螯合剂GLDA淋洗修复土壤重金属污染研究

金 晶，高国龙，王 庆，王殿二，袁旭音

(1.光大环境修复(江苏)有限公司，江苏 南京 211100；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

1 引言

采矿、熔炼、电镀等行为造成土壤重金属污染日益严重，其中土壤中镉(Cd)、铅(Pb)、锌(Zn)、镍(Ni)等污染最为严重。由于重金属在土壤环境中长期存在，对人体健康、生态环境构成严重威胁。目前，土壤重金属污染已成为全球关注的焦点问题之一[1～5]。我国南方地区一直以来是农业生产发达的地区，而黄棕壤作为南方地区重要的耕作类型，这些地区长期大量施用化肥农药已经带来了严重的土壤重金属污染问题，耕地重金属污染关系农产品安全[6，7]，因此，有必要开展耕地重金属修复治理工作。

土壤淋洗技术与其他重金属修复技术相比，具有高效、操作简便、效果明显的特点。淋洗技术的关键在于淋洗剂的选择，近年来众多学者开始关注使用螯合剂进行土壤淋洗[8～10]。其中，乙二胺四乙酸(EDTA)是最常用的土壤重金属修复高效淋洗剂[11～13]，但是EDTA的生物可降解性差，会持续对土壤微生物和植物造成不利影响[14，15]。鉴于这种需求，一种新型环保螯合剂谷氨酸N,N-二乙酸四钠(GLDA)引起研究者关注，与EDTA相比，GLDA具有优良生物降解性，28天内，降解率可达80%以上，降解产物对环境无不良影响[16～18]。另外，毒性试验表明，它不会对生物体构成健康风险[19]。

对于螯合剂GLDA的应用与研究，最早开始于清洁剂、工业洗涤剂等方面，在环境保护方面的研究主要用于废水、工业污泥中重金属的去除，在淋洗修复土壤重金属方面的系统研究相对较少[20]。

本研究采用响应面方法(RSM)优化试验设计[20，21]，以GLDA浓度、pH值和淋洗时间作为独立变量，土壤重金属去除率作为响应变量，分析独立变量与响应变量之间的关系以确定最佳淋洗条件。并在最佳淋洗条件下，采用改进式BCR连续提取法对污染土壤重金属淋洗前后重金属形态进行研究[22]，验证模型的同时，结合重金属形态变化评价GLDA的淋洗效果，以期为土壤重金属污染控制与环境修复提供借鉴。

2 材料与方法

2.1 样品采集与分析

2.1.1 供试土壤

土壤样品采集时间为2016年6月，样品取自南京市境内某矿渣冶炼厂附近的农田(E:118°45′，N：32°10′)。样品采集使用梅花形采样法，采集6个子样品组成一个混合样品，采样深度为0～20 cm，所采集土壤为我国南方典型黄棕壤。土壤样品经自然风干、过2 mm筛网备用，供试土壤为酸性土壤，pH值为6.06±0.14，Cd含量0.867±0.03 mg/kg，Pb含量157.8±5.4 mg/kg， Zn含量385.5±10.3，Ni含量235.5±8.7 mg/kg，分别是南京市土壤背景值[23]的6.2、6.9、4.9、5.9倍。供试土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤的基本理化性质

注：实验结果为平均值±标准差(三组平行实验)

2.1.2 重金属含量及形态测定

土壤样品经HNO3-HCl-HF-H2O2消解后，采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES，安捷伦)检测分析Cd、Pb、Zn、Ni含量，所有样品重复测定3次，取平均值并使用标准参考样品进行检验。

土壤中重金属赋存形态采用欧共体标准物质局提出的改进式BCR连续提取法对淋洗前后土壤样品进行分级提取[22]，依次得到4种形态重金属：酸溶态(F1)、可还原态(F2)、可氧化态(F3)、残渣态(R)，依次采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES，安捷伦)检测各重金属形态含量，所有样品4种形态含量之和与直接测定的总量进行对比，回收率为81.2%～108.1%。

2.2 淋洗试验

2.2.1 淋洗及测定方法

本试验以淋洗pH值、淋洗时间、淋洗剂的浓度为控制对象，旨在得出GLDA淋洗剂去除污染土壤中重金属的相应最佳淋洗条件。

称取相应组数待试土样，均为5.0 g，按照液固质量比10∶1分别加入不同pH值(以5%HNO3以及5%NaOH溶液作为pH值调节剂)、不同浓度GLDA溶液(浓度梯度4～20 mmol/L)于100 mL离心管中，将其置于恒温振荡器中振荡不同时间(120 r/min，淋洗时间范围20～240 min)，离心管放置方向与振荡方向一致，振荡结束，使用离心机(4500 r/min)离心8 min，取上清液，使用0.45 μm水系滤头过滤，每个处理两个平行样。使用电感耦合等离子体发射光谱法测定淋洗液中重金属含量，并以此计算重金属的去除率。

通过RSM得出最佳淋洗条件，在最佳淋洗条件下，对污染土壤进行淋洗，测定重金属去除率，并按照改进式BCR测定淋洗前后土壤重金属形态。改进式BCR将重金属分为四种形态，即酸溶态、可还原态、可氧化态和残渣态。酸溶态重金属包括可交换态、碳酸盐结合态两种形态，对环境变化敏感，低pH容易迁移；可还原态通常指铁锰氧化物结合态重金属，受土壤pH和氧化还原条件影响大；可氧化态通常指有机结合态重金属，主要反映水生生物活动以及人类排放富含有机物质的废水情况；残渣态重金属能够长期稳定存在于土壤中，受矿物成分、岩石风化以及土壤侵蚀影响。

2.2.2 淋洗试验设计

采用RSM进行淋洗试验设计，本方法选定3种考察因素，分别是GLDA浓度、pH值、淋洗时间，参考Wang[20]、焦维琦[24]等人的研究结果，设定GLDA浓度、pH、淋洗时间因素的高值分别为20 mmol/L、6、240 min，低值分别为4 mmol/L、3、20 min，响应变量分别为Cd、Pb、Zn、Ni的去除率(%)。RSM实验设计的方案为17次独立变量的组合，包括12个因素实验以及5个中点重复实验，具体见表2所示。

2.3 数据处理与分析

采用SPSS23.0对土壤样品中重金属含量进行描述性统计分析、方差分析以及回归分析。本研究每个样品的测定均进行3组平行实验，参数误差限均在5%以下，方差均值LSD-t检验显著性P<0.05。

3 结果与讨论

3.1 模型拟合与方差分析

按照RSM设计分组结果进行实验，使用GLDA作为淋洗剂修复污染土壤，共获得17组实验结果，Cd、Pb、Zn、Ni的去除率如表2所示。并对表2中的数据进行多项式模型拟合，以预测重金属的去除效率。模型拟合的方差分析结果如表3所示，四种重金属的三元二次多项式模型的F值分别为23.11、13.01、43.47、31.14，并且P值均小于0.01，表明该模型对当前淋洗实验的优化研究十分有效。表3中，四种重金属的拟合曲线R2均大于95%，接近100%，表明模型能够解释绝大部分数据。此外，模型模拟过程对精度充分性(Adequate Precision)进行了评估，4种重金属的精度充分性均大于4，根据Kosti[25]、Mohammadi[26]等人的分类方法，精度充分性大于4，表明模型拟合效果很理想。

表2 RSM淋洗试验设计及污染土壤中重金属的去除率

注：X1：GLDA浓度、X2：pH、X3：淋洗时间；1：高值、-1：低值、0：中心点

表3 二次多项式模型拟合土壤重金属去除率的方差分析

图1 预测去除率与实际去除率拟合曲线及重金属预测去除率残差对比

以实际实验过程得出的去除率为自变量，模型的预测值为因变量拟合曲线，模型拟合数据与实际实验数据均匀地分布在曲线y=x附近，此外，残差与预测值在图上呈现无规律分布，表明三元二次多项式模型适用于模拟淋洗修复土壤重金属的去除率。同时也说明RSM优化实验分组的科学性。

3.2 不同淋洗条件与去除效果关系研究

本研究使用RSM来阐释GLDA浓度、pH值以及淋洗时间对土壤重金属去除效果的影响，拟合回归模型用于预测不同淋洗条件下的洗脱效果，采用3D响应面结合2D等值线图展示3种淋洗条件之间的相互作用及其对重金属洗脱效果影响。分别选取两个因素为变量，另一个变量保持在中心值，显示变量之间的响应关系，如图2所示。Mukhopadhyay[27]等人研究结果显示，圆形等值线图表明，对应变量之间的相互作用可以忽略，而椭圆形等值线图则相反。总体而言，GLDA浓度、pH值以及淋洗时间与重金属洗脱效率存在显著相关关系，GLDA浓度越大、pH值越小以及淋洗时间越长重金属的洗脱效率越高。

由图2可知，扭曲的响应面和椭圆形等值线图表明GLDA浓度、pH以及淋洗时间之间存在强烈的相互作用。在GLDA浓度4～16 mmol/L范围内，Cd、Pb、Zn、Ni的去除率随着GLDA浓度的升高稳定增长，但是pH值对重金属洗脱效率影响较小，这一结果似乎与Wang[20]、焦维琦[24]以及Wu[18]等人的研究相悖，这主要与供试土壤pH值为酸性以及淋洗剂pH选取范围较窄有关。对比pH值、GLDA浓度和淋洗时间、GLDA浓度，可以发现前者在GLDA：4～16 mmol/L浓度范围内，洗脱效率稳定增加，而16～20 mmol/L浓度范围则增加缓慢；后者GLDA：4～20 mmol/L浓度范围内，洗脱效率持续增加，表明在实验pH值范围内，淋洗时间是主要限值变量，对洗脱效率起主要作用。

3.3 最佳淋洗条件确定

根据以上分析，预测模型能够可靠的模拟GLDA淋洗修复土壤重金属的去除率，符合RSM优化实验设计的初衷，以获得最佳淋洗条件。根据模型拟合结果，最佳淋洗条件：GLDA浓度为19.23 mmol/L、pH值为4.02、淋洗时间为146.54 min，在此条件下，模型预测的土壤Cd、Pb、Zn以及Ni的去除率分别为94.68%、88.21%、75.26%以及92.69%。为评价预测结果的适用性以及有效性，在最佳淋洗条件下进行淋洗实验，测定4种重金属的去除效率，实际实验Cd、Pb、Zn、及Ni的去除率分别为89.6%、80.5%、68.2%及83.1%，由此可知实际实验所得结果均在预测值的95%置信区间内，表明RSM是优化土壤淋洗去除重金属实验的可靠工具。

常规淋洗剂EDTA、EDDS以及酒石酸对土壤中Cd、Pb、Zn及Ni的去除率在54%～98%范围，而GLDA对土壤重金属具有较高去除率的同时，能够在自然环境中快速降解，不会产生二次污染，具有替代传统淋洗剂的潜力。

图2不同淋洗条件下Cd、Pb、Zn、Ni去除率3D响应面

3.4 土壤重金属形态分析

在模型预测的最佳条件下，即：GLDA浓度为19.23 mmol/L、pH值为4.02、146.54 min，进行污染土壤重金属淋洗实验，按照改进式BCR分级提取法，测定淋洗实验前后重金属形态，所得结果如图3所示。

由图3可知，淋洗实验后，残留在土壤中的形态主要是残渣态，下降的相对比例最少，而酸溶态的下降比例最多，其余两种形态下降比例相近，这主要是由于残渣态重金属通常存在于硅酸盐、次生矿物等土壤晶格中，性质稳定难以洗脱释放，而酸溶态主要是碳酸盐结合态，对环境pH最为敏感，在低pH值时易释放。残渣态Zn含量比例明显高于其他3种重金属，占比达62.8%，因此，洗脱效率最低。注意到，Ni的去除率高于Pb，这可能是由于Ni与GLDA的螯合稳定常数12.74，高于Pb与GLDA的螯合稳定常数11.60，以及酸溶态Ni含量比例远高于Pb。

图3 淋洗前后土壤中重金属形态含量对比

对比淋洗前后土壤重金属形态[28]，可以发现，残渣态重金属含量比例明显升高，酸溶态重金属含量比例下降明显，其余两种形态持平，这表明淋洗有助于土壤重金属稳定化。

4 结论

本文使用绿色环保螯合剂GLDA，对我国南方典型黄棕壤耕地进行重金属污染淋洗修复，采用RSM优化实验分组结合三元二次多项式模型拟合以获取最佳淋洗条件，并在模型拟合过程中使用方差分析等方法对拟合效果进行评价，最后在模型预测的最佳淋洗条件下，进行淋洗实验以验证模型的精度。本研究主要得出以下结论。

(1)螯合剂GLDA具有优良的重金属洗脱性能，具有替代传统淋洗剂的潜力，并对受重金属污染的黄棕壤具有优良修复效果。

(2)RMS是一种有效的优化实验分组以获取最佳淋洗条件的方法，结合多项式拟合能够很好的对淋洗效率进行预测和模拟。本研究预测的GLDA浓度、pH、淋洗时间分别为19.23 mmol/L、4.02、146.54 min，对应的土壤Cd、Pb、Zn以及Ni的去除率分别为94.68%、88.21%、75.26%以及92.69%。

(3)淋洗实验对酸溶态重金属的去除效率最高，对残渣态重金属的去除效率最低，另外淋洗有助于土壤重金属稳定化。