矿区污染土壤的土柱模拟淋洗修复研究

李 栎，雷国建，聂 静，文 波，汪才友，汪才超，汪成成

（1.湖南国重环境科技有限责任公司，湖南 长沙 410208；2.江西有机环境科技有限公司，江西 南昌 330096）

中国是世界上疆域辽阔、成矿地质条件优越、矿种齐全配套、资源总量丰富的国家，是具有自己资源特色的一个矿产资源大国。随着采矿业的发展，矿区附近的土壤及周边环境受到严重破坏，逐渐影响到矿区附近居民的正常生活［1］。

某矿区在开采过程中，矿区的生态环境没有得到及时的修复，导致矿区的环境问题愈发严重，矿区污染土壤的治理与修复刻不容缓。现阶段，矿区污染土壤修复技术主要有土壤淋洗技术、稳定化技术、植物修复等［2］。植物修复对重金属吸附效果较好，但植物生长缓慢、修复时间长制约该技术的发展［3］；稳定化技术只能将重金属固定，不能去除总量，限制后期的开发利用；土壤淋洗修复彻底，但技术要求高，修复费用较高［3，4］。对于不同的修复技术有不同的处理要求，而且在实际修复过程中，土壤环境以及污染物类型千差万别，因此要根据具体的污染情况，采取适合的处理技术进行修复，以期达到最好的修复效果［5］。根据该矿区实际情况，场地修复后仍要开发利用，且要求修复周期短，因此，采用土壤淋洗技术对矿区污染土壤进行修复，分别用清水以及EDTA（乙二胺四乙酸）对污染土壤进行淋洗，并对淋洗效果进行分析研究。

1 材料与方法

1.1 污染土壤样品

研究所用土壤取自该矿区，采样土壤分别为表层土壤（0～30 cm），中层土壤（30～60 cm）和深层土壤（60～100 cm）。将土壤中的各种杂物清除后置于室内干燥处进行风干，风干后的土样用玛瑙研钵进行研磨后并过筛，最后将土壤样品于干燥容器中保存待用。各层土壤理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

从表1中可知，土壤呈酸性，pH值随着土壤深度的增加而变大，酸性逐渐减弱，体现了土壤的吸附性能。土壤中有机质、速效磷、硝态氮以及阳离子交换量的含量随着土壤深度的增加而逐渐降低。

土壤有机质是土壤中含碳有机化合物的总和［6］。土壤有机质是土壤组成的主要部分，它能通过一定的机制与土壤中的有机污染物结合并固定去除土壤中的重金属离子，因此土壤有机质的含量一定程度上反映了土壤的肥力及养分状况［6，7］。该污染区的表层土壤有机质含量为二级标准，中层土壤和深层土壤有机质含量为四级标准。

速效磷是指土壤中易被植物吸收利用的磷，作为植物生长所需的元素之一，它对植物体内营养物质的运输、转化和积累起到促进作用［8，9］。硝态氮是硝酸盐中含有的氮元素，同样，它也会影响到植物的生长。该污染区表层土壤至深层土壤中速效磷的含量为3.61 mg/kg、1.04 mg/kg和0.81 mg/kg，而硝态氮的含量从表层到深层的含量分别为10.37 mg/kg、3.27 mg/kg和1.53 mg/kg，在表层土壤中，速效磷和硝态氮的含量较为丰富，中层土壤和深层土壤的含量逐渐降低。

阳离子交换量是指土壤中胶体能吸附的阳离子的总量，它在一定程度上反映了土壤中胶体颗粒的吸附性能［10］，污染区表层土壤的阳离子交换量为10.33 cmol/kg，中层土壤的阳离子交换量为3.26cmol/kg，深层土壤的阳离子交换量为2.93 cmol/kg，这表明随着土壤深度的增加，其吸附性能逐渐减弱。

1.2 土壤淋洗装置设计

土壤淋洗装置主要由4部分组成：（1）加药装置：加药装置主要由加药桶组成，将试验所用淋洗药剂投加即可；（2）计量泵：主要用来控制淋洗药剂的淋洗速率；（3）淋洗柱及固定支架：淋洗柱内径为30 cm，高度为120 cm，淋洗柱底部设有砂芯板用于支撑及分离；（4）淋洗液收集装置：淋洗液收集装置设于淋洗柱底部，将淋洗液收集起来防止二次污染。

1.3 试验方法

在土壤淋洗装置中，按细尼龙网、深层土壤、细尼龙网、中层土壤、细尼龙网、表层土壤、细尼龙网的顺序并根据土壤容重和采样高度将土壤样品进行填装。淋洗药剂分别为清水（pH为6.5）和EDTA（浓度为0.09 mol/L，用浓HNO3和NaOH溶液将pH调为3.0）。计量泵以10 L/h的速率进行淋洗，以淋洗药剂从淋洗装置底部流出开始计时，此后每隔1 h取样，量取淋洗液的体积并通过0.45μm滤膜对淋洗溶液中的铅、锌浓度进行测样。探究污染土壤在土壤淋洗过程中铅、锌浓度随时间的变化，通过计算得到土壤淋洗装置中铅、锌去除率随时间变化的规律。

1.4 分析方法

土壤样品关注污染物的分析测试按照《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 36600-2018）［11］和《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166-2004）中的指定方法进行。

2 结果与讨论

2.1 淋洗液体积收集的变化情况

计量泵以10 L/h的速率将淋洗剂投加到土壤淋洗装置中对污染土壤进行淋洗，淋洗过程中每小时淋洗液收集装置体积见表2。

表2 淋洗液体积变化

2.2 淋洗液中铅、锌浓度的变化情况

在土壤淋洗试验中，使用清水和EDTA对污染土壤进行淋洗，每小时淋洗液中铅、锌浓度的变化如图1所示。

图1 溶液中铅和锌浓度的变化

从图1中可以看出，淋出后EDTA中的铅浓度要远远高于清水中铅的浓度。随着时间的增长，清水和EDTA中铅的浓度逐渐接近，但EDTA中铅的浓度始终是高于清水中铅的浓度的。从第8 h开始，EDTA中铅的浓度较低，此后无明显变化。说明EDTA对铅的最佳淋洗时间为8 h。EDTA对土壤中锌的淋洗表现出了较好的效果，在第6 h时，EDTA中锌的浓度在100 mg/L左右，到第7 h时，EDTA中锌的浓度减为55.42 mg/L，从第7 h开始，EDTA中锌的浓度变化不明显，因此，EDTA对污染土壤中锌的最佳淋洗时间为7 h。在前4 h，清水对土壤中锌的淋洗也表现出了较好的效果，在第1 h时，锌的浓度为85.84 mg/L。从第4 h开始，清水对土壤中锌的淋洗效果基本没变化。

相较于淋洗溶液中铅浓度的变化，在最佳淋洗时间内，EDTA对污染土壤中锌的淋洗效果要优于铅的淋洗效果。

2.3 土壤中铅、锌去除率的变化

在清水和EDTA对污染土壤进行淋洗的过程中，可以通过淋洗液中铅浓度的变化计算出土壤中铅去除率的变化，其结果如图2所示。

图2 土壤中铅和锌去除率的变化

从图中可以看出，随着时间的增长，土壤中铅去除率逐渐增长然后趋于平缓不变。清水对土壤中铅的淋洗效果不明显，12 h内的淋洗去除率在10%以下。由图1可知，EDTA对铅的最佳淋洗时间为8 h，此时EDTA对土壤中铅的去除率为32.21%。在8～12 h之间，铅的去除率增长较为平缓，由32.21%增长到34.51%。

从图中可以看出，清水对土壤中锌的淋洗效果同样有限，去除率低于10%。从图1可知，EDTA对污染土壤中锌的最佳淋洗时间为7 h，此时去除率为28.01%，在2～7 h的5个小时内，去除率增长了14.12%。在接下来的7～12 h内，EDTA对锌的淋洗去除率较为平缓，由28.01%增长至32.81%。

3 结 论

EDTA对污染土壤中铅、锌的最佳淋洗时间分别为8 h和7 h，此时的去除率分别为32.21%和28.01%。达到最佳淋洗时间后，EDTA对土壤中铅、锌的淋洗效率变化不大，逐渐趋于平缓。在12 h时去除率达到最大，对铅、锌的去除率分别为34.51%和32.81%。这是因为在淋洗初期，土壤中易于淋出的铅、锌含量较高，所以淋洗液中铅、锌含量较高；随着时间的推移，土壤中铅、锌含量下降，从而也导致了淋洗液中铅、锌浓度降低。