鉛污染土壤電動(dòng)淋洗聯(lián)合異位修復(fù)實(shí)驗(yàn)

譚雪瑩， 李 東， 李 洋， 吳昕達(dá)， 范 敏

(重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院環(huán)境科學(xué)系，重慶400030)

當(dāng)前我國城市化發(fā)展的過程中，許多老的污染企業(yè)搬遷到新建工業(yè)園區(qū)內(nèi)，其原有工業(yè)場地在開發(fā)之前需要進(jìn)行土壤修復(fù)。工業(yè)場地土壤污染問題中最常見的是重金屬污染，其中又以鉛污染最常見。國內(nèi)外的研究顯示，電動(dòng)修復(fù)技術(shù)可以有效地去除粘土中的鉛[1-8]，被認(rèn)為是未來最有希望的重金屬污染修復(fù)技術(shù)之一[9]。電動(dòng)修復(fù)技術(shù)可用作異位修復(fù)也可用作原位修復(fù)，但由于土壤屬性的不均一性，原位修復(fù)的效果難以有效控制[10, 11]。異位修復(fù)因土壤進(jìn)行了均化預(yù)處理，電動(dòng)修復(fù)效果較易控制，更易于工程應(yīng)用。目前有關(guān)鉛污染土壤的電動(dòng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)大部分采用實(shí)驗(yàn)室配制土壤，其特點(diǎn)是鉛在土壤顆粒表面的吸附不緊密，解析速度快，整個(gè)電動(dòng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)中的控制步驟是電遷移過程。當(dāng)采用來自工業(yè)場地的實(shí)際鉛污染土壤時(shí)，其鉛的解析速度往往非常慢，解析過程成為整個(gè)電動(dòng)修復(fù)過程的控制步驟，而解析過程對溫度非常敏感，因此，實(shí)驗(yàn)中通過提高土壤電壓梯度使土壤升溫，以提高實(shí)際土壤中鉛的解析速度，同時(shí)高電壓梯度還可以加快電遷移速度。此外，為進(jìn)一步提高修復(fù)效率，本實(shí)驗(yàn)還借鑒了鉻污染土壤電動(dòng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)中浸泡的作用[12]，增加淋洗過程，以及時(shí)將遷移到陰極端的鉛沖離土壤，避免其在土壤中聚集形成聚焦帶。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用的鉛污染土壤來自重慶市某工業(yè)場地，經(jīng)過烘干，碾磨，過篩(100目)后，稱取500±1 g的干土，并用純水配制成含水率為27.3%的實(shí)驗(yàn)土壤。土壤基本參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)土壤基本參數(shù)

1.2 分析方法

使用X射線熒光光譜儀(XRF Inno-X Alpha4000，美國)測定土壤中鉛等金屬元素的濃度.將萬用表(VC86D，勝利高電子科技有限公司，深圳)與電腦連接在線監(jiān)測土壤電壓和電流。使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(DZS-707，精密科學(xué)儀器有限公司，上海)測定淋洗液電導(dǎo)率；使用pH試紙測定土壤和淋洗液的pH值。電源采用DYB-1型直流電泳儀(上海博通化學(xué)科技有限公司)和SVC 500VA穩(wěn)壓器串接而成。溫度測量采用紅外線測溫儀(UT300A，優(yōu)利德科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由土壤槽、收集槽、收集瓶和真空泵組成(圖1(a))。土壤槽由PVC穿孔板、不銹鋼網(wǎng)、濾布組成。PVC穿孔板用于承托和壓實(shí)土壤；上層不銹鋼網(wǎng)作為陽極，下層不銹鋼網(wǎng)作為陰極，二者在土壤中產(chǎn)生垂直直流電場，鉛離子沿電場從上往下遷移。濾布防止土壤細(xì)顆粒隨淋洗液流出。充填的土壤體積為14 cm(L) × 9 cm(W) × 0.9 cm(H) = 113.4 cm3。收集槽的長、寬與土壤槽一致，便于收集淋洗液，與收集瓶、真空泵連接。真空泵的作用是在系統(tǒng)中形成微負(fù)壓，利于淋洗液的滲透和進(jìn)入收集瓶。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

在土壤槽內(nèi)均勻平鋪土壤試樣，土壤層厚度0.9 cm，土壤采用薄層結(jié)構(gòu)是為了減小淋洗過程中土壤的阻力。土壤表層緊貼濾布和作為陽極的不銹鋼網(wǎng)，底層緊貼濾布和作為陰極的不銹鋼網(wǎng)，形成通電回路。淋洗液在微負(fù)壓條件下經(jīng)收集槽進(jìn)入收集瓶。在通電過程中，適時(shí)添加純水作為淋洗液，保證土壤表層的含水量。在土壤表層左、右各設(shè)置1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(圖1(b))，用以測量土壤中鉛含量。分別在第10，40，60，80 min時(shí)臨時(shí)斷電，打開上層PVC穿孔板、不銹鋼網(wǎng)和濾布，用XRF測量表層土壤的鉛含量，之后再蓋上，恢復(fù)通電。通電結(jié)束后，分別測量2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位土壤表層(陽極)、中層、底層(陰極)的土壤鉛含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓和電流

通電初始電壓為16.9 V，通電10 min后將電壓提升至20.2 V，第40 min后再提升至36.3 V(土壤電壓梯度40.3 V/cm)，保持電壓至實(shí)驗(yàn)結(jié)束(圖2)。分步升壓的目的是考慮裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。通電過程中，電流變化情況見圖3，雖然電壓升高了，但電流卻逐漸減小，這說明土壤中總離子濃度在減少。這可能是由于兩個(gè)原因?qū)е拢?1) 土壤底層pH值升高(表3)，生成氫氧化物沉淀導(dǎo)致土壤總離子濃度下降；(2) 淋洗作用使土壤中的離子總量下降。

圖2 電壓的變化

圖3 電流的變化

2.2 鉛濃度變化

土壤表層鉛濃度隨時(shí)間的變化情況見表2。結(jié)果顯示土壤表層鉛含量隨修復(fù)時(shí)間的延長而降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位表層、中層和底層土壤鉛含量及pH值的測量結(jié)果見表3。

表2 表層土壤鉛濃度變化情況

表3 土壤鉛含量及pH值

底層土壤中鉛含量低于中間層也反映出淋洗過程有效地阻止了鉛在陰極端土壤聚集。實(shí)驗(yàn)過程中，土壤溫度保持在30～40 ℃，該溫度高于室溫(21 ℃)。表層土壤鉛濃度在80 min內(nèi)即由410±16 mg/kg降至138±8 mg/kg，說明溫度顯著地提高了鉛的解析速度。經(jīng)過電動(dòng)修復(fù)和淋洗的聯(lián)合作用，土壤中鉛的去除率為38.5%。土壤平均鉛含量252 mg/kg，低于《重慶場地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)指南》中規(guī)定的利用兒童血鉛評估方法得到的土壤健康風(fēng)險(xiǎn)評估閾值260 mg，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)目標(biāo)。

2.3 能耗分析

電能消耗與鉛濃度的變化見圖4，能耗隨著修復(fù)時(shí)間的增加而增加，鉛的濃度在前60 min降低幅度較大，后20 min減少幅度很小，修復(fù)效果不顯著，但是電耗仍在增加，說明電動(dòng)修復(fù)后期的能效比下降。

圖4 電耗與鉛濃度變化圖

電動(dòng)修復(fù)的電耗為137.7 KJ(0.038 kWh)，土的體積113.4 cm3，每方土電動(dòng)修復(fù)的電耗為337 kWh/m3。按照工業(yè)電費(fèi)平均0.5元/kWh來計(jì)算，每方土電費(fèi)169元。而一般的電動(dòng)修復(fù)技術(shù)每方土的商業(yè)報(bào)價(jià)在600～800元之間，顯示該技術(shù)具有潛在的市場競爭優(yōu)勢。但計(jì)算沒有將真空泵的電耗計(jì)算在內(nèi)，原因在于真空泵功率與實(shí)驗(yàn)裝置不匹配，若合并計(jì)算將導(dǎo)致嚴(yán)重失真。較準(zhǔn)確的能耗估算需要更大規(guī)模的測試。

3 結(jié) 論

(1) 高電壓梯度可以提高土壤溫度，加快鉛的解吸與遷移速度，實(shí)現(xiàn)鉛污染土壤的快速修復(fù)。

(2) 淋洗過程可以有效防止陰極端鉛的聚焦問題，改善修復(fù)效果。

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