柠檬酸发酵液-氯化盐复合淋洗液制备及重金属污染土壤修复试验研究

桂 松，朱雷鸣，陈慧娴，蒋 鹏，涂保华，张文艺

(1.常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；2.中石化广州工程有限公司，广东 广州 510000；3.江苏龙环环境科技有限公司，江苏 常州 213000)

随着我国工业的快速发展，工业污水及固体废物排放、废水灌溉和农药化肥滥用等人类生产活动，造成一些重金属被释放到土壤，使得土壤的整体质量呈现下降趋势[1]。2014年4月原国家环境保护部发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤环境的整体质量不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的点位超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%,2.3%,1.5%和1.1%。从土地利用类型看，耕地、林地、草地土壤点位超标率分别为19.4%,10.0%,10.4%。从污染类型看，以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%。从污染物超标情况看，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%,1.6%,2.7%,2.1%,1.5%,1.1%,0.9%,4.8%；六六六、滴滴涕、多环芳烃3类有机污染物点位超标率分别为0.5%,1.9%,1.4%[2]。土壤重金属污染已经成为了我国亟待解决的环境问题之一。目前，重金属污染土壤的修复技术主要分为物理修复、化学修复和生物修复。化学淋洗技术能够有效修复重金属土壤，具有操作简单、洗脱周期短和去除效率高等优势[3]。常见的淋洗剂包括无机淋洗剂、络合剂和表面活性剂等，在实际使用的过程中均存在一定的局限性，选取一种高效经济的环境友好型淋洗剂至关重要。

有研究表明[4]柠檬酸对土壤重金属有很强的洗脱能力。常规的柠檬酸试剂提取成本较高，在提取工艺中会伴随着大量的资源损耗和废弃物产生，使用柠檬酸发酵液替代柠檬酸试剂可以避免这一复杂的提取工艺，并大幅降低生产成本。同时有机酸发酵液生物降解性好，无二次污染，在土壤淋洗中具有良好的应用价值[5]。有机酸发酵液的淋洗机理同螯合剂类似，主要通过与重金属离子形成稳定络合物，提高重金属活性，对不稳定形态的重金属具有良好的淋洗效果[6]。戴世金[7]等基于上海市桃浦区某一实际污染场地的重金属污染情况，使用餐厨垃圾有机酸发酵液对模拟污染土壤进行淋洗修复，发酵液中的乙酸含量为18.29 g·L-1，结果表明在8 d的淋洗时间里，重金属Cu,Ni,Pb,Cd,Zn的淋洗效率分别达到了62%,46%,51%,59%和56%，效果优于传统的乙酸试剂。另外，氯化盐化学性质温和，成本低廉，对土壤破坏程度较小，作为土壤淋洗剂具有广泛的应用前景。陈春乐[8]等研究比较了3种氯化盐(FeCl3,CalCl2和NaCl)对Pb污染土壤的淋洗效果，结果表明，0.4 mol·L-1的 FeCl3的对Pb的淋洗效率可以达到61%，同等浓度下的FeCl3对Pb的淋洗效果要优于CalCl2和NaCl。

单一淋洗剂在修复污染程度较高的土壤时，一般难以达到理想的效果，多种淋洗剂复合使用能达到协同去除重金属的效果，显著提高淋洗效率。周芙蓉[9]等研究柠檬酸与氯化盐(CaCl2和FeCl3)复合修复Cd污染土壤，结果表明，柠檬酸单独淋洗对Cd的淋洗效率最高达到55.2%，柠檬酸-CaCl2与柠檬酸-FeCl3的淋洗组合在最优条件下对重金属Cd的淋洗效率分别达到81.25%和84.57%，淋洗效果优于柠檬酸单一淋洗。近年来，对于氯化盐与无机酸、氯化盐与螯合剂的复合淋洗研究已有所尝试，而有关氯化盐与有机酸发酵液复合淋洗的研究鲜有报道。

本文针对5种典型的土壤重金属Cu，Ni，Pb，Cd，Zn，采用柠檬酸发酵液-氯化盐复合淋洗剂修复重金属土壤，研究不同淋洗条件对土壤重金属去除效果的影响，对淋洗前后重金属赋存形态的变化进行分析，探讨柠檬酸发酵液与氯化盐复合淋洗土壤重金属的机理，以期为修复重金属污染土壤的研究和应用提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采集自江苏省常州市武进区某农田表层土(0～20 cm)，经检测确认该土壤未受重金属污染。土样收集完后带回实验室，剔除植物残体与石块等杂物，经自然风干后研磨，备用。配置1 L含有Cd(NO3)2,Cu(NO3)2,Pb(NO3)2,Ni(NO3)2和ZnCl2的混合溶液，Cu,Ni,Pb,Cd,Zn的理论浓度分别为2000 mg·L-1,1000 mg·L-1,1000 mg·L-1,1000 mg·L-1和1000 mg·L-1，将混合溶液与1 kg土壤浸泡于盆钵中充分搅拌，使污染物混合均匀，于通风处自然老化2个月。土壤研磨过10目和100目筛，用于土壤的理化性质和重金属含量的检测分析。土壤的理化性质见表1。

表1 试供土壤基本理化性质

1.2 柠檬酸酸发酵液的制备试验

1.2.1 菌种

黑曲霉[CMCC(F)98003]标准菌株，由上海鲁微科技有限公司提供。

1.2.2 培养基

PDA培养基：称取200 g土豆，去皮洗净，加入1000 mL蒸馏水，煮沸20～30 min，用4层纱布过滤得到滤液，向滤液中添加20 g葡萄糖和20 g琼脂，适度加热，待充分溶解后补充水分至体积100 mL，121℃高压灭菌20 min，待用。

摇瓶培养基[5]：30%蔗糖，0.15%硝酸钠，0.05%磷酸二氢钾，0.0025%七水合硫酸镁，0.0025%氯化钾，0.16%酵母浸膏。

1.2.3 发酵液的制备及取样处理

在无菌条件下，将黑曲霉接种于PDA斜面培养基活化，置于34℃的恒温培养箱中培养7 d，至斜面表面长满黑色孢子。用接种环挑取1～2环活化的黑曲霉菌于装有无菌水的三角瓶中，振荡1 h使孢子分布均匀，制得孢子悬浮液，再按10%(v/v)的接种量接种到摇瓶培养基，以32℃，220 r·min-1的条件置于恒温摇床中培养14 d。

为了准确测量发酵液的酸度[10]，需要对发酵液进行加热，使黑曲霉菌灭活，终止柠檬酸的发酵反应，温度控制在90℃左右，之后采用4层纱布过滤，除去发酵液中的悬浮固体和残渣。

将式(4)中的投影点代入方程(8)，进而得到空间圆的圆心坐标和l值，将圆心坐标代入即可解出空间圆的半径R。

1.2.4 酸度的测定

精确吸取1 mL处理过后的柠檬酸发酵液至50 mL锥形瓶中，加入20 mL蒸馏水，滴入2～3滴酚酞，使用0.1429 mol·L-1的NaOH溶液滴定至淡粉色，且30 s内颜色不褪去，消耗的NaOH溶液体积即为柠檬酸含量的百分比，即每消耗1 mL体积的NaOH代表1%的酸度[11]。试验重复3次，结果取平均值。

测定结果为柠檬酸发酵液的酸度为4.1%。

1.3 实验步骤

1.3.1 单一淋洗剂淋洗实验方法

柠檬酸发酵液：称取2 g土样于50 mL塑料离心管中，按照固液比为1∶10的比例分别加入稀释倍数为1，2，3，4的柠檬酸发酵液，25℃环境中以200 r·min-1淋洗6 h后，将淋洗液以4000 r·min-1的转速离心20 min，取上清液，经0.45 um的滤膜过滤，用原子吸收分光光度计测定上清液中的Cu，Pb，Ni，Cd和Zn的含量，确定最佳淋洗浓度。试验重复3次。

无机氯化盐：称取2 g土样于50 mL塑料离心管中，按照固液比为1∶10的比例分别加入NaCl，CaCl2和FeCl3试剂，浓度分别设置为0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3 mol·L-1，25℃环境中以200 r·min-1淋洗6 h，后续步骤同上，根据淋洗效果筛选出最优淋洗剂与最佳淋洗浓度。试验重复3次。

1.3.2 复配淋洗试验方法

将1.3.1中筛选得到的氯化盐试剂与柠檬酸发酵液按照各自的最佳淋洗浓度进行复配，复配体积比分别为1∶10，1∶8，1∶6，1∶5，1∶4，1∶3，1∶2，1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1，6∶1，8∶1，10∶1，淋洗试验的条件与1.3.1相同，得到最佳淋洗复配比，配置最佳浓度的复配淋洗剂。试验重复3次。

称取2 g土样于50 mL塑料离心管中，按照固液比为1∶5，1∶10，1∶15和1∶20的比例分别加入1.3.2所确定的最佳复配淋洗剂，其它试验条件同1.3.1相同。试验重复3次。

1.3.4 淋洗时间对土壤重金属去除率的影响

称取2 g土样于50 mL塑料离心管中，按照固液比为1∶10的比例加入柠檬酸发酵液，在温度为26℃，振荡速度为200 r·min-1的条件下淋洗，分别在0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，7 h，8 h，9 h取样，其余试验步骤同1.3.1一致。试验重复3次。

1.3.5 重金属赋存形态分级测定

土壤重金属的形态分级测定采用BCR连续提取法，该方法将重金属分为4个形态：酸可提取态、可还原态、可氧化态和残渣态。

1.4 土壤分析方法

土壤理化性质的测定参照《土壤农业化学分析方法》。土壤pH值的测定采用电位法，有机质的测定采用重铬酸钾氧化法，CEC值的测定使用BaCl2交换法。土壤重金属全量的测定采用HF-HClO4-HNO3消解土壤，使用原子吸收分光光度计测量。

1.5 数据统计

试验数据采用Excel 2010软件进行统计分析处理，数据最大允许相对偏差不得超过2%，绘图部分使用origin 9.0软件。

2 结果与分析

2.1 单一淋洗剂淋洗试验

淋洗剂浓度的选择对于去除重金属而言具有重要意义。从图1发现，重金属去除率随着稀释倍数的增长而逐渐降低，这与张宏教[12]等研究结果一致。这是由于发酵液中含有大量的柠檬酸及其他有机酸副产物，有机酸主要依靠酸溶和络合作用去除重金属，发酵液浓度的降低导致了可电离的H+数量下降以及柠檬酸等其他代谢产物含量的减少，酸化能力的下降会影响到有机酸对重金属的溶解能力，不利于土壤对重金属的解吸过程。另外有机酸及其他代谢产物含量的降低会减少有机酸提供的络合点位，有机酸与重金属的结合能力下降，不利于络合作用。在稀释倍数为1(原液)时，柠檬酸发酵液对重金属的去除效果最好，Cu，Ni，Zn，Cd，Pb去除率分别达到了74.6%，61.6%，59.1%，58.3%和44.5%。Cu的去除效果最好，去除率达到了77%，随着发酵液浓度的稀释，Cu去除率的变化范围不大，为72.5%～75.8%，这是由于实验土壤中Cu的不稳定形态的含量较高，在与其它重金属竞争络合点位时占据优势，致使较多处于不稳定形态的Cu被释放出来。柠檬酸发酵液原液(酸度为4.1%)去除效果最好，故选择该浓度为发酵液最佳浓度。

图1 柠檬酸发酵液浓度对重金属去除率的影响

氯化盐对重金属的去除效果如下图所示，淋洗效率随着氯化盐浓度的增加而增加。3种氯化盐中FeCl3对重金属的除效果最好，CaCl2和NaCl的淋洗效果较差，均低于5%(见图2～图4)。从图2看出随着FeCl3浓度的增加，5种重金属的去除率整体来说都呈现出先迅速上升而后趋于平缓的走势。当FeCl3浓度为0.01 mol·L-1～0.1 mol·L-1时，5种重金属的去除率随着FeCl3浓度的上升而升高，Pb，Cu，Ni，Cd和Zn的去除率分别提高了45%，44%，35%，15%和30%。这是由于FeCl3发生水解生成大量的H+，Fe3+和Cl-，大量的H+可以溶解土壤表面的部分矿物，增强了重金属活性，同时H+可以促进土壤表面质子化，降低对重金属离子的吸附能力，pH值越低，淋洗效果越好[13]，Cl-可以与重金属形成稳定络合物，Fe3+具有较强的氧化性，促使更多的重金属离子通过离子交换的方式从土壤表面解吸。当FeCl3浓度为0.1 mol·L-1～0.3 mol·L-1时，重金属去除率趋于平稳，Pb，Cu，Ni和Zn去除率的增幅在5%以内，重金属Cd的去除率从74.5%下降到了69%，出现了不增反减的情况，推测是因为大量的Cl-吸附在土壤颗粒的表面，形成了一层保护膜，对重金属的溶解起到了限制作用，不利于重金属离子从土壤胶体颗粒表面解吸和以及在土壤溶液中的扩散行为[8]。综合淋洗效果以及试剂成本等因素，选择0.1 mol·L-1的FeCl3试剂进行后续的实验。

图2 FeCl3浓度对重金属去除率的影响

图3 CaCl2浓度对重金属去除率的影响

图4 NaCl浓度对重金属去除率的影响

2.2 复配淋洗试验

从表2可以看出，随着复合淋洗剂中FeCl3含量的增多，5种重金属的去除率呈现上升的趋势，当复配比为1∶4时，复配淋洗剂对重金属Pb Ni Cu Cd和Zn的去除率分别达到了73.8%,64.4%,89.2%,86.8%和76.3%，淋洗效果较好。说明FeCl3浓度的变化对复合淋洗效果影响较大，占据主导作用，李玉娇[14]等研究发现重金属络合物的形成与配离子的浓度有关，当重金属跟Cl-和有机酸根离子发生络合反应时，有机酸根离子可能会同其它非污染物结合，导致大量的重金属与Cl-结合形成稳定的可溶性络合物。当FeCl3浓度继续增大时，淋洗效果出现了下降，重金属Pb,Cu,Cd和Zn去除率的下降幅度分别为18.2%,13.1%,11.4%和9.6%，可能是由于Cl-浓度过高，不利于重金属离子的解吸。当复配比为1∶4时，复配淋洗剂对5种重金属的淋洗效果较好，优于柠檬酸发酵液和FeCl3的单一淋洗，说明FeCl3溶液和柠檬酸发酵液对重金属去除具有协同作用。选择柠檬酸发酵液与FeCl3复配体积比1∶4为最优复配比，进行后续的试验。

表2 柠檬酸发酵液与FeCl3复合淋洗对重金属的去除率 (%)

2.3 固液比对重金属去除率的影响

从图5可以看到当固液比为1∶10时，重金属Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的去除率较好，分别是86.9%，68.6%，89.2%，77.4%和74.5%，其中Cu，Ni，Cd的去除率达到最高，当固液比增加到1∶20时，Pb和Zn的去除率达到最高，分别是85.5%和79.5%，增加固液比可以扩大淋洗液与土壤的接触面积，提高对重金属的去除率，但考虑到试剂用量和成本问题，选择最佳固液比为1∶10。

图5 固液比对重金属去除率的影响

2.4 淋洗时间对重金属去除率的影响

淋洗时间关系到淋洗剂与土壤接触和发生作用的时间长短，对淋洗效率产生影响。从图6可以看到随着淋洗时间的增加，重金属的淋洗效率从整体上呈现先出上升而后趋于平稳的走势。当淋洗时间为0～2 h时，5种重金属的去除率处于快速上升的状态，2～4 h时，重金属去除率的上升幅度逐渐减小，4～10 h时，重金属的去除率趋于平稳。淋洗时间为4 h时，重金属Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的去除率分别为86.4%，62.5%，89.6%，73.8%和75.6%，淋洗效果较好，选择4 h为最佳淋洗时间。

图6 淋洗时间对重金属去除率的影响

2.5 重金属形态分析

重金属的赋存形态决定了其生物有效性，土壤环境中不稳定形态的重金属数量越多，对环境的危害程度也就越高。一般而言，酸可提取态和可还原态的重金属具有其较强的生物有效性和迁移性，容易被淋洗剂去除[15]。而可氧化态和残渣态不易与淋洗剂发生络合和阳离子交换等反应，在环境中相对稳定，对环境风险也较小。从图7～图11可以看出试验土壤在使用复合淋洗剂之后，重金属Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的不稳定形态(酸可提取态和可还原态)出现了大幅度下降，分别下降了84.7%，75.73%，88%，74.3%和78%。重金属Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的稳定形态(可氧化态和残渣态)在淋洗过程中也出现了不同程度的下降，下降幅度分别为43%，20.1%，47%，58%和64%。可能是由于在淋洗过程中，不稳定形态重金属的大量减少，破坏了土壤中的化学平衡状态，导致了处于稳定形态的重金属向不稳定形态转化以保持这种化学平衡状态[16]。

图7 淋洗前后土壤重金属Cd的质量比

图8 淋洗前后土壤重金属Pb的质量比

图9 淋洗前后土壤重金属Ni的质量比

图10 淋洗前后土壤重金属Cu的质量比

图11 淋洗前后土壤重金属Zn的质量比

3 结论

(1)在柠檬酸发酵液单一淋洗实验中，柠檬酸发酵液对重金属的淋洗效率随着发酵液浓度的减少而降低，柠檬酸发酵液在酸度为4.1%(即原液)时对重金属的去除效果最好。在氯化盐的单一淋洗试验中，同等浓度下的FeCl3对土壤重金属的淋洗效率远高于CaCl2和NaCl。随FeCl3浓度的增加，重金属去除率呈现出先迅速上升而后趋于平缓的趋势，考虑到试剂成本等因素，选择0.1 mol·L-1的FeCl3为最优淋洗剂。

(2)在复合淋洗试验中，FeCl3的浓度变化对复合淋洗效率影响较大，占据主导作用。当柠檬酸发酵液原液(酸度4.1%)与0.1 mol·L-1的 FeCl3按1∶4的体积比复配，在固液比为1∶10，淋洗时间为4 h时淋洗效果最佳，重金属Cu,Ni,Cd,Pb,Zn的去除率分别为86.4%,62.5%,89.6%,73.8%和75.6%，优于柠檬酸发酵液和FeCl3单一淋洗。

(3)复配淋洗剂能够有效地去除处于酸可提取态和可还原态的重金属。本次研究中，重金属Cu,Ni,Cd,Pb,Zn的不稳定形态(酸可提取态和可还原态)大幅度下降，分别下降了84.7%,75.73%,88%,74.3%和78%。