典型地质背景区土壤重金属污染生态防治技术研究

邓碧霞

摘要：选取某典型地质背景作为研究区域，通过合理布置采样点采集土壤样品，测定土壤中各重金属元素含量，结合研究区的地质条件与实际概况，分析土壤重金属污染物的浓度特征与垂向剖面土壤团聚体重金属分布特征，基于此，针对土壤重金属的污染特征制备土壤污染修复淋洗剂，并进行了污染生态防治实验，通过比较低、中、高三种浓度下不同类型淋洗剂对Mn、Pb和Zn的去除效果可知，对于土壤中Mn、Pb和Zn具有较好去除效果的淋洗剂类型及浓度分别为中浓度的EDTA、高浓度乙酸和高浓度的草酸。

关键词：典型地质背景；土壤重金属；重金属污染；生态防治

中图分类号：X53 文献标志码：B

前言

工业生产和科技水平的不断提高导致了典型地质背景区土壤重金属污染日益严重，对土壤环境和周边生态系统造成了严重危害，同时也对人类健康构成威胁。因此，有效防治土壤重金属污染、保护生态环境已成为全球研究的热点问题。为解决这一挑战，国内外许多研究人员致力于深入研究，并提出了多种方法来应对土壤重金属污染，其中包括植物修复和生物炭修复等。在植物修复方面，通过选择具有吸附、富集和耐受能力的植物，利用其吸收、转运和耐受土壤中重金属的能力来修复受污染土壤。而生物炭修复则利用生物炭来改善土壤性质、增加土壤肥力，并减少重金属在土壤一植物系统中的迁移，从而达到修复土壤重金属污染的目的。这些方法已取得了一定的成果，但是仍需要进一步深入研究，不断改进和完善相关技术和方法，以期更好地应对土壤重金属污染带来的挑战，保护生态环境和人类健康。研究的主要工作是探究典型地质背景区土壤重金属污染生态防治技术，通过分析研究区域土壤重金属的污染特征与分布特征，结合地质情况制备土壤重金属污染防治淋洗剂，并采样试验的形式测试了淋洗剂对土壤重金属的去除效果，以期为典型地质背景区土壤重金属污染防治与修复技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

选取三种典型的城市绿地土壤作为研究对象，即城市行政区中心城区的道路绿地和住宅绿地以及公园绿地。试验地块位于某城区东南部，南侧为矿区。土壤样本采集地点是该地区周围的一个自然村庄，其区域面积为12km2，将1km2的面积区域作为一个采集单元，共划分为12个单元，每个采集单元按梅花点分布法布置5个采样点。根据区域土壤的地质情况与深度情况，将采样点的土壤从表层到底层划分为6个层次，分别为0-10、10-20、20-40、40-60、60-80、80-100cm，在每个层次中分别采集土壤样品2kg，并经过烘干与筛出等预处理，最终保留土壤样品1kg。每层土壤混合后，采用四分之一法，取约0.5kg作为该点的混合样品，并根据土壤样品的处理方法，在距离研究区域约3km处的耕地中采集了3层原状土，作为对照土壤样品，共采集了20个采集单元和150个样本。

将5个采样点采集的土壤样品进行混合后作为试验组土壤样品，并将其静置于室温下自然风干，之后利用搅拌机将其进行碾磨为碎末，保证样品的粒径在2mm以下，最后利用5mm的筛子将所有样品进行充分混合，并贴上标签作为备用，为了保证土壤样品重金属污染特征分析结果的可靠性，实验中选用的所有药品与试剂均为化学分析纯，试验用水为蒸馏水。并且在试验分析过程中，对于土壤样品与对照组样品中重金属的含量测定均按照国家土壤环境质量二级标准进行，并将平行样品的绝对标准差控制在10%以内。

1.2 研究方法

土壤样品采集完成后，将其放置于阴凉处自然干燥，之后送至专业土壤理化性质检测部门进行测定。其中，土壤中重金属的检测指标包括Pb、Zn、Cd、As、Cu、Cr、Ni、Mn、Hg9种。上述重金属含量的测定方法，分别为原子吸收光谱法、免疫分析法、紫外-可见分光光度法、X射线荧光光谱法、电化学法、阳极溶出伏安法、电感耦合等离子体法、高效液相色谱法、冷原子吸收分光光度法。采用振荡萃取实验将污染的土壤和洗脱液以1：4的同液比混合，并在30mL离心管中以150rpm进行提取。振荡后，将悬浮液以420rpm离心5min，然后使用0.5mm滤膜过滤，采用表2中各重金属含量的测定方法对土壤样品重金属浓度与含量进行检测。研究根据研究区内各种重金属的分布情况分析污染特征，并根据分析结果制备土壤污染修复淋洗剂，以防治试验土壤中的污染。使用Microsof'tExcel2016和Origin2017软件对数据进行分析和绘制。

2 土壤重金属污染特征分析

2.1 重金属污染物浓度分析

收集项目区域内的混合土壤样本，并使用手持CPS进行定位，以避免采样误差。每个采样单元的混合样本由20多个采样点的土壤样本组成。充分混合后，使用三部分法对其进行反复筛选，并保留约0.5kg的样品。最后，使用上述所述的方法测定土壤样品中的重金属，并计算每个重金属元素的变异系数，以反映采样点重金属的过量水平，其通过CV=α/β公式计算获得，α表示标准偏差；β表示平均值。则得到的各采样点土壤检测结果见表1。

如表1所示，所有样品中9种重金属元素的检出率均为100%。只有Cd和Mn的浓度不超过土壤背景值，而其他重金属元素的浓度高于背景值，该区域的重金属含量严重超标，对土壤造成了严重的污染。

变异系数表示研究区域土壤中重金属浓度的统计离散度，该值越大，金属元素在土壤中的分布就越离散，分布就越不均匀。基于表1中的数据，可以看出，在9种重金属元素中，Pb、Zn、As和Cu的变异系数超过0.5，显示出较高的可变性。综合土壤背景值和质量标准值可知，Ni、Pb、As、Cu、Zn和Hg的浓度较高，对研究区的土壤环境构成威胁。

2.2 土壤团聚体重金属分布特征

研究区内土壤重金属垂向分布特征与不同粒径中重金属含量分布情况见图1。

通过比较图1（a）和（b）可以看出，研究区各种粒径团聚体中Pb和Zn重金属的含量远高于对照区，也超过了该区的土壤背景值和风险标准值，表明研究区已受到一定程度的污染。相比于对照土壤样品，Pb在0-10cm深度的土壤中的含量最低，而后随着土壤深度的增加而降低；而在对照组样品中，Pb含量没有呈现出区域性的分布现象；研究区土壤中Zn元素含量随土壤深度的增加呈先增加后减少的趋势，而对照组土壤中Zn含量普遍较低。因此，可以得出结论，Pb和Zn这两种重金属在粒径大、深度高的土壤中分布较多，不同粒径土壤团聚体中重金属含量的分布格局更为明显，主要富集在中等粒径的土壤颗粒中。

3 土壤重金属污染生态防治技术

针对以上对研究区域土壤重金属污染情况的测定结果，研究采用纳米复合淋洗剂对该区域土壤污染进行防治，并根据所提污染防治技术对区域重金属的去除效果分析设计的技术的应用性能。

3.1 淋洗剂制备

淋洗剂包括：蒸馏水、草酸、柠檬酸、乙酸、硝酸、乙二胺四乙酸二钠盐，以下简称EDTA。测定重金属总量和形态所需的硝酸、高氯酸、氢氟酸和乙酸的纯度以及洗脱液的纯度均为优良，其他试剂均为分析纯度；水为二次纯化蒸馏水。用20日筛分别称量试验土壤，将20mL（液土比10：1）洗淋洗剂加入50mL系列离心管中，每种淋洗剂设置为三个浓度梯度：高、中、低，见表2。

如果检测区域内只有一部分表层土壤受到污染，则采用物理混合的方法，即将受污染的表层土壤与未受污染的地表土壤按比例进行物理混合。将污染区土壤和未污染区土壤按比例进行物理混合，以确保耕作土层中的重金属含量低于风险筛选值。之后，在每个浸出剂浓度水平上添加酸碱调节剂，掺混比例的计算公式为式（1）：

式（l）中，v1表示污染土壤体积；v2表示未受污染土壤体积；r1表示污染土壤容重；r2表示未受污染土壤容重；c1表示污染土壤重金属含量；c2表示未受污染重金属含量；γ表示风险筛选值；X表示酸碱调理剂在淋洗剂中的掺混比例。每个浓度水平处理重复三次，并将其均匀放置在30℃、100r/min条件下的恒温水浴振荡器中，振荡6h，然后在高速冷冻离心机中以1200r/min的相对离心力离心10min。过滤上清液以确定溶液中的重金属浓度，并选择重金属提取效果最好的淋洗剂及其最佳浓度。

3.2 土壤重金属污染防治试验设计

在土样中加入0.06%的柠檬酸进行制粒，并在50℃的烘箱中固化8h，制成桩土样。将3cm石英砂、纱布、土样、纱布依次装人实验室自制堆浸装置的有机玻璃管（直径6cm）中，土样柱高控制在2.5m。实验过程中淋洗剂的用量水平设置为5种，分别是水平一：草酸、柠檬酸、乙酸、硝酸、EDTA均为0g/kg土；水平二：草酸、柠檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量为4、3、2、4、0；水平三：草酸、柠檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量为4、3、2、1、4；水平四：草酸、柠檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量为4、3、0、1、0；水平五：草酸、柠檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量为4、3、2、3、3。上述用量单位均为g/kg土。实验开始时，用蠕动泵输送堆浸液，将液位快速添加到预设水头（3cm高），然后调整注液速率，使水头保持在恒定的4.0cm+0.2cm高度。其中，非造粒组堆浸液为0.02%（土壤质量分数）硝酸溶液，造粒组堆浸溶液为水，非造粒组堆浸液为0.08%EDTA、3.00%乙酸和6.00%草酸的混合物。水土比（总水土样比）为2.0：1堆浸时间为24h。在实验过程中，定期监测渗透速率，并测量渗出液中的重金属含量。

3.3 土壤污染防治结果分析

通过扫描电子显微镜对材料形态进行表征，采用衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪和X射线光电子能谱仪测定重金属含量变化。使用上述各淋洗剂与不同浓度酸碱调理剂的混合溶液对采样土壤样品进行重金属去除实验。各影响因素下淋洗剂对单一重金属去除率运用式（2）计算。

式（2）中，C1表示测定淋洗剂中重金属的含量；A表示淋洗剂的质量分数；C2表示土壤样品中重金属的含量；B表示淋洗剂对污染土壤的综合毒性消减指数，计算方法如式（3）。

B=∑C1×T×W 式（3）

式（3）中，Ct表示重金属的实测浓度；T表示重金属的评价标准；W表示重金属的毒性系数。

为了研究单一淋洗剂浓度对重金属提取的影响，选择了5种浓度在0.3mmol/L至50mmol/L范围内的淋洗剂对污染土壤进行振荡提取实验，分别统计土壤样品中Mn、Pb和Zn这三种重金属含量的变化情况，结果见图2。

图2反映了5种淋洗剂在低、中、高浓度下对土壤重金属的去除能力。根据上述描述，对5种淋洗剂在低、中、高浓度下对土壤重金属的去除能力进行整理：硝酸溶液：对土壤重金属的去除效果最好，浓度越高，去除率越高，最高可达92.5%左右；乙酸溶液：浓度对重金属去除效果几乎没有影响，在三种浓度下去除率均约为51.6%；草酸溶液：低、中浓度去除效果相似，高浓度去除率明显提升，分别提高了92.31%和85.19%；柠檬酸溶液：随浓度升高，对重金属的去除率降低；EDTA淋洗剂：中浓度对Pb的去除效果最好，可达99.8%，低、高浓度去除效果较低；对于Mn元素，除乙酸外其他淋洗剂效果不佳。对于Zn元素，草酸溶液的去除效果最好，其他四种淋洗剂效果相近且较显著。综合分析表明，不同淋洗剂对不同土壤重金属的去除效果存在差异，应根据具体情况选择合适的淋洗剂进行土壤重金属去除处理。

为了进一步验证该技术的应用效果，将其应用于研究区域，对土壤重金属污染进行治理和修复，结果见表2。

根据表3可知，应用文章研究的技术后，研究区域的重金属污染得到了有效的治理，其中重金属的平均值大幅度降低，说明应用该技术后，土壤重金属污染得到了降低，其中Mn降低幅度最大，由原来的402.15mg/kg，降到10.59mg/kg，其他元素也降低幅度较大，并且应用该技术后，重金属浓度达到了二级标准，符合国家规定。

4 结束语

由于典型地质背景区土壤重金属污染具有连续性与不可逆性的特点，一旦爆发土壤重金属污染，则污染对该区域周边生态环境的污染与危害极大。因此，为深入探究土壤重金属污染防治技术，提出了典型地质背景区的土壤重金属污染生态防治技术。该技术结合实际研究区域，设计土壤样品采集和研究方法后，通过分析土壤重金属含量与垂向分布特征，采样复合级淋洗剂对土壤重金属污染进行修复与防治，并根据所提污染防治技术对区域重金属的去除效果进行分析研究。该技术可以有效去除土壤中的重金属，从而降低重金属污染浓度。该研究旨在消除典型地质背景区的重金属污染隐患，确保生态环境安全，为土壤的风险评价与环境质量标准的修订提供借鉴价值。