铬渣堆场渗滤液对土壤—地下水系统污染规律研究

铬渣是铬盐及铁合金等行业在生产过程中排放的有毒废渣，其有害成分主要是可溶性铬酸钠、酸溶性铬酸钙等六价铬离子。长期堆放的铬渣淋滤液中含有Cr（VI），它是一种具有高迁移能力的重要污染物。铬渣如果不加处理而长期堆放，会致使铬渣中水溶性六价铬被雨、雪水浸后，随着雨、雪水和地表水渗入地下，对周边地表水、地下水以及土壤造成严重污染。 论文针对目前铬渣堆场及其渗滤液生态环境污染严重这一热点问题，以辽宁省沈阳和锦州两处典型铬渣堆场为研究对象，采用室内实验、理论分析、数值模拟和现场应用相结合的研究方法，从深层次、多学科、多角度展开研究。主要研究成果如下： （1）通过沈阳、锦州铬渣静态浸溶实验和动态淋溶实验，测定不同固液比、浸取剂pH、浸出时间、搅拌强度、铬渣粒度大小、温度等因素对铬渣中污染物溶解释放影响，揭示不同地区铬渣中污染物析出、释放规律。研究结果表明，锦州铬渣在淋滤初期，Cr(VI)浓度含量非常高，下降速度快，随时间推进，下降速度趋于缓慢，体现淋滤过程中Cr(VI)容易淋出，铬渣堆放将会对土壤－地下水造成严重污染；和锦州同质量的沈阳铬渣，在淋滤过程中，Cr(VI)浓度下降较锦州铬渣缓慢，浓度也较锦州铬渣低，变化幅度较小，下降速度缓慢，主要原因是沈阳铬渣为长期堆存的风化铬渣，而锦州铬渣为新铬渣，可溶性Cr(VI)含量较高的缘故。 （2）通过不同土壤（粉质砂土、粉质粘土）对铬渣渗滤液静态吸附实验，测定振荡时间、污染物浓度、pH值、温度等条件改变对粉质粘土和粉质砂土吸附Cr(VI)的影响，获得粉质粘土和粉质砂土吸附Cr(VI)非线性等温吸附模型，建立了吸附动力学方程。研究发现，粉质粘土和粉质砂土对Cr(VI)吸附可用Langmuir方程、Freundlich方程和Temkin方程描述，以Langmuir方程为最佳；从吸附动力学看，粉质粘土和粉质砂土的三种动力学方程拟合程度顺序均为：Elovich型公式>双常数速率公式>抛物线扩散公式；粉质粘土相较粉质砂土动力学拟合程度更高且吸附性更好。 （3）通过室内土柱一维动态模拟实验，研究揭示铬渣淋溶液Cr(Ⅵ)在不同土壤（粉质砂土和粉质粘土）—地下水系统中，在污染淋滤和清水淋滤过程中运移规律。实验结果显示，无论粉质砂土还是粉质粘土，淋滤渗出液中Cr（Ⅵ）浓度都是一定时间后才被检出，最初浓度较低，随后浓度值逐渐升高，出现最大值后趋于稳定，对流、弥散和吸附作用是Cr（Ⅵ）运移主要原因；随着清水淋溶进行，渗出液中Cr（Ⅵ）浓度都呈逐渐下降趋势，清水淋滤过程中主要发生溶解、解吸作用，不同土壤，Cr（Ⅵ）浓度趋零时间不同，粘土由于粘粒多、直径小、接触面积大，体现较为严重的拖尾现象。 （4）模拟锦州真实土层，通过自制二维非均质含水层砂箱模型，揭示铬渣淋溶液Cr（Ⅵ）在土壤-地下水系统中的时空动态运移规律。结果表明，Cr(Ⅵ)浓度水平方向上，距离污染源较近砂箱上游，Cr(Ⅵ)浓度峰值出现时间较早，离污染源越远，Cr(Ⅵ)浓度峰值出现时间越晚；在垂直方向上随着时间推移，Cr(Ⅵ)浓度变化曲线也逐渐向前推移，污染范围不断扩大。上层粉质粘土，晶格结构结合紧密，吸附性强，渗透性小，同时作用水头也较小，因而对流作用缓慢，体现水平运移较慢，垂直方向上的势能克服土壤阻力，对流作用较快，迁移作用比较明显，中层为渗透性较好的粉质砂土，污染物横向迁移速度加快，地下水的对流起主要运移作用，下层为砾石层，污染物运移主要表现为对流作用，污染物迅速沿水流方向运移。Cr(Ⅵ)整体迁移性较好，这也造成了污染容易在短时间内扩散。 （5）基于渗流场和浓度场理论，建立综合考虑对流弥散、吸附解吸及存在源汇项的土壤-地下水系统中铬渣渗滤液污染物运移的三维耦合动力学数学模型，并通过数值模拟对锦州、沈阳铬渣堆存场污染物运移和分布进行预测。模拟结果表明，锦州铬渣堆存场Cr（Ⅵ）运移较快，20年即造成附近数公里地下水污染，采取防渗措施（防渗挡墙）后，地下水污染得到一定控制，监测井污染物浓度开始下降；沈阳铬渣堆存场地层为粘土层，Cr（Ⅵ）运移缓慢，20年仅在厂区内部土壤和地下水受到污染，未造成附近区域地下水污染。