檸檬酸發酵液-氯化鹽復合淋洗液制備及重金屬污染土壤修復試驗研究

桂 松，朱雷鳴，陳慧嫻，蔣 鵬，涂保華，張文藝

(1.常州大學 環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164；2.中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000；3.江蘇龍環環境科技有限公司，江蘇 常州 213000)

隨著我國工業的快速發展，工業污水及固體廢物排放、廢水灌溉和農藥化肥濫用等人類生產活動，造成一些重金屬被釋放到土壤，使得土壤的整體質量呈現下降趨勢[1]。2014年4月原國家環境保護部發布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤環境的整體質量不容樂觀，部分地區土壤污染較重，耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出。全國土壤總的點位超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%,2.3%,1.5%和1.1%。從土地利用類型看，耕地、林地、草地土壤點位超標率分別為19.4%,10.0%,10.4%。從污染類型看，以無機型為主，有機型次之，復合型污染比重較小，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%。從污染物超標情況看，鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅、鎳8種無機污染物點位超標率分別為7.0%,1.6%,2.7%,2.1%,1.5%,1.1%,0.9%,4.8%；六六六、滴滴涕、多環芳烴3類有機污染物點位超標率分別為0.5%,1.9%,1.4%[2]。土壤重金屬污染已經成為了我國亟待解決的環境問題之一。目前，重金屬污染土壤的修復技術主要分為物理修復、化學修復和生物修復。化學淋洗技術能夠有效修復重金屬土壤，具有操作簡單、洗脫周期短和去除效率高等優勢[3]。常見的淋洗劑包括無機淋洗劑、絡合劑和表面活性劑等，在實際使用的過程中均存在一定的局限性，選取一種高效經濟的環境友好型淋洗劑至關重要。

有研究表明[4]檸檬酸對土壤重金屬有很強的洗脫能力。常規的檸檬酸試劑提取成本較高，在提取工藝中會伴隨著大量的資源損耗和廢棄物產生，使用檸檬酸發酵液替代檸檬酸試劑可以避免這一復雜的提取工藝，并大幅降低生產成本。同時有機酸發酵液生物降解性好，無二次污染，在土壤淋洗中具有良好的應用價值[5]。有機酸發酵液的淋洗機理同螯合劑類似，主要通過與重金屬離子形成穩定絡合物，提高重金屬活性，對不穩定形態的重金屬具有良好的淋洗效果[6]。戴世金[7]等基于上海市桃浦區某一實際污染場地的重金屬污染情況，使用餐廚垃圾有機酸發酵液對模擬污染土壤進行淋洗修復，發酵液中的乙酸含量為18.29 g·L-1，結果表明在8 d的淋洗時間里，重金屬Cu,Ni,Pb,Cd,Zn的淋洗效率分別達到了62%,46%,51%,59%和56%，效果優于傳統的乙酸試劑。另外，氯化鹽化學性質溫和，成本低廉，對土壤破壞程度較小，作為土壤淋洗劑具有廣泛的應用前景。陳春樂[8]等研究比較了3種氯化鹽(FeCl3,CalCl2和NaCl)對Pb污染土壤的淋洗效果，結果表明，0.4 mol·L-1的 FeCl3的對Pb的淋洗效率可以達到61%，同等濃度下的FeCl3對Pb的淋洗效果要優于CalCl2和NaCl。

單一淋洗劑在修復污染程度較高的土壤時，一般難以達到理想的效果，多種淋洗劑復合使用能達到協同去除重金屬的效果，顯著提高淋洗效率。周芙蓉[9]等研究檸檬酸與氯化鹽(CaCl2和FeCl3)復合修復Cd污染土壤，結果表明，檸檬酸單獨淋洗對Cd的淋洗效率最高達到55.2%，檸檬酸-CaCl2與檸檬酸-FeCl3的淋洗組合在最優條件下對重金屬Cd的淋洗效率分別達到81.25%和84.57%，淋洗效果優于檸檬酸單一淋洗。近年來，對于氯化鹽與無機酸、氯化鹽與螯合劑的復合淋洗研究已有所嘗試，而有關氯化鹽與有機酸發酵液復合淋洗的研究鮮有報道。

本文針對5種典型的土壤重金屬Cu，Ni，Pb，Cd，Zn，采用檸檬酸發酵液-氯化鹽復合淋洗劑修復重金屬土壤，研究不同淋洗條件對土壤重金屬去除效果的影響，對淋洗前后重金屬賦存形態的變化進行分析，探討檸檬酸發酵液與氯化鹽復合淋洗土壤重金屬的機理，以期為修復重金屬污染土壤的研究和應用提供科學的依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采集自江蘇省常州市武進區某農田表層土(0～20 cm)，經檢測確認該土壤未受重金屬污染。土樣收集完后帶回實驗室，剔除植物殘體與石塊等雜物，經自然風干后研磨，備用。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的理論濃度分別為2000 mg·L-1,1000 mg·L-1,1000 mg·L-1,1000 mg·L-1和1000 mg·L-1，將混合溶液與1 kg土壤浸泡于盆缽中充分攪拌，使污染物混合均勻，于通風處自然老化2個月。土壤研磨過10目和100目篩，用于土壤的理化性質和重金屬含量的檢測分析。土壤的理化性質見表1。

表1 試供土壤基本理化性質

1.2 檸檬酸酸發酵液的制備試驗

1.2.1 菌種

黑曲霉[CMCC(F)98003]標準菌株，由上海魯微科技有限公司提供。

1.2.2 培養基

PDA培養基：稱取200 g土豆，去皮洗凈，加入1000 mL蒸餾水，煮沸20～30 min，用4層紗布過濾得到濾液，向濾液中添加20 g葡萄糖和20 g瓊脂，適度加熱，待充分溶解后補充水分至體積100 mL，121℃高壓滅菌20 min，待用。

搖瓶培養基[5]：30%蔗糖，0.15%硝酸鈉，0.05%磷酸二氫鉀，0.0025%七水合硫酸鎂，0.0025%氯化鉀，0.16%酵母浸膏。

1.2.3 發酵液的制備及取樣處理

在無菌條件下，將黑曲霉接種于PDA斜面培養基活化，置于34℃的恒溫培養箱中培養7 d，至斜面表面長滿黑色孢子。用接種環挑取1～2環活化的黑曲霉菌于裝有無菌水的三角瓶中，振蕩1 h使孢子分布均勻，制得孢子懸浮液，再按10%(v/v)的接種量接種到搖瓶培養基，以32℃，220 r·min-1的條件置于恒溫搖床中培養14 d。

為了準確測量發酵液的酸度[10]，需要對發酵液進行加熱，使黑曲霉菌滅活，終止檸檬酸的發酵反應，溫度控制在90℃左右，之后采用4層紗布過濾，除去發酵液中的懸浮固體和殘渣。

將式(4)中的投影點代入方程(8)，進而得到空間圓的圓心坐標和l值，將圓心坐標代入即可解出空間圓的半徑R。

1.2.4 酸度的測定

精確吸取1 mL處理過后的檸檬酸發酵液至50 mL錐形瓶中，加入20 mL蒸餾水，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內顏色不褪去，消耗的NaOH溶液體積即為檸檬酸含量的百分比，即每消耗1 mL體積的NaOH代表1%的酸度[11]。試驗重復3次，結果取平均值。

測定結果為檸檬酸發酵液的酸度為4.1%。

1.3 實驗步驟

1.3.1 單一淋洗劑淋洗實驗方法

檸檬酸發酵液：稱取2 g土樣于50 mL塑料離心管中，按照固液比為1∶10的比例分別加入稀釋倍數為1，2，3，4的檸檬酸發酵液，25℃環境中以200 r·min-1淋洗6 h后，將淋洗液以4000 r·min-1的轉速離心20 min，取上清液，經0.45 um的濾膜過濾，用原子吸收分光光度計測定上清液中的Cu，Pb，Ni，Cd和Zn的含量，確定最佳淋洗濃度。試驗重復3次。

無機氯化鹽：稱取2 g土樣于50 mL塑料離心管中，按照固液比為1∶10的比例分別加入NaCl，CaCl2和FeCl3試劑，濃度分別設置為0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3 mol·L-1，25℃環境中以200 r·min-1淋洗6 h，后續步驟同上，根據淋洗效果篩選出最優淋洗劑與最佳淋洗濃度。試驗重復3次。

1.3.2 復配淋洗試驗方法

將1.3.1中篩選得到的氯化鹽試劑與檸檬酸發酵液按照各自的最佳淋洗濃度進行復配，復配體積比分別為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，淋洗試驗的條件與1.3.1相同，得到最佳淋洗復配比，配置最佳濃度的復配淋洗劑。試驗重復3次。

稱取2 g土樣于50 mL塑料離心管中，按照固液比為1∶5，1∶10，1∶15和1∶20的比例分別加入1.3.2所確定的最佳復配淋洗劑，其它試驗條件同1.3.1相同。試驗重復3次。

1.3.4 淋洗時間對土壤重金屬去除率的影響

稱取2 g土樣于50 mL塑料離心管中，按照固液比為1∶10的比例加入檸檬酸發酵液，在溫度為26℃，振蕩速度為200 r·min-1的條件下淋洗，分別在0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，7 h，8 h，9 h取樣，其余試驗步驟同1.3.1一致。試驗重復3次。

1.3.5 重金屬賦存形態分級測定

土壤重金屬的形態分級測定采用BCR連續提取法，該方法將重金屬分為4個形態：酸可提取態、可還原態、可氧化態和殘渣態。

1.4 土壤分析方法

土壤理化性質的測定參照《土壤農業化學分析方法》。土壤pH值的測定采用電位法，有機質的測定采用重鉻酸鉀氧化法，CEC值的測定使用BaCl2交換法。土壤重金屬全量的測定采用HF-HClO4-HNO3消解土壤，使用原子吸收分光光度計測量。

1.5 數據統計

試驗數據采用Excel 2010軟件進行統計分析處理，數據最大允許相對偏差不得超過2%，繪圖部分使用origin 9.0軟件。

2 結果與分析

2.1 單一淋洗劑淋洗試驗

淋洗劑濃度的選擇對于去除重金屬而言具有重要意義。從圖1發現，重金屬去除率隨著稀釋倍數的增長而逐漸降低，這與張宏教[12]等研究結果一致。這是由于發酵液中含有大量的檸檬酸及其他有機酸副產物，有機酸主要依靠酸溶和絡合作用去除重金屬，發酵液濃度的降低導致了可電離的H+數量下降以及檸檬酸等其他代謝產物含量的減少，酸化能力的下降會影響到有機酸對重金屬的溶解能力，不利于土壤對重金屬的解吸過程。另外有機酸及其他代謝產物含量的降低會減少有機酸提供的絡合點位，有機酸與重金屬的結合能力下降，不利于絡合作用。在稀釋倍數為1(原液)時，檸檬酸發酵液對重金屬的去除效果最好，Cu，Ni，Zn，Cd，Pb去除率分別達到了74.6%，61.6%，59.1%，58.3%和44.5%。Cu的去除效果最好，去除率達到了77%，隨著發酵液濃度的稀釋，Cu去除率的變化范圍不大，為72.5%～75.8%，這是由于實驗土壤中Cu的不穩定形態的含量較高，在與其它重金屬競爭絡合點位時占據優勢，致使較多處于不穩定形態的Cu被釋放出來。檸檬酸發酵液原液(酸度為4.1%)去除效果最好，故選擇該濃度為發酵液最佳濃度。

圖1 檸檬酸發酵液濃度對重金屬去除率的影響

氯化鹽對重金屬的去除效果如下圖所示，淋洗效率隨著氯化鹽濃度的增加而增加。3種氯化鹽中FeCl3對重金屬的除效果最好，CaCl2和NaCl的淋洗效果較差，均低于5%(見圖2～圖4)。從圖2看出隨著FeCl3濃度的增加，5種重金屬的去除率整體來說都呈現出先迅速上升而后趨于平緩的走勢。當FeCl3濃度為0.01 mol·L-1～0.1 mol·L-1時，5種重金屬的去除率隨著FeCl3濃度的上升而升高，Pb，Cu，Ni，Cd和Zn的去除率分別提高了45%，44%，35%，15%和30%。這是由于FeCl3發生水解生成大量的H+，Fe3+和Cl-，大量的H+可以溶解土壤表面的部分礦物，增強了重金屬活性，同時H+可以促進土壤表面質子化，降低對重金屬離子的吸附能力，pH值越低，淋洗效果越好[13]，Cl-可以與重金屬形成穩定絡合物，Fe3+具有較強的氧化性，促使更多的重金屬離子通過離子交換的方式從土壤表面解吸。當FeCl3濃度為0.1 mol·L-1～0.3 mol·L-1時，重金屬去除率趨于平穩，Pb，Cu，Ni和Zn去除率的增幅在5%以內，重金屬Cd的去除率從74.5%下降到了69%，出現了不增反減的情況，推測是因為大量的Cl-吸附在土壤顆粒的表面，形成了一層保護膜，對重金屬的溶解起到了限制作用，不利于重金屬離子從土壤膠體顆粒表面解吸和以及在土壤溶液中的擴散行為[8]。綜合淋洗效果以及試劑成本等因素，選擇0.1 mol·L-1的FeCl3試劑進行后續的實驗。

圖2 FeCl3濃度對重金屬去除率的影響

圖3 CaCl2濃度對重金屬去除率的影響

圖4 NaCl濃度對重金屬去除率的影響

2.2 復配淋洗試驗

從表2可以看出，隨著復合淋洗劑中FeCl3含量的增多，5種重金屬的去除率呈現上升的趨勢，當復配比為1∶4時，復配淋洗劑對重金屬Pb Ni Cu Cd和Zn的去除率分別達到了73.8%,64.4%,89.2%,86.8%和76.3%，淋洗效果較好。說明FeCl3濃度的變化對復合淋洗效果影響較大，占據主導作用，李玉嬌[14]等研究發現重金屬絡合物的形成與配離子的濃度有關，當重金屬跟Cl-和有機酸根離子發生絡合反應時，有機酸根離子可能會同其它非污染物結合，導致大量的重金屬與Cl-結合形成穩定的可溶性絡合物。當FeCl3濃度繼續增大時，淋洗效果出現了下降，重金屬Pb,Cu,Cd和Zn去除率的下降幅度分別為18.2%,13.1%,11.4%和9.6%，可能是由于Cl-濃度過高，不利于重金屬離子的解吸。當復配比為1∶4時，復配淋洗劑對5種重金屬的淋洗效果較好，優于檸檬酸發酵液和FeCl3的單一淋洗，說明FeCl3溶液和檸檬酸發酵液對重金屬去除具有協同作用。選擇檸檬酸發酵液與FeCl3復配體積比1∶4為最優復配比，進行后續的試驗。

表2 檸檬酸發酵液與FeCl3復合淋洗對重金屬的去除率 (%)

2.3 固液比對重金屬去除率的影響

從圖5可以看到當固液比為1∶10時，重金屬Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的去除率較好，分別是86.9%，68.6%，89.2%，77.4%和74.5%，其中Cu，Ni，Cd的去除率達到最高，當固液比增加到1∶20時，Pb和Zn的去除率達到最高，分別是85.5%和79.5%，增加固液比可以擴大淋洗液與土壤的接觸面積，提高對重金屬的去除率，但考慮到試劑用量和成本問題，選擇最佳固液比為1∶10。

圖5 固液比對重金屬去除率的影響

2.4 淋洗時間對重金屬去除率的影響

淋洗時間關系到淋洗劑與土壤接觸和發生作用的時間長短，對淋洗效率產生影響。從圖6可以看到隨著淋洗時間的增加，重金屬的淋洗效率從整體上呈現先出上升而后趨于平穩的走勢。當淋洗時間為0～2 h時，5種重金屬的去除率處于快速上升的狀態，2～4 h時，重金屬去除率的上升幅度逐漸減小，4～10 h時，重金屬的去除率趨于平穩。淋洗時間為4 h時，重金屬Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的去除率分別為86.4%，62.5%，89.6%，73.8%和75.6%，淋洗效果較好，選擇4 h為最佳淋洗時間。

圖6 淋洗時間對重金屬去除率的影響

2.5 重金屬形態分析

重金屬的賦存形態決定了其生物有效性，土壤環境中不穩定形態的重金屬數量越多，對環境的危害程度也就越高。一般而言，酸可提取態和可還原態的重金屬具有其較強的生物有效性和遷移性，容易被淋洗劑去除[15]。而可氧化態和殘渣態不易與淋洗劑發生絡合和陽離子交換等反應，在環境中相對穩定，對環境風險也較小。從圖7～圖11可以看出試驗土壤在使用復合淋洗劑之后，重金屬Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的不穩定形態(酸可提取態和可還原態)出現了大幅度下降，分別下降了84.7%，75.73%，88%，74.3%和78%。重金屬Cu，Ni，Cd，Pb，Zn的穩定形態(可氧化態和殘渣態)在淋洗過程中也出現了不同程度的下降，下降幅度分別為43%，20.1%，47%，58%和64%。可能是由于在淋洗過程中，不穩定形態重金屬的大量減少，破壞了土壤中的化學平衡狀態，導致了處于穩定形態的重金屬向不穩定形態轉化以保持這種化學平衡狀態[16]。

圖7 淋洗前后土壤重金屬Cd的質量比

圖8 淋洗前后土壤重金屬Pb的質量比

圖9 淋洗前后土壤重金屬Ni的質量比

圖10 淋洗前后土壤重金屬Cu的質量比

圖11 淋洗前后土壤重金屬Zn的質量比

3 結論

(1)在檸檬酸發酵液單一淋洗實驗中，檸檬酸發酵液對重金屬的淋洗效率隨著發酵液濃度的減少而降低，檸檬酸發酵液在酸度為4.1%(即原液)時對重金屬的去除效果最好。在氯化鹽的單一淋洗試驗中，同等濃度下的FeCl3對土壤重金屬的淋洗效率遠高于CaCl2和NaCl。隨FeCl3濃度的增加，重金屬去除率呈現出先迅速上升而后趨于平緩的趨勢，考慮到試劑成本等因素，選擇0.1 mol·L-1的FeCl3為最優淋洗劑。

(2)在復合淋洗試驗中，FeCl3的濃度變化對復合淋洗效率影響較大，占據主導作用。當檸檬酸發酵液原液(酸度4.1%)與0.1 mol·L-1的 FeCl3按1∶4的體積比復配，在固液比為1∶10，淋洗時間為4 h時淋洗效果最佳，重金屬Cu,Ni,Cd,Pb,Zn的去除率分別為86.4%,62.5%,89.6%,73.8%和75.6%，優于檸檬酸發酵液和FeCl3單一淋洗。

(3)復配淋洗劑能夠有效地去除處于酸可提取態和可還原態的重金屬。本次研究中，重金屬Cu,Ni,Cd,Pb,Zn的不穩定形態(酸可提取態和可還原態)大幅度下降，分別下降了84.7%,75.73%,88%,74.3%和78%。