廢棄水基鉆井液固相物與蚯蚓糞協(xié)同土壤化研究*

杜國勇 鄭惠蕓 郭昕原 蔣小萍 陳治宇

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500)

隨著油氣田鉆井行業(yè)的不斷發(fā)展，廢棄水基鉆井液的產(chǎn)量也在日益增加，其對環(huán)境的潛在污染不容小覷。目前，對于廢棄水基鉆井液的處理主要采用固化法，這種處理方式復(fù)雜、成本高、容易產(chǎn)生二次污染[1-2]，因此，對于廢棄水基鉆井液處理方式的改進(jìn)一直是環(huán)境研究的熱點(diǎn)。廢棄水基鉆井液是一種主要由黏土、鉆屑、化學(xué)添加劑、無機(jī)鹽等組成的多相穩(wěn)定懸浮液[3-4]，能導(dǎo)致環(huán)境污染的主要污染物為重金屬[5-6]。廢棄水基鉆井液中固相黏土、礦物含量很高[7-8]，這些物質(zhì)主要來自土壤或巖石，因此可以嘗試將廢棄水基鉆井液中的固相物質(zhì)(以下簡稱固相物)轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥啦⒂糜诰坝^植物種植，但轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵是增加其中的營養(yǎng)成分、使其具有適當(dāng)?shù)谋Ｋ院褪杷啥龋岳谥参锷L[9]。

利用蚯蚓處理剩余活性污泥的技術(shù)持續(xù)發(fā)展[10]，其產(chǎn)生的蚯蚓糞含有豐富且更易被植物吸收利用的氮磷、有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)元素[11]，是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料，加入到土壤中能提高土壤的疏松度和保水性。此外，蚯蚓糞中大量微生物和有機(jī)質(zhì)能有效改善土壤的理化性質(zhì)，增加土壤酶活性[12-13]，為土壤微生物的生存提供養(yǎng)分和能量，促進(jìn)污染物的降解[14-15]。因此，可以嘗試將蚯蚓糞同固相物協(xié)同作用使其轉(zhuǎn)化為土壤進(jìn)行利用。

基于此，本研究以固相物為研究對象，將固相物與蚯蚓糞按照一定比例混合制成試樣土壤，在試樣土壤中種植兩種具有代表性的景觀植物——空心菜和黑麥草，通過測定試樣土壤物理化學(xué)性質(zhì)以及種植前后重金屬含量變化，探討固相物與蚯蚓糞協(xié)同土壤化的可行性。為固相物作為土壤應(yīng)用于景觀性植物種植提供技術(shù)依據(jù)，并為廢棄水基鉆井液的處理探索更為環(huán)保、合理、無害化的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

廢棄水基鉆井液來源于四川某氣田，經(jīng)固液分離處理后取固相物進(jìn)行試驗(yàn)；蚯蚓處理剩余活性污泥后產(chǎn)生的蚯蚓糞取自成都市某污泥處理公司。試驗(yàn)中所用的HCl、HNO3等藥劑均為分析純。

試驗(yàn)儀器：SX-4-10型馬弗爐；UV-1901型雙光束紫外—可見分光光度計(jì)；V-1800型可見分光光度計(jì)；AA7020型火焰原子吸收分光光度計(jì)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣土壤的配制及性質(zhì)測定

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將固相物與蚯蚓糞按照一定的比例混合制得試樣土壤，分別用高為17 cm，直徑為19 cm的聚氯乙烯(PVC)盆盛裝，每盆盛裝量為2 kg，以30株/盆的種植密度播種空心菜和黑麥草種子。空心菜和黑麥草均能較好適應(yīng)惡劣的土壤環(huán)境，且對土壤中的重金屬等污染物具有一定的吸收作用，在60 d的種植過程中，每隔一段時間向試樣土壤中補(bǔ)充一定水分。

通過標(biāo)準(zhǔn)方法測定固相物與蚯蚓糞的理化性質(zhì)及重金屬含量，對標(biāo)《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)，分析試樣土壤種植景觀植物的可行性。從表1可以看出，固相物有機(jī)質(zhì)、氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)較低，蚯蚓糞營養(yǎng)物質(zhì)豐富，因此，在固相物中添加一定蚯蚓糞能彌補(bǔ)其作為土壤營養(yǎng)物質(zhì)缺乏的劣勢。根據(jù)GB 15618—2018，固相物與蚯蚓糞中雖個別重金屬指標(biāo)超出農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值，但均滿足農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管制值要求，可以用于景觀植物的培養(yǎng)種植。

1.2.2 樣品的采集及分析

試驗(yàn)每進(jìn)行一段時間，采用四分法對試樣土壤進(jìn)行取樣分析[16]，其中土壤有機(jī)質(zhì)按照《固體廢物 有機(jī)質(zhì)的測定 灼燒減量法》(HJ 761—2015)測定；氮、磷和重金屬均為試樣土壤經(jīng)過風(fēng)干后以干基進(jìn)行分析測定，土壤氮含量采用氧化劑(堿性過硫酸鉀)提取后，取清液按照《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)測定；土壤磷含量采用鹽酸提取后，取清液按照《水質(zhì) 總磷的測定 流動注射-鉬酸銨分光光度法》(HJ 671—2013)測定；Cu、Zn按照《土壤質(zhì)量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17138—1997)測定；Ni采用《土壤質(zhì)量 鎳的測定 火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17139—1997)測定；Pb、Cd采用《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定 KI-MIBK萃取火焰原子吸收分光光度法》(GB/T 17140—1997)測定；Cr采用《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》(HJ 491—2019)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 固相物與蚯蚓糞混合比例的選取

為確定土壤化最佳條件，將固相物與蚯蚓糞分別按照1∶0、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、0∶1的比例(質(zhì)量比，下同)混合并種植空心菜和黑麥草，測定各試樣土壤中空心菜與黑麥草種子發(fā)芽率及相對發(fā)芽率[17]，結(jié)果如表2所示。由表2可見，純固相物中空心菜及黑麥草的發(fā)芽率及相對發(fā)芽率均為0，隨著試樣土壤中蚯蚓糞的比例逐漸增加，空心菜及黑麥草的發(fā)芽率均顯著增大，純蚯蚓糞中空心菜、黑麥草發(fā)芽率分別達(dá)到93.33%、96.67%，相對發(fā)芽率均達(dá)100.00%。因此，在固相物中添加蚯蚓糞能有效改善試樣土壤環(huán)境。從植物生長的角度來看，蚯蚓糞混合比例過低不利于植物發(fā)芽，為使固相物土壤化后用于土壤種植，試樣土壤中固相物所占比例宜在1∶8以下。因此以下對固相物∶蚯蚓糞為1∶8、1∶10的試樣土壤進(jìn)行分析，討論固相物土壤化的可能性。

表1 固相物與蚯蚓糞理化性質(zhì)

注：1)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)；2)為6.5

表2 固相物∶蚯蚓糞對植物發(fā)芽率的影響

2.2 試樣土壤物理性質(zhì)

物理性質(zhì)是評價土壤質(zhì)量的重要依據(jù)，可反映土壤結(jié)構(gòu)屬性，影響土壤保持和供應(yīng)水肥的能力，主要參數(shù)包括土壤容重、土粒密度和孔隙度[18]。分別測定固相物∶蚯蚓糞為1∶0、1∶8、1∶10、0∶1的試樣土壤在未經(jīng)壓實(shí)、自然狀態(tài)下的土壤物理性質(zhì)，結(jié)果如表3所示。由表3可見，固相物的容重較高，孔隙度較低，即土壤疏松度和通氣透水性較差；蚯蚓糞容重低，孔隙度高，具有較好的土壤疏松度和通氣透水性，適宜種植植物。固相物∶蚯蚓糞為1∶8和1∶10的試樣土壤總孔隙度均提高到70%以上，接近純蚯蚓糞，可見在固相物中加入一定比例的蚯蚓糞能有效改善試樣土壤物理性質(zhì)，提高試樣土壤種植植物的可行性。

表3 試樣土壤基本物理性質(zhì)

2.3 試樣土壤化學(xué)性質(zhì)

2.3.1 有機(jī)質(zhì)

有機(jī)質(zhì)是表征土壤肥力的重要指標(biāo)[19]，固相物中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅占2.99%，植物種植不能成活，蚯蚓糞中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)58.78%，有助于植物生長。固相物∶蚯蚓糞為1∶8時，試樣土壤有機(jī)質(zhì)為43.16%，植物能生長，但在此條件下植物發(fā)芽率較低，生長速度也較緩慢。固相物∶蚯蚓糞為1∶10時，試樣土壤有機(jī)質(zhì)為49.93%，在該試樣土壤中種植的空心菜和黑麥草相對發(fā)芽率均在70%以上，雖長勢稍弱于在純蚯蚓糞中的長勢，但仍能較好生長。在60 d的種植過程中，試樣土壤中有機(jī)質(zhì)的變化如圖1所示。可以看出，純固相物因無植物生長且土壤微生物活性較低，有機(jī)質(zhì)含量保持不變，其他試樣土壤有機(jī)質(zhì)均在種植0～30 d大幅下降，30～60 d植物生長速度減緩，土壤有機(jī)質(zhì)降幅也有所變緩。固相物∶蚯蚓糞為1∶8、1∶10、0∶1的試樣土壤，種植空心菜60 d后土壤有機(jī)質(zhì)分別降低到19.93%、20.86%、25.86%，種植黑麥草60 d后土壤有機(jī)質(zhì)分別降至15.65%、22.04%、29.25%。

圖1 種植過程試樣土壤有機(jī)質(zhì)的變化Fig.1 Variation of organic matter of tested soil during the planting

2.3.2 總氮及有效氮

氮是植物生長必不可少的營養(yǎng)元素，植物在生長過程中直接吸收利用的是有效氮[20-21]，不同試樣土壤在植物種植過程中總氮及有效氮的變化如圖2所示。由圖2可見，純固相物中總氮及有效氮質(zhì)量濃度分別為0.87、0.26 g/kg，種植過程中植物不能生長，總氮及有效氮含量不變；其他試樣土壤在植物種植0～30 d總氮及有效氮含量下降趨勢明顯，30～60 d由于植物生長較緩慢，植物對氮素的吸收降低，氮素變化相對平緩。固相物∶蚯蚓糞為1∶8、1∶10、0∶1的試樣土壤總氮質(zhì)量濃度分別為3.59、3.75、4.16 g/kg，有效氮質(zhì)量濃度分別為2.05、2.10、2.59 g/kg，在種植空心菜60 d后，總氮分別降至2.01、2.43、2.51 g/kg，有效氮分別降至1.32、1.46、1.36 g/kg，種植黑麥草60 d后，總氮分別降至2.60、2.66、2.94 g/kg，有效氮分別降至1.25、1.30、1.35 g/kg。蚯蚓糞中豐富的氮元素能有效改善固相物氮素缺乏的問題，有益于固相物的土壤化。

2.3.3 總磷及有效磷

磷也是土壤營養(yǎng)評價不可或缺的指標(biāo)[22]。不同試樣土壤在植物種植過程中總磷及有效磷的變化如圖3所示。由圖3可見，與有機(jī)質(zhì)及氮素變化趨勢相同，種植過程中純固相物總磷及有效磷基本未發(fā)生變化，一直保持在較低水平。其他試樣土壤總磷及有效磷也在種植0～30 d快速下降，30 d后變化平緩。固相物∶蚯蚓糞為1∶8、1∶10、0∶1的試樣土壤總磷質(zhì)量濃度分別為0.85、1.18、1.73 g/kg，有效磷質(zhì)量濃度分別為0.25、0.26、0.39 g/kg，種植空心菜60 d后，總磷分別降至0.47、0.70、0.78 g/kg，有效磷分別降至0.15、0.17、0.19 g/kg，種植黑麥草60 d后，總磷分別降至0.36、0.39、0.66 g/kg；有效磷分別降至0.14、0.15、0.16 g/kg。一般土壤總磷在0.10～0.15 g/kg，有效磷在0.01～0.02 g/kg[23]，固相物與蚯蚓糞制得的試樣土壤中含有充足的有效磷，完全滿足景觀植物生長對磷元素的需求。

2.4 重金屬

重金屬是土壤監(jiān)測的重要指標(biāo)[24-25]，鑒于純固相物種植過程中無植物生長，重金屬元素含量變化不大，因此對固相物∶蚯蚓糞為1∶8、1∶10、0∶1的試樣土壤植物種植前后的重金屬(Cr、Cu、Ni、Pb、Zn)含量進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。由表4可見，在植物種植60 d后，3種試樣土壤中重金屬含量都有不同程度的下降，且植物植株中5種重金屬均有檢出，說明植物對土壤中重金屬有一定的吸收作用。由此可知，利用蚯蚓糞使固相物土壤化并通過種植重金屬超富集植物可有效降低試樣土壤中的重金屬，是固相物無害化處理的可行方法。

圖2 種植過程試樣土壤總氮和有效氮的變化Fig.2 Variation of total nitrogen and available nitrogen of tested soil during the planting

圖3 種植過程試樣土壤總磷和有效磷的變化Fig.3 Variation of total phosphorus and available phosphorus of tested soil during the planting

表4 植物種植前后試樣土壤及植物中重金屬變化

3 結(jié) 論

(1) 將固相物與蚯蚓糞混合制成試樣土壤，蚯蚓糞有助于降低試樣土壤的容重，提高試樣土壤孔隙度，增加試樣土壤通氣透水性，蚯蚓糞還能有效提高試樣土壤的有機(jī)質(zhì)和氮磷含量，提高試樣土壤肥力，使試樣土壤具備植物種植的基本物化條件。為使固相物土壤化后用于土壤種植，試樣土壤中固相物所占比例宜在1∶8以下，固相物∶蚯蚓糞為1∶10時植物長勢更佳。

(2) 試樣土壤在種植空心菜和黑麥草后重金屬含量降低，且空心菜和黑麥草植株中各種重金屬均有檢出，表明植物對試樣土壤中的重金屬有一定的吸收作用。因此，利用蚯蚓糞與固相物協(xié)同土壤化并通過種植重金屬超富集植物降低試樣土壤中的重金屬，是固相物無害化處理的可行方法。