重金属污染土壤经水泥基固化稳定化后的浸出实验设计
摘要：某地重金属污染土壤，经过水泥基固化稳定化后分别进行用作路基填充材料，进入生活垃圾填埋场填埋，进入危险废物填埋场填埋等三种不同方式的处理。针对这三种不同的处理方式，分别进行浸出实验设计，系统评估其固化稳定化效果以及再利用或填埋处置的长期环境安全性。
关键词：重金属污染土壤，水泥基，固化稳定化，浸出实验设计
1.背景介绍
某地重金属污染土壤，采用水泥基固化稳定化后分别进行三种不同方式的处理：（1）用作路基填充材料；（2）进入生活垃圾填埋场填埋；（3）进入危险废物填埋场填埋。通过水泥基对重金属污染土壤进行固化稳定化处理，是对危险固废处理的有效手段，但是水泥基的固化稳定化处理并不能保证污染物的零泄漏。经水泥基固化稳定化处理后的重金属污染土壤依旧会析出重金属污染物。浸出实验是目前研究及评价重金属浸出特性的主要方法，主要的考察指标有浸出浓度和浸出率。因此针对不同的处理方式，分别进行浸出实验设计，选择不同
类型的浸出液，为系统的评估其固化稳定化效果以及再利用或者填埋处置的长期环境安全性提供参考。
2.浸出实验设计
2.1用于路基填充材料的水泥基浸出实验方案
重金属污染土壤采用水泥基固化后用于路基填充材料，根据《GB 14569.1-2011 低、中水平放射性废物固化体性能要求——水泥固化体》，该处理方式应属于水泥固化体的近地表处置。在实际生活中，路基整块受雨水冲刷与浸泡，在酸雨多发地区，还受pH较低的雨水冲刷和浸泡，而路基不断受雨水浸泡属于短期浸泡。则根据材料用途与实际情况，设置了两种短期和平精英外挂整块废物的浸泡动态实验（浸出实验的一种）方案，试验过程中没有搅拌，定期更换浸出液。
对于普通雨水的浸泡，采用《GB/T 7023-2011 低、中水平放射性废物固化体标准浸出试验方法》，而对于酸雨雨水浸泡，采用硫酸硝酸法。需要说明的是，尽管对于普通雨水的浸泡情况，采用的是放射性废物固化体浸出试验方法，但对于浸出液中金属离子的检测并非只检测放射性金属，而是对所有重金属含量进行检测。
2.1.1针对普通雨水浸泡的路基浸出实验方案设计
（1）试验器材和样品制备
浸出剂：去离子水，其电导率，有机碳总量；
浸出容器：采用聚乙烯含盖长方体容器；
样品：采用钻孔取样，取自采用了水泥基固化后的重金属污染土壤作为路基填充材料的实际路基，同时选择样品尺寸时应考虑浸出试验前后样品在浸出剂中的集合几何表面积由于溶胀或变形引起的变化不超过5%；
样品数量：浸出试验的平行样三个，浸出容器空白样一个。
（2）浸出试验
样品测量：用对应精度的天平称其质量，用游标卡尺测量样品的直径和高度；
加入浸出剂：试验样品用化学惰性的尼龙丝悬挂于浸出容器中，加入浸出剂的体积应满足
浸出温度：浸出试验需分别在25℃±2℃和40℃±2℃温度下进行。
更换浸出剂：按规定时间从浸出容器中取出样品，立即转移到方有新鲜浸出剂的另一容器中，在转移时样品不能干燥，原进出容器应盖严以备分析用。
更换周期：从试验开始在累积浸出时间2h、7h和24h更换浸出剂。后续的浸出液取样和浸出剂更换按照24h的间隔进行，持续4d，标准试验周期为5d。作为对浸出实验的延伸，5d后可增加3个浸出周期，分别为14d、28d和43d，整个试验共90d。
元素的测定：采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）
数据处理：浸出试验结果以浸出率和浸出分数与浸出时间t的关系式表示：
式中：
Rn ——在第n浸出周期中第i组分的浸出率，单位为厘米每天（cm/d）；
an ——在第n浸出周期中浸出的第i组分的活动或质量，单位为贝克（Bq）或克（g）；
A0 ——在浸出试验样品中第i组分的初始活度或质量，单位同上；
S ——样品与浸出剂接触的几何表面积，单位为平方厘米（cm2）；
V ——样品的体积，单位为立方厘米（cm3）；
(Δt)n——第n浸出周期的持续天数，单位为天（d）。
式中：
Pt ——在时间t时第i组分的浸出分数，单位为厘米（cm）；
t ——累计的浸出天数，单位为天（d）。
2.1.2针对酸雨浸泡的路基浸出实验方案设计
在某些酸雨多发地区，其道路经常受酸雨的冲刷与浸泡，酸雨的酸度会增加废物中金属组分的浸出率，因此作为对这一不利环境因素的模拟，浸出实验采用硫酸硝酸法。硫酸硝酸法适用于固体废物及其再利用产物、以及土壤样品中有机物和无机物的浸出毒性鉴别。但硫酸硝酸法中要求将样品破碎，对于路基来说，其受酸雨的浸泡依旧为整体浸泡，所以本实验方案同实验方案2.1.1，不对样品进行破碎，只将浸出剂更换为硫酸/硝酸浸出剂，其余同方案2.1.1。
浸出剂的配置：将质量比为2:1的浓硫酸和浓硝酸混合液加入到试剂水（1L水约2滴混合液）中，使pH为英语b级3.20±0.05。该浸出剂用于测定样品中重金属和半挥发性有机物的浸出毒性。
2.1.3结果评价依据
水泥基作为填充路基的材料，经过硫酸/硝酸浸出剂的浸出实验后，对浸出液进行元素的测定，结果根据《GB 5085.3-2007 危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》判断其浸出毒性，符
合非危险废物标准后，两种实验结果根据《GB/T 20078441-T-609 水泥产品中重金属浸出限值》对其进行评价，评价其固化稳定化的效果，是否可以用于路基材料的填充。
2.2进入生活垃圾填埋场填埋的水泥基浸出实验方案
污染土壤经水泥固化稳定化后与生活垃圾混合共同填埋，在这种情景下，导致废物中污染物浸出的液相主要是填埋渗滤液，醋酸是填埋渗滤液中的代表性低分子有机酸，其络合作用是导致废物中重金属浸出的主要因素之一，因此对于进入生活垃圾填埋厂的水泥基做浸出实验应采用醋酸缓冲溶液法。
2.2.1实验方案设计
（1）试验器材和样品制备：
浸出剂1号：加5.7ml冰醋酸至500ml试剂水中，加64.3ml 1mol/L氢氧化钠，稀释至1L，配制后溶液的pH值应为493±0.05；
浸出剂2号：用试剂水稀释17.25ml冰醋酸至1L，配制后溶液的pH值应为2.64±0.05。根据样品不同的性质进行浸出剂的选择。
提取瓶：2L具旋盖和内盖的广口玻璃瓶，用于浸出样品中金属离子的测定。
样品：样品需要破碎，样品颗粒应可以通过9.5mm孔径的筛网。
（2）浸出实验
含水率测定：称取50~100g样品置于具盖容器中，与105℃下烘干，至恒重，计算样品含水率。
确定使用的浸出剂：取5.0g样品至500ml烧杯中，加入96.5试剂水，盖上表面皿，用磁力搅拌器猛烈搅拌5min，测定pH，如果pH<5.0，则使用浸出剂1号；如果pH>5.0，加3.5ml 1M盐酸，盖上表面皿，加热至50℃，并在此温度下保持10min，将溶液冷却至室温，测定pH，如果pH<5.0，用浸出剂1号，如果pH>5.0，用浸出剂2号。
浸出步骤：称取75~100g样品，至于2L提取瓶中，根据样品的含水率，按液固比20:1（L/kg）计算出所需浸出剂的体积，加入浸出剂，盖紧拍改后固定在翻转式震荡装置上，调节转速为30±2r/min，与23±2℃下震荡20h，在震荡过程中有气体产生时，应定时在通风橱中打开提取瓶，释放过的的压力。
浸出液的提取：在压力过滤器上装好滤膜，用下硝酸淋洗过滤器和滤膜，起吊淋洗液，过滤并收集浸出液，于4℃下保存。
元素的测定：ICP-AES方法测定浸出液中各重金属元素浓度。
2.2.2结果评价依据
结果按照HJ/T 300制备的浸出液中危害成分浓度应低于表1中规定的限值，否则不能与生活垃圾混合后进行填埋，则可能为危险废物，通过进一步的浸出实验判断其处理方式。如果没有超过表中浓度限值，则该水泥基可与生活垃圾进行填埋，或者进行再利用。
表1 浸出液重金属浓度限值（mg/L）
项目 | 汞 | 铜 | 锌 | 铅 | 镉 | 铍 |
浓度 | 0.05 | 40 | 100 | 0.25 | 0.15 | 0.02 |
项目 | 钡 | 镍 | 砷 | 总铬 | 六价铬 | 硒 |
浓度 | 25 | 0.5 | 0.3 | 4.5 | 1.5 | 0.1 |
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2.3进入危险废物填埋场填埋的水泥基浸出实验方案
对于水泥基是否需要进入危险废物填埋厂填埋，需要根据《GB 5085.3-2007 危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》对水泥基进行鉴别，根据该标准，应用硫酸/硝酸法对水泥基进行浸出试验，结果与该标准进行比对。
硫酸/硝酸法相对于醋酸缓冲溶液法只有浸出剂的不同，其余均相同。由于是测定该样品中重金属的含量，故采用硫酸/硝酸法中的浸出剂1号：将质量比为2:1的浓硫酸和浓硝酸混合液加入到试剂水（1L水约2滴混合液）中，使pH为3.20±0.05。
重金属浸出限值如表2。
表2 浸出毒性鉴别标准（mg/L）
项目 | 汞 | 社保证明 铜 | 锌 | 铅 | 镉 | 铍 |
浓度 | 0.1 | 100 | 100 | 6 | 1 | 0.02 |
项目 | 钡 | 镍 | 砷 | 总铬 | 六价铬 | 硒 |
浓度 | 100 | 5 | 5 | 15 | 5 | 银行跨行转账手续费1 |
若浸出液中任何一种重金属浸出值超过表2中所列的浓度限值，则判定该水泥基属于具有浸出毒性特征的危险废物，应该进一步处理后进行危险废物的填埋。
参考闹腾吧文献
[1] GB 14569.1-2001 低、中水平放射性废物固化体性能要求—水泥固化体.
[2] GB/T 7023-2011 低、中水平放射性废物固化体标准浸出试验方法.
[3] 《危险废物鉴别标准》课题编制组. 固体废物浸出毒性浸出方法（硫酸硝酸法/醋酸缓冲溶液法）编制说明.
[4] HJ/T 300-2007 固体废物浸出毒性浸出方法——醋酸缓冲溶液法.
[5] HJ/T 299-2007 固体废物浸出毒性浸出方法——硫酸硝酸法.
[6] GB5085.3-2007 危险废物鉴别标准——浸出毒性鉴别.
[7] HJ 557-2009 固体废物浸出毒性浸出方法——水平振荡法.
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