以水基鉆屑為骨料的人造基質的物理性狀與淋洗脫鹽效應研究①

張 春，高昊辰，張思蘭，劉廣明，陳科平，陳金林，周澤軍

以水基鉆屑為骨料的人造基質的物理性狀與淋洗脫鹽效應研究①

張 春1，高昊辰2,3，張思蘭1，劉廣明2*，陳科平1，陳金林3，周澤軍4

(1 重慶市涪陵頁巖氣環保研發與技術服務中心，重慶 408000；2 中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；3 南京林業大學南方現代林業協同創新中心，南京 210008；4 中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司，湖北潛江 433124)

為研究水基鉆屑土壤化利用的可行性，本文通過將西南某頁巖氣田水基鉆屑與當地的腐熟污泥及紫色土按一定配比形成人造基質，利用室內土柱模擬試驗進行兩次定量淋洗以研究其物理性狀與脫鹽效應。結果表明：腐熟污泥的混入對人造基質物理性狀有明顯的影響，隨著腐熟污泥配比的提高，人造基質的初始全鹽量增大，容重減小；腐熟污泥的加入會顯著降低人造基質的平均下滲速率。經過兩次淋洗后各人造基質的脫鹽率均大于70%，除水基鉆屑︰腐熟污泥=10︰2、水基鉆屑︰腐熟污泥=10︰4、水基鉆屑︰腐熟污泥︰土壤=10︰2︰1外，其余各人造基質的剩余全鹽量均低于2 g/kg；pH為8.0 ~ 8.6。由平均下滲速率、容重、pH和全鹽量等指標可知，經過兩次淋洗后以水基鉆屑為骨料、輔配腐熟污泥或當地紫色土的人造基質具有良好的關鍵物理性狀。

水基鉆屑；淋洗脫鹽；土壤化利用

頁巖氣是指同時以吸附和游離方式存在于頁巖或泥巖及其間所夾砂質、粉砂質巖地層中的天然氣[1]。目前我國頁巖氣的勘探開發剛剛起步[2]，而水基鉆屑是頁巖氣開采過程中所產生的一種固體廢棄物[3]，單井產生水基鉆屑約為800 ~ 1 000 m3[4]。水基鉆屑本身不會對環境造成危害，但由于其表面粘附有一部分水基鉆井液，因此水基鉆屑成分相對復雜，可能含有重金屬、石油烴等污染物[5-10]。當前水基鉆屑的主要處理方法為固化填埋，但其仍存在占用土地、存在潛在環境污染隱患等問題[11]，因而如何有效地對其進行處理或使之資源化利用是亟待解決的問題。水基鉆屑土壤化利用是其資源化的一種選擇，有研究表明：將一定量的廢棄鉆屑混合在土壤中可以改善土壤質量，有益于植物的生長[12]，但主要的障礙在于其全鹽量高，含有的重金屬、石油烴等污染物可能存在一定的環境風險[13]。目前國內外對于水基鉆屑土壤化利用的研究相對較少，并且由于開采方式與地質條件的不同導致了不同區域的鉆屑組成也存在較大差異。頁巖氣田水基鉆屑顆粒較粗導致下滲速率大，在鉆井過程中外源加入了較大量含鉀物料導致水基鉆屑鉀含量豐富。自然土壤是以無機礦物為主、有機質為輔所構成的具有一定物理結構和化學特性的可為植物提供生長所需養分的物質。作為人造基質必須具備與自然土壤相似的基本物理性質，具有良好的通氣和保水、透水功能。在污染物含量控制適宜條件下，將該兩種固體廢物結合形成一種新型人造基質，可以優勢互補，變廢為寶，用作土壤資源較為緊缺的山區綠化土壤，具有重要的意義和實用價值[14-15]。

本研究以西南某頁巖氣田水基鉆屑為研究對象，通過將其與腐熟污泥及紫色土混合按不同配比形成人造基質并進行土柱淋洗試驗，對其淋洗脫鹽效應進行探索，分析人造基質的關鍵物理性狀，為頁巖氣田水基鉆屑土壤化利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用水基鉆屑于2017年3月采自西南某頁巖氣田；紫色土于2017年3月采自重慶市；腐熟污泥是由2017年3月采自重慶市生活污水處理廠的新鮮污泥風干后，添加木屑好氧堆腐20 d所制得。在試驗前我們對水基鉆屑與腐熟污泥進行了包括重金屬、礦物油、苯并(a)芘等26項物理化學指標檢測，并將檢測結果同GB/T23486—2009《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》標準進行了比對，結果顯示各項指標均符合標準要求，因而具備土壤化利用的前提條件。

表 1 供試材料的主要理化性質

1.2 試驗設計

試驗為土柱模擬試驗，使用過2 mm篩的水基鉆屑、腐熟污泥、紫色土3種物料進行混合，共設置12個處理，其中包含3個對照，每個處理重復3次，具體的處理設置見表2。試驗時間為2017年5—7月，使用的土柱尺寸為內徑10 cm、高30 cm，底部設有出水口，并有玻璃瓶收集滲漏液。試驗前測定各物料的水分含量，再根據水分含量計算物料干重，按各處理設置比例(表2)將物料混合均勻后逐層填入土柱內并壓實，裝填前需在各土柱底部鋪上2 cm厚的石英砂做反濾層，土柱裝填總高度為20 cm(不包含反濾層)，且保證各處理重復間的容重一致。同時對各處理的重金屬含量測定發現，其含量均符合CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》標準中的II級要求(表3)。

表2 試驗處理設計

表3 各處理的重金屬含量

注：標準參考值來自于CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》標準中要求的重金屬含量II級范圍，及適用于植物園、公園、學校、居住區等與人接觸較密切的綠(林)地。

裝填完畢并確保下端出水口關閉后，向土柱內加入去離子水使柱內人造基質含水量達到飽和，之后連續進行兩次等量淋洗，兩次淋洗的初始水頭均為5 cm，第1次淋洗為待水頭降至0 cm時關閉出水口，停止淋洗；第2次淋洗為待水頭降至0 cm后等待兩天再關閉出水口，停止淋洗。本研究中的平均下滲速率為自淋洗開始至第2次淋洗水頭降為0 cm的全時段的下滲水量與其耗費時間的比值。

1.3 土樣采集與分析

在兩次淋洗過程中，從打開出水口開始計時，至水頭降為0 cm時記錄入滲時間，同時分別對各處理的滲漏液進行收集，在淋洗結束后將土柱內的人造基質取出混勻自然風干、磨碎，過1 mm篩后進行相關指標的測定。

土壤電導率(土水比為1︰5)由電導率儀測得；土壤容重采用環刀法測定；土壤pH測定采用電位法；土壤全鹽量測定采用質量法，土壤堿解氮測定采用堿解擴散法；土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤有效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法；以上測定方法參照《土壤農業化學分析法》[16]。

2 結果與討論

2.1 不同配比人造基質的容重、pH與初始全鹽量

土壤容重是土壤物理性狀的一個重要指標，其與土壤孔隙度密切相關，可較好地反映出土壤入滲性能、持水能力等[17-18]。一般而言，土壤容重>1.5 g/cm3時，其機械抵抗力較大，會阻礙根系伸展，影響土壤通氣性，不利于植物生長[19]。由表4可以看出，CK1、CK2、CK3之間的容重差異較大，CK2腐熟污泥的容重遠低于其他物料，因此腐熟污泥所占比例的大小對各處理的容重有較大影響，總體來看各處理的容重隨著腐熟污泥比例的提高呈現降低趨勢。對比表2和表4可以看出，淋洗前后土壤容重變化差異不大。

經過兩次淋洗后除對照外，各處理的pH為8.01 ~ 8.63；由于腐熟污泥的pH呈酸性，因而隨著腐熟污泥比例的提高，各處理的pH呈現出降低趨勢。

各處理的初始全鹽量均較高，與土壤鹽化分級指標[20]比對，各處理均達到鹽土水平(＞6 g/kg)，會對植物生長造成嚴重的鹽分脅迫[21]，因此進行淋洗脫鹽是水基鉆屑土壤化利用的必要前提和基礎。

表4 不同配比人造基質的容重、pH與初始全鹽量

2.2 不同配比人造基質的平均下滲速率

下滲速率體現了水分進入土壤，擴散移動再分配的速度。土壤自身的理化特性，如土壤質地、孔隙狀況、有機質含量等均會對土壤下滲速率產生明顯的影響[22]。由圖1可以看出，水基鉆屑處理有著較高的平均下滲速率，腐熟污泥處理的平均下滲速率則較低，A1 ~ A3處理隨著腐熟污泥比例的提高，各處理的平均下滲速率呈現下降的趨勢，且各處理的平均下滲速率較之CK1降低了53.08% ~ 79.62%，這是由于污泥有著較強的滯水性[23-24]。陳曉蓉等[25]通過將不同量的污泥與土壤混合，發現隨著處理污泥用量的增加，處理的吸水量增加而失水量減少且失水速率變慢；黃殿男等[26]將離心脫水污泥與沙漠表層土壤摻混，其結果表明各處理的持水能力與污泥摻混量呈顯著正相關；本試驗結果與上述研究結論均一致。B1 ~ B3處理隨著土壤比例的提高，各處理的平均下滲速率呈現出下降的趨勢，且各處理較之CK1降低了25.59% ~ 36.49%。C1 ~ C3的平均下滲速率介于水基鉆屑與土壤混合的處理和水基鉆屑與污泥混合的處理之間。總體來看，土壤與腐熟污泥混合比例的多少對于人造基質在相同淋洗條件下水分的下滲速率有著較大影響，梁建林和張夢宇[27]研究發現隨著滲透流速的增大，相同水量的排鹽率越來越小，因此下滲速率的大小會對其最終的脫鹽效果產生一定的影響。

2.3 不同配比人造基質的淋洗脫鹽效果

試驗共進行了兩次等量淋洗，兩次淋洗的脫鹽量見表5。由表5可知，各處理在第2次淋洗的脫鹽量均低于第1次；CK1第2次淋洗的脫鹽量較第1次淋洗降低了65.51%；CK2初始全鹽量高于CK1，但兩次淋洗脫去的總鹽量顯著低于CK1，且兩次淋洗的脫鹽量差異不大；CK3由于其初始全鹽量較低，兩次淋洗的脫鹽量均較低。由A1 ~ A3處理可以看出，隨著腐熟污泥比例的提高，各處理的初始全鹽量增加，但兩次淋洗中的脫鹽量卻呈現出下降趨勢； B1 ~ B3與C1 ~ C3的表現類似，其淋洗的脫鹽量隨著土壤比例提高而降低，但這主要是由于土壤全鹽量低所致。總體而言，腐熟污泥比例的增加會導致人造基質中初始全鹽量的提高，雖然會降低人造基質的平均下滲速率，有利于土壤中鹽分的浸出，但由于其特殊性并不能提高淋洗滲漏液中的全鹽量，反而會降低脫鹽效果，這可能與其對人造基質孔隙度、持水能力、團粒結構的改變有關。

(圖中小寫字母不同表示處理間平均下滲速率達到顯著水平(P<0.05)，LSD法)

表5 各處理的淋洗脫鹽量

兩次淋洗完成后，不同配比的人造基質脫鹽率見圖2。試驗結果表明：水基鉆屑處理CK1的土壤全鹽量已經降至較低水平，小于1 g/kg，相較淋洗前降低了94.72%；腐熟污泥處理CK2的土壤全鹽量也有所降低，但降幅明顯小于CK1，相較淋洗前降低了44.37%，但剩余全鹽量仍高達13.63 g/kg。處理A1 ~ A3隨著腐熟污泥比例的提高，土壤剩余全鹽量有所提高，較之CK1分別高出67.38% ~ 919.65%，同時脫鹽率也呈下降趨勢；處理B1 ~ B3，在淋洗之后鹽分均降至較低水平，小于2 g/kg；處理C1 ~ C3中，處理C3淋洗后的土壤全鹽量最低，但各處理的脫鹽率差異不大，介于CK1與CK3之間，低于水基鉆屑同腐熟污泥混合的處理。總體來看，除處理A2、A3、C1外，其余處理都取得了較好的脫鹽效果，土壤剩余鹽分均降至輕度鹽化水平以下；其中處理B1的淋洗率最高，且剩余鹽分含量最低，淋洗效果最佳。

圖2 兩次淋洗后人造基質的脫鹽量與剩余全鹽量

3 結論

1)腐熟污泥容重較小，呈弱酸性；隨著腐熟污泥配比的提高，人造基質的容重和pH均呈降低趨勢。

2)水基鉆屑的平均下滲速率較高，保水性差；腐熟污泥的平均下滲速率相對較低，保水性強，適宜比例腐熟污泥的加入會顯著改善人造基質的平均下滲速率。

3)各組分的原始全鹽量高導致人造基質初始全鹽量達到鹽土的鹽漬化分級標準，對人造基質進行淋洗脫鹽是水基鉆屑土壤化利用的必要環節。經過兩次定量淋洗脫鹽，物理性狀適宜的人造基質的剩余全鹽量均降至2 g/kg以下，屬于輕度鹽漬化或非鹽漬化土壤。

4)經過兩次淋洗脫鹽后，以水基鉆屑為骨料，輔配腐熟污泥或當地紫色土的人造基質具備了良好的平均下滲速率、容重、pH和全鹽量等關鍵土壤物理性狀。

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Physical Properties and Desalination Effects of Artificial Substrates with Water-base Drilling Cuttings as Aggregates

ZHANG Chun1, GAO Haochen2,3, ZHANG Silan1, LIU Guangming2*, CHEN Keping1, CHEN Jinlin3, ZHOU Zejun4

(1 Chongqing Environmental Protection Center for Shale Gas Technology & Development, Chongqing 408000, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210008, China; 4 Jianghan Oil-field Branch Company, SINOPEC, Qianjiang, Hubei 433124, China)

In order to explore the feasibility of soil utilization of water-base drilling cuttings from shale gas field near Southwest China, the cuttings were mixed with decomposed sludge and/or local purple soil with different proportions to form artificial substrates, and indoor simulation experiment with twice quantitative washing were conducted to study physical properties and desalination effect of the artificial substrates. The results showed that the addition of decomposed sludge had a significant effect on physical properties of artificial substrates, with the proportion increase of decomposed sludge, the original salt contents increased and the bulk densities decreased. Twice quantitative washing experiment showed that the addition of decomposed sludge significantly reduced the average infiltration rate of the artificial substrate. After twice washing, the desalinization ratio of each artificial substrate was larger than 70% except for drilling cuttings: decomposed sludge =10︰2, drilling cuttings: decomposed sludge =10︰4, drilling cuttings: decomposed sludge: soil=10︰2︰1; the remaining salt contents of other artificial substrates were lower than 2 g/kg; pH values varied from 8.0 to 8.6. According to average infiltration rate, bulk density, pH value and salt content, after twice washing, the artificial substrates with water-base drilling cuttings as aggregates, decomposed sludge and/or local purple soil have better key physical properties.

Water-base drilling cuttings; Desalination; Soil utilization

重慶市科委社會事業與民生保障科技創新專項重點研發項目(cstc2017shms-zdyfx0033)和江蘇省重點研發計劃項目(BE2017389，BE2018759)資助。

(gmliu@issas.ac.cn)

張春(1990—)，男，寧夏中衛人，碩士研究生，主要從事頁巖氣開發環境保護技術研究。E-mail: 1058449415@qq.com

S15；X74

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.04.019