生物炭组配膨润土对铬污染土壤原位钝化修复效果

2023-12-13房彬李书锋刘建阔薛二军马劲路明

再生资源与循环经济 2023年11期

房彬，李书锋，刘建阔，2，薛二军，2，马劲，2，路明，2

（1.山东创业环保科技发展有限公司，山东临沂 276400；2.天津创业环保集团股份有限公司，天津 300381；3.昌都市蓝天圣洁产业投资有限责任公司，西藏昌都 854000）

原位钝化修复的基础工作是筛选高效低成本环境安全以及对土壤负面扰动较小的钝化剂。近年来生物炭作为一种新型环境功能材料因其优良的环境效应和生态效应成为农业生态修复和环境保护领域的研究热点。生物炭孔隙结构发达、比表面积大和独特的表面化学特性，对环境介质中的重金属离子有很强的吸附作用，还能通过提高土壤pH 和有机质含量，改变土壤氧化还原电位及土壤微生物群落组成，进而影响重金属离子的迁移和归宿，成为一种潜在的高效土壤修复剂[1-2]。膨润土是以蒙脱石为主要成分的天然含水黏土矿物，具备价格低廉、储备量大、吸附性能好、层间包含大量的可交换无机阳离子等特性，使其在土壤污染修复方面具有很大的潜力[3]。

不同钝化修复剂对于不同种类重金属的钝化作用机理不同，比如改变土壤pH 值、离子交换、吸附作用、配合作用、共沉淀等，钝化效果也存在一定的差异。开展钝化剂的组配和应用研究，克服单一钝化材料的缺点并实现协同增效具有理论和实践意义。因此，本研究采用生物炭及生物炭-膨润土复合材料，通过工业遗留场地现场修复和调控试验，研究两种钝化材料对Cr污染土壤毒性浸出的影响，考察钝化修复效果，为生物炭-膨润土联合应用于Cr 污染土壤修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及钝化剂

修复试验地点位于山东省某电镀厂。取自厂区林地表层（0～20 cm）的供试土壤在实验室内自然风干，用木棒敲碎，一部分过0.85 mm（20 目）筛，用于理化性质分析；另一部分用玛瑙研钵碾磨过0.15 mm（100 目）筛用于重金属形态和全量分析。土壤基本性质为：pH 8.44，总有机质含量为18.5 g/kg，总Cr 含量425 mg/kg。参照国家土壤环境质量标准（GB 15618—1995）三级标准，总Cr 超标0.42 倍。

生物炭购于江苏华丰农业生物工程有限公司；膨润土为钠基膨润土，购于河北灵寿县天晨矿产品加工厂；生物炭及膨润土均为市售产品。

1.2 试验处理

试验场地面积为100 m2，平整后采用不锈钢瓦隔为若干10 m2小区，隔板埋深25 cm。试验设置空白对照、生物炭（5%）、质量比5∶1 混合的生物炭和膨润土（6%），分别标记为CK、BC 及CBB，添加比例以耕作层土壤质量分数计（耕作层厚度按20 cm）计算。试验开始前先挖出土壤，风干后，将大块土粒打碎，均匀撒上钝化剂，充分混匀后平整土地，试验期间按照当地大田管理方法进行田间管理。试验的第30 天采集土壤样品采用毒性浸出方法检测钝化剂对土壤中重金属的钝化效果。

1.3 土壤理化性质及重金属含量测定

土壤pH 值的测定采用酸度计（固∶水=1∶2.5）；有机质采用重铬酸钾容量法；供试土壤中Cr 的总量分析采用盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸全消解，原子吸收分光光度法测定，采用土壤标样（GBW08303）进行分析质量控制。

1.4 浸出毒性实验

土壤毒性浸出分析参考美国环保署（EPA）的TCLP（Toxicity Characteristic Leaching Procedure）毒性浸出方法，以及我国《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》（HJ/T 300—2007）。

1.5 数据分析

数据描述性分析采用平均值±标准差；两两比较采用LSD 方法(最小显著差数法)。数据分析使用SPSS22 软件软件包。

2 结果与讨论

2.1 不同钝化剂对土壤pH 的影响

土壤pH 是影响重金属形态分布、溶解性、迁移性及生物有效性的的关键因素[4]。生物炭、生物炭-膨润土复合材料处理分别提高了土壤pH 0.53 和0.49 个单位，主要原因在于生物炭灰分中有不同浓度碱性物质，施入土壤通常可以提高土壤盐基饱和度，降低可交换铝水平，提高土壤pH。重金属的迁移性及生物有效性与土壤pH 之间普遍存在负相关关系，较低的pH 条件使得土壤重金属溶出并释放进入土壤溶液，而pH 提高时，土壤对重金属的吸附能力则增强[5]。Speir 等针对一种轻质沙土的研究表明，pH 是影响铬、铅及锌溶解及迁移能力的最重要因素[6]。

2.2 不同钝化剂对土壤Cr 浸出量的影响

采用TCLP 方法分析钝化修复前后土壤重金属浸出浓度，已被广泛用于评价钝化剂对重金属污染土壤的钝化修复效果。生物炭、生物炭-膨润土复合材料对土壤TCLP 提取态Cr 的影响如图1。两种钝化处理均显著降低了TCLP 提取态Cr 含量，降低率分别达到77.73%和95.40%，其中复合材料处理效果又优于生物炭。这表明，两种钝化剂均有效抑制了Cr 在土壤中的溶解和迁移。

图1 不同处理土壤TCLP 提取态Cr 含量

氧化还原作用、沉淀作用及离子交换是生物炭钝化修复土壤Cr 污染的主要作用机制[7]。Choppala 等[8]的研究显示，鸡粪源生物炭促进了土壤迁移性强的六价铬向迁移性弱的三价铬转化；而三价铬的弱迁移性主要是由于Cr（OH）3的生成及土壤表面离子交换点位的吸附作用[9]。甘文君等[10]的模拟培养试验显示，生物炭添加降低了土壤交换态和碳酸盐结合态的Cr 含量，提高了残渣态Cr 含量，钝化效果明显。本研究中，生物炭施用一方面提高了土壤pH，Cr（III）倾向于形成Cr（OH）3，表现为土壤对Cr 的吸附性增强，阻滞了Cr的迁移；另一方面，有机质含量提高，通过吸附、螯合等作用，促使Cr 向有机结合态方向转化，从而可交换态重金属含量降低；同时，有机质提供的可变电荷提高六价铬向三价铬转化率，也是钝化作用可能的主要作用机理。

膨润土钝化土壤重金属的主要机理是吸附与离子交换[11]。通过与生物炭组配，钝化效果得以提升，表明多种的作用机理能相辅相成，不同稳定化反应能同时进行。