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      六價(jià)鉻污染土壤還原修復(fù)技術(shù)研究

      2018-02-04 23:53:06
      智能城市 2018年24期
      關(guān)鍵詞:糖蜜價(jià)鉻渣土

      李 珊

      北京建工環(huán)境修復(fù)股份有限公司,北京 100015

      重金屬鉻 (Cr) 具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì),被廣泛地應(yīng)用于制造工業(yè)上。土壤中鉻的污染來(lái)源主要是工業(yè)廢物排放造成,如鉻礦的開(kāi)采與冶煉、鉻化合物的生產(chǎn)、電鍍、毛皮與制革行業(yè)[1]、顏料、油漆、制造合金、紡織和印染行業(yè)[2]等。在所有重金屬污染場(chǎng)地中,鉻污染場(chǎng)地的數(shù)量占到較大比重。

      鉻主要以三價(jià)和六價(jià)形式存在,Cr (Ⅲ) 是一種人和動(dòng)物必需的微量元素,Cr (Ⅵ) 則是有毒元素,它的化合物是公認(rèn)的致癌物。一般認(rèn)為六價(jià)鉻的毒性比三價(jià)鉻高約100倍。Cr (Ⅲ) 與Cr(Ⅵ) 可以在一定條件下互相轉(zhuǎn)化,其轉(zhuǎn)化狀況受pH值、氧化還原電位 (Eh) 的制約。在堿性條件、高氧化還原電位下,鉻主要以六價(jià)鉻形態(tài)存在。而在酸性條件下,環(huán)境中六價(jià)鉻容易被還原為二價(jià)鉻。鉻在土壤環(huán)境中存在價(jià)態(tài)容易受到土壤有機(jī)質(zhì)、無(wú)機(jī)膠體的組成、土壤質(zhì)地以及其他化合物的影響。

      由于三價(jià)鉻的毒性相對(duì)較低,絕大多數(shù)鉻污染修復(fù)的總體目標(biāo)都是化學(xué)還原,將六價(jià)鉻轉(zhuǎn)化為三價(jià)鉻,三價(jià)鉻再以氫氧化鉻沉淀予以分離去除。近年來(lái),新使用的原位還原修復(fù)藥劑有:多硫化鈣、硫酸亞鐵、連二亞硫酸鈉、生物修復(fù)藥劑 (如糖蜜、乳糖、乳清或淀粉)、乳化油。這些還原劑已被證明可以有效將六價(jià)鉻轉(zhuǎn)化為三價(jià)鉻。本文根據(jù)六價(jià)鉻污染現(xiàn)場(chǎng)土樣情況,選取了其中幾種藥劑進(jìn)行了比選試驗(yàn)。

      1 材料與方法

      1.1 研究場(chǎng)地概況

      此次研究的六價(jià)鉻污染場(chǎng)地為生產(chǎn)鉻鹽的化工廠(chǎng)原址,因早期整體生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單且環(huán)保意識(shí)相對(duì)薄弱,此廠(chǎng)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的鉻鹽生產(chǎn)、鉻渣堆放、產(chǎn)品原料運(yùn)輸?shù)刃袨?,使得廠(chǎng)區(qū)內(nèi)及周邊的土壤及地下水受到了較為嚴(yán)重的鉻污染。根據(jù)前期勘探場(chǎng)地調(diào)查數(shù)據(jù)表明,六價(jià)鉻污染物在場(chǎng)地內(nèi)廣泛存在。本研究中采用還原技術(shù)處理的樣品分為兩種:其一為六價(jià)鉻濃度介于3000~4000mg/kg的渣土混合物;另一為1000~2000mg/kg的污染土壤。

      1.2 樣品測(cè)試與分析

      兩種樣品經(jīng)自然風(fēng)干后,分別過(guò)5mm不銹鋼篩,裝入自封袋中備用。

      使用紅外快速水分測(cè)定儀分別測(cè)定兩種樣品的含水率;使用布氏漏斗測(cè)定兩種樣品的持水能力。

      分別取3個(gè)渣土混合物、3個(gè)污染土樣品作為空白樣品,送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行六價(jià)鉻/總鉻濃度及六價(jià)鉻/總鉻毒性浸出檢測(cè)。總鉻及Cr6+的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試。

      1.3 土壤修復(fù)目標(biāo)及藥劑選擇

      1.3.1 修復(fù)目標(biāo)

      本次六價(jià)鉻污染土壤還原技術(shù)研究設(shè)定住宅用地六價(jià)鉻的土壤修復(fù)目標(biāo)為70mg/kg,工業(yè)/商業(yè)用地修復(fù)目標(biāo)為500mg/kg。鉻毒性浸出的相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn):我國(guó) (GB5085.3-2007[3]) 固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值為16mg/L( 總鉻) 和5mg/L( 六價(jià)鉻)。

      1.3.2 藥劑選擇

      根據(jù)樣品中六價(jià)鉻濃度的不同選擇不同的還原藥劑,渣土混合物( 六價(jià)鉻平均濃度為3156.7mg/kg):硫酸亞鐵、多硫化鈣;污染土壤( 六價(jià)鉻平均濃度為1483 mg/kg):糖蜜。

      2 試驗(yàn)步驟設(shè)計(jì)

      2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      試驗(yàn)共測(cè)試3種藥劑對(duì)六價(jià)鉻的處理效果,每種藥劑樣品進(jìn)行4組( 不包括空白樣) 不同投加量對(duì)比,每組包括3個(gè)平行處理單元,每個(gè)單元使用100g樣品( 風(fēng)干重)。根據(jù)試驗(yàn)材料用量表,稱(chēng)取定量的藥劑和樣品,置于密封罐中,再往各處理單元中注入自來(lái)水,使含水量達(dá)到樣品持水能力的90%。

      即:注水量=( 樣品干重+藥劑重量) ×( 持水能力的90%) —風(fēng)干樣品中含水量—藥劑中含水量。藥劑與渣土混合物樣品混合完畢后,靜置1晚( 12h),取樣送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行毒性浸出測(cè)試。藥劑與污染土樣品混合完畢后,靜置15d,取樣送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行毒性浸出測(cè)試。

      2.2 試驗(yàn)步驟

      (1) 將渣土混合物/污染土壤樣品分別自然風(fēng)干一周左右,過(guò)5mm不銹鋼篩;

      (2) 兩種樣品分別經(jīng)紅外快速水分測(cè)定儀測(cè)定含水率;

      (3) 使用布氏漏斗分別測(cè)定兩種樣品的持水能力;

      (4) 分別根據(jù)試驗(yàn)材料用量表準(zhǔn)確稱(chēng)取樣品和藥品,用量筒量取相應(yīng)量的自來(lái)水,注入對(duì)應(yīng)的密封罐中;

      (5) 渣土混合物樣品充分混合后,將各密封罐蓋緊,保證其密封,放置1晚( 12h),期間確保室溫>20℃;污染土壤樣品充分混合后,將各密封罐蓋緊,保證其密封,放置15d,期間確保室溫>20℃;

      (6) 放置要求時(shí)間后,將各處理單元樣品送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)含水率、總鉻濃度、六價(jià)鉻濃度及毒性浸出目標(biāo)金屬濃度;

      (7) 試驗(yàn)完成后,清洗所有儀器設(shè)備,并對(duì)剩余樣品進(jìn)行妥善處置。

      注:按照反應(yīng)原理,添加FeSO4前樣品pH值需調(diào)節(jié)至≤7,渣土混合樣品實(shí)驗(yàn)前測(cè)定pH值為10.2,但是在將FeSO4·7H2O及所需添加的水加入后,F(xiàn)eSO4首先水解,H+濃度增大,pH值滿(mǎn)足還原六價(jià)鉻的反應(yīng)條件( 此時(shí)pH值為6左右),不需要加酸調(diào)節(jié)。

      3 結(jié)果與討論

      3.1 渣土混合物樣品

      3.1.1 FeSO4·7H2O處理樣品后結(jié)果與討論

      劉光生用硫酸亞鐵處理地下水中Cr( Ⅵ) 的污染時(shí)發(fā)現(xiàn),在中性條件下Cr( Ⅵ) 很容易去除,當(dāng)Fe( Ⅱ) 與Cr( Ⅵ)( 摩爾比)為3,去除率100%,反應(yīng)在很短時(shí)間內(nèi)完成,處理后水質(zhì)可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。用滲透性的反應(yīng)屏障( 含有零價(jià)鐵、沙子、蓄水層沉積物) 來(lái)治理被鉻污染的地下水時(shí),Puls R.W.等發(fā)現(xiàn),在自然的條件下,鐵與水反應(yīng)腐蝕,pH值上升,氧化還原潛力下降,溶解氧被消耗,導(dǎo)致反應(yīng)生成Fe( Ⅱ),然后還原Cr( Ⅵ),治理后鉻的濃度小于0.01 mg/L,遠(yuǎn)低于飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

      FeSO4·7H2O不同添加濃度處理后樣品的六價(jià)鉻濃度、總鉻浸出濃度、六價(jià)鉻浸出濃度隨藥劑添加濃度增高依次遞減。FeSO4·7H2O投加比在20%時(shí),六價(jià)鉻濃度為41.4mg/kg,降低98%以上,達(dá)到住宅用地修復(fù)目標(biāo);投加比在15%時(shí),六價(jià)鉻濃度為321.3mg/kg,滿(mǎn)足工業(yè)/商業(yè)用地標(biāo)準(zhǔn)。

      FeSO4·7H2O投加比在15%時(shí),總鉻浸出濃度為9.7mg/L,在固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值為16mg/L (總鉻) 以下;投加比在20%時(shí),總鉻浸出濃度為2.7mg/L,降低約97%。

      FeSO4·7H2O投加比在20%時(shí),六價(jià)鉻浸出濃度為2.3mg/L,小于固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值5mg/L (六價(jià)鉻)。

      綜合本次研究設(shè)定的住宅用地六價(jià)鉻修復(fù)目標(biāo)及固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值,當(dāng)FeSO4·7H2O投加比在20%時(shí),處理效果可滿(mǎn)足以上標(biāo)準(zhǔn)要求。

      3.1.2 多硫化鈣處理樣品后結(jié)果與討論

      多硫化鈣 (CaSx) 廣泛用于農(nóng)業(yè)土壤改良和水處理系統(tǒng)的重金屬去除,近年來(lái)在一些場(chǎng)地原位修復(fù)中也有所應(yīng)用。

      添加多硫化鈣藥劑 (含量為29%的水劑) 試驗(yàn)結(jié)果如下:

      經(jīng)多硫化鈣處理后的樣品,其六價(jià)鉻濃度、毒性浸出總鉻濃度、毒性浸出六價(jià)鉻濃度較空白樣有顯著降低。多硫化鈣投加比在10% (有效成分2.9%) 時(shí),六價(jià)鉻濃度已降至檢出限以下,去除率幾乎達(dá)100%;總鉻浸出濃度為6.8 mg/L,降至固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值 (16mg/L (總鉻) ) 以下;六價(jià)鉻浸出濃度為1.7 mg/L,降至固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值 [5mg/L (六價(jià)鉻)] 以下。

      綜合我國(guó)住宅用地六價(jià)鉻修復(fù)目標(biāo)及固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值,當(dāng)多硫化鈣投加比在10%時(shí),處理效果可滿(mǎn)足以上標(biāo)準(zhǔn)要求。

      3.2 糖蜜處理污染土壤樣品結(jié)果與討論

      加入糖蜜等含碳基質(zhì)來(lái)供含水層中的異養(yǎng)微生物生長(zhǎng)代謝,可消耗溶解氧,創(chuàng)造還原氛圍,促進(jìn)Cr (Ⅵ) 向Cr (Ⅲ) 的轉(zhuǎn)化。本研究中所使用糖蜜糖錘度在75%左右。糖蜜不同添加濃度處理后樣品的六價(jià)鉻濃度、總鉻浸出濃度、六價(jià)鉻浸出濃度隨藥劑添加濃度增高依次遞減。糖蜜投加比在3%時(shí),滿(mǎn)足工業(yè)/商業(yè)用地修復(fù)目標(biāo);投加比在8%時(shí),接近住宅用地修復(fù)目標(biāo);投加比在5%時(shí),總鉻及六價(jià)鉻浸出濃度均滿(mǎn)足固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值。

      綜合以上,糖蜜投加比在5%時(shí),滿(mǎn)足工業(yè)/商業(yè)用地修復(fù)目標(biāo)及浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值;糖蜜投加比在8%時(shí),滿(mǎn)足住宅用地修復(fù)目標(biāo)及浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)值。

      4 主要結(jié)論和建議

      4.1 結(jié)論

      通過(guò)本次小試研究,得出以下結(jié)論:

      (1) 針對(duì)渣土混合物樣品( 六價(jià)鉻平均濃度為3156.7mg/kg),F(xiàn)eSO4·7H2O( 分析純) 投加比在20%;多硫化鈣( 含量為29%的水劑) 投加比在10%時(shí),處理效果可滿(mǎn)足修復(fù)目標(biāo)要求,即處理后樣品六價(jià)鉻濃度低于70mg/kg,總鉻浸出毒性濃度低于16mg/L,六價(jià)鉻浸出毒性濃度低于5 mg/L;

      (2) 針對(duì)污染土壤樣品( 六價(jià)鉻平均濃度為1483 mg/kg),糖蜜投加比在8%時(shí),處理效果接近修復(fù)目標(biāo)要求。

      4.2 建議

      本研究中樣品pH值不屬于強(qiáng)堿性,在投加硫酸亞鐵時(shí)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,不需要預(yù)先加酸調(diào)節(jié)也可達(dá)到反應(yīng)所需酸度,降低了實(shí)際操作中的實(shí)施難度。多硫化鈣對(duì)六價(jià)鉻的還原能力大于硫酸亞鐵,處理高濃度的污染土壤效果較好,但市場(chǎng)價(jià)格遠(yuǎn)高于硫酸亞鐵??筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)污染土壤六價(jià)鉻不同濃度及修復(fù)土方量綜合考慮,分別選用兩種試劑。

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