河北某地鎘、鉛、汞粉煤灰農用地重金屬污染修復工程實例

李寬寬　劉洪超　胡龍兵

摘要：采用“客土+農業生態修復+鈍化/穩定化”復合修復技術方案對河北某地重金屬污染農用地進行修復。客土量為20%～30%，化肥、土壤改良劑和炭基鈍化劑的添加量分別為120 kg/畝、900 kg/畝和600 kg/畝。經過檢測，修復后土壤中的Pb、Cd和Hg最高含量分別為45.1 mg/kg、0.29 mg/kg和0.233 mg/kg，農作物中Pb、Cd和Hg含量分別在0.036 ?g/g、0.002 ?g/g和0.001 ?g/g以下，Pb、Cd和Hg的含量符合相關標準。修復區土壤中有效鉀的含量較高，更有利于喜鉀類經濟作物生長。

關鍵詞：重金屬污染;鎘（Cd）;鉛（Pb）;汞（Hg）;復合修復技術

中圖分類號：X505 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）09-00-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.09.031

A case study on the remediation of fly ash farmland polluted by heavy metals of cadmium， lead and mercury in Hebei Province

Li Kuankuan，Liu Hongchao，Hu Longbing

（Comprehensive Survey Brigade， North China Geological Survey Bureau，Langfang Hebei 065200，China）

Abstract：The technology of “guest soil + agroecological restoration + passivation / stabilization” was used to restore the heavy metal polluted agricultural land in Somewhere in Hebei Province.The amount of guest soil is 20%～30%. The amount of fertilizer， soil improver and carbon based passivator are 120 kg / mu， 900 kg / mu and 600 kg / mu respectively. The results showed that the highest contents of Pb， Cd and Hg in the soil were 45.1 mg / kg， 0.29 mg / kg and 0.233 mg / kg， respectively. The contents of Pb， Cd and Hg in the crops were 0.036 ?g/g， 0.002 ?g/g and 0.001 ?g/g， respectively. The content of available potassium in the soil of the restoration area is higher， which is more conducive to the growth of potassium loving cash crops.

Key words：Heavy metal pollution;Cadmium （Cd）;Lead （Pb）;Mercury （Hg）;Composite repair technology

由于環境地理因素或人類活動的影響，目前，中國存在許多重金屬超標的農用土地。對農作物而言，重金屬污染不僅能通過毒害土壤微生物間接影響農作物的生長[1]，還能通過破壞和抑制作物根毛生長，阻礙作物對養料和水分的吸收[2]。對人體而言，重金屬會通過接觸、呼吸、食物鏈等方式直接或間接危害人體健康，嚴重影響人們的生產和生活[3，4]，因此，對于土壤重金屬污染的修復研究工作一直是環境領域的熱門話題[5，6]。

受洪水沖刷影響，河北某地區發生大面積土壤流失，導致當地農用土地無法耕種。為恢復農用土地的基本功能，當地居民采用粉煤灰、礦渣回填耕地，形成此處粉煤灰農用地塊。據了解，粉煤灰中含有鎘（Cd）、鉛（Pb）、鉻（Cr）等重金屬元素[7，8]。經初步調查，該地區農用地中Cd、Pb和汞（Hg）3種重金屬元素含量超標。

對于受重金屬污染的土壤，常用的修復技術主要包括物理化學修復技術和生物修復技術[9]，前者包括客土法、翻土法、電化學修復法、隔離包埋法、熱處理法、固化/穩定化和化學淋洗等，后者包括植物修復和微生物修復等[10]。在綜合考慮經濟效益、可持續性和技術實際應用性等因素后，本研究擬采取“客土+農業生態修復+鈍化/穩定化”復合修復技術方案對該區域農用地重金屬污染進行修復。在改善土壤環境質量、防治土壤污染的前提下，保證土壤的肥力和基本功能。通過分析中試農田修復實驗前后土壤理化性質的不同驗證方案的可行性，最后對整個待修復區進行重金屬污染修復工作，為全國同類土壤重金屬修復的工程應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

項目區位于河北某縣清漳河流域，交通條件較為便利。該地區處于半濕潤半干旱地區，春秋干旱少雨，夏季炎熱多雨，冬季少雪，多年平均氣溫12.5°C（1960-2010年）。受太平洋東南季風影響，該地年內降雨量分配極不均勻，降水集中在6-9月份，占全年的70%以上。經調查，該地種植的農作物主要有玉米、小麥、水稻及各類時令蔬菜。

1.2 樣品采集與分析

為了解待修復區域的具體土地污染情況，本項目組于2017年3-9月在此區域采集了33件土壤樣，并按照（HJ/T 166-2004）中的分析方法對樣品進行處理和分析。具體污染物超標統計情況如表1所示。

根據以上調查結果，為恢復被污染土地的安全使用性，在綜合考慮污染程度、修復治理的緊迫性和治理經費的前提下，本次治理修復的范圍控制在某村農用地，面積為200畝，對耕作層土壤0～30cm 深度上的土壤重金屬進行修復。

通過對不同重金屬污染修復技術進行比選，綜合考慮經濟成本、可持續性和技術實際應用性，根據本項目區粉煤灰土壤的特性和污染特征，采取“客土+農業生態修復+鈍化/穩定化”復合修復技術方案對次區域農用地重金屬污染進行修復。

2 結果與分析

2.1 田間中試實驗

實驗區域分為A組和B組，其中A組為純粉煤灰土壤農田，B組為少量覆蓋粉煤灰土壤農田（粉煤灰土層約3～5 cm）。每組又各分為9塊實驗田。采用“客土+農業生態修復”復合修復技術方案對A、B兩組實驗農田進行修復。修復實驗選用的客土為當地的生黃土，其成分主要為SiO2;土壤改良劑為中國礦業大學（北京）研制的土壤改良劑G1、G2兩種，其主要成分為高分子保水劑和煤基活化腐殖酸及其他材料;化肥為澳佳生態農業股份有限公司生產的復合肥（養分N：P2O5：K20=18：9：18）;玉米種子為浚單20號，采購自當地供銷社。具體修復方案如表2所示。

田間中試實驗中A、B兩組土壤中的Pb、Cd和Hg含量的變化情況分別如圖1 （a）、1 （b）和1 （c）所示。從總體上看，樣品編號為3、4和5這三組土壤的改善情況最好，其中A3、A4和A5中Pb的含量由71.2 mg/kg（A0）分別降低到26.4 mg/kg、23.8 mg/kg和29.9 mg/kg;Cd的含量由0.47 mg/kg（A0）分別降低到0.16 mg/kg、0.15 mg/kg和0.12 mg/kg;Hg的含量由0.342 mg/kg（A0）分別降低到0.058 mg/kg、0.028 mg/kg和0.028 mg/kg。B3、B4和B5中Pb的含量由34.7 mg/kg（B0）分別降低到24.8 mg/kg、24.2 mg/kg和24.6 mg/kg;Cd的含量由0.30 mg/kg（B0）分別降低到0.15 mg/kg、0.15 mg/kg和0.13 mg/kg;Hg的含量由0.132 mg/kg（B1）分別降低到0.042 mg/kg、0.040 mg/kg和0.036 mg/kg。以上實驗結果說明當客土量大于20%時能有效降土壤中重金屬的濃度。

在保證Pb、Cd和Hg的修復效果的前提下，對出苗4d后的玉米生長情況進行分析，結果如表3所示，其中A0為A組的對照組，B0為B組的對照組。從表3中可以看出，A3相對A0株高增加14.20%，干重增加65.38%;A5相對A0株高增加13.34%，干重增加80.70%;B5相對B0株高增加7.18%，干重增加194.44%。

在保證處理效果的前提下，結合處理的經濟成本，由田間中試實驗可以得到以下結論：（1）對于純粉煤灰土壤的改良，可以采用客土20%～30%黃土、添加G2土壤改良劑900kg/畝及120kg/畝的化肥進行修復和改良;（2）對于含少量粉煤灰土壤的改良，可以采用客土20%的黃土、添加G2土壤改良劑900kg/畝及120kg/畝的化肥進行修復和改良。

2.2 炭基鈍化劑實驗

為探究炭基鈍化劑對土壤中重金屬有效態的改良效果，在田間中試實驗研究結果的基礎上，本工程對客土20%的粉煤灰土壤進行鈍化劑梯度實驗。配制18kg客土20%的土壤樣，分裝至6個實驗盆中，向實驗盆分別添加0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%比例的炭基鈍化劑，攪拌均勻后按照正常種植-管護-間苗等種植程序種植雞毛菜，15d后測量雞毛菜的平均生物量和Cd元素的濃度。實驗結果如表4所示。

從表4中可以看出，未添加炭基鈍化劑的B01土壤樣本的平均生物量最低，僅為13.49g/kg，其Cd濃度達到0.117mg/kg，超過《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中雞毛菜（屬莖類蔬菜）的標準（Cd限值為0.1mg/kg）。B02- B06添加不同比例的炭基鈍化劑后雞毛菜的平均生物量都有明顯提高，其中B05樣品的平均生物量相較于B01增加了42.03%;同時，雞毛菜中Cd的濃度也有了明顯下降，其中Cd濃度最高僅為0.016mg/kg（B04）。

通過炭基鈍化劑實驗可知添加0.05%以上的炭基鈍化劑可以有效降低土壤中重金屬的有效態。因此，在工程修復過程中可通過添加600 kg/畝的炭基鈍化劑對重金屬污染修復區進行治理。

2.3 工程修復流程

在綜合考慮處理效果和處理成本的前提下，本工程決定采用客土+土壤改良+炭基鈍化組合修復技術對該區域重金屬污染農用地進行修復。修復工作的基本流程如圖2所示。將待修復區劃分為200個修復單元，每個修復單元面積為1畝左右。對每個修復單元客土20%，通過挖掘機與旋耕機作業將客土與粉煤灰土壤混合均勻。在混合好客土后，按照化肥120kg/畝、G2土壤改良劑900kg/畝和炭基鈍化劑600kg/畝的使用量對每個修復單元進行改良。在經過改良的農田種植玉米、白菜和胡蘿卜等農產品，并對成熟后的農作物及農田土壤進行采樣檢測。

2.4 重金屬污染區修復情況

在完成改良工作之后，按照《土壤環境監測技術規范》（HJ/T166-2004）和《農用地土壤污染狀況詳細布點技術規定（征求意見稿）》對修復區農田的土壤和農作物進行采樣。采集到的35個土壤樣品和15個農產品樣品由華北有色地質勘探局燕郊中心實驗室進行Pb、Cd和Hg含量檢測。檢測結果如圖4和圖5所示。

修復后土壤樣品中Pb、Cd和Hg的變化情況如圖3（a）、3（b）和3（c）所示。《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ332-2006，pH>7.5）中Pb、Cd和Hg的限定分別為50mg/kg、0.4mg/kg和0.35mg/kg。根據檢測結果，采集到的35個土壤樣品Pb、Cd和Hg含量都滿足相關標準。從圖4中可以看出，第16和18個樣品的Pb、Cd和Hg含量都相對較高，其中Pb的最高檢測結果為45.1mg/kg，Cd的最高檢測結果為0.29mg/kg，Hg的最高檢測結果為0.233mg/kg，造成該結果的主要原因可能是客土混合不夠充分，也可能是該區域原始粉煤灰土壤的重金屬含量較高。除第16和18個樣品外，Pb、Cd和Hg的平均檢測結果分別為27.74mg/kg、0.16mg/kg和0.064mg/kg，達到修復目的。

圖4為修復后農作物樣品中Pb、Cd和Hg的含量情況。其中，1-3號為西紅柿樣品，4-6號為茄子樣品，7-9號為白菜樣品，10號為白蘿卜樣品，11號為胡蘿卜樣品，12-15號為玉米樣品。從圖4中我們可以看出，茄子樣品中Pb的含量相比于其他農產品含量要高，其中6號樣品Pb含量為0.036?g/g。造成該結果的原因可能是經過改良后土壤中Pb的含量相對其他區域而言還較高，也可能是該品種的茄子植株對Pb有一定的富集能力。根據檢測結果，所有農產品中Pb含量在0.036 ?g/g以下，Cd含量在0.002?g/g以下，Hg含量在0.001?g/g以下，均符合《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中的相關標準。

除了對35個土壤樣品和15個農產品樣品進行Pb、Cd和Hg含量檢測以外，本工程還對35個土壤樣品進行了pH、有效磷、堿解氮、有效鉀和有機質檢測。根據檢測結果，修復后土壤的pH值在7.28～8.14之間，pH平均值為7.68。有效磷含量在20.7～598 mg/kg之間，平均值為172.5 mg/kg。堿解氮含量在39.9～892 mg/kg之間，平均值為246.7 mg/kg。有效鉀含量在166～977 mg/kg之間，平均值為411.2 mg/kg。有機質含量在1.45～14.02 g/kg之間，平均值為5.86 g/kg。從以上數據可知修復后土壤偏堿性且有效鉀含量較高。

經過工程治理，受Pb、Cd和Hg重金屬污染的農用地得到有效恢復，土壤及農作物樣品中的Pb、Cd和Hg含量均符合相關標準。根據檢測結果，修復區土壤中有效鉀含量較高，因此，農戶可以選擇喜鉀類農作物進行種植，如馬鈴薯、甘薯、甜菜、西瓜和玉米等經濟類作物。

3 結論

本工程采用“客土+農業生態修復+鈍化/穩定化”復合修復技術方案對該區域重金屬污染土地進行修復，通過田間實驗和炭基鈍化劑實驗發現，當客土量為20%～30%，化肥、G2土壤改良劑和炭基鈍化劑的添加量分別為120kg/畝、900kg/畝和600kg/畝時，該區域重金屬污染農田能得到有效修復。經過檢測，修復后土壤中的Pb、Cd和Hg最高含量分別為45.1mg/kg、0.29mg/kg和0.233mg/kg，符合《食用農產品產地環境質量評價標準》（HJ332-2006，pH>7.5）中的相關標準。農作物樣品中Pb含量在0.036 ?g/g以下，Cd含量在0.002 ?g/g以下，Hg含量在0.001 ?g/g以下，符合《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）中的相關標準。修復區土壤中有效鉀的含量較高，農戶可選擇喜鉀類經濟作物進行耕種。

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收稿日期：2020-06-22

作者簡介：李寬寬（1993-），漢族，本科，研究方向為水工環。