典型地質(zhì)背景區(qū)土壤重金屬污染生態(tài)防治技術(shù)研究

鄧碧霞

摘要：選取某典型地質(zhì)背景作為研究區(qū)域，通過合理布置采樣點采集土壤樣品，測定土壤中各重金屬元素含量，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)條件與實際概況，分析土壤重金屬污染物的濃度特征與垂向剖面土壤團聚體重金屬分布特征，基于此，針對土壤重金屬的污染特征制備土壤污染修復(fù)淋洗劑，并進行了污染生態(tài)防治實驗，通過比較低、中、高三種濃度下不同類型淋洗劑對Mn、Pb和Zn的去除效果可知，對于土壤中Mn、Pb和Zn具有較好去除效果的淋洗劑類型及濃度分別為中濃度的EDTA、高濃度乙酸和高濃度的草酸。

關(guān)鍵詞：典型地質(zhì)背景；土壤重金屬；重金屬污染；生態(tài)防治

中圖分類號：X53 文獻標志碼：B

前言

工業(yè)生產(chǎn)和科技水平的不斷提高導(dǎo)致了典型地質(zhì)背景區(qū)土壤重金屬污染日益嚴重，對土壤環(huán)境和周邊生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重危害，同時也對人類健康構(gòu)成威脅。因此，有效防治土壤重金屬污染、保護生態(tài)環(huán)境已成為全球研究的熱點問題。為解決這一挑戰(zhàn)，國內(nèi)外許多研究人員致力于深入研究，并提出了多種方法來應(yīng)對土壤重金屬污染，其中包括植物修復(fù)和生物炭修復(fù)等。在植物修復(fù)方面，通過選擇具有吸附、富集和耐受能力的植物，利用其吸收、轉(zhuǎn)運和耐受土壤中重金屬的能力來修復(fù)受污染土壤。而生物炭修復(fù)則利用生物炭來改善土壤性質(zhì)、增加土壤肥力，并減少重金屬在土壤一植物系統(tǒng)中的遷移，從而達到修復(fù)土壤重金屬污染的目的。這些方法已取得了一定的成果，但是仍需要進一步深入研究，不斷改進和完善相關(guān)技術(shù)和方法，以期更好地應(yīng)對土壤重金屬污染帶來的挑戰(zhàn)，保護生態(tài)環(huán)境和人類健康。研究的主要工作是探究典型地質(zhì)背景區(qū)土壤重金屬污染生態(tài)防治技術(shù)，通過分析研究區(qū)域土壤重金屬的污染特征與分布特征，結(jié)合地質(zhì)情況制備土壤重金屬污染防治淋洗劑，并采樣試驗的形式測試了淋洗劑對土壤重金屬的去除效果，以期為典型地質(zhì)背景區(qū)土壤重金屬污染防治與修復(fù)技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

選取三種典型的城市綠地土壤作為研究對象，即城市行政區(qū)中心城區(qū)的道路綠地和住宅綠地以及公園綠地。試驗地塊位于某城區(qū)東南部，南側(cè)為礦區(qū)。土壤樣本采集地點是該地區(qū)周圍的一個自然村莊，其區(qū)域面積為12km2，將1km2的面積區(qū)域作為一個采集單元，共劃分為12個單元，每個采集單元按梅花點分布法布置5個采樣點。根據(jù)區(qū)域土壤的地質(zhì)情況與深度情況，將采樣點的土壤從表層到底層劃分為6個層次，分別為0-10、10-20、20-40、40-60、60-80、80-100cm，在每個層次中分別采集土壤樣品2kg，并經(jīng)過烘干與篩出等預(yù)處理，最終保留土壤樣品1kg。每層土壤混合后，采用四分之一法，取約0.5kg作為該點的混合樣品，并根據(jù)土壤樣品的處理方法，在距離研究區(qū)域約3km處的耕地中采集了3層原狀土，作為對照土壤樣品，共采集了20個采集單元和150個樣本。

將5個采樣點采集的土壤樣品進行混合后作為試驗組土壤樣品，并將其靜置于室溫下自然風干，之后利用攪拌機將其進行碾磨為碎末，保證樣品的粒徑在2mm以下，最后利用5mm的篩子將所有樣品進行充分混合，并貼上標簽作為備用，為了保證土壤樣品重金屬污染特征分析結(jié)果的可靠性，實驗中選用的所有藥品與試劑均為化學(xué)分析純，試驗用水為蒸餾水。并且在試驗分析過程中，對于土壤樣品與對照組樣品中重金屬的含量測定均按照國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準進行，并將平行樣品的絕對標準差控制在10%以內(nèi)。

1.2 研究方法

土壤樣品采集完成后，將其放置于陰涼處自然干燥，之后送至專業(yè)土壤理化性質(zhì)檢測部門進行測定。其中，土壤中重金屬的檢測指標包括Pb、Zn、Cd、As、Cu、Cr、Ni、Mn、Hg9種。上述重金屬含量的測定方法，分別為原子吸收光譜法、免疫分析法、紫外-可見分光光度法、X射線熒光光譜法、電化學(xué)法、陽極溶出伏安法、電感耦合等離子體法、高效液相色譜法、冷原子吸收分光光度法。采用振蕩萃取實驗將污染的土壤和洗脫液以1：4的同液比混合，并在30mL離心管中以150rpm進行提取。振蕩后，將懸浮液以420rpm離心5min，然后使用0.5mm濾膜過濾，采用表2中各重金屬含量的測定方法對土壤樣品重金屬濃度與含量進行檢測。研究根據(jù)研究區(qū)內(nèi)各種重金屬的分布情況分析污染特征，并根據(jù)分析結(jié)果制備土壤污染修復(fù)淋洗劑，以防治試驗土壤中的污染。使用Microsof'tExcel2016和Origin2017軟件對數(shù)據(jù)進行分析和繪制。

2 土壤重金屬污染特征分析

2.1 重金屬污染物濃度分析

收集項目區(qū)域內(nèi)的混合土壤樣本，并使用手持CPS進行定位，以避免采樣誤差。每個采樣單元的混合樣本由20多個采樣點的土壤樣本組成。充分混合后，使用三部分法對其進行反復(fù)篩選，并保留約0.5kg的樣品。最后，使用上述所述的方法測定土壤樣品中的重金屬，并計算每個重金屬元素的變異系數(shù)，以反映采樣點重金屬的過量水平，其通過CV=α/β公式計算獲得，α表示標準偏差；β表示平均值。則得到的各采樣點土壤檢測結(jié)果見表1。

如表1所示，所有樣品中9種重金屬元素的檢出率均為100%。只有Cd和Mn的濃度不超過土壤背景值，而其他重金屬元素的濃度高于背景值，該區(qū)域的重金屬含量嚴重超標，對土壤造成了嚴重的污染。

變異系數(shù)表示研究區(qū)域土壤中重金屬濃度的統(tǒng)計離散度，該值越大，金屬元素在土壤中的分布就越離散，分布就越不均勻。基于表1中的數(shù)據(jù)，可以看出，在9種重金屬元素中，Pb、Zn、As和Cu的變異系數(shù)超過0.5，顯示出較高的可變性。綜合土壤背景值和質(zhì)量標準值可知，Ni、Pb、As、Cu、Zn和Hg的濃度較高，對研究區(qū)的土壤環(huán)境構(gòu)成威脅。

2.2 土壤團聚體重金屬分布特征

研究區(qū)內(nèi)土壤重金屬垂向分布特征與不同粒徑中重金屬含量分布情況見圖1。

通過比較圖1（a）和（b）可以看出，研究區(qū)各種粒徑團聚體中Pb和Zn重金屬的含量遠高于對照區(qū)，也超過了該區(qū)的土壤背景值和風險標準值，表明研究區(qū)已受到一定程度的污染。相比于對照土壤樣品，Pb在0-10cm深度的土壤中的含量最低，而后隨著土壤深度的增加而降低；而在對照組樣品中，Pb含量沒有呈現(xiàn)出區(qū)域性的分布現(xiàn)象；研究區(qū)土壤中Zn元素含量隨土壤深度的增加呈先增加后減少的趨勢，而對照組土壤中Zn含量普遍較低。因此，可以得出結(jié)論，Pb和Zn這兩種重金屬在粒徑大、深度高的土壤中分布較多，不同粒徑土壤團聚體中重金屬含量的分布格局更為明顯，主要富集在中等粒徑的土壤顆粒中。

3 土壤重金屬污染生態(tài)防治技術(shù)

針對以上對研究區(qū)域土壤重金屬污染情況的測定結(jié)果，研究采用納米復(fù)合淋洗劑對該區(qū)域土壤污染進行防治，并根據(jù)所提污染防治技術(shù)對區(qū)域重金屬的去除效果分析設(shè)計的技術(shù)的應(yīng)用性能。

3.1 淋洗劑制備

淋洗劑包括：蒸餾水、草酸、檸檬酸、乙酸、硝酸、乙二胺四乙酸二鈉鹽，以下簡稱EDTA。測定重金屬總量和形態(tài)所需的硝酸、高氯酸、氫氟酸和乙酸的純度以及洗脫液的純度均為優(yōu)良，其他試劑均為分析純度；水為二次純化蒸餾水。用20日篩分別稱量試驗土壤，將20mL（液土比10：1）洗淋洗劑加入50mL系列離心管中，每種淋洗劑設(shè)置為三個濃度梯度：高、中、低，見表2。

如果檢測區(qū)域內(nèi)只有一部分表層土壤受到污染，則采用物理混合的方法，即將受污染的表層土壤與未受污染的地表土壤按比例進行物理混合。將污染區(qū)土壤和未污染區(qū)土壤按比例進行物理混合，以確保耕作土層中的重金屬含量低于風險篩選值。之后，在每個浸出劑濃度水平上添加酸堿調(diào)節(jié)劑，摻混比例的計算公式為式（1）：

式（l）中，v1表示污染土壤體積；v2表示未受污染土壤體積；r1表示污染土壤容重；r2表示未受污染土壤容重；c1表示污染土壤重金屬含量；c2表示未受污染重金屬含量；γ表示風險篩選值；X表示酸堿調(diào)理劑在淋洗劑中的摻混比例。每個濃度水平處理重復(fù)三次，并將其均勻放置在30℃、100r/min條件下的恒溫水浴振蕩器中，振蕩6h，然后在高速冷凍離心機中以1200r/min的相對離心力離心10min。過濾上清液以確定溶液中的重金屬濃度，并選擇重金屬提取效果最好的淋洗劑及其最佳濃度。

3.2 土壤重金屬污染防治試驗設(shè)計

在土樣中加入0.06%的檸檬酸進行制粒，并在50℃的烘箱中固化8h，制成樁土樣。將3cm石英砂、紗布、土樣、紗布依次裝人實驗室自制堆浸裝置的有機玻璃管（直徑6cm）中，土樣柱高控制在2.5m。實驗過程中淋洗劑的用量水平設(shè)置為5種，分別是水平一：草酸、檸檬酸、乙酸、硝酸、EDTA均為0g/kg土；水平二：草酸、檸檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量為4、3、2、4、0；水平三：草酸、檸檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量為4、3、2、1、4；水平四：草酸、檸檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量為4、3、0、1、0；水平五：草酸、檸檬酸、乙酸、硝酸、EDTA用量為4、3、2、3、3。上述用量單位均為g/kg土。實驗開始時，用蠕動泵輸送堆浸液，將液位快速添加到預(yù)設(shè)水頭（3cm高），然后調(diào)整注液速率，使水頭保持在恒定的4.0cm+0.2cm高度。其中，非造粒組堆浸液為0.02%（土壤質(zhì)量分數(shù)）硝酸溶液，造粒組堆浸溶液為水，非造粒組堆浸液為0.08%EDTA、3.00%乙酸和6.00%草酸的混合物。水土比（總水土樣比）為2.0：1堆浸時間為24h。在實驗過程中，定期監(jiān)測滲透速率，并測量滲出液中的重金屬含量。

3.3 土壤污染防治結(jié)果分析

通過掃描電子顯微鏡對材料形態(tài)進行表征，采用衍射儀、傅里葉變換紅外光譜儀和X射線光電子能譜儀測定重金屬含量變化。使用上述各淋洗劑與不同濃度酸堿調(diào)理劑的混合溶液對采樣土壤樣品進行重金屬去除實驗。各影響因素下淋洗劑對單一重金屬去除率運用式（2）計算。

式（2）中，C1表示測定淋洗劑中重金屬的含量；A表示淋洗劑的質(zhì)量分數(shù)；C2表示土壤樣品中重金屬的含量；B表示淋洗劑對污染土壤的綜合毒性消減指數(shù)，計算方法如式（3）。

B=∑C1×T×W 式（3）

式（3）中，Ct表示重金屬的實測濃度；T表示重金屬的評價標準；W表示重金屬的毒性系數(shù)。

為了研究單一淋洗劑濃度對重金屬提取的影響，選擇了5種濃度在0.3mmol/L至50mmol/L范圍內(nèi)的淋洗劑對污染土壤進行振蕩提取實驗，分別統(tǒng)計土壤樣品中Mn、Pb和Zn這三種重金屬含量的變化情況，結(jié)果見圖2。

圖2反映了5種淋洗劑在低、中、高濃度下對土壤重金屬的去除能力。根據(jù)上述描述，對5種淋洗劑在低、中、高濃度下對土壤重金屬的去除能力進行整理：硝酸溶液：對土壤重金屬的去除效果最好，濃度越高，去除率越高，最高可達92.5%左右；乙酸溶液：濃度對重金屬去除效果幾乎沒有影響，在三種濃度下去除率均約為51.6%；草酸溶液：低、中濃度去除效果相似，高濃度去除率明顯提升，分別提高了92.31%和85.19%；檸檬酸溶液：隨濃度升高，對重金屬的去除率降低；EDTA淋洗劑：中濃度對Pb的去除效果最好，可達99.8%，低、高濃度去除效果較低；對于Mn元素，除乙酸外其他淋洗劑效果不佳。對于Zn元素，草酸溶液的去除效果最好，其他四種淋洗劑效果相近且較顯著。綜合分析表明，不同淋洗劑對不同土壤重金屬的去除效果存在差異，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的淋洗劑進行土壤重金屬去除處理。

為了進一步驗證該技術(shù)的應(yīng)用效果，將其應(yīng)用于研究區(qū)域，對土壤重金屬污染進行治理和修復(fù)，結(jié)果見表2。

根據(jù)表3可知，應(yīng)用文章研究的技術(shù)后，研究區(qū)域的重金屬污染得到了有效的治理，其中重金屬的平均值大幅度降低，說明應(yīng)用該技術(shù)后，土壤重金屬污染得到了降低，其中Mn降低幅度最大，由原來的402.15mg/kg，降到10.59mg/kg，其他元素也降低幅度較大，并且應(yīng)用該技術(shù)后，重金屬濃度達到了二級標準，符合國家規(guī)定。

4 結(jié)束語

由于典型地質(zhì)背景區(qū)土壤重金屬污染具有連續(xù)性與不可逆性的特點，一旦爆發(fā)土壤重金屬污染，則污染對該區(qū)域周邊生態(tài)環(huán)境的污染與危害極大。因此，為深入探究土壤重金屬污染防治技術(shù)，提出了典型地質(zhì)背景區(qū)的土壤重金屬污染生態(tài)防治技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合實際研究區(qū)域，設(shè)計土壤樣品采集和研究方法后，通過分析土壤重金屬含量與垂向分布特征，采樣復(fù)合級淋洗劑對土壤重金屬污染進行修復(fù)與防治，并根據(jù)所提污染防治技術(shù)對區(qū)域重金屬的去除效果進行分析研究。該技術(shù)可以有效去除土壤中的重金屬，從而降低重金屬污染濃度。該研究旨在消除典型地質(zhì)背景區(qū)的重金屬污染隱患，確保生態(tài)環(huán)境安全，為土壤的風險評價與環(huán)境質(zhì)量標準的修訂提供借鑒價值。