不同环境材料对PbCd污染土壤的淋溶效应

书书书第３１卷第５期２０１１年５月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３１，Ｎｏ．５Ｍａｙ，２０１１基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．４０９７１１６４）；黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金（Ｎｏ．１０５０１２５８）；国家高技术研究发展计划项目（８６３）（Ｎｏ．２００６ＡＡ１００２１５）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．４０９７１１６４），ｔｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｏｉｌＥｒｏｓｉｏｎａｎｄＤｒｙｌａｎｄＦａｒｍｉｎｇｏｎＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕＣｈｉｎａ（Ｎｏ．１０５０１２５８）ａｎｄｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈ－ＴｅｃｈＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．２００６ＡＡ１００２１５）作者简介：彭丽成（１９８５—），女，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；通讯作者（责任作者），Ｅｍａｉｌ：[e-mail]：ＰＥＮＧＬｉｃｈｅｎｇ（１９８５—），ｆｅｍａｌｅ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]；Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]彭丽成，黄占斌，石宇，等．２０１１．不同环境材料对Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤的淋溶效应［Ｊ］．环境科学学报，３１（５）：１０３３１０３８ＰｅｎｇＬＣ，ＨｕａｎｇＺＢ，ＳｈｉＹ，ｅｔａｌ．２０１１．ＬｅａｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｏｎｓｏｉｌｓｐｏｌｌｕｔｅｄｂｙＰｂａｎｄＣｄ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３１（５）：１０３３１０３８不同环境材料对Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤的淋溶效应彭丽成１，黄占斌１，２，，石宇１，何磊１，章智明１，刘亚琦１１．中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京１０００８３２．中国科学院水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌７１２１００收稿日期：２０１００９０８　　　修回日期：２０１００９２６　　　录用日期：２０１０１０１３摘要：为了探索环境材料对土壤中重金属的去除效果，采用土柱淋溶方法研究了不同环境材料（腐殖酸ＨＡ、高分子材料ＳＡＰ、粉煤灰ＦＭ及沸石ＦＳ）对污染土壤（单一Ｐｂ污染土壤、单一Ｃｄ污染土壤和ＰｂＣｄ复合污染土壤）中铅（Ｐｂ）、镉（Ｃｄ）的淋溶效应．结果表明：添加不同环境材料处理的淋出液ｐＨ值呈现先上升后降低再上升的趋势，均为弱碱性．添加ＦＭ和复合Ｎ１（ＨＡ＋ＳＡＰ＋ＦＭ＋ＦＳ）、Ｎ２（ＨＡ＋ＳＡＰ＋ＦＭ）处理淋出液的电导率（ＥＣ）明显高于其它．ＦＭ和复合Ｎ１、Ｎ２对单一Ｐｂ污染土壤中Ｐｂ达到显著固定作用；单一Ｃｄ污染土壤中，添加单一ＳＡＰ处理所淋溶出的Ｃｄ量小于ＣＫ（未加任何环境材料），淋溶出的Ｃｄ量为ＣＫ的６３．６８％，对Ｃｄ起到一定的固定作用；ＰｄＣｄ复合污染土壤中，ＨＡ对Ｐｂ达到显著固定作用，淋出Ｐｂ量仅为ＣＫ的４０．６％．ＳＡＰ及复合Ｎ３对Ｃｄ的固定作用明显，淋溶出的Ｃｄ量分别为ＣＫ的５５．３２％、７８．１３％．可见，采用的环境材料对重金属淋溶能起到一定的抑制作用．关键词：环境材料；重金属；铅（Ｐｂ）；镉（Ｃｄ）；土壤；淋溶文章编号：０２５３２４６８（２０１１）０５１０３３０６　　　中图分类号：Ｘ５３　　　文献标识码：ＡＬｅａｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｏｎｓｏｉｌｓｐｏｌｌｕｔｅｄｂｙＰｂａｎｄＣｄＰＥＮＧＬｉｃｈｅｎｇ１，ＨＵＡＮＧＺｈａｎｂｉｎ１，２，，ＳＨＩＹｕ１，ＨＥＬｅｉ１，ＺＨＡＮＧＺｈｉｍｉｎｇ１，ＬＩＵＹａｑｉ１１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３２．ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｏｉｌＥｒｏｓｉｏｎａｎｄＤｒｙｌａｎｄＦａｒｍｉｎｇｏｎＬｏｅｓｓＰｌａｔｅａｕ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｏｉｌａｎｄＷａｔｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ＣＡＳａｎｄＭＷＲ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ７１２１００Ｒｅｃｅｉｖｅｄ８Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２０１０；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ２６Ｓｐｅｔｅｍｂｅｒ２０１０；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ１３Ｏｃｔｏｂｅｒ２０１０Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｓｏｉｌｂｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅｌｅａｃｈｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｈｕｍｉｃａｃｉｄ（ＨＡ），ｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＳＡＰ），ｆｌｙａｓｈ（ＦＭ）ａｎｄｚｅｏｌｉｔｅ（ＦＳ），ｏｎｓｏｉｌｐｏｌｌｕｔｅｄｂｙＰｂａｎｄＣｄｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｓｏｉｌｃｏｌｕｍｎｌｅａｃｈｉｎｇ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐＨｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｓｏｉｌｌｅａｃｈｉｎｇｆｉｒｓｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｉｎｇａｎｄｒｉｓｉｎｇａｇａｉｎ，ｗｅｒｅａｌｋａｌｉｎｅｉｎｔｈｅａｂｏｖｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｅｄｉａ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ（ＥＣ）ｏｆｔｈｅｓｏｉｌｌｅａｃｈｉｎｇｔｒｅａｔｅｄｂｙｆｌｙａｓｈａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｅｄｉａＮ１（ＨＡ＋ＳＡＰ＋ＦＭ＋ＦＳ）ａｎｄＮ２（ＨＡ＋ＳＡＰ＋ＦＭ），ｗａｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｓｏｉｌｌｅａｃｈｉｎｇｔｒｅａｔｅｄｂｙｏｔｈｅｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＦｏｒｔｈｅｓｏｉｌｐｏｌｌｕｔｅｄｂｙＰｂ，ｔｈｅｆｉｘａｔｉｏｎｏｆＰｂｉｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｅｄｉａ，ｓｕｃｈａｓｆｌｙａｓｈａｎｄＮ１，Ｎ２ｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＰｂｉｎｃｈｅｃｋｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍｅｄｉａ；Ｂｙｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｆｏｒｔｈｅｓｏｉｌｐｏｌｌｕｔｅｄｂｙＣｄ，ｔｈｅｆｉｘａｔｉｏｎｏｆＣｄｉｎｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＣｄｉｎｏｔｈｅｒｃｈｅｃｋｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＩｎｔｈｅｓｏｉｌｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄｂｙＰｂａｎｄＣｄ，ｔｈｅｆｉｘａｔｉｏｎｏｆＰｂｂｙｈｕｍｉｃａｃｉｄｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＰｂｂｙｃｈｅｃｋｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｈｅｃｋｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅＰｂｒｅｌｅａｓｅｑｕａｎｔｉｔｙｔｒｅａｔｅｄｂｙＨＡｗａｓ４０．６％ｏｆｉｔ．ＡｎｄｔｈｅｆｉｘａｔｉｏｎｏｆＣｄｂｙｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＮ３（ＨＡ＋ＳＡＰ＋ＦＳ）ｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＣｄｂｙｃｈｅｃｋｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｈｅｃｋｌｅａｃｈｉｎｇ，ｔｈｅＣｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｌｅａｃｈｉｎｇｒｅａｃｈｅｄｔｏ５５．３２％ａｎｄ７８．１３％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｐｌａｙｅｄａｎｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｅｆｆｅｃｔｏｎｌｅａｃｈｉｎｇｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｈｅａｖｙｍｅｔａｌ；ｌｅａｄ（Ｐｂ）；ｃａｄｍｉｕｍ（Ｃｄ）；ｓｏｉｌ；ｌｅａｃｈｉｎｇ环　　境　　科　　学　　学　　报３１卷１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）土壤是人类赖以生存的主要自然资源之一，也是人类生态环境的重要组成部分．随着工业、城市污染的加剧和农业施肥、污水灌溉、污泥应用等方面增加（孙铁珩等，２００５），土壤重金属污染日益严重．全国受重金属污染的农业土地约为２．５×１０７ｈｍ２，其中严重污染土地超过７×１０５ｈｍ２．而铅（Ｐｂ）、镉（Ｃｄ）污染是土壤重金属最常见的一种（郭笃发，１９９４）．全国１．３×１０４ｈｍ２土地因镉含量超标而被迫弃耕（陈平等，２００２）．土壤环境具有多介质、多界面、多组分以及非均一性和复杂多变的特点，决定了土壤环境污染具有隐蔽性与滞后性、累积性与地域性、不可逆性以及治理难而周期长等特点（孙铁珩等，２００５）．近年来，国内外对土壤重金属污染改良研究越来越多（孙铁珩等，２００５；周启星，２００４；胡振琪，２００６；王新，２００３；Ｓｈｉｅｔａｌ．，２００９；Ｃｈｅｎｅｔａｌ．，２００６；Ｃｈｌｏｐｅｃｋａｅｔａｌ．，１９９７）．例如，胡振琪等（２００６）研究了粘土矿物与菌根稳定化修复重金属污染土壤；王新等（２００３）研究了外源镉、铅、铜和锌在土壤中形态分布特性及改性剂的影响；Ｓｈｉ等（２００９）研究了天然沸石对重金属污染土壤改良效应；Ｃｈｌｏｐｅｃｋａ等（１９９７）研究了沸石、磷灰石及铁氧化物对作物吸收铅、镉的影响．但利用不同环境材料对受Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤开展系统的研究，包括室内土柱模拟实验研究淋溶液性质的报道较少（王代长等，２００４；杨军等，２００６；陈天虎等，２００１）．近年来，采用环境材料治理环境污染和改良土壤是重要途径．“环境材料”的概念是２０世纪９０年代日本东京大学山本良一教授在材料研究中首次提出的（亦称生态环境材料），其核心是指同时具有使用性能和最佳环境协调性的材料，概念一提出，就受到了世界各国材料工作者的积极响应．环境材料一般可分为天然材料、循环再生材料、高分子材料、低环境负荷材料等．将环境材料施用于受重金属污染的土壤中，可降低重金属污染物的水溶性、扩散性和生物有效性，减轻其对生态环境的危害，并改善土壤环境、提高土壤质量，最终减少重金属污染对人体的危害．本文选用北京市通州区农田土壤，通过添加重金属制成Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤，选用腐殖酸、高分子材料、粉煤灰及沸石４种环境材料，采用土柱淋溶实验对污染土壤中Ｐｂ、Ｃｄ的淋溶过程进行模拟研究，探讨了不同环境材料组合对Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤淋溶液性质的影响，旨在了解不同环境材料及其组合对Ｐｂ、Ｃｄ土壤污染作用的规律及重金属在土壤中的分布影响，为Ｐｂ、Ｃｄ污染土壤的环境污染治理提供实验依据．另外，利用该技术和材料对污染退化的耕地及矿区土壤进行修复治理，不仅费用低而且效果明显．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　实验处理设计实验设３种受试污染土壤：添加单一Ｐｂ污染土壤（Ｐｂ土），添加单一Ｃｄ污染土壤（Ｃｄ土），添加Ｐｂ、Ｃｄ复合污染土壤（ＰｂＣｄ复合土）．采用４种性质不同的环境材料，腐殖酸材料（ＨＡ）、高分子材料（ＳＡＰ）、粉煤灰（ＦＭ）及沸石（ＦＳ），下文均用代号表示．ＦＭ由９１％的粉沙粒和９％的粘粒组成，表面颜色为灰色，ｐＨ值８．３６，由山西大同煤矿集团有限公司提供；ＦＳ主要以斜发沸石为主，粒度１００目，由河南信阳淮业矿物有限公司提供；ＨＡ由内蒙古霍林河煤业集团有限责任公司提供；ＳＡＰ为粒度１００目的聚丙烯酸盐，为唐山博亚科技集团有限公司提供．供试土壤取自北京市通州区农田表土（０～２０ｃｍ），粘粒１６．２３％，粉粒５９．２７％，沙粒２４．５％，总碳１．０１％，土壤容重１．３９ｇ·ｃｍ－３，田间持水量１９３％，ｐＨ值为７．５０，ＥＣ值为０．２８ｍＳ·ｃｍ－１，有机质含量为５．７ｇ·ｋｇ－１．经自然风干、捣碎、剔除杂物后过２ｍｍ尼龙筛，实验中Ｐｂ、Ｃｄ浓度分别为５００ｍｇ·ｋｇ－１、２０ｍｇ·ｋｇ－１，以Ｐｂ（ＮＯ３）２、ＣｄＣｌ２·２．