气化渣与沙土复配土壤中重金属的淋溶特征研究

付 咪 ,路 培 ,何林卫 ,杨 斌 ,孙利鹏 ,李 强

(1.榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000;2.陕西省陕北矿区生态修复重点实验室,陕西 榆林 719000)

作为支柱性产业,煤炭在中国能源中占有最主要的地位。直到今天,中国能源的近3/4 生产总量都是来自煤炭[1]。目前煤炭的开采主要有露天和井工两种方式,其中露天开采时会造成土壤的剥离,而井工开采则容易造成土地表塌陷,无论以上哪种方式都会对当地环境造成影响[2]。煤气化是指煤在一定温度及压力下与蒸汽、空气或O2等气化剂发生化学反应,将煤转化成CO 和H2,同时会产出蒸汽、焦油、灰渣等副产品的过程[3]。由于煤气化过程的高温(800～1 300 ℃)和激冷作用,气化渣呈现出比表面积大、多孔均孔特性,这为气化渣在荒漠化防治中的应用提供了可能和潜力[4-6]。气化残渣化学组成的差异与煤的灰分组成、助熔剂类型和引入量以及气化工艺等因素有关,SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3共四种氧化物构成主要化学成分,其含量均大于85%,除此之外,气化残渣中酸性氧化物(SiO2+Al2O3)含量超过45%,而碱性氧化物含量小于30%[7]。土壤中的重金属具有持久性和累积性[8],危害人类生活和健康。

基于以上论述,本文通过对气化渣与沙土复配土壤中重金属在垂直方向的淋溶变化规律探究,从而系统的评估气化渣生态化利用的可行性。

1 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

该试验在榆林学院陕西省陕北矿区生态修复重点实验室进行。将取自榆阳区本地的沙土与某化工企业在煤气化过程中产生的气化渣通过不同比例进行复配,试验以沙土和气化渣和沙土复配土(复配比为:15%、20%、25%、30%、35%和40%)为研究对象,分析重金属在自然淋溶状态下(镉、铬、砷)随土壤深度和复配比的分布特征。

1.2 实验过程

本试验依据土壤学中“质地结构理论”将气化渣和沙土进行配比。设置15%、20%、25%、30%、35%、40%共6 个处理,静置一段时间后,用专用土壤取样器采集0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm 和20～30 cm 土层土样以供重金属检测,重金属采用X 荧光元素分析仪。共30 个土样,每个试验同时设三个重复。通过公式计算重金属含量,并分析不同复配土中重金属含量及复配土中重金属随土壤深度变化特征。

1.3 数据分析

本实验数据整理和作图采用Microsoft Excel 2019 软件进行,柱状图、折线图在Excel 中输入数据完成。

2 结果与讨论

2.1 重金属铬元素随土壤深度和复配比的分布特征分析

从图1 可看出,重金属铬含量随着土壤土层深度的增加呈现出增大的趋势,即5 cm<10 cm<15 cm<20 cm<30 cm。气化渣配比为25%的处理在5 cm处和10 cm 处的铬元素含量分别为8.5 mg、9.6 mg。6 个不同配比的复配土在10 cm 和5 cm 处含量差别分别为为:4 mg、16 mg、20 mg、21 mg、21 mg、28 mg。10 cm～20 cm 铬元素差量随着复配比逐渐增大,差量最大的是气化渣含量40%的复配土为28 mg,差量最小的是15%的复配土为4 mg。图2 是10 cm 和20 cm 两个不同土层铬元素随复配比的变化。从图中可看出铬元素含量在两个土层中随着气化渣含量的增加而增加,即15%<20%<25%<30%<35%<40%。具体表现为:10 cm 处的土层铬元素含量分别为:15 mg、17 mg、21 mg、25 mg、33 mg、40 mg。20 cm 处的铬元素含量分别为:19 mg、33 mg、41 mg、46 mg、54 mg、68 mg。2 个不同土层铬元素含量差分别为:71 mg、118 mg,铬元素差量20 cm>10 cm。

图1 重金属铬随土层深度的分布变化特征

图2 重金属铬随复配比的变化特征

2.2 重金属镉元素随土壤深度和复配比的分布特征分析

图3 可看出,重金属镉含量随着土壤土层深度的增加呈现出增大的趋势,即5cm<10cm<15cm<20cm<30 cm。气化渣含量为20%的配比土样在5 cm 处和10 cm 处的镉元素含量分别为7.4 mg、8.8 mg。6 个不同配比复配土在10 cm 和5 cm 这2 个土层间镉元素含量差量分别为:2.2 mg、1.4 mg、1.1 mg、0.7 mg、2 mg、2 mg。气化渣为15%的复配土,10 cm～20 cm 镉元素含量差最大,为2.2 mg。差量最小的是30%的复配土,为0.7 mg,在气化渣配比为15%～30%之间,随着气化渣含量的增大,镉元素5cm 和10cm 之间的差量在逐渐减小。由图4 可看出10 cm 和20 cm 两个土层镉元素含量随复配比的变化,即复配土中镉元素含量随着气化渣含量的增加而增加。10 cm 处的土层镉元素含量分别为:5.9 mg、7.4 mg、8.5 mg、9.5 mg、10.7 mg、11.4 mg,20 cm 处的镉元素含量分别为:8.1 mg、8.8 mg、9.6 mg、10.2 mg、12.7 mg、13.4 mg。2 个不同土层铬元素含量差分别为:8.8 mg、8.6 mg。

图3 镉随土层深度的分布变化特征

图4 重金属镉随复配比的变化特征

2.3 重金属砷元素随土壤深度和复配比的分布特征分析

图5 可看出,重金属砷含量随着土壤土层深度的增加呈现出增大的趋势,即5 cm<10 cm<15 cm<20 cm<30 cm。气化渣含量35%的处理在5 cm 处和10 cm 处的砷元素含量分别为0.74 mg、1.71 mg。6个不同复配土的在2 个土层砷元素差量分别为:0.32 mg、1.01 mg、0.72 mg、0.8 mg、0.97 mg、1.02 mg。差量最大的是气化渣含量40%的复配土,为1.02 mg,其次是20%的复配土,差量为1.01 mg,在气化渣含量25%～40%之间,随复配比的增大,砷元素含量增加,在此区间,含量最小的是25%的复配土,砷含量差量为0.72 mg。图6 可看出,10 cm 和20 cm 两个不同土层砷含量随气化渣复配比的变化,即含量随着气化渣含量的增加而增加,具体表现为:15%<20%<25%<30%<35%<40%。10 cm 处的土层砷元素含量分别为:0.06 mg、0.09 mg、0.53 mg、0.70 mg、0.74 mg、1.11 mg,20 cm 处的砷元素含量分别为:0.38 mg、1.10 mg、1.25 mg、1.50 mg、1.71 mg、2.13 mg。2 个不同土层种复配比砷元素含量差分别为:1.91 mg、1.83 mg。砷元素差量10 cm>20 cm。

图5 砷元素随土层深度的分布变化特征

图6 砷元素随复配比的变化特征

3 结论与讨论

(1)复配土重金属(铬、镉、砷)随着复配比例的增加呈增加趋势,且重金属含量在较深土层内具有一定的富集现象,对于同一种重金属而言,复配比愈高,富集比也愈大。20 cm 土层与10 cm 土层含量之比的倍数分别为:铬Cr(1.26～1.95 倍)、镉Cd(1.13～1.37 倍)、砷As(1.92～2.82 倍)。

(2)同一气化渣复配比条件下,复配土重金属元素(铬、镉、砷)含量随土层深度逐渐增加。其中,铬元素在气化渣复配比为15%时10 cm 和20 cm 两个土层含量差量最小,随复配比两土层差量变化幅度10 cm<20 cm;镉元素在气化渣复配比为30%时,10 cm 和20 cm 两土层含量差量最小,随复配比两土层差量变化幅度10 cm>20 cm;砷元素在气化渣复配比为25%时,10 cm 和20 cm 两土层含量差量最小,随复配比两土层差量变化幅度10 cm>20 cm。说明气化渣复配比越小,重金属迁移越小,稳定性越大,越利于固化稳定重金属。