原位稳定化法修复轻度重金属污染土壤的中试研究

董春枝 彭强辉 窦亚丽

摘要    为研究原位稳定化法修复轻度重金属污染土壤的工程可行性，以某轻度重金属污染的农田土壤为研究对象，开展原位稳定化法修复土壤的中试研究。结果表明，1#固化剂和2#固化剂的修复效果差别不大;固化剂投加量越大，修复效果越好;在一定时间内，投加固化剂后，修复时间越长，修复效果越好。总体而言，在不影响正常生产活动的同时，降低了农田中的重金属含量，原位稳定化修复对于轻度重金属污染农田土壤具有一定的优势。

关键词    土壤;有效态重金属;原位稳定化法

中图分类号    X53        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）13-0175-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    In order to study the engineering feasibility of the in-situ stabilization method for remediation of mild heavy metal contaminated soil， a farmland soil contaminated with a mild heavy metal was taken as a research object to carry out a pilot study of in-situ stabilization method for soil remediation. The results showed that there was little difference between 1# curing agent and 2# curing agent; the greater the dosage， the better the remediate effect; within a certain period of time， after adding the curing agent， the longer the remediate time， the better the remediate effect. Overall， while not affecting the normal production activities， the heavy metal content in the farmland was reduced， and the in-situ stabilization remediation has certain advantages for the mild heavy metal contaminated farmland soil.

Key words    soil; available heavy metal; in-situ stabilization method

隨着现代社会的飞速发展，越来越多的重金属进入大气、水和土壤，重金属的污染程度日益加剧。农田土壤中重金属通过土壤-植物系统，由食物链转入人体，含量不断累积，在很大程度上危害着人的身体健康。与其他土壤相比，农田土壤具有生产力强、污染面积广、浓度低的特点。为了实现农田的可持续利用，保证人类食品的安全性，对土壤重金属污染进行修复迫在眉睫。土壤重金属修复方法主要包括物理修复、化学修复、电动力修复以及生物修复[1]。固化/稳定化是重金属污染土壤的一种重要的原位修复方法，通过投加固化剂改变土壤中重金属的存在形态，降低重金属在土壤中的迁移性、浸出毒性和生物有效性，从而减轻污染物危害[2-3]。目前，土壤重金属污染涉及面积很大，各种工程修复措施的成本过高，因而发展原位钝化方法是污染土壤修复的较好选择[4-7]。

目前，关于重金属污染土壤固化修复的研究仍存在不足[8]。以往的研究多数针对的是固化剂对重污染企业用地、河道底泥以及复合污染土壤中重金属的修复效果，对于固化剂对农田的重金属修复探索较少[9-13]。肖  康等[14]研究复合药剂对复合污染土壤的修复效果，复合药剂对Pb、Hg、Cr、Cd、Zn、Cu和Ni污染土样的固化修复具有一定的效果。目前，国内针对农田污染土壤修复的报道仍相对较少。在此基础上，进一步采用复合药剂对农田污染土壤进行固化处理，关于其修复效果的研究则更加缺乏。

本文在前期实验室小试研究基础上，采用一种复合固化剂，以桐庐某污染农田土壤为研究对象，对土壤中的Ni、Cd、Pb等重金属进行总量及其有效态研究。通过实验室小试获得重金属固化剂在中轻度污染农田土壤修复工程中的最佳投加剂量、投加频次等参数，并在中试示范区进行研究试验，重点考察重金属固化剂对不同形态重金属的稳定化性能，为日后中轻度重金属污染农田治理修复工作提供理论基础和技术支撑。

1    材料与方法

1.1    中试区域概况

桐庐县是浙江省农业“两区”土壤修复的省级试点，桐庐县委托专业技术单位对县域范围内的农田土壤环境重金属污染进行了全面的调查、检测，并依据污染物综合因子指数将污染农田划分为轻度污染区、中度污染区和重度污染区。试验地位于桐庐县某轻度重金属土壤污染区，本研究选取轻度重金属土壤污染区内面积约0.33 hm2的地块进行现场中试，修复深度为地表下0～50 cm。

1.2    固化剂原位修复工艺

1.2.1    工艺介绍。稳定化固化技术是将污染土壤与能聚结成固体的黏结剂混合，从而将污染物捕获或固定在固体结构中的技术[15]。土壤固化技术主要是依靠固化剂来降低土壤中重金属的移动性和生物有效性，却无法将重金属从土壤中去除，而是以更稳定的形式存在于土壤中。固化技术是按一定的比例将重金属污染的土壤与固化剂进行混合，通过一定的时间熟化后，最后形成渗透能力很弱的固体混合物[16]。固化剂的种类繁多，主要有水泥、膨润土、高炉矿渣、硅酸盐、石灰、窑灰、飘尘、沥青、赤泥等。固化技术的处理效果与固化剂的比例、组成以及土壤重金属的总浓度和土壤中一些干扰固化的物质存在有关[17-19]。目前的固化剂主要分为黏土矿物、工业废弃物、含磷物质、其他矿物材料和复合固化剂这几大类[20-21]。中试采用原位稳定化处理技术，在中试的试验田中，投加一定量的固化剂，研究其固化效果。

1.2.2    药剂作用原理。采用的固化剂是一种复合固化剂，该固化剂主要由磷酸钙、磷矿石与粉煤灰、生活污泥成分按一定配比混合而成，具有较好的土壤抗酸碱缓冲能力，降低了重金属离子的迁移能力，减少了植物对重金属的吸收。固化剂1#和2#的所含物质成分一样，但所含物质的比例不同。固化剂的施加能够降低土壤中交换态重金属的含量，并且抑制它们的浸出量。

1.3    样品采集与分析

本中试采用原位稳定化处理技术，土壤修复时间为60 d。在中试的试验田中，将试验田分成5块，每块地面积约0.067 hm2，分别标记为CK、T1、T2、T3、T4。每块试验田投加固化剂后，通过随机布点采集表层，多点动态监测土壤中重金属情况。未投加固化剂作为空白对照组（CK）;T1和T2投加1#固化剂，投加量分别为100、150 kg/hm2;T3和T4投加2#固化剂，投加量分别为100、150 kg/hm2;投加固化剂1次，采样分成3次，分别在第20天、第40天、第60天。采集的土样尽快检测土壤的重金属含量，通过取样检测重金属有效态浓度，拟合出各剂量下的动态变化趋势，从而可获取本稳定剂针对中低浓度污染农田的最佳投药量和处理效果。

本中试监测的重金属有锌（Zn）、铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）、镉（Cd）、铅（Pb），主要检测土壤重金属有效态和总量。重金屬总量采用原子吸收分光光度法测定，有效态的重金属采用DTPA（二乙三胺五乙酸）浸提剂，螯合浸提出土壤中有效态锌、铜、铬、镍、镉、铅。土壤样品的pH值：电位法测定，pH计，土液比1.0∶2.5，原始土壤测的pH值为6.8，向土壤中施加钝化剂会使土壤pH值升高，升高范围为0.18～0.25。

2    结果与分析

2.1    土壤样品的重金属含量和修复后重金属总量

2.1.1    土壤样品的重金属含量。由表1可知，根据土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618—2018）[22]，样品中Ni、Pb、Cu、Cr、Zn含量均未超过农用地土壤污染风险筛选值;Cd含量超过农用地土壤污染风险筛选值。

2.1.2    土壤修复后重金属总量分析。从图1可以看出，1#和2#固化剂对土壤中重金属总量的去除均具有一定的效果;固化剂对土壤中的Cu去除效果较明显，对重金属Ni、Cd、Pb、Cr和Zn的去除效果不明显。除重金属Ni外，1#和2#固化剂投加量越大，重金属总量去除效果越好，但是考虑到经济成本，固化剂按照一定的投加量比较经济合算;在同等投加量的情况下，2#固化剂对Cu的去除效果略优于1#固化剂，而对于其他的重金属，1#和2#固化剂对重金属的去除效果差异不明显。

2.2    固化剂对重金属浸出量的影响

本次试验研究了投加固化剂后土壤中重金属浸提液的重金属含量。通过对加入固化剂与未加入固化剂的浸出液中重金属含量进行对比，拟合出各剂量下的动态变化趋势。

2.2.1    对Zn浸出量的影响。由图2可知，中试投加固化剂后，1#、2#固化剂对土壤Zn的固化均有一定效果，两者效果差别不大;对Zn的固化效果与时间呈正比，时间越长，Zn浸出量越少，固化效果越好;同种固化剂，投加越多，固化效果略好，但是考虑成本因素，固化剂按照一定的投加量比较经济合算。

2.2.2    对Cu浸出量的影响。由图3可知，1#、2#固化剂对土壤Cu的固化均有一定效果，2#固化剂对Cu的固化效果略优于1#固化剂;对Cu的固化效果与时间成正比，时间越长，Cu浸出量越少，固化效果越好;同种固化剂，投加越多，固化效果略好，但是考虑成本因素，固化剂按照一定的投加量比较经济合算。

2.2.3    对Ni浸出量的影响。由图4可知，1#、2#固化剂对土壤Ni的固化均有一定效果;对Ni的固化效果与时间成正比，时间越长，Ni浸出量越少，固化效果越好;同种固化剂，投加越多，固化效果略好。

2.2.4    对Cr浸出量的影响。由图5可知，1#、2#固化剂对土壤Cr的固化均有一定效果，2#固化剂对Cr的固化效果略优于1#固化剂;对Cr的固化效果与时间成正比，时间越长，固化效果越好，但在投加固化剂后2个月左右，Cr浸出量趋于稳定;同种固化剂，投加越多，固化效果略好。但是考虑成本因素，固化剂按照一定的投加量比较经济合算。

2.2.5    对Cd浸出量的影响。由图6可知，1#、2#固化剂对土壤Cd的固化均有一定效果，但效果不太明显;同种固化剂，投加越多，固化效果略好，但是考虑成本因素，固化剂按照一定的投加量比较经济合算。

2.2.6    对Pb浸出量的影响。由图7可知，1#、2#固化剂对土壤Pb的固化均有一定效果，但效果不太明显;同种固化剂，投加越多，固化效果略好，但是考虑成本因素，固化剂按照一定的投加量比较经济合算。

3    结论

采集的土壤样品Cd超过土壤环境质量二级标准，属于轻度重金属污染。1#和2#固化剂对土壤中重金属总量的去除有一定的效果，对重金属有效态的含量具有明显的降低效果，因而在不影响农业生产活动的同时，对轻度重金属污染的土壤修复，该固化稳定化修复具有一定的优势。

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