Therefore，the pollution process of heavy metals in solid waste to soil environment is simulated fromthe aspects of leaching，seepage，soil adsorption and migration and transformation of heavy metal pollution sources After determi-ning the content of heavy metals in solid waste，the treatment measures of soil heavy metal pollution are proposed from three aspects:pollution source control，transmission path control and remediation of contaminated soil The results showed that after the implemen-tation of soil environmental pollution treatment measures，the contents of lead，nickel，chromium and mercury in the soil of the studyarea decreased by 0.57 mg/kg，0.84 mg/kg，0.63 mg/kg and 0.73 mg/kg respectively，which has a positive effect on improvingthe land use efficiencyKey words:solid waste;heavy metal pollution;soil environmental pollution;pollution treatment measures前言近年来，由于矿业经济以及建筑行业的不断发展，土壤环境污染问题日益严峻1。重金属污染是土壤环境污染的典型污染类型之一，常见的重金属污染类型包括铜、铅、铁、镍、锰、铬、汞、金等元素的污染。重金属难以被生物分解，据不完全统计，截至2022 年，中国面积大于 1 公顷的重金属污染场地超过 68 万块。固体废物是土壤重金属的重要来源。固体废弃物是人类在生产、生活和其他活动中产生的固体或半固态废弃材料，包括固体颗粒、垃圾、污泥、废渣、玻璃制品和器皿、动物尸体、变质食品、牲311第 48 卷第 2 期2023 年 2 月孙显根等固体废物中重金属对土壤环境的污染与处理措施研究Vol.48 No.2Feb 2023畜的排泄物等。为此，通过对固体废物中重金属对土壤环境的污染过程的分析，制定相应的污染处理措施，以期达到改善土壤环境的目的。1模拟固体废物中重金属对土壤环境的污染过程固体废物中的重金属污染土壤环境的大体需要经历三个过程，在降水因素的影响下，重金属从固体废物中浸出，直接进入搭配土壤环境中2。重金属以离子的形式附着在土壤表面，最后在地下水的作用下，重金属在土壤环境中迁移，并与土壤环境中的其他离子发生碰撞，实现重金属的交互与转换。具体的污染过程见图 1。图 1固体废物中重金属对土壤环境的污染流程图根据图 1 表示的污染流程，在充分考虑降水与地下水影响因素的情况下，实现重金属污染的量化模拟。1 1固体废物中重金属污染物浸出与渗流定义固体废物的堆积位置为(x，y)，引用指数函数计算降水量，降水量的函数表达式如式(1):p=p0em(xx0)2+(yy0)2(1)式中，p0为降雨中心的点降水量，(x0，y0)为降水中心的位置坐标，m 为常数系数，该系数的具体取值由降水中心与固体废物堆积位置之间的空间关系决定3。由此可以得出固体废物重金属污染物浸出的连续性微分方程:xVxx+yVyy+zV()zz+p=sMmetalt(2)式中，s为土壤的储水率，Mmetal为固体废物中重金属污染物的质量，t 为时间，Vxx、Vyy和 Vzz分别为X、Y、Z 三个方向上的比流量，比流量变量的计算公式如(3):Vi=iH(3)式中，i和 H 分别为渗透系数和水力梯度。联立上述 3 个公式，可以确定固体废物中重金属元素进入土壤的方式，得出渗流模拟结果。1 2土壤吸附重金属离子土壤中的离子交换与吸附是其重要的一种化学特性，这种吸附与交换作用使其在某些方面有了较好的净化效果。土壤环境吸附重金属离子的过程可以表示为公式(4):cee=1max+cemax(4)式中，e和 max分别为土壤对重金属的吸附量以及饱和吸附量，为常数系数，用来表示土壤的吸附能力，ce为吸附质的平衡浓度4。在固体废物重金属的渗透过程中，部分重金属离子被吸附在土壤表面，其余重金属离子继续向下或周围扩散。1 3土壤重金属迁移与转换重金属离子在土壤中与有机或无机胶质结合，从而形成复合或结合物。再经溶解沉淀作用而发生转移转化。污染物随着流动的地下水在多孔介质中运动的过程可以表示为公式(5):vx=ihdhdL(5)式中，h 和 L 分别为水头损失和水流方向长度，vx为重金属迁移的平均线速度。重金属进入到渗透性的饱和流区时，重金属就会在堆积点附近扩散，并且会持续地占据更大的面积。此外，重金属不仅在流体的方向上具有纵向的扩展，在与流体的方向上也存在着横向的延伸。重金属离子的物理迁移过程可以表示为公式(6):411第 48 卷第 2 期2023 年 2 月孙显根等固体废物中重金属对土壤环境的污染与处理措施研究Vol.48 No.2Feb 2023Jtransverse=transversedcdxJvertical=waterverticaldcdx(6)式中，Jtransverse和 Jvertical分别为土壤环境中重金属在水平和竖直两个方向上的扩散通量，transverse和vertical为不同方向上的弥散系数，water为当前土壤的含水率5。除了物理迁移外，重金属还会与土壤中的其他离子发生化学反应，改变重金属离子的价态以及形态，以铬金属为例，其化学迁移转换过程见图 2。图 2土壤中重金属形态转化示意图从化学角度来看，土壤中的重金属与有机污染物可能发生络合、氧化还原等反应，产生重金属 有机配合物。此外，部分重金属与有机污染物反应，使其成为毒性更高的有机物质。2测定固体废物中的重金属含量为最大程度的降低固体废物中重金属对土壤环境的污染程度，需根据固体废物的产量测定可能进入到土壤中的重金属含量6。假设堆积到地面上的固体废物质量为 Msolid，则废物中重金属含量可以表示为式(7):=ciMsolidni(7)式中，ci和ni分别为重金属i在固体废物中的浓度和物质的量。提取固体废物样本，采用原子吸收法测定其中重金属的浓度，将其与固体废物的产量数据代入到式(7)中，便可得到固体废物中重金属的含量，也就是进入到土壤环境中的初始污染物最大值。3土壤环境中重金属污染的处理措施处理措施的提出要从预防性和修复性两方面出发，预防性措施主要是减少污染源的产生，同时截断污染物的渗入，而修复性措施则是在污染源已经造成土壤污染的情况下，通过对污染体的处理，降低其中污染物的含量。3 1固体废物污染源处理3 1 1固体废物及重金属减量化处理固体废物及重金属减量化是采用无毒、无害的原料和能源，在不产生或少产生重金属的前提下，从污染产生源头减少污染源产生量。目前，各大生产单位均存在大量的固体废弃物，且在生产中产生新的残渣，造成了持续的环境污染7。新渣产生的一个直接因素就是现有的有钙锻烧技术，因此需要开发出一种环保的生产工艺，以取代现有的有钙焙烧工艺，对生产工艺进行调整，其中，“无钙锻烧”和“液相氧化”是目前固体废物和重金属污染治理的主要发展方向。3 1 2重金属无害化处理重金属无害化是指在化学制品生产中，根据其性质采用物理和化学方法，对重金属进行安全、不会对环境造成危害的处理，以达到解毒、稳定的目的。将污染物通过化学转化，加入到一种稳定的固相晶体中，或者通过物理方法，将污染物与惰性基质结合。以重金属铬为例，可以通过还原反应，得到无毒性的三价金属沉淀，也可以在固体废物中加入木质素磺酸盐，使其与离子铬结合生成铁铬木质素磺酸511第 48 卷第 2 期2023 年 2 月孙显根等固体废物中重金属对土壤环境的污染与处理措施研究Vol.48 No.2Feb 2023盐，降低重金属铬的毒性。3 1 3固体废物资源化处理经过脱毒处理的固体废物可以被用作资源，重新加入到生产工作中。固体废物对环境、动物、人体都具有很强的毒性，但其含有钙、镁、铁、硅、铝等元素，且反应不完全，可以将其回收利用。目前，利用固体废物可以用来制铁、制耐火材料、制玻璃砖、制水泥、制微晶玻璃、制颜料、制钙镁、磷肥、废渣修路等。在某些地方，固体废弃物可以不经过无害化处理，也可以直接代替工业原料进行加工，从而达到消除重金属污染的目的，同时使新的材料得到充分的利用，从而避免二次污染。3 2重金属离子的固化稳定处理重金属固化/稳定化处理主要利用了沉淀机理以及有机螯合机理。重金属的沉淀固化处理就是将流动状态的重金属离子转换成氢氧化物沉淀或硫化物沉淀。由于固体废物本身是碱性物质，在一定程度上会使其发生氢氧根，使重金属元素沉淀，从而减少重金属离子的迁移量。例如水泥基材料、石灰石等，可以通过增加 pH 值，促进金属氢氧化物的沉积。通过对铅、镉、铜、锌等重金属离子交换的分析，可以降低重金属离子的浸出毒性。通过加入化学制剂，可以将污染物的 pH 值保持在很低的水平，从而减少了重金属的浸出率。通过对沸石、磷酸盐、铁氧体等元素的固化机制的研究，发现低浓度的沸石与磷酸盐可以将铅，镉等难溶化合物转化为含铅、镉的化合物。与