填埋場(chǎng)腐殖土粒徑分級(jí)特征及重金屬污染程度評(píng)價(jià)*

龍於洋 龐夢(mèng)嬡 郭淑麗 李相杭 沈東升 朱 敏#

(1.浙江工商大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 杭州 310012;2.浙江省固體廢物處理與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,有色金屬?gòu)U棄物資源化浙江省工程研究中心,浙江 杭州 310012;3.浙江工商大學(xué)分析測(cè)試中心,浙江 杭州 310012)

填埋是我國(guó)垃圾處理的主流方式。正規(guī)垃圾填埋場(chǎng)中的垃圾礦化穩(wěn)定后可重新開(kāi)采出來(lái)從而實(shí)現(xiàn)垃圾填埋場(chǎng)庫(kù)容的循環(huán)再利用。礦化垃圾中占比最大的組分是腐殖土[1]1362,約占礦化垃圾總質(zhì)量的53.1%[2],是主要的回收資源[3-4]。腐殖土是有機(jī)物腐化形成的較為穩(wěn)定的類(lèi)土壤物質(zhì),具有質(zhì)地疏松、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富和微生物多樣等特點(diǎn)[1]1363,常被應(yīng)用于廢水處理[5]、填埋場(chǎng)覆蓋和綠化[6]等。但垃圾填埋場(chǎng)腐殖土的資源化利用常常因重金屬濃度超標(biāo)而受阻[7],因此迫切需要針對(duì)其重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

不同粒徑的腐殖土顆粒表面結(jié)構(gòu)、比表面積、表面活性吸附電位和黏土礦物含量等都不相同,從而影響重金屬的分布[8-9]?；旌仙虡I(yè)固廢[10]、焚燒爐渣[11]和煤灰[12]等危廢處理時(shí)常進(jìn)行粒徑分級(jí)以提高處理效率。目前關(guān)于垃圾填埋場(chǎng)腐殖土的粒徑分級(jí)利用尚缺乏系統(tǒng)研究[13],主要問(wèn)題在于腐殖土的篩分粒徑標(biāo)準(zhǔn)無(wú)統(tǒng)一定論[14-15]。此外,不同粒徑腐殖土的重金屬含量和毒性也尚未研究透徹[16-20]。

填埋年限可能會(huì)導(dǎo)致腐殖土性質(zhì)產(chǎn)生較大差異。因此,本研究以填埋年限差異較大的兩個(gè)典型生活垃圾填埋場(chǎng)腐殖土為對(duì)象,精細(xì)分級(jí)后對(duì)腐殖土理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)元素、礦物和重金屬等進(jìn)行表征,探究其粒徑分級(jí)特征及資源化利用潛力。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

供試腐殖土分別取自北京某生活垃圾填埋場(chǎng)(39°48′36″ N,116°32′24″E)和溫州某生活垃圾填埋場(chǎng)(27°18′0″ N,120°28′48″ E),以下分別簡(jiǎn)寫(xiě)為北京腐殖土和溫州腐殖土。北京腐殖土填埋年限為6年,溫州腐殖土填埋年限為10年。兩填埋場(chǎng)均屬大型正規(guī)生活垃圾填埋場(chǎng),接收周邊多個(gè)城鎮(zhèn)的生活垃圾。

將采集到的腐殖土去除其中的塑料、玻璃、石塊和金屬等大塊垃圾后自然風(fēng)干,振蕩分散后,利用沙維諾夫干篩法[21]分離出<0.075、0.075～0.150、0.150～0.600、0.600～4.000、4.000～9.600、9.600～13.200、13.200～16.000、16.000～19.000、>19.000 mm共9個(gè)不同粒徑。

1.2 測(cè)定方法

腐殖土pH、電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)和堿解氮、總磷、速效磷、速效鉀等營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)定參考《土壤農(nóng)化分析(第3版)》,重金屬Pb、Cr、Ni測(cè)定參照《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測(cè)定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019),Cd測(cè)定參照《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測(cè)定 石墨爐原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)。以上化學(xué)分析均設(shè)置3個(gè)平行樣。

腐殖土礦物經(jīng)研磨并過(guò)200目篩后,使用X射線(xiàn)衍射儀(Bruker D8 Advance)測(cè)定,采用Cu-Kα輻射,掃描范圍為10°～70°,掃描步長(zhǎng)為0.02°。

1.3 單因子污染指數(shù)法

通過(guò)單因子污染指數(shù)法定量評(píng)價(jià)單一重金屬污染情況,評(píng)價(jià)公式如下:

P=C/S

(1)

式中:P為樣品中某重金屬的單因子污染指數(shù);C為樣品中某重金屬的質(zhì)量濃度,mg/kg;S為樣品中某重金屬的限值標(biāo)準(zhǔn),mg/kg,本研究以《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)中對(duì)土壤重金屬的Ⅲ級(jí)要求為限值標(biāo)準(zhǔn)。P≤1.0表示清潔水平;1.03.0表示重度污染。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 26.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)的差異顯著性通過(guò)單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)(p<0.05);用Origin 8.0軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐殖土粒徑分級(jí)特征

兩種腐殖土的粒徑主要都分布在0.600～4.000、4.000～9.600、>19.000 mm,占到總質(zhì)量的59.5%～68.4%(見(jiàn)圖1)?？傮w而言,填埋年限長(zhǎng)的溫州腐殖土粒徑更均勻,較小的粒徑占比更大,溫州腐殖土中粒徑>19.000 mm的腐殖土比北京腐殖土減少了12.3%,而粒徑<0.600 mm的腐殖土增加了16.2%。已有研究表明,填埋過(guò)程中有機(jī)質(zhì)降解、滲濾液流動(dòng)和覆蓋層壓力等作用都會(huì)導(dǎo)致腐殖土粒徑逐漸細(xì)化,隨著填埋年限增加,作為膠結(jié)劑的有機(jī)質(zhì)在微生物作用下被礦化而逐漸減少,是導(dǎo)致大粒徑腐殖土逐漸變?yōu)樾×降闹饕騕22]。

圖1 腐殖土各粒徑質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.1 Mass percentage of each particle size of humus soils

2.2 腐殖土理化性質(zhì)隨粒徑變化的分布特征

由圖2可見(jiàn),溫州腐殖土的pH顯著高于北京腐殖土,隨著粒徑增大,兩種腐殖土的pH均呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì),而且總體都呈弱堿性;溫州腐殖土的平均電導(dǎo)率比北京腐殖土顯著降低了近一半,隨著粒徑增大,電導(dǎo)率總體呈下降趨勢(shì);北京腐殖土的陽(yáng)離子交換量都顯著大于溫州腐殖土,但同一填埋場(chǎng)的不同粒徑腐殖土陽(yáng)離子交換量無(wú)顯著差異;溫州腐殖土中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著少于北京腐殖土,兩種腐殖土的有機(jī)質(zhì)隨粒徑增大呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。

圖2 各粒徑腐殖土的理化性質(zhì)Fig.2 Physicochemical properties of humus soils with different particle sizes

垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)持續(xù)發(fā)生著生化反應(yīng),因此不同填埋年限的腐殖土理化性質(zhì)差異顯著[23],因?yàn)殡S著填埋年限增加,生化反應(yīng)會(huì)逐漸趨向穩(wěn)定[24]。有研究表明,填埋年限超10年,垃圾填埋場(chǎng)基本已處于穩(wěn)定[25]。由此可以解釋,填埋年限長(zhǎng)的溫州腐殖土更為穩(wěn)定,電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量和有機(jī)質(zhì)都更低。

2.3 腐殖土礦物隨粒徑變化的分布特征

兩種腐殖土的礦物主要均為石英、白云石、鈉長(zhǎng)石、白云母和方解石,它們?cè)趦煞N腐殖土各粒徑中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示。北京腐殖土中石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑增大總體呈增加趨勢(shì),而白云母呈減少趨勢(shì)。溫州腐殖土中白云母質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑增大總體呈減少趨勢(shì),而石英呈增加趨勢(shì),而且溫州腐殖土相比北京腐殖土鈉長(zhǎng)石質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。各種礦物的相對(duì)含量也與腐殖土的填埋年限有關(guān),因?yàn)榈V物晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中晶格會(huì)吸附、置換環(huán)境中的元素[26]。兩種腐殖土的礦物組成也說(shuō)明了溫州腐殖土更加穩(wěn)定,它們的粒徑分級(jí)大致可分為<0.600(小粒徑)、0.600～13.200(中粒徑)、>13.200 mm(大粒徑)3個(gè)部分。

圖3 各粒徑腐殖土的礦物組成Fig.3 Mineral components of humus soils with different particle sizes

2.4 腐殖土營(yíng)養(yǎng)元素隨粒徑變化的分布特征

腐殖土中營(yíng)養(yǎng)元素豐富,但隨著填埋年限增加,溫州腐殖土的各種營(yíng)養(yǎng)元素含量相比北京腐殖土顯著降低,總磷、速效磷、速效鉀和堿解氮分別減少了53.3%、71.8%、79.4%、49.1%(見(jiàn)圖4)。參照全國(guó)第二次土壤普查的營(yíng)養(yǎng)元素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[27],北京腐殖土營(yíng)養(yǎng)元素濃度明顯高于一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)(總磷>1 000 mg/kg、堿解氮>40 mg/kg、速效磷>40 mg/kg),對(duì)于填埋年限較長(zhǎng)的溫州腐殖土,雖然營(yíng)養(yǎng)元素濃度已顯著降低,但仍能達(dá)到或接近一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn),具有作為土壤調(diào)理劑或肥料使用的潛力。腐殖土營(yíng)養(yǎng)元素隨粒徑變化的分布規(guī)律也可以看到,小粒徑腐殖土中營(yíng)養(yǎng)元素含量相對(duì)較高。小粒徑顆粒的比表面積較大,可以為磷、氮等營(yíng)養(yǎng)元素提供更多吸附位點(diǎn)[28],而且小粒徑腐殖土中黏土礦物含量高,能固定更多磷、氮等營(yíng)養(yǎng)元素[29]。

圖4 各粒徑腐殖土的營(yíng)養(yǎng)元素Fig.4 Nutrient elements of humus soils with different particle sizes

2.5 腐殖土重金屬隨粒徑變化的分布特征

不同重金屬在腐殖土中隨粒徑的變化表現(xiàn)出不同的特征(見(jiàn)圖5)。北京腐殖土中的Cr大體隨粒徑增大呈增加趨勢(shì),而溫州腐殖土中的Cr大體隨粒徑增大呈減少趨勢(shì)。Cr集中分布在<0.600 mm的小粒徑范圍內(nèi)。由此可見(jiàn),重金屬Cd、Ni、Pb在小粒徑和大粒徑腐殖土中都易于分布,而中粒徑中含量較低;Cr傾向于吸附在小粒徑腐殖土中。小顆粒吸附更多重金屬一方面是比表面積大,有更多的吸附位點(diǎn)[30-31],另一方面黏土礦物的性質(zhì)也影響著重金屬在小顆粒上的吸附[32]。大顆粒中的重金屬主要是因?yàn)楸本└惩撂盥衲晗掭^短,沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定。

圖5 各粒徑腐殖土重金屬質(zhì)量濃度Fig.5 Heavy metal mass concentrations of humus soils with different particle sizes

兩種腐殖土中重金屬單因子污染指數(shù)隨粒徑變化如圖6所示。Ni和Pb均處于清潔水平,但Cd和Cr有污染。北京腐殖土各粒徑中的Cd均為輕度污染,Cr均處于清潔水平;而溫州腐殖土各粒徑中的Cd有達(dá)到中度污染,甚至是重度污染,<0.150 mm粒徑中的Cr達(dá)輕度污染。由此可見(jiàn),填埋場(chǎng)中Cd和Cr為敏感重金屬,穩(wěn)定化的小顆粒腐殖土中重金屬往往會(huì)得到富集。

圖6 各粒徑腐殖土重金屬單因子污染指數(shù)Fig.6 Heavy metal single pollution indexes of humus soils with different particle sizes

2.6 基于粒徑特征的腐殖土分級(jí)利用

腐殖土中營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬是其資源化利用的主要影響因素,其中營(yíng)養(yǎng)元素是主要價(jià)值因素,重金屬則是主要限制因素。雖然本研究中兩填埋場(chǎng)腐殖土Cd和部分粒徑Cr處于污染水平,但只要在后續(xù)開(kāi)采及利用時(shí)注意防范,仍可進(jìn)行資源化利用。

綜上以上分析,填埋年限較長(zhǎng)的溫州腐殖土更加穩(wěn)定,粒徑可以分為<0.600、0.600～13.200、>13.200 mm 3個(gè)部分。將3個(gè)部分的營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬質(zhì)量濃度平均值統(tǒng)計(jì)于表1。粒徑<0.600 mm腐殖土中重金屬和營(yíng)養(yǎng)元素濃度都較高,這部分腐殖土需要通過(guò)重金屬穩(wěn)定化技術(shù)降低重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)后方可用作土壤調(diào)理劑或園林綠化用土等,可提高土壤肥力。粒徑0.600～13.200 mm腐殖土雖然營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬含量都不高,但其優(yōu)點(diǎn)是可不進(jìn)行處理就能直接用作填埋場(chǎng)覆土、水泥窯替代原料或建筑材料等。粒徑>13.200 mm腐殖土重金屬污染不嚴(yán)重,可與潔凈土壤混配后用作園林綠化用土。

表1 營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬分級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 1 Grading statistics of nutrient elements and heavy metals mg/kg

3 結(jié) 論

填埋年限長(zhǎng)(10年)的溫州腐殖土較填埋年限短(6年)的北京腐殖土粒徑更均勻,較小的粒徑占比更大,電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)更低,說(shuō)明溫州腐殖土更加穩(wěn)定,其粒徑可劃分為<0.600、0.600～13.200、>13.200 mm 3個(gè)部分。粒徑<0.600 mm的溫州腐殖土中重金屬與營(yíng)養(yǎng)元素含量都較高,需要通過(guò)重金屬穩(wěn)定化技術(shù)降低重金屬的污染風(fēng)險(xiǎn)后方可用作土壤調(diào)理劑或園林綠化用土等;粒徑0.600～13.200 mm的溫州腐殖土重金屬與營(yíng)養(yǎng)元素含量均不高,可不進(jìn)行處理直接用作填埋場(chǎng)覆土、水泥窯替代原料或建筑材料等;粒徑>13.200 mm的溫州腐殖土重金屬污染不嚴(yán)重,可與潔凈土壤混配后用作園林綠化用土。