填埋场腐殖土粒径分级特征及重金属污染程度评价*

龙於洋 庞梦嫒 郭淑丽 李相杭 沈东升 朱 敏#

(1.浙江工商大学环境科学与工程学院,浙江 杭州 310012;2.浙江省固体废物处理与资源化重点实验室,有色金属废弃物资源化浙江省工程研究中心,浙江 杭州 310012;3.浙江工商大学分析测试中心,浙江 杭州 310012)

填埋是我国垃圾处理的主流方式。正规垃圾填埋场中的垃圾矿化稳定后可重新开采出来从而实现垃圾填埋场库容的循环再利用。矿化垃圾中占比最大的组分是腐殖土[1]1362,约占矿化垃圾总质量的53.1%[2],是主要的回收资源[3-4]。腐殖土是有机物腐化形成的较为稳定的类土壤物质,具有质地疏松、营养物质丰富和微生物多样等特点[1]1363,常被应用于废水处理[5]、填埋场覆盖和绿化[6]等。但垃圾填埋场腐殖土的资源化利用常常因重金属浓度超标而受阻[7],因此迫切需要针对其重金属污染程度进行评价。

不同粒径的腐殖土颗粒表面结构、比表面积、表面活性吸附电位和黏土矿物含量等都不相同,从而影响重金属的分布[8-9]。混合商业固废[10]、焚烧炉渣[11]和煤灰[12]等危废处理时常进行粒径分级以提高处理效率。目前关于垃圾填埋场腐殖土的粒径分级利用尚缺乏系统研究[13],主要问题在于腐殖土的筛分粒径标准无统一定论[14-15]。此外,不同粒径腐殖土的重金属含量和毒性也尚未研究透彻[16-20]。

填埋年限可能会导致腐殖土性质产生较大差异。因此,本研究以填埋年限差异较大的两个典型生活垃圾填埋场腐殖土为对象,精细分级后对腐殖土理化性质、营养元素、矿物和重金属等进行表征,探究其粒径分级特征及资源化利用潜力。

1 材料与方法

1.1 样品采集

供试腐殖土分别取自北京某生活垃圾填埋场(39°48′36″ N,116°32′24″E)和温州某生活垃圾填埋场(27°18′0″ N,120°28′48″ E),以下分别简写为北京腐殖土和温州腐殖土。北京腐殖土填埋年限为6年,温州腐殖土填埋年限为10年。两填埋场均属大型正规生活垃圾填埋场,接收周边多个城镇的生活垃圾。

将采集到的腐殖土去除其中的塑料、玻璃、石块和金属等大块垃圾后自然风干,振荡分散后,利用沙维诺夫干筛法[21]分离出<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个不同粒径。

1.2 测定方法

腐殖土pH、电导率、阳离子交换量、有机质等理化性质和碱解氮、总磷、速效磷、速效钾等营养元素测定参考《土壤农化分析(第3版)》,重金属Pb、Cr、Ni测定参照《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019),Cd测定参照《土壤质量 铅、镉的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》(GB/T 17141—1997)。以上化学分析均设置3个平行样。

腐殖土矿物经研磨并过200目筛后,使用X射线衍射仪(Bruker D8 Advance)测定,采用Cu-Kα辐射,扫描范围为10°～70°,扫描步长为0.02°。

1.3 单因子污染指数法

通过单因子污染指数法定量评价单一重金属污染情况,评价公式如下:

P=C/S

(1)

式中:P为样品中某重金属的单因子污染指数;C为样品中某重金属的质量浓度,mg/kg;S为样品中某重金属的限值标准,mg/kg,本研究以《绿化种植土壤》(CJ/T 340—2016)中对土壤重金属的Ⅲ级要求为限值标准。P≤1.0表示清洁水平;1.03.0表示重度污染。

1.4 数据处理

用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析,数据的差异显著性通过单因素方差分析(ANOVA)检验(p<0.05);用Origin 8.0软件进行图表制作。

2 结果与讨论

2.1 腐殖土粒径分级特征

两种腐殖土的粒径主要都分布在0.600～4.000、4.000～9.600、>19.000 mm,占到总质量的59.5%～68.4%(见图1)。总体而言,填埋年限长的温州腐殖土粒径更均匀,较小的粒径占比更大,温州腐殖土中粒径>19.000 mm的腐殖土比北京腐殖土减少了12.3%,而粒径<0.600 mm的腐殖土增加了16.2%。已有研究表明,填埋过程中有机质降解、渗滤液流动和覆盖层压力等作用都会导致腐殖土粒径逐渐细化,随着填埋年限增加,作为胶结剂的有机质在微生物作用下被矿化而逐渐减少,是导致大粒径腐殖土逐渐变为小粒径的主要原因[22]。

图1 腐殖土各粒径质量分数Fig.1 Mass percentage of each particle size of humus soils

2.2 腐殖土理化性质随粒径变化的分布特征

由图2可见,温州腐殖土的pH显著高于北京腐殖土,随着粒径增大,两种腐殖土的pH均呈现出逐渐升高的趋势,而且总体都呈弱碱性;温州腐殖土的平均电导率比北京腐殖土显著降低了近一半,随着粒径增大,电导率总体呈下降趋势;北京腐殖土的阳离子交换量都显著大于温州腐殖土,但同一填埋场的不同粒径腐殖土阳离子交换量无显著差异;温州腐殖土中有机质质量分数也显著少于北京腐殖土,两种腐殖土的有机质随粒径增大呈现出不同的规律。

图2 各粒径腐殖土的理化性质Fig.2 Physicochemical properties of humus soils with different particle sizes

垃圾填埋场内持续发生着生化反应,因此不同填埋年限的腐殖土理化性质差异显著[23],因为随着填埋年限增加,生化反应会逐渐趋向稳定[24]。有研究表明,填埋年限超10年,垃圾填埋场基本已处于稳定[25]。由此可以解释,填埋年限长的温州腐殖土更为稳定,电导率、阳离子交换量和有机质都更低。

2.3 腐殖土矿物随粒径变化的分布特征

两种腐殖土的矿物主要均为石英、白云石、钠长石、白云母和方解石,它们在两种腐殖土各粒径中的质量分数如图3所示。北京腐殖土中石英质量分数随粒径增大总体呈增加趋势,而白云母呈减少趋势。温州腐殖土中白云母质量分数随粒径增大总体呈减少趋势,而石英呈增加趋势,而且温州腐殖土相比北京腐殖土钠长石质量分数增加。各种矿物的相对含量也与腐殖土的填埋年限有关,因为矿物晶体在生长过程中晶格会吸附、置换环境中的元素[26]。两种腐殖土的矿物组成也说明了温州腐殖土更加稳定,它们的粒径分级大致可分为<0.600(小粒径)、0.600～13.200(中粒径)、>13.200 mm(大粒径)3个部分。

图3 各粒径腐殖土的矿物组成Fig.3 Mineral components of humus soils with different particle sizes

2.4 腐殖土营养元素随粒径变化的分布特征

腐殖土中营养元素丰富,但随着填埋年限增加,温州腐殖土的各种营养元素含量相比北京腐殖土显著降低,总磷、速效磷、速效钾和碱解氮分别减少了53.3%、71.8%、79.4%、49.1%(见图4)。参照全国第二次土壤普查的营养元素分级标准[27],北京腐殖土营养元素浓度明显高于一级土壤标准(总磷>1 000 mg/kg、碱解氮>40 mg/kg、速效磷>40 mg/kg),对于填埋年限较长的温州腐殖土,虽然营养元素浓度已显著降低,但仍能达到或接近一级土壤标准,具有作为土壤调理剂或肥料使用的潜力。腐殖土营养元素随粒径变化的分布规律也可以看到,小粒径腐殖土中营养元素含量相对较高。小粒径颗粒的比表面积较大,可以为磷、氮等营养元素提供更多吸附位点[28],而且小粒径腐殖土中黏土矿物含量高,能固定更多磷、氮等营养元素[29]。

图4 各粒径腐殖土的营养元素Fig.4 Nutrient elements of humus soils with different particle sizes

2.5 腐殖土重金属随粒径变化的分布特征

不同重金属在腐殖土中随粒径的变化表现出不同的特征(见图5)。北京腐殖土中的Cr大体随粒径增大呈增加趋势,而温州腐殖土中的Cr大体随粒径增大呈减少趋势。Cr集中分布在<0.600 mm的小粒径范围内。由此可见,重金属Cd、Ni、Pb在小粒径和大粒径腐殖土中都易于分布,而中粒径中含量较低;Cr倾向于吸附在小粒径腐殖土中。小颗粒吸附更多重金属一方面是比表面积大,有更多的吸附位点[30-31],另一方面黏土矿物的性质也影响着重金属在小颗粒上的吸附[32]。大颗粒中的重金属主要是因为北京腐殖土填埋年限较短,没有达到稳定。

图5 各粒径腐殖土重金属质量浓度Fig.5 Heavy metal mass concentrations of humus soils with different particle sizes

两种腐殖土中重金属单因子污染指数随粒径变化如图6所示。Ni和Pb均处于清洁水平,但Cd和Cr有污染。北京腐殖土各粒径中的Cd均为轻度污染,Cr均处于清洁水平;而温州腐殖土各粒径中的Cd有达到中度污染,甚至是重度污染,<0.150 mm粒径中的Cr达轻度污染。由此可见,填埋场中Cd和Cr为敏感重金属,稳定化的小颗粒腐殖土中重金属往往会得到富集。

图6 各粒径腐殖土重金属单因子污染指数Fig.6 Heavy metal single pollution indexes of humus soils with different particle sizes

2.6 基于粒径特征的腐殖土分级利用

腐殖土中营养元素和重金属是其资源化利用的主要影响因素,其中营养元素是主要价值因素,重金属则是主要限制因素。虽然本研究中两填埋场腐殖土Cd和部分粒径Cr处于污染水平,但只要在后续开采及利用时注意防范,仍可进行资源化利用。

综上以上分析,填埋年限较长的温州腐殖土更加稳定,粒径可以分为<0.600、0.600～13.200、>13.200 mm 3个部分。将3个部分的营养元素和重金属质量浓度平均值统计于表1。粒径<0.600 mm腐殖土中重金属和营养元素浓度都较高,这部分腐殖土需要通过重金属稳定化技术降低重金属的污染风险后方可用作土壤调理剂或园林绿化用土等,可提高土壤肥力。粒径0.600～13.200 mm腐殖土虽然营养元素和重金属含量都不高,但其优点是可不进行处理就能直接用作填埋场覆土、水泥窑替代原料或建筑材料等。粒径>13.200 mm腐殖土重金属污染不严重,可与洁净土壤混配后用作园林绿化用土。

表1 营养元素和重金属分级统计Table 1 Grading statistics of nutrient elements and heavy metals mg/kg

3 结 论

填埋年限长(10年)的温州腐殖土较填埋年限短(6年)的北京腐殖土粒径更均匀,较小的粒径占比更大,电导率、阳离子交换量、有机质质量分数更低,说明温州腐殖土更加稳定,其粒径可划分为<0.600、0.600～13.200、>13.200 mm 3个部分。粒径<0.600 mm的温州腐殖土中重金属与营养元素含量都较高,需要通过重金属稳定化技术降低重金属的污染风险后方可用作土壤调理剂或园林绿化用土等;粒径0.600～13.200 mm的温州腐殖土重金属与营养元素含量均不高,可不进行处理直接用作填埋场覆土、水泥窑替代原料或建筑材料等;粒径>13.200 mm的温州腐殖土重金属污染不严重,可与洁净土壤混配后用作园林绿化用土。