铅污染土壤电动淋洗联合异位修复实验

谭雪莹， 李 东， 李 洋， 吴昕达， 范 敏

(重庆大学 资源及环境科学学院环境科学系，重庆400030)

当前我国城市化发展的过程中，许多老的污染企业搬迁到新建工业园区内，其原有工业场地在开发之前需要进行土壤修复。工业场地土壤污染问题中最常见的是重金属污染，其中又以铅污染最常见。国内外的研究显示，电动修复技术可以有效地去除粘土中的铅[1-8]，被认为是未来最有希望的重金属污染修复技术之一[9]。电动修复技术可用作异位修复也可用作原位修复，但由于土壤属性的不均一性，原位修复的效果难以有效控制[10, 11]。异位修复因土壤进行了均化预处理，电动修复效果较易控制，更易于工程应用。目前有关铅污染土壤的电动修复实验大部分采用实验室配制土壤，其特点是铅在土壤颗粒表面的吸附不紧密，解析速度快，整个电动修复实验中的控制步骤是电迁移过程。当采用来自工业场地的实际铅污染土壤时，其铅的解析速度往往非常慢，解析过程成为整个电动修复过程的控制步骤，而解析过程对温度非常敏感，因此，实验中通过提高土壤电压梯度使土壤升温，以提高实际土壤中铅的解析速度，同时高电压梯度还可以加快电迁移速度。此外，为进一步提高修复效率，本实验还借鉴了铬污染土壤电动修复实验中浸泡的作用[12]，增加淋洗过程，以及时将迁移到阴极端的铅冲离土壤，避免其在土壤中聚集形成聚焦带。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验采用的铅污染土壤来自重庆市某工业场地，经过烘干，碾磨，过筛(100目)后，称取500±1 g的干土，并用纯水配制成含水率为27.3%的实验土壤。土壤基本参数见表1。

表1 实验土壤基本参数

1.2 分析方法

使用X射线荧光光谱仪(XRF Inno-X Alpha4000，美国)测定土壤中铅等金属元素的浓度.将万用表(VC86D，胜利高电子科技有限公司，深圳)与电脑连接在线监测土壤电压和电流。使用多参数水质分析仪(DZS-707，精密科学仪器有限公司，上海)测定淋洗液电导率；使用pH试纸测定土壤和淋洗液的pH值。电源采用DYB-1型直流电泳仪(上海博通化学科技有限公司)和SVC 500VA稳压器串接而成。温度测量采用红外线测温仪(UT300A，优利德科技有限公司)。

1.3 实验装置

实验装置由土壤槽、收集槽、收集瓶和真空泵组成(图1(a))。土壤槽由PVC穿孔板、不锈钢网、滤布组成。PVC穿孔板用于承托和压实土壤；上层不锈钢网作为阳极，下层不锈钢网作为阴极，二者在土壤中产生垂直直流电场，铅离子沿电场从上往下迁移。滤布防止土壤细颗粒随淋洗液流出。充填的土壤体积为14 cm(L) × 9 cm(W) × 0.9 cm(H) = 113.4 cm3。收集槽的长、宽与土壤槽一致，便于收集淋洗液，与收集瓶、真空泵连接。真空泵的作用是在系统中形成微负压，利于淋洗液的渗透和进入收集瓶。

图1 实验装置

1.4 实验方法

在土壤槽内均匀平铺土壤试样，土壤层厚度0.9 cm，土壤采用薄层结构是为了减小淋洗过程中土壤的阻力。土壤表层紧贴滤布和作为阳极的不锈钢网，底层紧贴滤布和作为阴极的不锈钢网，形成通电回路。淋洗液在微负压条件下经收集槽进入收集瓶。在通电过程中，适时添加纯水作为淋洗液，保证土壤表层的含水量。在土壤表层左、右各设置1个监测点(图1(b))，用以测量土壤中铅含量。分别在第10，40，60，80 min时临时断电，打开上层PVC穿孔板、不锈钢网和滤布，用XRF测量表层土壤的铅含量，之后再盖上，恢复通电。通电结束后，分别测量2个监测点位土壤表层(阳极)、中层、底层(阴极)的土壤铅含量。

2 结果与讨论

2.1 电压和电流

通电初始电压为16.9 V，通电10 min后将电压提升至20.2 V，第40 min后再提升至36.3 V(土壤电压梯度40.3 V/cm)，保持电压至实验结束(图2)。分步升压的目的是考虑装置运行的稳定性。通电过程中，电流变化情况见图3，虽然电压升高了，但电流却逐渐减小，这说明土壤中总离子浓度在减少。这可能是由于两个原因导致：(1) 土壤底层pH值升高(表3)，生成氢氧化物沉淀导致土壤总离子浓度下降；(2) 淋洗作用使土壤中的离子总量下降。

图2 电压的变化

图3 电流的变化

2.2 铅浓度变化

土壤表层铅浓度随时间的变化情况见表2。结果显示土壤表层铅含量随修复时间的延长而降低。实验结束后，两个监测点位表层、中层和底层土壤铅含量及pH值的测量结果见表3。

表2 表层土壤铅浓度变化情况

表3 土壤铅含量及pH值

底层土壤中铅含量低于中间层也反映出淋洗过程有效地阻止了铅在阴极端土壤聚集。实验过程中，土壤温度保持在30～40 ℃，该温度高于室温(21 ℃)。表层土壤铅浓度在80 min内即由410±16 mg/kg降至138±8 mg/kg，说明温度显著地提高了铅的解析速度。经过电动修复和淋洗的联合作用，土壤中铅的去除率为38.5%。土壤平均铅含量252 mg/kg，低于《重庆场地环境风险评估技术指南》中规定的利用儿童血铅评估方法得到的土壤健康风险评估阈值260 mg，实现了修复目标。

2.3 能耗分析

电能消耗与铅浓度的变化见图4，能耗随着修复时间的增加而增加，铅的浓度在前60 min降低幅度较大，后20 min减少幅度很小，修复效果不显著，但是电耗仍在增加，说明电动修复后期的能效比下降。

图4 电耗与铅浓度变化图

电动修复的电耗为137.7 KJ(0.038 kWh)，土的体积113.4 cm3，每方土电动修复的电耗为337 kWh/m3。按照工业电费平均0.5元/kWh来计算，每方土电费169元。而一般的电动修复技术每方土的商业报价在600～800元之间，显示该技术具有潜在的市场竞争优势。但计算没有将真空泵的电耗计算在内，原因在于真空泵功率与实验装置不匹配，若合并计算将导致严重失真。较准确的能耗估算需要更大规模的测试。

3 结 论

(1) 高电压梯度可以提高土壤温度，加快铅的解吸与迁移速度，实现铅污染土壤的快速修复。

(2) 淋洗过程可以有效防止阴极端铅的聚焦问题，改善修复效果。

参考文献：

[1] POKROVSKY O S , PROBST A, LEVIEL E. Interactions between cadmium and lead with acidic soils: Experimental evidence of similar adsorption patterns for a wide range of metal concentrations and the implications of metal migration[J]. Journal of Hazardous Materials, 2012,20: 358-366

[2] KIM H A,LEE K Y, LEE B T. Comparative study of simultaneous removal of As, Cu, and Pb using different combinations of electrokinetics with bioleaching by Acidithiobacillus ferrooxidans[J]. Water Research, 2012, 46(17): 5591-5599

[3] ALTIN A, MUSTAFA D. Lead (II) removal from natural soils by enhanced electrokinetic remediation[J]. Science Total Environment, 2005, 37: 1-10

[4] LIM J M, SALIDO A L, Butcher D J. Phytoremediation of lead using Indian mustard (Brassica juncea) with EDTA and electrodics[J]. Microchemical Journal, 2004, 76(1): 3-9

[5] YANG G C, LIN S L. Removal of lead from a silt loam soil by electrokinetic remediation[J]. Journal of Hazardous Materials, 1998 , 58(1-3): 285-299

[6] YEUNG A T, HSU C N, MENON R M. EDTA-enhanced electrokinetic extraction of lead[J]. J Geotech Engrg, 1996, 122(8): 666-673

[7] RODSAND T, ACAR Y B, BREEDVELD G. Electrokinetic extraction of lead from spiked Norwegian marine clay[J]. Norges Geotekniske Institutt,1996, 19: 1518-1535

[8] PROBSTEIN R F, HICKS R E, Removal of contaminants from soils by electric fields[J]. Science, 1993, 26: 498-503

[9] YEUNG A T, GU Y Y. A review on techniques to enhance electrochemical remediation of contaminated soils[J]. Journal of Hazardous Materials, 2011, 19: 11-29

[10] GROUP I T. Emerging Technologies for the Remediation of Metals in Soils: Electrokinetics[J]. Interstate Technology & Council (ITRC)1997,14:20-25

[11] LI D, NIU Y Y, FAN M. Focusing phenomenon caused by soil conductance heterogeneity in the electrokinetic remediation of chromium (VI)-contaminated soil[J]. Separation and Purification Technology, 2013,12: 52-58

[12] 李东, 黄彦, 聂杨,等, 高浓度铬污染土壤水浸泡与电动修复联合处理实验[J]. 环境工程学报, 2010, 4(11): 2579-2584

[13] SAUVE S, McBRIDEM M B, HENDERSHOT W H. Soil solution speciation of lead: Effects of organic matter and pH[J]. Soil Science Society of America Journal, 1998, 62: 618-621

[14] BASTA N T, TaBATABAI M A. Effect of cropping systems on adsorption of metals by soils: II. Effect of pH[J]. Soil Science, 1992, 153(3): 195-204

[15] 杨金燕, 杨肖娥, 何振立,等, 土壤中铅的吸附-解吸行为研究进展[J]. 生态环境, 2005, 14(1): 102-107

[16] 郑淑云, 徐应明, 孙国红,等, 可溶性有机物和pH值对铅的毒性和生物可利用性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2006,25(6):1413-1418