废弃水基钻井液固相物与蚯蚓粪协同土壤化研究*

杜国勇 郑惠芸 郭昕原 蒋小萍 陈治宇

(西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500)

随着油气田钻井行业的不断发展，废弃水基钻井液的产量也在日益增加，其对环境的潜在污染不容小觑。目前，对于废弃水基钻井液的处理主要采用固化法，这种处理方式复杂、成本高、容易产生二次污染[1-2]，因此，对于废弃水基钻井液处理方式的改进一直是环境研究的热点。废弃水基钻井液是一种主要由黏土、钻屑、化学添加剂、无机盐等组成的多相稳定悬浮液[3-4]，能导致环境污染的主要污染物为重金属[5-6]。废弃水基钻井液中固相黏土、矿物含量很高[7-8]，这些物质主要来自土壤或岩石，因此可以尝试将废弃水基钻井液中的固相物质(以下简称固相物)转变为土壤并用于景观植物种植，但转化的关键是增加其中的营养成分、使其具有适当的保水性和疏松度，以利于植物生长[9]。

利用蚯蚓处理剩余活性污泥的技术持续发展[10]，其产生的蚯蚓粪含有丰富且更易被植物吸收利用的氮磷、有机质等营养元素[11]，是一种优质的有机肥料，加入到土壤中能提高土壤的疏松度和保水性。此外，蚯蚓粪中大量微生物和有机质能有效改善土壤的理化性质，增加土壤酶活性[12-13]，为土壤微生物的生存提供养分和能量，促进污染物的降解[14-15]。因此，可以尝试将蚯蚓粪同固相物协同作用使其转化为土壤进行利用。

基于此，本研究以固相物为研究对象，将固相物与蚯蚓粪按照一定比例混合制成试样土壤，在试样土壤中种植两种具有代表性的景观植物——空心菜和黑麦草，通过测定试样土壤物理化学性质以及种植前后重金属含量变化，探讨固相物与蚯蚓粪协同土壤化的可行性。为固相物作为土壤应用于景观性植物种植提供技术依据，并为废弃水基钻井液的处理探索更为环保、合理、无害化的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

废弃水基钻井液来源于四川某气田，经固液分离处理后取固相物进行试验；蚯蚓处理剩余活性污泥后产生的蚯蚓粪取自成都市某污泥处理公司。试验中所用的HCl、HNO3等药剂均为分析纯。

试验仪器：SX-4-10型马弗炉；UV-1901型双光束紫外—可见分光光度计；V-1800型可见分光光度计；AA7020型火焰原子吸收分光光度计。

1.2 试验方法

1.2.1 试样土壤的配制及性质测定

根据试验设计，将固相物与蚯蚓粪按照一定的比例混合制得试样土壤，分别用高为17 cm，直径为19 cm的聚氯乙烯(PVC)盆盛装，每盆盛装量为2 kg，以30株/盆的种植密度播种空心菜和黑麦草种子。空心菜和黑麦草均能较好适应恶劣的土壤环境，且对土壤中的重金属等污染物具有一定的吸收作用，在60 d的种植过程中，每隔一段时间向试样土壤中补充一定水分。

通过标准方法测定固相物与蚯蚓粪的理化性质及重金属含量，对标《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)，分析试样土壤种植景观植物的可行性。从表1可以看出，固相物有机质、氮磷等营养物质较低，蚯蚓粪营养物质丰富，因此，在固相物中添加一定蚯蚓粪能弥补其作为土壤营养物质缺乏的劣势。根据GB 15618—2018，固相物与蚯蚓粪中虽个别重金属指标超出农用地土壤污染风险筛选值，但均满足农用地土壤污染风险管制值要求，可以用于景观植物的培养种植。

1.2.2 样品的采集及分析

试验每进行一段时间，采用四分法对试样土壤进行取样分析[16]，其中土壤有机质按照《固体废物 有机质的测定 灼烧减量法》(HJ 761—2015)测定；氮、磷和重金属均为试样土壤经过风干后以干基进行分析测定，土壤氮含量采用氧化剂(碱性过硫酸钾)提取后，取清液按照《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定；土壤磷含量采用盐酸提取后，取清液按照《水质 总磷的测定 流动注射-钼酸铵分光光度法》(HJ 671—2013)测定；Cu、Zn按照《土壤质量 铜、锌的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)测定；Ni采用《土壤质量 镍的测定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17139—1997)测定；Pb、Cd采用《土壤质量 铅、镉的测定 KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17140—1997)测定；Cr采用《土壤和沉积物 铜、锌、铅、镍、铬的测定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)测定。

2 结果与讨论

2.1 固相物与蚯蚓粪混合比例的选取

为确定土壤化最佳条件，将固相物与蚯蚓粪分别按照1∶0、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、0∶1的比例(质量比，下同)混合并种植空心菜和黑麦草，测定各试样土壤中空心菜与黑麦草种子发芽率及相对发芽率[17]，结果如表2所示。由表2可见，纯固相物中空心菜及黑麦草的发芽率及相对发芽率均为0，随着试样土壤中蚯蚓粪的比例逐渐增加，空心菜及黑麦草的发芽率均显著增大，纯蚯蚓粪中空心菜、黑麦草发芽率分别达到93.33%、96.67%，相对发芽率均达100.00%。因此，在固相物中添加蚯蚓粪能有效改善试样土壤环境。从植物生长的角度来看，蚯蚓粪混合比例过低不利于植物发芽，为使固相物土壤化后用于土壤种植，试样土壤中固相物所占比例宜在1∶8以下。因此以下对固相物∶蚯蚓粪为1∶8、1∶10的试样土壤进行分析，讨论固相物土壤化的可能性。

表1 固相物与蚯蚓粪理化性质

注：1)以质量分数计；2)为6.5

表2 固相物∶蚯蚓粪对植物发芽率的影响

2.2 试样土壤物理性质

物理性质是评价土壤质量的重要依据，可反映土壤结构属性，影响土壤保持和供应水肥的能力，主要参数包括土壤容重、土粒密度和孔隙度[18]。分别测定固相物∶蚯蚓粪为1∶0、1∶8、1∶10、0∶1的试样土壤在未经压实、自然状态下的土壤物理性质，结果如表3所示。由表3可见，固相物的容重较高，孔隙度较低，即土壤疏松度和通气透水性较差；蚯蚓粪容重低，孔隙度高，具有较好的土壤疏松度和通气透水性，适宜种植植物。固相物∶蚯蚓粪为1∶8和1∶10的试样土壤总孔隙度均提高到70%以上，接近纯蚯蚓粪，可见在固相物中加入一定比例的蚯蚓粪能有效改善试样土壤物理性质，提高试样土壤种植植物的可行性。

表3 试样土壤基本物理性质

2.3 试样土壤化学性质

2.3.1 有机质

有机质是表征土壤肥力的重要指标[19]，固相物中有机质质量分数仅占2.99%，植物种植不能成活，蚯蚓粪中有机质质量分数高达58.78%，有助于植物生长。固相物∶蚯蚓粪为1∶8时，试样土壤有机质为43.16%，植物能生长，但在此条件下植物发芽率较低，生长速度也较缓慢。固相物∶蚯蚓粪为1∶10时，试样土壤有机质为49.93%，在该试样土壤中种植的空心菜和黑麦草相对发芽率均在70%以上，虽长势稍弱于在纯蚯蚓粪中的长势，但仍能较好生长。在60 d的种植过程中，试样土壤中有机质的变化如图1所示。可以看出，纯固相物因无植物生长且土壤微生物活性较低，有机质含量保持不变，其他试样土壤有机质均在种植0～30 d大幅下降，30～60 d植物生长速度减缓，土壤有机质降幅也有所变缓。固相物∶蚯蚓粪为1∶8、1∶10、0∶1的试样土壤，种植空心菜60 d后土壤有机质分别降低到19.93%、20.86%、25.86%，种植黑麦草60 d后土壤有机质分别降至15.65%、22.04%、29.25%。

图1 种植过程试样土壤有机质的变化Fig.1 Variation of organic matter of tested soil during the planting

2.3.2 总氮及有效氮

氮是植物生长必不可少的营养元素，植物在生长过程中直接吸收利用的是有效氮[20-21]，不同试样土壤在植物种植过程中总氮及有效氮的变化如图2所示。由图2可见，纯固相物中总氮及有效氮质量浓度分别为0.87、0.26 g/kg，种植过程中植物不能生长，总氮及有效氮含量不变；其他试样土壤在植物种植0～30 d总氮及有效氮含量下降趋势明显，30～60 d由于植物生长较缓慢，植物对氮素的吸收降低，氮素变化相对平缓。固相物∶蚯蚓粪为1∶8、1∶10、0∶1的试样土壤总氮质量浓度分别为3.59、3.75、4.16 g/kg，有效氮质量浓度分别为2.05、2.10、2.59 g/kg，在种植空心菜60 d后，总氮分别降至2.01、2.43、2.51 g/kg，有效氮分别降至1.32、1.46、1.36 g/kg，种植黑麦草60 d后，总氮分别降至2.60、2.66、2.94 g/kg，有效氮分别降至1.25、1.30、1.35 g/kg。蚯蚓粪中丰富的氮元素能有效改善固相物氮素缺乏的问题，有益于固相物的土壤化。

2.3.3 总磷及有效磷

磷也是土壤营养评价不可或缺的指标[22]。不同试样土壤在植物种植过程中总磷及有效磷的变化如图3所示。由图3可见，与有机质及氮素变化趋势相同，种植过程中纯固相物总磷及有效磷基本未发生变化，一直保持在较低水平。其他试样土壤总磷及有效磷也在种植0～30 d快速下降，30 d后变化平缓。固相物∶蚯蚓粪为1∶8、1∶10、0∶1的试样土壤总磷质量浓度分别为0.85、1.18、1.73 g/kg，有效磷质量浓度分别为0.25、0.26、0.39 g/kg，种植空心菜60 d后，总磷分别降至0.47、0.70、0.78 g/kg，有效磷分别降至0.15、0.17、0.19 g/kg，种植黑麦草60 d后，总磷分别降至0.36、0.39、0.66 g/kg；有效磷分别降至0.14、0.15、0.16 g/kg。一般土壤总磷在0.10～0.15 g/kg，有效磷在0.01～0.02 g/kg[23]，固相物与蚯蚓粪制得的试样土壤中含有充足的有效磷，完全满足景观植物生长对磷元素的需求。

2.4 重金属

重金属是土壤监测的重要指标[24-25]，鉴于纯固相物种植过程中无植物生长，重金属元素含量变化不大，因此对固相物∶蚯蚓粪为1∶8、1∶10、0∶1的试样土壤植物种植前后的重金属(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)含量进行分析，结果见表4。由表4可见，在植物种植60 d后，3种试样土壤中重金属含量都有不同程度的下降，且植物植株中5种重金属均有检出，说明植物对土壤中重金属有一定的吸收作用。由此可知，利用蚯蚓粪使固相物土壤化并通过种植重金属超富集植物可有效降低试样土壤中的重金属，是固相物无害化处理的可行方法。

图2 种植过程试样土壤总氮和有效氮的变化Fig.2 Variation of total nitrogen and available nitrogen of tested soil during the planting

图3 种植过程试样土壤总磷和有效磷的变化Fig.3 Variation of total phosphorus and available phosphorus of tested soil during the planting

表4 植物种植前后试样土壤及植物中重金属变化

3 结 论

(1) 将固相物与蚯蚓粪混合制成试样土壤，蚯蚓粪有助于降低试样土壤的容重，提高试样土壤孔隙度，增加试样土壤通气透水性，蚯蚓粪还能有效提高试样土壤的有机质和氮磷含量，提高试样土壤肥力，使试样土壤具备植物种植的基本物化条件。为使固相物土壤化后用于土壤种植，试样土壤中固相物所占比例宜在1∶8以下，固相物∶蚯蚓粪为1∶10时植物长势更佳。

(2) 试样土壤在种植空心菜和黑麦草后重金属含量降低，且空心菜和黑麦草植株中各种重金属均有检出，表明植物对试样土壤中的重金属有一定的吸收作用。因此，利用蚯蚓粪与固相物协同土壤化并通过种植重金属超富集植物降低试样土壤中的重金属，是固相物无害化处理的可行方法。