張治國(guó) 譚雨檸 鄭永紅,3,4 李雅婷 盧江偉 朱海東 周新偉 歐祥鵬
(1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實(shí)驗(yàn)室),安徽 合肥 230031;3.安徽省高潛水位礦區(qū)水土資源綜合利用與生態(tài)保護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001;4.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001)
改革開放40 a 以來,伴隨著工業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大,我國(guó)受重金屬污染的土壤面積也不斷擴(kuò)大,重工業(yè)密集區(qū)、石油開采區(qū)等都成為高危土壤污染區(qū),人類健康及動(dòng)植物受到不同程度威脅,土壤重金屬污染形勢(shì)較嚴(yán)峻[1]。 近年來,電鍍、印染等涉鉻污染受到越來越多的關(guān)注。 2014 年4 月17 日,環(huán)境保護(hù)部和國(guó)土資源部發(fā)布《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》,數(shù)據(jù)表明全國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量中Cr 污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)1.1%[2]。 兩淮礦區(qū)作為我國(guó)14 個(gè)大型煤炭基地之一,其在支撐國(guó)家能源安全體系、區(qū)域經(jīng)濟(jì)和國(guó)家經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的同時(shí)也帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題,其中最突出的環(huán)境問題是土壤重金屬污染。 煤礦開采和燃煤電廠產(chǎn)生的大量煤矸石和粉煤灰堆存,在淋濾作用下可能存在復(fù)墾土壤鉻污染風(fēng)險(xiǎn)。 IZQUIERDO等[3]的研究表明,在堿性粉煤灰的處置中應(yīng)特別考慮Cr 的潛在重金屬危害。 陳金洪等[4]的研究表明,由重金屬鉻污染土帶來的環(huán)境問題和工程危害頻繁發(fā)生,大量鉻污染土急需無害化修復(fù)。 COETZEE等[5]的研究表明,鉻鐵行業(yè)產(chǎn)生的廢物鉻濃度很高,會(huì)對(duì)周邊土壤造成污染。 鉻的價(jià)態(tài)體系中,六價(jià)鉻的毒性比三價(jià)鉻的大,Cr 一旦進(jìn)入土壤后,很難降解,對(duì)人體存在極大的健康風(fēng)險(xiǎn)。 因此,對(duì)含Cr 土壤開展修復(fù)治理刻不容緩。
大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),淮南礦區(qū)土壤存在不同程度的Cr 污染風(fēng)險(xiǎn)[6-8]。 目前,土壤Cr 污染修復(fù)技術(shù)很多,雖然傳統(tǒng)的土壤物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)具有治理徹底的優(yōu)點(diǎn),但存在成本高、操作復(fù)雜,容易產(chǎn)生二次污染問題[9]。 植物修復(fù)技術(shù)作為最常見的生態(tài)修復(fù)技術(shù),有著穩(wěn)定性高、修復(fù)成本低、對(duì)環(huán)境生態(tài)影響小的優(yōu)勢(shì),目前在土壤及重金屬污染修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[10]。 植物修復(fù)技術(shù)能通過增加植物的生物量或提高植物體內(nèi)重金屬含量來獲取更高的修復(fù)效率,螯合劑能夠改變植物的生長(zhǎng)狀態(tài)、生化特征和抗性機(jī)制等,促進(jìn)植物對(duì)污染土壤中重金屬的吸收富集。 因此,植物—螯合劑聯(lián)合修復(fù)技術(shù)被廣泛用于重金屬污染土壤的植物提取強(qiáng)化過程[11]。 有機(jī)酸是一種天然的螯合劑,可以與重金屬發(fā)生電性吸附、絡(luò)合反應(yīng)和螯合反應(yīng),提高重金屬的生物有效性,對(duì)修復(fù)土壤重金屬污染有很大的幫助[12]。 湯迪勇等[13]、YAO等[14]以及何彩嬌等[15]研究證明了檸檬酸、酒石酸和草酸等低分子有機(jī)酸對(duì)難溶性鉻具有一定的活化作用,可以促進(jìn)重金屬解吸。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤礦復(fù)墾區(qū)土壤重金屬污染問題進(jìn)行了大量研究,但對(duì)Cr 污染修復(fù)的研究相對(duì)較少。 本研究以淮南市潘一礦復(fù)墾區(qū)土壤為對(duì)象,模擬不同濃度的Cr 污染土壤,研究外源重金屬和有機(jī)酸的加入對(duì)Cr 形態(tài)變化的影響,闡明在有機(jī)酸影響下Cr 的形態(tài)變化和運(yùn)移規(guī)律,以期為礦區(qū)復(fù)墾土壤重金屬Cr 污染修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
供試土壤為淮南市潘一礦復(fù)墾區(qū)表層土壤,土壤類型以砂姜黃土為主,土壤質(zhì)地較黏重[16]。 將采集的土樣均勻地平鋪在風(fēng)干盤中,去除動(dòng)植物殘骸、落葉、碎石等雜質(zhì),放在無陽(yáng)光直射且通風(fēng)良好的地方自然風(fēng)干。 將風(fēng)干后的土壤樣品按四分法棄去多余部分,磨細(xì)過18 目篩,保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.1 Cr 污染土壤的制備
根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618—2018)和《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》 (GB 36600—2018),設(shè)計(jì)5 個(gè)污染濃度梯度。 試驗(yàn)步驟為:將不同濃度的K2Cr2O7(優(yōu)級(jí)純)水溶液加入土壤中,模擬Cr 濃度分別為100、200、400、800 mg/kg 的污染土壤,保持田間持水量為40%~60%,放進(jìn)人工氣候培養(yǎng)箱(力辰RCX-180F)中模擬日光照射,在環(huán)境溫度25 ℃、空氣濕度60%條件下培養(yǎng)7 d,然后對(duì)土壤進(jìn)行風(fēng)干處理,作為Cr 污染土壤。
1.2.2 有機(jī)酸的加入試驗(yàn)
(1)模擬低分子有機(jī)酸對(duì)土壤中Cr 形態(tài)的影響。 稱取上述制備好的污染土樣20 g,向其中加入不同濃度的檸檬酸和蘋果酸12 mL(添加濃度見表1),培養(yǎng)7 d 后進(jìn)行采樣,將取出的土壤風(fēng)干后過篩保存。
(2)模擬不同培養(yǎng)時(shí)間下低分子有機(jī)酸對(duì)土壤Cr 形態(tài)的影響。 稱取Cr 含量400 mg/kg 污染土樣20 g,向其中加入10 mmol/L 的檸檬酸和蘋果酸12 mL,采集培養(yǎng)1、3、5、7、15、30 d 的樣,將取出的土樣風(fēng)干后過篩保存。
土壤基本理化性質(zhì)按《土壤分析技術(shù)規(guī)范實(shí)驗(yàn)》[17]上的方法進(jìn)行測(cè)定。 重金屬鉻全量的測(cè)定采用HF-HNO3-HClO4三酸濕法消解[18]。 目前,公認(rèn)的土壤沉積層重金屬元素形態(tài)分為5 種,可采用Tessier連續(xù)提取法提取[19],這5 種形態(tài)分別是可交換態(tài)(F1)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)(F2)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)(F3)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(F4)以及殘?jiān)鼞B(tài)(F5)[18];土壤有效性Cr包括可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài),非有效性Cr 包括鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài),提取流程見表2。 待測(cè)液中的Cr 采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 (PE NexION 300 ICP-MS)進(jìn)行測(cè)定。

表2 Tessier 連續(xù)提取法Table 2 The Tessier continuous extraction method
試驗(yàn)用酸均為優(yōu)級(jí)純,其他化學(xué)試劑均為分析純。 Cr 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液由優(yōu)級(jí)純重鉻酸鉀(K2Cr2O7)(1 000 mg/L)配制。 對(duì)模擬Cr 污染土壤中全態(tài)Cr含量進(jìn)行標(biāo)定,相對(duì)偏差在-1.76%~4.13%,如表3所示。

表3 模擬土壤全態(tài)鉻含量及相對(duì)偏差Table 3 Total chromium content and relative deviation in simulated soil
采用SPSS 26.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin 2021 軟件制圖。
復(fù)墾土壤理化特性如表4 所示。 對(duì)照全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[20],分析表4 數(shù)據(jù)可知,潘一礦復(fù)墾區(qū)土壤pH 值均值為7.80,呈堿性。 土壤容重均值為1.33 g/cm3,呈偏緊水平。 有機(jī)質(zhì)含量均值4.13 g/kg,呈6 級(jí)極缺乏水平。 速效鉀含量均值191.03 mg/kg,呈2 級(jí)高水平。 有效磷含量均值10.41 mg/kg,呈3 級(jí)中上水平。 堿解氮含量均值為28.98 mg/kg,呈6 級(jí)極低水平。 復(fù)墾區(qū)土壤受人為充填復(fù)墾活動(dòng)影響,土壤原始層序擾亂,工程施工造成的機(jī)械碾壓,導(dǎo)致表層土壤容重偏緊,土壤養(yǎng)分除速效鉀和有效磷含量較高外,其他理化特性均為極低水平。 而有機(jī)酸與土壤理化特性的變化有關(guān),能改變土壤的理化性質(zhì),促進(jìn)土壤養(yǎng)分的吸收。 已有研究發(fā)現(xiàn),土壤中添加有機(jī)酸能夠有效提升其有機(jī)質(zhì)含量、全量以及速效態(tài)磷鉀氮等養(yǎng)分含量,其中速效磷養(yǎng)分的提升效果最顯著[21-22]。

表4 土壤的理化性質(zhì)Table 4 Physical and chemical properties of the soil
隨著外源Cr 濃度的增大,土壤中Cr 形態(tài)分布變化規(guī)律見圖1。 由圖1 可知,原土(添加外源C 前r)中Cr 的主要存在形態(tài)是殘?jiān)鼞B(tài),占總Cr 含量的73.87%;其次是鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cr,占15.42%;其余賦存形態(tài)是可交換態(tài)(0. 42%)、有機(jī)結(jié)合態(tài)(10.18%)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)(0.11%)。

圖1 添加外源Cr 后土壤中Cr 的形態(tài)分布Fig.1 Morphological distribution of Cr in the soil after the addition of exogenous Cr(Ⅵ)
隨著外源Cr 的加入,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)比例上升最明顯,逐步取代殘?jiān)鼞B(tài)成為主要形態(tài),最高達(dá)42.07%,這可能是因?yàn)橥庠碈r(Ⅵ)進(jìn)入土壤后,由于吸附、絡(luò)合、還原等過程,其形態(tài)發(fā)生變化,毒性和有效性逐漸降低[23];可交換態(tài)Cr 由0.42%增加到了16.70%,這可能與供試土壤是由人工模擬而成,且培養(yǎng)時(shí)間過短,添加的Cr 溶液在土壤中以水溶態(tài)離子交換的形式存在有關(guān)[17];碳酸鹽結(jié)合態(tài)占比也得到增加[18],由0.11%增加到10.84%;土壤腐殖質(zhì)中的羧基、氨基、苯酚等官能團(tuán)對(duì)重金屬Cr 有較大的親和力,可溶性Cr 加入土壤后可迅速轉(zhuǎn)化為有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr[24-25],但受有機(jī)含量低的影響,使有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr 含量有增加但變化不大;殘?jiān)鼞B(tài)Cr 主要存在于硅酸鹽、原生或次生礦物等土壤晶格中[26],其占比隨著外源Cr 濃度的增加而減少,由原來的73. 87%減小到10.20%。
由上述分析可知,外源Cr 濃度對(duì)土壤中Cr 的形態(tài)分布有著重要影響,不同濃度的Cr 污染導(dǎo)致土壤中的Cr 形態(tài)分布不同,這與王丹等[27]的研究結(jié)論一致。
2.3.1 檸檬酸對(duì)土壤中Cr 賦存形態(tài)的影響
不同濃度檸檬酸加入后,體系中Cr 的形態(tài)變化如圖2 所示。

圖2 添加檸檬酸后土壤中Cr 的形態(tài)分布Fig.2 Morphological distribution of Cr in soil after adding citric acid
由圖2 可知,隨著檸檬酸濃度的增大,Cr 可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)占比逐漸增加,分別由0.42%、0.11%和10.18%增加到18.76%、3.65%和13.37%;鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cr 占比逐漸下降,由15.42%降低到5. 15%;殘?jiān)鼞B(tài)Cr 占比減少,由73.87%降低到59.07%,殘?jiān)鼞B(tài)Cr結(jié)合在礦物晶格中原本比較穩(wěn)定,但由于檸檬酸酸性較強(qiáng),所以比較容易浸提這部分Cr。 此外,檸檬酸具有一定的還原性,可利用酸解和螯合雙重作用將可氧化態(tài)的鉻轉(zhuǎn)移到土壤溶液中[28]。 土壤中加入低分子有機(jī)酸,會(huì)增加土壤中H+的濃度,降低土壤pH 值,從而使重金屬形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐妆恢参镂盏挠行B(tài),植物富集重金屬的效率得到有效提高,植物修復(fù)重金屬污染土壤的潛能得到有效提升[29-32]。
圖3 顯示加入不同濃度的檸檬酸后污染土中Cr的形態(tài)變化規(guī)律。 可以看出,隨著檸檬酸濃度的提高,可交換態(tài)Cr 占比逐漸上升,特別是在400 mg/kg Cr 污染土壤中,交換態(tài)Cr 的占比由18.61%提高到32.91%,增加的幅度最大,增長(zhǎng)率為76.84%。 這與ONIRETI 等[33]的研究結(jié)果一致,在土壤加入檸檬酸后,有利于增加重金屬在土壤中的活性,促進(jìn)重金屬在土壤中的流動(dòng)。 隨著檸檬酸濃度的提高,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)占比呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),在400 mg/kg的Cr 污染土壤中加入10 mmol/L 的檸檬酸,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的占比由50.43%下降到35. 56%,因?yàn)榧尤霗幟仕岷髸?huì)降低土壤中的pH,而降低pH 值將會(huì)增加土壤中重金屬的溶解性,改變其化學(xué)行為,提高重金屬的活性,從而促進(jìn)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cr 向可交換態(tài)Cr 的轉(zhuǎn)變[34]。 碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cr、有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr 和殘?jiān)鼞B(tài)Cr 含量變化不大,變化規(guī)律不明顯。

圖3 添加檸檬酸后不同濃度Cr 污染土中Cr 的形態(tài)分布Fig.3 Morphological distribution of Cr in soil contaminated with different concentrations of Cr after the addition of citric acid
2.3.2 蘋果酸對(duì)土壤中Cr 賦存形態(tài)的影響
圖4 顯示了不同濃度蘋果酸加入后土壤中Cr 的形態(tài)變化。 分析圖4 可知,原土加入蘋果酸后,其結(jié)果與加入檸檬酸結(jié)果大致相同,鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cr 占比呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),蘋果酸濃度為10 mmol/L時(shí),由15.42%下降到了4.48%;可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr 占比隨著蘋果酸濃度提高而逐漸增加,含量分別由0.42%、0.11%和10.18%增加到14.87%、2.53%和12.05%,相對(duì)檸檬酸來說增加的幅度較小;殘?jiān)鼞B(tài)Cr 占比隨著蘋果酸的加入而減少,由73.88%降低到66.07%。

圖4 添加蘋果酸后土壤中Cr 的形態(tài)分布Fig.4 Morphological distribution of Cr in soil after adding malic acid
圖5 顯示加入不同濃度的蘋果酸后污染土中Cr的形態(tài)變化規(guī)律。 可以看出,在Cr 污染的土壤中,加入蘋果酸導(dǎo)致可交換態(tài)Cr 占比急劇增加,加入10 mmol/L 的蘋果酸,在200 mg/kg 和400 mg/kg 污染土中,分別由16. 67%和18. 61%增加到27. 28%和27.53%,增長(zhǎng)率為63.65%和47.93%,與加入檸檬酸相比,可交換態(tài)Cr 增加幅度略低,活化效果較低;碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cr 占比變化不明顯,加入10 mmol/L 的蘋果酸,在200 mg/kg 污染土壤中由11.13%增加到12.74%,增幅最大;在污染土壤中,鐵錳氧化態(tài)Cr 占比隨著蘋果酸濃度的增加逐漸下降,在400 mg/kg 的污染土壤中加入10 mmol/L 的蘋果酸,鐵錳氧化態(tài)Cr 占比由原土中的50.43%下降到38.69%,下降率為23.28%,達(dá)到了最大值。 在酸性環(huán)境中,對(duì)鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cr 的非專性吸附效果較差,該形態(tài)更容易得到釋放[18]。 除模擬濃度400 mg/kg 情況下,有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr 隨著蘋果酸的加入略有增加以外,其他污染土壤中變化均不顯著。 隨著蘋果酸的加入,殘?jiān)鼞B(tài)Cr 含量均有降低,但變化并不顯著。

圖5 添加蘋果酸后不同濃度Cr 污染土中Cr 的形態(tài)分布Fig.5 Morphological distribution of Cr in soil contaminated with different concentrations of Cr after the addition of malic acid
在30 d 的土壤培養(yǎng)試驗(yàn)過程中,土壤中Cr 在2種有機(jī)酸影響下形態(tài)變化趨勢(shì)如圖6、圖7 所示。 在檸檬酸和蘋果酸的影響下,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),可交換態(tài)Cr 占比呈先上升后降低趨勢(shì)。 在檸檬酸的影響下,可交換態(tài)Cr 占比由第1 d 的25.17%增加到第7 d 的32.91%,達(dá)到了最大值,到第30 d 時(shí),可交換態(tài)Cr 占比降低到了27.51%。 在蘋果酸的影響下,可交換態(tài)Cr 占比變化趨勢(shì)與檸檬酸情況下基本相同,不同的是在第7 d 時(shí),可交換態(tài)Cr 占比只有27.53%,比檸檬酸情況下低。 這是因?yàn)橄蛲寥乐屑尤胗袡C(jī)酸后會(huì)降低土壤的pH 值,而低pH 值有利于增加土壤中重金屬的活性,由于檸檬酸為三羧酸而蘋果酸為二羧酸,檸檬酸的絡(luò)合能力更強(qiáng)[35],因此檸檬酸對(duì)Cr 的活化能力比蘋果酸強(qiáng)。 碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cr的變化趨勢(shì)總體也隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低,但變化不顯著。 蘋果酸影響下的碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cr 占比變化比檸檬酸的要高,說明蘋果酸更有利于活化碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cr[36]。 鐵錳氧化態(tài)Cr 占比隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)先降低后上升,大概在7 d 達(dá)到了最低點(diǎn),分別是35.56%(檸檬酸)和38.69%(蘋果酸),到30 d 時(shí)又增加到了40.35%(檸檬酸)和42.30%(蘋果酸)。 有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr 占比在土壤培養(yǎng)的前一周變化不明顯,但從7 d 后占比緩慢上升,分別由7.95%(檸檬酸)和9.28%(蘋果酸)提高到12.77%(檸檬酸)和12.00%(蘋果酸)。 殘?jiān)鼞B(tài)Cr 占比隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)變化不明顯。 Cr 各種形態(tài)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)表明,隨著時(shí)間延長(zhǎng),土壤中Cr 會(huì)從弱結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)結(jié)合態(tài)。林瑞聰[24]的研究證明,鉻與土壤的結(jié)合強(qiáng)度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加,有效性逐漸降低,主要以可還原態(tài)和可氧化態(tài)形式存在[37]。

圖6 添加檸檬酸后Cr-400 污染土在不同培養(yǎng)時(shí)間下Cr 的形態(tài)分布Fig.6 Morphological distribution of Cr in Cr-400 contaminated soil after adding citric acid at different culture times

圖7 添加蘋果酸后Cr-400 污染土在不同培養(yǎng)時(shí)間下Cr 的形態(tài)分布Fig.7 Morphological distribution of Cr in Cr-400 contaminated soil after adding malic acid at different culture times
(1)土壤中Cr 形態(tài)變化受外源Cr 的影響,且隨著外源Cr 濃度的不斷增加,Cr 形態(tài)占比由大到小依次為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)。 其中殘?jiān)鼞B(tài)的占比不斷降低,而鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cr 的占比逐漸增加并成為主要形態(tài)。
(2)向土壤中加入檸檬酸和蘋果酸,土壤中的Cr能被有效活化,且隨著有機(jī)酸濃度的升高,活化效果持續(xù)上升。
(3)添加檸檬酸和蘋果酸均有利于增加可交換態(tài)Cr 的占比,降低鐵錳氧化態(tài)Cr 占比。 檸檬酸整體上的活化效果強(qiáng)于蘋果酸。 在檸檬酸和蘋果酸的影響下,隨著土壤老化時(shí)間的延長(zhǎng),土壤中的弱結(jié)合態(tài)Cr 逐漸向強(qiáng)結(jié)合態(tài)Cr 轉(zhuǎn)化。
(4)選用活化效果較好的有機(jī)酸修復(fù)受重金屬Cr 污染的復(fù)墾土壤,土壤中鉻的生物有效性得到增強(qiáng),有效提高植物修復(fù)技術(shù)協(xié)同富集提取效率,同時(shí)復(fù)墾重構(gòu)土壤養(yǎng)分狀況得到改善。