污泥丙烯酸吸水树脂性能试验及在榆林矿区植被恢复中的应用

2022-04-01聂兴信付小艳程平孙锋刚

地质灾害与环境保护 2022年1期

聂兴信,付小艳,程平,孙锋刚

(1.西安建筑科技大学资源工程学院，西安 710055；2.西安建筑科技大学管理学院，西安 710055)

废弃地是一种极端退化的生态系统，土质结构差，水土流失及土壤重金属污染严重，导致植被难以生长。如今，我国的土地资源比较紧张，对废弃矿山的生态治理成为亟需解决的问题。吸水性树脂是具有三维网状结构的功能高分子材料，吸水质量可以达到自身质量的成百上千倍[1-2]。因其超高的吸水性能和优越的保水性能，被广泛应用于农业、医疗卫生、污水处理、建筑材料和化工制造等领域[3-5]。高吸水性树脂种类较多，如淀粉类、纤维类、有机-无机结合类等。聚丙烯酸类树脂是应用最为普遍的一类高吸水性树脂，具有合成工艺成熟、吸水率高、干燥后吸收的水分可释放等特征[6]。榆林位于陕西省北部，黄土高原和毛乌素沙地交壤处，矿产资源丰富，但气象灾害较多，干旱、霜冻、暴雨、大风等灾害几乎每年都有发生，特别是干旱、霜冻灾害严重[7]。水资源短缺是影响榆林矿区植被恢复的关键因素，研究污泥丙烯酸吸水树脂的性能及其对植被恢复、土壤的影响，对改善矿区的土壤质量、生态环境具有重要意义。

近年来，吸水树脂存在成本较高、生物降解性差等问题，且很少将吸水树脂应用于匮水矿区植被恢复中。基于此，本文拟提出低成本、环境友好的污泥丙烯酸吸水树脂技术，探讨污泥丙烯酸吸水树脂的性能及对植被恢复的作用效果，为匮水废弃矿区的植被恢复提供理论基础。

1 污泥丙烯酸吸水树脂性能试验

随着工业和城市的发展，污泥产量不断增加。据有关专家估计，我国2021年的污泥产量将超过8 000×104t[8]。污泥是具有利用价值的潜在资源，处置方式主要有填埋、投海、堆肥、自然干化以及焚烧等[9]。这些方法都能对污泥进行一定的处理，但是处理效率和质量无法保证，需要进一步研究污泥处理的科学、有效方法。

污泥丙烯酸吸水树脂的主要原料为污泥，污泥不需要烘干，只需微波杀菌后直接参与聚合反应。所用矿物材料为硅酸盐矿物，我国硅酸盐矿物存量丰富，原料的综合成本仅为当前修复同样效果土壤的1/2，价格优势明显。污泥丙烯酸吸水树脂同样具有吸水速度快、容量大、保水性强等特点，将在土壤抗旱保墒、预防水土流失、土壤性能等方面提供新的可能。

采用水溶液聚合法，以城镇污泥作为吸水材料，增加了污泥的利用途径。将吸水树脂引入污泥凝胶体系，有利于植物根系与外界的能量交换，达到降低吸水材料成本，科学化防水、保水的目的。

1.1 污泥丙烯酸吸水树脂的制备

(1) 调节恒温水槽温度至40 ℃。

(2) 冷水浴条件下，将一定量的氢氧化钠、丙烯酸中和，中和度在50%～85%。

(3) 称取3g丙烯酰胺加入上述混合溶液中，溶解后，加入到装有搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，于40 ℃恒温水浴锅中加热。

(4) 将一定量的引发剂过硫酸铵溶入适量水中，加入三口烧瓶中，反应约30 min。

(5) 将一定量的交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶于适量水中，加入三口烧瓶中。

(6) 将污泥经过微波杀菌消毒，称取适量污泥分散于水中，调节pH值(pH≈5.0)，反应2 h。

(7) 将液体倒出到容器中，放入真空干燥箱中，在80 ℃下烘干。

污泥丙烯酸吸水树脂制备工艺流程如图1所示。

图1 污泥丙烯酸吸水树脂制备流程图

1.2 吸水倍率测定

吸水倍率是指每克吸水性材料在一定条件下，所能够吸收最大水的质量，单位g/g。一般采用过滤、称量法测定。

(1)

式中，Q为吸水倍率，单位g/g；M1为吸水后的树脂质量，单位g；M0为吸水前的树脂质量，单位g。

取一定量的高吸水性树脂，用电子天平称其质量M0，将称量好的产品放入盛有蒸馏水的烧杯中，放置一段时间后过滤，称其质量为M1，根据式(1)，计算吸水倍率。吸水倍率越高，表明吸水树脂的吸水性越好。

1.3 保水能力测定

保水率是衡量保水能力的主要指标。保水率可用式(2)计算:

(2)

式中：R为保水率，单位%；M1为样品脱水前质量，单位g；M2为样品脱水后质量，单位g。

称取一定量吸水后的吸水树脂，置于80 ℃烘箱中加热,并于不同时间取出称重，根据式(2)计算保水率，绘制不同时间吸水树脂的保水率曲线图。

2 匮水矿区植被恢复试验

2.1 试验材料与设备

污泥丙烯酸吸水树脂、小黄杨幼苗(如图2所示)、紫穗槐幼苗、樟子松裸根苗。试验设备为花盆(高×直径：22 cm×30 cm)，HH2型高精度土壤水分测量仪。

图2 小黄杨幼苗

2.2 试验设计

为了研究污泥丙烯酸吸水树脂对土壤、植被生长的影响，选取小黄杨植株作为试验材料，以不同比例的保水剂作为试验变量进行研究。试验共分为5组，如表1所示。

表1 不同比例的保水剂

2.2.1 无植株实验

2019年6月，在花盆中加入营养土、5 kg等量土壤基质(其中砂∶风沙土=1∶2)，将其充分拌合，并均匀撒入保水剂。将土填至盆沿，浇透水。从实验开始后的0 d，测定各项指标(土壤水分含量)，每隔3 d测定1次，取土样日期为1 d，4 d，7 d和l0 d，重复3次。根据试验组掺入相应比例的保水剂后，置于走廊中，温度20 ℃～25 ℃，空气湿度60%，每一个试验组3盆。

2.2.2 有植株试验

2019年6月，选取生长状况一致的小黄杨植株，清洗根部土壤(不要伤根)，种植于花盆中，在花盆中加入营养土、5 kg等量土壤基质(其中砂∶风沙土=1∶2)，将营养土、土壤基质充分拌合，并均匀撒入保水剂。将土填至盆沿，浇透水。从试验开始后的0 d，测定各项指标，每隔3 d测定1次，重复3次，共测定10 d。根据试验组掺入相应比例的保水剂后，置于走廊中，温度20 ℃～25 ℃，空气湿度60%，每一个试验组3盆。

2.2.3 矿区植被恢复试验

(1) 试验区概况

TX矿行政区划隶属神木市神木镇管辖，南距榆林市约98 km，东距神木县14 km。地理坐标在东经110°10′05″～ 110°22′02″，北纬38°38′22″～38°41′07″之间。神木市为半干旱大陆性气候，多年平均气温8.6 ℃，7月份最高，平均23.9 ℃，多年平均降水量为435.92 mm，主要集中在7～9月，占全年降水量的69%。矿区内无大的河流，矿区附近的沟道流水属季节性水流，流量随季节变化大，补给条件比较差，且地表透水性差，大气降水主要形成地表径流流走，少量渗入补给地下水。矿区主要以黄土沟壑地貌为主，区内土壤主要为风沙土，占调查区面积的81.15%。

(2) 植被恢复试验

植被恢复试验于2019年3月至2019年8月在榆林废弃矿区压占区域种植，先进行土地平整，客土覆盖创造植物生长条件，覆盖厚度为30 cm，根据矿区气候、水文、土壤等条件，选择乔木樟子松、灌木紫穗槐作为栽植物种。采用植苗穴状整地方式，樟子松穴状整地规格为 60 cm×60 cm×60 cm，紫穗槐穴状整地规格为30 cm×30 cm×30 cm，株行距1.5 m×1.5 m。试验设为5组，每组栽植樟子松和紫穗槐各10株，共100株。矿区内土壤的理化性质、自然含水量等与试验条件基本一致，可供试验比较。

2.3 试验指标

(1) 土壤水分含量测定：采用铝盒法测定。在测定时，需均匀在植物四周选点，选点距植株根基25 cm～30 cm。

(2) 小黄杨植株株高变化：测量小黄杨植株高度。

(3) 植被恢复试验观测期为2019年3月至2019年8月，定期测定植树穴内的土壤水分含量，并于2019年8月调查樟子松和紫穗槐的成活率(当年的成活株数与栽植株数之比)，樟子松与紫穗槐种植效果图如图3所示。

图3 樟子松与紫穗槐种植效果图

3 复垦土壤环境质量评价

3.1 土壤环境质量评价方法

通过单因子污染指数得出综合污染指数的方法，能够较全面地评判其重金属的污染程度。其中，内梅罗指数法(Nemerow index)是评价土壤重金属污染时运用最为广泛的综合指数法，可以全面反映各重金属对土壤的不同作用，突出高浓度重金属对环境质量的影响，避免由于平均作用削弱污染金属权值现象的发生[10]。其计算公式为：

(3)

Pi=Ci/Si

(4)

式中,Ci为调查点位土壤中污染物i的实测浓度，mg/kg；Si为污染物i的评价标准值或参考值，mg/kg；P综合为综合污染指数；Pi为单项污染指数；Pimax为i污染物的最大单项污染指数。

根据P综合的大小，可将土壤污染程度划分为5级，如表2所示。

表2 土壤环境质量评价分级

3.2 土壤样品的采集与处理

2020年3月，在植被恢复研究区、对照区进行野外土壤采样工作，采样点均匀分布，采用梅花形法采集土壤样本，采集深度为0～20 cm的表层土壤5份，混合成一组合样，然后用四分法提取约500 g的土壤样本装入聚乙烯采样袋中[11]，贴上标签并注明采样点的标号、经纬度、采集时间等信息，带回实验室后，先挑去其中的石块、植物根系等杂质，然后放入实验室60 ℃的烘箱中，烘干时间为6 h。将烘干后的土壤样本用玛瑙研钵进行研磨，再过100目尼龙筛，将筛选后土样按标签封存，为后续重金属含量的测定做准备。

3.3 测定方法

土壤样品采用“王水-高氯酸”消解法消解，称取已过筛的土样0.50 g于100 ml三角瓶中，加入少量去离子水润湿，加10 ml王水，在三角瓶上盖弯颈漏斗，静置过夜；第二天，将土样置于电热板上加热，待棕烟冒尽后加3 ml高氯酸继续消解，直至样品无色透明。消解结束后，用去离子水冲洗，过滤至50 ml容量瓶中，定容，分批倒入叠有定量滤纸的漏斗，过滤至聚乙烯瓶，用火焰原子吸收分光光度计测定Pb、Zn、Cu、Cd、Cr、Ni 6种重金属含量。统计分析利用Excel 2016软件完成。

4 试验结果与分析

4.1 污泥丙烯酸吸水树脂性能分析

(1) 吸水倍率

未添加污泥和添加污泥的吸水树脂的吸水倍率随时间的变化如图4所示。

图4 吸水树脂的吸水倍率与时间的关系

由图4可知，初始未添加污泥的吸水树脂的吸水速率较快。其原因可能为添加污泥后，污泥本身的某些性质会对吸水树脂的吸水性能产生影响，包括污泥粒度小堵塞孔隙、重力施压和污泥本身对水分的吸附能力所带来的竞争效应，一定程度上削弱吸水树脂的吸水能力。随着时间的延长，添加污泥的吸水树脂的吸水倍率增大，最佳为763.4 g/g，这是因为吸水树脂有效吸收了污泥中的间隙水，污泥空隙增多，同时吸水树脂吸水后膨胀，使得污泥体积变大，结构性能改善；5 h后，吸水倍率上升趋缓，甚至出现回落的现象，主要是因为污泥中的水分由饱和阶段进入非饱和阶段，吸水树脂吸水不充分，不能充分膨胀[12]。

(2) 保水率

未添加污泥和添加污泥的吸水树脂的保水率随时间的变化如图5所示。

图5 吸水树脂的保水率与时间的关系

由图5可知，在80 ℃条件下，未添加污泥的吸水树脂与添加污泥的吸水树脂的保水能力相比，未添加污泥的吸水树脂的保水能力较好，这是因为添加污泥后，吸水树脂有效吸收了污泥中的水分，导致污泥自身含水率下降，同时空隙度升高，容易散发更多的水分[13]。6 h后，未添加污泥的吸水树脂保水率为43%，而添加污泥的为36%，保水率提高了16%。

4.2 污泥丙烯酸吸水树脂对土壤、植被的影响

(1) 无植株试验中保水剂对土壤含水率的影响

通过将保水剂与土壤基质混合研究保水剂对土壤含水率的影响，无植株试验的土壤含水率变化如图6所示。

图6 无植株试验土壤含水量变化图

由图6可知，第1 d测定土壤水分含量最高的是T1组，其值为42.01%，与其他组相比，差异较明显，其原因可能是土壤施用保水剂后，水分蒸发受到抑制，对水的保持能力提高，并且随着保水剂用量的增加，其保水能力越强。研究证明：在相同的土壤吸水率时，随着保水剂用量的提高，其土壤含水量也随之提高[14]。T0组的土壤含水量最低，其值为32.71%。

随着天数的增加，每组试验的土壤含水量呈现不同程度的变化。其中幅度变化最大的为T0组，从最初土壤含水量32.71%降至19.55%，降幅达到了40.23%。T4组的土壤含水量降幅最小，为19.86%。这说明保水剂对土壤水分具有固定作用，降低了土壤水分含量下降的速度。

(2) 有植株试验中保水剂对土壤含水率、植物株高的影响

通过将植株种植在含有保水剂的土壤中研究保水剂对土壤含水量、株高的影响，土壤含水量变化如图7所示，株高变化如图8所示。

图7 有植株试验土壤含水量变化图

图8 保水剂对植物株高的影响

由图7可知，第10 d试验各组的土壤水分含量均低于无植株各试验组，但是差距不明显。造成土壤水分含量差异不明显的原因可能是每次取土测定土壤水分含量时，翻动土壤造成水分蒸发以及添加保水剂后增大了土壤空隙，土壤通透性变好，加速了蒸发效应。T0组土壤水分含量降幅最大，从刚开始的32.14%降至18.77%，降幅值为41.60%，T4组土壤含水量降幅最小，为20.48%，降幅值均大于无植株试验组。

由图8可知，10 d后，T1组的株高差较明显，为1.21 cm，说明保水剂掺入比例越大，对植物生长效果越好。T0组的株高差最小，为0.51，其余3组株高差相差不大，但均大于T0组，可能由于时间太短，导致植物株高差不明显。但是从试验可以得出：保水剂可以保持土壤含水量，促进植物生长。

(3) 矿区植被恢复试验中保水剂对土壤含水量、植物成活率的影响

矿区植被恢复试验中保水剂对土壤含水量、植物成活率的影响如图9、图10所示。

图9 矿区植被恢复试验土壤含水量变化图

图10 矿区植被恢复试验植物成活率变化图

由图9可知：T0组的土壤含水量的降幅最大，为43.15%，T4组降幅最小，为30.83%。降幅值均大于无植株、有植株试验组。可能由于户外土壤含水量影响因素较多，如温度、湿度、降雨、土壤性质等，土壤水分含量下降较快，但与T0组的土壤降幅值相比，其余4组均小于T0组。

由图10可知：半年后，T1组樟子松、紫穗槐的成活率最高，分别为90%、95%；T0组最低，其他3组植物成活率差异不明显。这说明保水剂可以提高植物的成活率，不同掺量的保水剂对植物成活率的作用也不同。

4.3 土壤环境质量评价结果分析

(1)土壤样品重金属含量结果分析

植被恢复区域共采集20份土壤样品，编号为S1～S20，对照区采集10份土壤样品，编号为S21～S30，各土壤样品重金属含量测定结果如表3所示。

表3 复垦土壤各重金属含量测定结果

如表3所示，各土壤样品重金属含量中，Ni的平均含量低于陕西土壤背景值，Pb、Zn、Cu、Cd、Cr的平均值均高于陕西土壤背景值，分别是其的2.18、1.19、3.15、4.68、1.67倍，说明研究区土壤中Cu、Cd的富集程度高，特别是Cd元素。研究区表层土壤中重金属含量情况为：Cr>Zn>Cu>Pb>Ni>Cd，主要由于矿山开采、固体废弃物堆积、废水废气等的污染，使得研究区重金属元素的含量高于陕西土壤背景值。

(2) 土壤环境质量评价

土壤环境质量评价结果如表4所示，土壤样品S1～S20的污染等级为 Ⅰ，土壤质量清洁，S21～S30的土壤污染等级为 Ⅱ，土壤质量尚清洁。植被恢复区域的土壤质量好于对照区，一方面，植物的种植可以改善土壤的理化性质，吸收、转化部分重金属；另一方面，污泥丙烯酸吸水树脂中含有丰富的羧基(-COOH)，具有一定的重金属吸附能力。对于对照区，应该开展区域土地的复垦工作，提高土地的利用效率。