水处理渣回用修复多金属污染土壤的研究

张 燕

（山西省长治生态环境监测中心，山西 太原 046000）

引言

水处理残留物（WTR）是饮用水处理厂产生的一种安全副产品，具有很强的吸附金属的能力。废水可以吸附砷（As）、铬（Cr）、铅（Pb）、汞（Hg）和硒（Se）。污水处理厂还被用于修复被镉（Cd）、铅、锌（Zn）、铬和铜（Cu）污染的土壤。此外，WTR 会降低土壤中砷的生物有效性和生物可获得性。然而，以前的大多数研究都集中在利用WTR 来修复被一种金属物种污染的土壤。但对土壤被多种金属污染的情况缺乏研究。因为不同金属之间可能存在协同效应。在这项工作中，采用顺序提取程序和简单的生物可利用性提取试验（SBET）研究了再利用水处理垃圾固定土壤中金属（铬、镉、铅、镍、锌、铜、钡和砷）的可能性。根据白银市污染土壤的特点选择了金属。研究结果支持利用再生水处理厂控制土壤金属污染。

1 实验部分

1.1 样品采集与分析

样品来自北京市第九水处理厂，铁（Fe）和明矾（Al）盐均为絮凝剂，WTR 也被称为铁和铝WTR（FAR）。样品经过风干、研磨和筛分，直径小于2 mm。污染土壤取样于白银市，取样表层20 cm。土壤经HNO3-HF-HClO4消解后，用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定土壤中金属的含量。在1 g∶2.5 mL（固液比）的上清液中测定pH。土壤和Fars 中的有机质被分析为失火。

1.2 SEBT 法

将1.0 g 干土样与100 mL 萃取液混合。萃取剂为0.4 moL/L 甘氨酸（pH=1.5）。这些混合物在37 ℃下以30 r/min±2 r/min的速度颠倒旋转1 h[36]。然后将样品转移到一次性注射器中，并通过0.45 m 的醋酸纤维素圆盘过滤器过滤。采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）测定金属含量。对3 份样本进行分析，以数据表示为手段。结果表明，该方法的标准误差在5%以内。

2 结果与讨论

2.1 砷的分馏

经FARs 处理后，As 主要由非特异性吸附态和特异性吸附态转变为晶态Fe 和Al 氧化物结合态，在土壤中更稳定。添加FARs 后，土壤中的铁和铝含量增加会导致As 更稳定。被WTR 吸附的砷形成了内球单核双齿络合物，表明WTR 中吸附的砷是稳定的。然而，在这项工作中，还发现FARs 可以导致一些残余砷的减少。这可能与FARs 中的有机物有关，有机质可以增加土壤中砷的活性。然而，减少的残余砷转变为结晶铁和铝氧化物结合形式。

2.2 铜、锌、镍、铅的分馏

火焰原子吸收光谱对土壤中铜的分异有影响。FARS 处理过的土壤中锌的形态，FARS 对Zn 和Cu的影响相似：酸溶性和还原性Zn 的含量随着FARS比例的增加而降低，而可氧化和残留性Zn 的含量随着FARS 比例的增加而增加。与锌、铜一样，第10 天酸溶性和还原性镍含量随着FARS 比例的增加而降低，而氧化态和残渣态镍含量则随着FARS 比例的增加而增加。在第50 天，酸溶性镍随FARS 比例的增加而降低。然而，FARS 对土壤中的可还原态Ni 没有任何影响，可氧化态Ni 和残留态Ni 继续增加。在第100天和第150 天，酸溶性和还原性镍的含量变化不大，而氧化性镍的含量有所下降。残余镍含量继续增加，达到总含量的9.70%（15%FARS）。与Cu、Zn、Ni 一样，随着Fars 比例的增加，土壤中可还原态Pb 含量降低，可氧化态Pb 含量增加。其独特之处是残留态铅含量减少，酸溶态铅含量变化不大。随着培养时间的延长，土壤中提取态铅的含量变化不大。总体而言，与对照组（0%FARS）相比，可氧化铅最终增加了总含量的13.5%（15%FARS）。结果表明，FARS 能降低土壤中Cu、Zn、Ni、Pb 的活动性。考虑到Fars 的这种影响，就会存在土壤中可氧化残留性Cu、可氧化性Pb 和可氧化残留性Zn、Ni 含量较高。

2.3 镉、铬、钡的分馏

白银市土壤中的Cd 主要以酸溶态存在，土壤经FARS 处理后，立即表现为对Cd 形态影响不大。但在第50 天，与对照组（0%FARS）相比，酸溶性Cd 含量下降了2.32%（15%FARS）。还原态Cd 增加，可氧化Cd 和残留态Cd 变化不大。在第100 天和第150 天，这些内容变化不大。FARS 只能将土壤中的Cd 从酸溶态转化为可还原态。土壤中的有机质可能会降低FARS 吸附Cd 的能力。这种差异可能与土壤中铬的含量和形态有关。一方面，本文研究的土壤中铬含量很低。另一方面，土壤中的铬主要以氧化态和残渣态存在。然而，如上所述，FARS 对土壤中金属的稳定主要是通过酸溶性和还原态向可氧化和残留态的转化，而大部分Cr 已经以可氧化态和残留态存在。因此，FARS 对土壤中铬的化学形态没有任何影响。对于土壤中的Ba，FARS 将残留的Ba 转化为可还原的Ba，增加了Ba 在土壤中的移动性。之前的研究表明，有机分子可以抑制Ba 的老化过程。因此，FARS 中的有机质可能会激活Ba 的晶体，使残留的Ba 转化为其他不稳定的形式。

2.4 金属生物可获得性的变化

研究发现，土壤中的有机质可以激活土壤中残留的As、Pb、Cd 和Ba，土壤中的有机质可以影响土壤中有机质固定Cd 的能力。结果表明，影响土壤固定化金属能力的因素很多。此外，不同的氧化还原电位对土壤中金属元素的迁移性也有影响。另外，从定量的角度来看，金属污染控制效果不明显。许多金属可能仍然以生物可利用的形式存在。因此，在这项工作实际应用之前，需要进行全面的研究。

3 结论

1）FARs 能使土壤中的As、Pb、Ni、Zn 和Cu 转化为更稳定的形态。然而，铬和镉的形态不受FARs 的影响。

2）由于FARs，Ba 被转变为更具流动性的形式。根据生物可利用性提取的结果，FARs 固定这些金属的能力按As、Cu、Cr、Zn、Ni、Pb 顺序排列。

3）FARs 不能降低土壤中镉和钡的生物可利用性。一般来说，FAR 可用于控制金属污染，但各种因素可影响其功效。因此，在实际应用这些结果之前，需要进行全面的研究。