金 晶，高國(guó)龍，王 慶，王殿二，袁旭音

(1.光大環(huán)境修復(fù)(江蘇)有限公司，江蘇 南京 211100；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 引言

采礦、熔煉、電鍍等行為造成土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，其中土壤中鎘(Cd)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎳(Ni)等污染最為嚴(yán)重。由于重金屬在土壤環(huán)境中長(zhǎng)期存在，對(duì)人體健康、生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。目前，土壤重金屬污染已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一[1～5]。我國(guó)南方地區(qū)一直以來(lái)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)的地區(qū)，而黃棕壤作為南方地區(qū)重要的耕作類(lèi)型，這些地區(qū)長(zhǎng)期大量施用化肥農(nóng)藥已經(jīng)帶來(lái)了嚴(yán)重的土壤重金屬污染問(wèn)題，耕地重金屬污染關(guān)系農(nóng)產(chǎn)品安全[6，7]，因此，有必要開(kāi)展耕地重金屬修復(fù)治理工作。

土壤淋洗技術(shù)與其他重金屬修復(fù)技術(shù)相比，具有高效、操作簡(jiǎn)便、效果明顯的特點(diǎn)。淋洗技術(shù)的關(guān)鍵在于淋洗劑的選擇，近年來(lái)眾多學(xué)者開(kāi)始關(guān)注使用螯合劑進(jìn)行土壤淋洗[8～10]。其中，乙二胺四乙酸(EDTA)是最常用的土壤重金屬修復(fù)高效淋洗劑[11～13]，但是EDTA的生物可降解性差，會(huì)持續(xù)對(duì)土壤微生物和植物造成不利影響[14，15]。鑒于這種需求，一種新型環(huán)保螯合劑谷氨酸N,N-二乙酸四鈉(GLDA)引起研究者關(guān)注，與EDTA相比，GLDA具有優(yōu)良生物降解性，28天內(nèi)，降解率可達(dá)80%以上，降解產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響[16～18]。另外，毒性試驗(yàn)表明，它不會(huì)對(duì)生物體構(gòu)成健康風(fēng)險(xiǎn)[19]。

對(duì)于螯合劑GLDA的應(yīng)用與研究，最早開(kāi)始于清潔劑、工業(yè)洗滌劑等方面，在環(huán)境保護(hù)方面的研究主要用于廢水、工業(yè)污泥中重金屬的去除，在淋洗修復(fù)土壤重金屬方面的系統(tǒng)研究相對(duì)較少[20]。

本研究采用響應(yīng)面方法(RSM)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)[20，21]，以GLDA濃度、pH值和淋洗時(shí)間作為獨(dú)立變量，土壤重金屬去除率作為響應(yīng)變量，分析獨(dú)立變量與響應(yīng)變量之間的關(guān)系以確定最佳淋洗條件。并在最佳淋洗條件下，采用改進(jìn)式BCR連續(xù)提取法對(duì)污染土壤重金屬淋洗前后重金屬形態(tài)進(jìn)行研究[22]，驗(yàn)證模型的同時(shí)，結(jié)合重金屬形態(tài)變化評(píng)價(jià)GLDA的淋洗效果，以期為土壤重金屬污染控制與環(huán)境修復(fù)提供借鑒。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與分析

2.1.1 供試土壤

土壤樣品采集時(shí)間為2016年6月，樣品取自南京市境內(nèi)某礦渣冶煉廠附近的農(nóng)田(E:118°45′，N：32°10′)。樣品采集使用梅花形采樣法，采集6個(gè)子樣品組成一個(gè)混合樣品，采樣深度為0～20 cm，所采集土壤為我國(guó)南方典型黃棕壤。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干、過(guò)2 mm篩網(wǎng)備用，供試土壤為酸性土壤，pH值為6.06±0.14，Cd含量0.867±0.03 mg/kg，Pb含量157.8±5.4 mg/kg， Zn含量385.5±10.3，Ni含量235.5±8.7 mg/kg，分別是南京市土壤背景值[23]的6.2、6.9、4.9、5.9倍。供試土壤的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

注：實(shí)驗(yàn)結(jié)果為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(三組平行實(shí)驗(yàn))

2.1.2 重金屬含量及形態(tài)測(cè)定

土壤樣品經(jīng)HNO3-HCl-HF-H2O2消解后，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES，安捷倫)檢測(cè)分析Cd、Pb、Zn、Ni含量，所有樣品重復(fù)測(cè)定3次，取平均值并使用標(biāo)準(zhǔn)參考樣品進(jìn)行檢驗(yàn)。

土壤中重金屬賦存形態(tài)采用歐共體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)局提出的改進(jìn)式BCR連續(xù)提取法對(duì)淋洗前后土壤樣品進(jìn)行分級(jí)提取[22]，依次得到4種形態(tài)重金屬：酸溶態(tài)(F1)、可還原態(tài)(F2)、可氧化態(tài)(F3)、殘?jiān)鼞B(tài)(R)，依次采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES，安捷倫)檢測(cè)各重金屬形態(tài)含量，所有樣品4種形態(tài)含量之和與直接測(cè)定的總量進(jìn)行對(duì)比，回收率為81.2%～108.1%。

2.2 淋洗試驗(yàn)

2.2.1 淋洗及測(cè)定方法

本試驗(yàn)以淋洗pH值、淋洗時(shí)間、淋洗劑的濃度為控制對(duì)象，旨在得出GLDA淋洗劑去除污染土壤中重金屬的相應(yīng)最佳淋洗條件。

稱(chēng)取相應(yīng)組數(shù)待試土樣，均為5.0 g，按照液固質(zhì)量比10∶1分別加入不同pH值(以5%HNO3以及5%NaOH溶液作為pH值調(diào)節(jié)劑)、不同濃度GLDA溶液(濃度梯度4～20 mmol/L)于100 mL離心管中，將其置于恒溫振蕩器中振蕩不同時(shí)間(120 r/min，淋洗時(shí)間范圍20～240 min)，離心管放置方向與振蕩方向一致，振蕩結(jié)束，使用離心機(jī)(4500 r/min)離心8 min，取上清液，使用0.45 μm水系濾頭過(guò)濾，每個(gè)處理兩個(gè)平行樣。使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定淋洗液中重金屬含量，并以此計(jì)算重金屬的去除率。

通過(guò)RSM得出最佳淋洗條件，在最佳淋洗條件下，對(duì)污染土壤進(jìn)行淋洗，測(cè)定重金屬去除率，并按照改進(jìn)式BCR測(cè)定淋洗前后土壤重金屬形態(tài)。改進(jìn)式BCR將重金屬分為四種形態(tài)，即酸溶態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。酸溶態(tài)重金屬包括可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)兩種形態(tài)，對(duì)環(huán)境變化敏感，低pH容易遷移；可還原態(tài)通常指鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)重金屬，受土壤pH和氧化還原條件影響大；可氧化態(tài)通常指有機(jī)結(jié)合態(tài)重金屬，主要反映水生生物活動(dòng)以及人類(lèi)排放富含有機(jī)物質(zhì)的廢水情況；殘?jiān)鼞B(tài)重金屬能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在于土壤中，受礦物成分、巖石風(fēng)化以及土壤侵蝕影響。

2.2.2 淋洗試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用RSM進(jìn)行淋洗試驗(yàn)設(shè)計(jì)，本方法選定3種考察因素，分別是GLDA濃度、pH值、淋洗時(shí)間，參考Wang[20]、焦維琦[24]等人的研究結(jié)果，設(shè)定GLDA濃度、pH、淋洗時(shí)間因素的高值分別為20 mmol/L、6、240 min，低值分別為4 mmol/L、3、20 min，響應(yīng)變量分別為Cd、Pb、Zn、Ni的去除率(%)。RSM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案為17次獨(dú)立變量的組合，包括12個(gè)因素實(shí)驗(yàn)以及5個(gè)中點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，具體見(jiàn)表2所示。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS23.0對(duì)土壤樣品中重金屬含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、方差分析以及回歸分析。本研究每個(gè)樣品的測(cè)定均進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，參數(shù)誤差限均在5%以下，方差均值LSD-t檢驗(yàn)顯著性P<0.05。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型擬合與方差分析

按照RSM設(shè)計(jì)分組結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用GLDA作為淋洗劑修復(fù)污染土壤，共獲得17組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Cd、Pb、Zn、Ni的去除率如表2所示。并對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式模型擬合，以預(yù)測(cè)重金屬的去除效率。模型擬合的方差分析結(jié)果如表3所示，四種重金屬的三元二次多項(xiàng)式模型的F值分別為23.11、13.01、43.47、31.14，并且P值均小于0.01，表明該模型對(duì)當(dāng)前淋洗實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化研究十分有效。表3中，四種重金屬的擬合曲線(xiàn)R2均大于95%，接近100%，表明模型能夠解釋絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)。此外，模型模擬過(guò)程對(duì)精度充分性(Adequate Precision)進(jìn)行了評(píng)估，4種重金屬的精度充分性均大于4，根據(jù)Kosti[25]、Mohammadi[26]等人的分類(lèi)方法，精度充分性大于4，表明模型擬合效果很理想。

表2 RSM淋洗試驗(yàn)設(shè)計(jì)及污染土壤中重金屬的去除率

注：X1：GLDA濃度、X2：pH、X3：淋洗時(shí)間；1：高值、-1：低值、0：中心點(diǎn)

表3 二次多項(xiàng)式模型擬合土壤重金屬去除率的方差分析

圖1 預(yù)測(cè)去除率與實(shí)際去除率擬合曲線(xiàn)及重金屬預(yù)測(cè)去除率殘差對(duì)比

以實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程得出的去除率為自變量，模型的預(yù)測(cè)值為因變量擬合曲線(xiàn)，模型擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均勻地分布在曲線(xiàn)y=x附近，此外，殘差與預(yù)測(cè)值在圖上呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律分布，表明三元二次多項(xiàng)式模型適用于模擬淋洗修復(fù)土壤重金屬的去除率。同時(shí)也說(shuō)明RSM優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分組的科學(xué)性。

3.2 不同淋洗條件與去除效果關(guān)系研究

本研究使用RSM來(lái)闡釋GLDA濃度、pH值以及淋洗時(shí)間對(duì)土壤重金屬去除效果的影響，擬合回歸模型用于預(yù)測(cè)不同淋洗條件下的洗脫效果，采用3D響應(yīng)面結(jié)合2D等值線(xiàn)圖展示3種淋洗條件之間的相互作用及其對(duì)重金屬洗脫效果影響。分別選取兩個(gè)因素為變量，另一個(gè)變量保持在中心值，顯示變量之間的響應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。Mukhopadhyay[27]等人研究結(jié)果顯示，圓形等值線(xiàn)圖表明，對(duì)應(yīng)變量之間的相互作用可以忽略，而橢圓形等值線(xiàn)圖則相反?？傮w而言，GLDA濃度、pH值以及淋洗時(shí)間與重金屬洗脫效率存在顯著相關(guān)關(guān)系，GLDA濃度越大、pH值越小以及淋洗時(shí)間越長(zhǎng)重金屬的洗脫效率越高。

由圖2可知，扭曲的響應(yīng)面和橢圓形等值線(xiàn)圖表明GLDA濃度、pH以及淋洗時(shí)間之間存在強(qiáng)烈的相互作用。在GLDA濃度4～16 mmol/L范圍內(nèi)，Cd、Pb、Zn、Ni的去除率隨著GLDA濃度的升高穩(wěn)定增長(zhǎng)，但是pH值對(duì)重金屬洗脫效率影響較小，這一結(jié)果似乎與Wang[20]、焦維琦[24]以及Wu[18]等人的研究相悖，這主要與供試土壤pH值為酸性以及淋洗劑pH選取范圍較窄有關(guān)。對(duì)比pH值、GLDA濃度和淋洗時(shí)間、GLDA濃度，可以發(fā)現(xiàn)前者在GLDA：4～16 mmol/L濃度范圍內(nèi)，洗脫效率穩(wěn)定增加，而16～20 mmol/L濃度范圍則增加緩慢；后者GLDA：4～20 mmol/L濃度范圍內(nèi)，洗脫效率持續(xù)增加，表明在實(shí)驗(yàn)pH值范圍內(nèi)，淋洗時(shí)間是主要限值變量，對(duì)洗脫效率起主要作用。

3.3 最佳淋洗條件確定

根據(jù)以上分析，預(yù)測(cè)模型能夠可靠的模擬GLDA淋洗修復(fù)土壤重金屬的去除率，符合RSM優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初衷，以獲得最佳淋洗條件。根據(jù)模型擬合結(jié)果，最佳淋洗條件：GLDA濃度為19.23 mmol/L、pH值為4.02、淋洗時(shí)間為146.54 min，在此條件下，模型預(yù)測(cè)的土壤Cd、Pb、Zn以及Ni的去除率分別為94.68%、88.21%、75.26%以及92.69%。為評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果的適用性以及有效性，在最佳淋洗條件下進(jìn)行淋洗實(shí)驗(yàn)，測(cè)定4種重金屬的去除效率，實(shí)際實(shí)驗(yàn)Cd、Pb、Zn、及Ni的去除率分別為89.6%、80.5%、68.2%及83.1%，由此可知實(shí)際實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果均在預(yù)測(cè)值的95%置信區(qū)間內(nèi)，表明RSM是優(yōu)化土壤淋洗去除重金屬實(shí)驗(yàn)的可靠工具。

常規(guī)淋洗劑EDTA、EDDS以及酒石酸對(duì)土壤中Cd、Pb、Zn及Ni的去除率在54%～98%范圍，而GLDA對(duì)土壤重金屬具有較高去除率的同時(shí)，能夠在自然環(huán)境中快速降解，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，具有替代傳統(tǒng)淋洗劑的潛力。

圖2不同淋洗條件下Cd、Pb、Zn、Ni去除率3D響應(yīng)面

3.4 土壤重金屬形態(tài)分析

在模型預(yù)測(cè)的最佳條件下，即：GLDA濃度為19.23 mmol/L、pH值為4.02、146.54 min，進(jìn)行污染土壤重金屬淋洗實(shí)驗(yàn)，按照改進(jìn)式BCR分級(jí)提取法，測(cè)定淋洗實(shí)驗(yàn)前后重金屬形態(tài)，所得結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，淋洗實(shí)驗(yàn)后，殘留在土壤中的形態(tài)主要是殘?jiān)鼞B(tài)，下降的相對(duì)比例最少，而酸溶態(tài)的下降比例最多，其余兩種形態(tài)下降比例相近，這主要是由于殘?jiān)鼞B(tài)重金屬通常存在于硅酸鹽、次生礦物等土壤晶格中，性質(zhì)穩(wěn)定難以洗脫釋放，而酸溶態(tài)主要是碳酸鹽結(jié)合態(tài)，對(duì)環(huán)境pH最為敏感，在低pH值時(shí)易釋放。殘?jiān)鼞B(tài)Zn含量比例明顯高于其他3種重金屬，占比達(dá)62.8%，因此，洗脫效率最低。注意到，Ni的去除率高于Pb，這可能是由于Ni與GLDA的螯合穩(wěn)定常數(shù)12.74，高于Pb與GLDA的螯合穩(wěn)定常數(shù)11.60，以及酸溶態(tài)Ni含量比例遠(yuǎn)高于Pb。

圖3 淋洗前后土壤中重金屬形態(tài)含量對(duì)比

對(duì)比淋洗前后土壤重金屬形態(tài)[28]，可以發(fā)現(xiàn)，殘?jiān)鼞B(tài)重金屬含量比例明顯升高，酸溶態(tài)重金屬含量比例下降明顯，其余兩種形態(tài)持平，這表明淋洗有助于土壤重金屬穩(wěn)定化。

4 結(jié)論

本文使用綠色環(huán)保螯合劑GLDA，對(duì)我國(guó)南方典型黃棕壤耕地進(jìn)行重金屬污染淋洗修復(fù)，采用RSM優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分組結(jié)合三元二次多項(xiàng)式模型擬合以獲取最佳淋洗條件，并在模型擬合過(guò)程中使用方差分析等方法對(duì)擬合效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后在模型預(yù)測(cè)的最佳淋洗條件下，進(jìn)行淋洗實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證模型的精度。本研究主要得出以下結(jié)論。

(1)螯合劑GLDA具有優(yōu)良的重金屬洗脫性能，具有替代傳統(tǒng)淋洗劑的潛力，并對(duì)受重金屬污染的黃棕壤具有優(yōu)良修復(fù)效果。

(2)RMS是一種有效的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分組以獲取最佳淋洗條件的方法，結(jié)合多項(xiàng)式擬合能夠很好的對(duì)淋洗效率進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬。本研究預(yù)測(cè)的GLDA濃度、pH、淋洗時(shí)間分別為19.23 mmol/L、4.02、146.54 min，對(duì)應(yīng)的土壤Cd、Pb、Zn以及Ni的去除率分別為94.68%、88.21%、75.26%以及92.69%。

(3)淋洗實(shí)驗(yàn)對(duì)酸溶態(tài)重金屬的去除效率最高，對(duì)殘?jiān)鼞B(tài)重金屬的去除效率最低，另外淋洗有助于土壤重金屬穩(wěn)定化。