王振華湯顯強李青云胡 園

(1.長江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所, 武漢 430010；2.長江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北重點實驗室，武漢 430010)

1 研究背景

目前，我國稻田土壤重金屬污染問題日益突出，引起越來越多的關(guān)注。稻田重金屬污染土壤修復(fù)與治理迫在眉睫。國內(nèi)外已有的稻田重金屬污染土壤修復(fù)措施包括工程措施[1]、農(nóng)藝調(diào)控[2]、原位鈍化[3]、土壤淋洗[4-5]、電動脫水[6-8]、植物修復(fù)[9-10]、微生物修復(fù)[11-12]等。其中，土壤淋洗實施周期短、效率高，是一種行之有效的化學(xué)修復(fù)手段，但洗脫后的重金屬有相當一部分殘留在土壤孔隙水中，較難排出，特別是對于滲透性系數(shù)低的土壤[13]；電動脫水可通過電遷移和電滲析將土壤孔隙水中的重金屬遷移出土壤，實現(xiàn)重金屬從土壤中去除，但單一電動脫水效率不高[14]。針對土壤淋洗和電動脫水各自的優(yōu)缺點，從優(yōu)勢互補的角度，將土壤淋洗和電動脫水進行優(yōu)化集成，對于高效去除和削減稻田土壤重金屬具有重要實踐價值，然而目前對土壤淋洗-電動脫水聯(lián)合治理稻田土壤重金屬污染研究較少[15]。

電動脫水技術(shù)的關(guān)鍵因素是電極選擇和土壤pH值控制。已有研究大多采用的電極是石墨電極或者金屬電極，但這些傳統(tǒng)電極材料容易腐蝕、電極笨重、成本高，易造成土壤pH值偏極化效應(yīng)[16]。因此，選取合適電極材料十分關(guān)鍵。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，電動土工布材料(EKG)作為電極，具有導(dǎo)水導(dǎo)電、耐酸堿腐蝕、輕便等優(yōu)點，能夠脫除土體水分及水分中重金屬離子，已在建筑物地基脫水加固施工過程中得到應(yīng)用[17-18]?；谏鲜鎏匦?，EKG電極有應(yīng)用于電動脫水的潛力，但目前有關(guān)EKG在電動脫水去除土壤重金屬中的應(yīng)用研究未見報道。

本研究以FeCl3為淋洗劑、以EKG為電動脫水的電極材料，在自制的電動脫水實驗裝置中對Cd污染稻田土壤進行了土壤淋洗-電動脫水室內(nèi)模擬試驗研究，重點考察了FeCl3淋洗后，施加不同電壓梯度和電極間距條件下，土壤pH值變化特點和電動脫水同步脫除土壤Cd的效果。

2 材料與方法

2.1 稻田土壤

稻田土壤樣品采自湖南省長沙縣北山鎮(zhèn)的湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院重金屬污染水稻試驗田。采用5點混合采樣法采集原狀土[19]，采樣深度為0～20 cm[20]。采集的土壤樣品運回實驗室之后，首先置于油布上風干，然后搗碎，并裝入塑料袋中密封保存。土壤過4 mm篩的用于淋洗試驗，過0.149 mm篩的用于測定土壤Cd含量[19]。稻田土壤的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 稻田土壤的主要理化性質(zhì)Table1 Main physical and chemical properties ofpaddy field soil

2.2 實驗裝置

電動脫水裝置采用有機玻璃自制加工而成，電動脫水裝置的高度和寬度分別為15 cm和20 cm，共有5套不同長度尺寸的裝置,長度分別為10,20,30,40,50 cm。電動脫水實驗裝置如圖1所示。電動脫水裝置兩端EKG電極分別接陽極和陰極，陰極底部設(shè)計一個直徑為5 mm的孔，并安裝出水閥。通電后，稻田土壤中的重金屬廢水在電滲析的作用下從陽極遷移至陰極，經(jīng)陰極側(cè)的出水閥收集到燒杯。從陽極到陰極將土壤平均分為5個截面，分別為S1，S2，S3，S4，S5。

圖1 電動脫水實驗裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electricdehydration experimental device

2.3 土壤淋洗-電動脫水實驗

在電動脫水裝置兩端安放EKG，分層裝入搗碎的土壤，按土液比2∶1加入0.05 mol/L FeCl3溶液，攪拌均勻后浸泡1 d，排盡土壤表面的上覆液(以土壤表面無積水為準)，土壤孔隙水中的重金屬采用電動脫水技術(shù)排出。

排盡淋洗浸泡后土壤表面上覆液后，設(shè)計不同電極梯度、不同電極間距進行電動脫水同步脫除重金屬Cd效果研究。電動脫水期間，測定電流密度、電滲析流量等；電動脫水后，原位測定各截面土壤pH值，并取樣分析。具體實驗方案見表2。

表2 基于EKG電極電動脫水實驗方案Table 2 Experimental schemes of electrokineticdehydration based on EKG electrode

2.4 測定分析方法

(1)土壤pH值測定。電動脫水后，采用丹麥Unisence微電極系統(tǒng)在土壤各截面實時原位監(jiān)測。

(2)電流密度。電動脫水過程中、通過萬用電表實時讀取。

(3)電滲析流量。用秒表計時，量筒讀取燒杯中脫出水體積，單位時間內(nèi)脫出水的體積即為電滲析流量。

(4)土壤全Cd含量分析。所取土壤樣品經(jīng)風干，研磨并過0.149 mm篩后，在HNO3- H2O2-HF的體系中微波消解，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定[21]。

3 結(jié)果與討論

3.1 電動脫水對土壤各截面pH值的影響

電動脫水過程中，陽極和陰極電解水分別產(chǎn)生H+和OH-，之后在電遷移的作用下遷移至土壤并朝陰極和陽極方向遷移，陽極側(cè)土壤逐漸酸化，陰極側(cè)土壤逐漸堿化，使得土壤pH值呈現(xiàn)從陽極向陰極側(cè)遞增的現(xiàn)象[22]。FeCl3淋洗后，土壤pH值由5.24降低到約2.36(電動脫水前土壤pH值)，電動脫水前后，不同電壓梯度、電極間距下的土壤各截面pH值變化如圖2所示。

圖2 不同電壓梯度、電極間距下的土壤各截面pH值Fig.2 Changes of pH values of soil in different sectionsunder varying voltage gradient and electrode spacing

從圖2可看出:

(1)電動脫水前，土壤pH值約為2.36，電動脫水后，土壤各截面pH值在2.2～2.5之間波動，各截面土壤pH值并不是嚴格按著從陽極向陰極遞增的趨勢，而是呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的趨勢?？赡苁荅KG電極具有導(dǎo)電和排水的特性，陰極電解水產(chǎn)生的OH-主要隨水經(jīng)EKG電極導(dǎo)水凹槽排出。

(2)不同電壓梯度或電極間距下，土壤各截面pH值的上下波動幅度也不同。這主要是因為，電壓梯度越大，電場拖動力越大，排出的孔隙水多，隨孔隙水遷移出土壤的離子更多，土壤各截面pH值增大更明顯；電極間距大，土壤顆粒所受電場力小，電滲析和電遷移較慢，土壤各截面土壤酸化相對明顯。

3.2 土壤電動脫水效果比較

3.2.1 電壓梯度對土壤電動脫水效果的影響

不同電壓梯度下，電滲脫水體積和電流與時間的關(guān)系見圖3?？梢钥闯觯姖B析流量和電流的大小都隨時間增長呈現(xiàn)先衰減后趨于穩(wěn)定的趨勢，且隨電壓梯度增大，電滲脫水體積增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為電壓梯度越大，土壤顆粒表面電荷受到的電場力越大，顆粒表面的孔隙水受到的拖動力越大，電滲析流量越大。不同電壓梯度下，電流呈現(xiàn)不同程度的降低，這是因為在電阻一定的情況下，電壓越大，電滲析流量和游離態(tài)金屬離子的電遷移速率越大，土壤導(dǎo)電性變差，電流密度衰減越快[23]。

圖3 不同電壓梯度下電滲脫水體積和電流與時間的關(guān)系Fig.3 Current and electric dehydrated volume versustreatment time under different voltage gradients

3.2.2 電極間距對土壤電動脫水效果影響

不同電極間距下，電滲脫水體積和電流與時間的關(guān)系見圖4，可以看出，電滲析流量和電流的大小都隨時間先呈現(xiàn)衰減后趨于穩(wěn)定，且隨電極間距增大，電滲析流量趨于穩(wěn)定的時間越長。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為電極間距越大，土壤孔隙水遷移的時間越長，電滲析流量趨于穩(wěn)定的時間也就越長[23]。由歐姆定律可知，在電壓一定的情況下，電極間距越大，游離態(tài)金屬離子向電極兩側(cè)遷移時間越長，電阻不同程度的增加，導(dǎo)致電流出現(xiàn)不同程度的降低。

圖4 不同電極間距下電滲脫水體積和電流與時間的關(guān)系Fig.4 Current and electric dehydrated volume versustreatment time under different electrode spacings

3.3 土壤Cd電動脫除效果比較

3.3.1 不同電壓梯度下土壤Cd的電動去除率

不同電壓梯度下的土壤Cd的電動去除率和單位去除率的能耗如圖5所示。由圖5可知，電壓梯度從1 V/cm增加到5 V/cm，土壤Cd的電動去除率和Cd的單位去除率的能耗均呈增加的趨勢，其中電動去除率從24%增加到47%，單位去除率的能耗由0.000 47 kW·h增加到0.001 60 kW·h?？梢?，增加電壓梯度能提高土壤中重金屬Cd的電動去除率，但同時也增加了重金屬Cd單位去除率的能耗。這與文獻[24]所述相符，高電壓有利于污泥中重金屬Cd的遷移，但增加了能耗。

圖5 不同電壓梯度下土壤Cd的電動去除率和單位去除率的能耗Fig.5 Removal rate and energy consumptionper unit removal rate of Cd in soil underdifferent voltage gradients

3.3.2 不同電極間距下土壤Cd的電動去除率

不同電極間距下，土壤Cd的電動去除率和土壤單位處理量的能耗見圖6。由圖6可知，在電極間距分別為20，30，40，50 cm下，土壤Cd的電動去除率分別為21%，19%，13%，11%；處理1 kg土壤的能耗分別為0.021 1, 0.019 4, 0.019 0, 0.017 7 kW·h。這表明，隨電極間距的增加，土壤Cd的電動去除率和處理單位質(zhì)量土壤的能耗均呈減小的趨勢。

圖6 不同電極間距下土壤中重金屬Cd的電動去除率和處理1 kg土壤的能耗Fig.6 Removal rate of Cd in soil and energy consumptionper kilogram of soil under different electrode spacings

4 結(jié) 論

本文探討了基于EKG電極控制土壤pH值的可行性，重點考察了FeCl3淋洗后，施加不同電壓梯度和電極間距下，土壤pH值變化特點和電動脫水同步脫除土壤Cd的效果。主要結(jié)論如下：

(1)電動脫水前后，各截面土壤pH值均在2.1～2.5之間波動，未出現(xiàn)明顯的酸化和堿化現(xiàn)象。可見EKG作為電極材料，能保持各截面土壤pH值的均一性，有利于土壤Cd的電動脫除。

(2)土壤電動脫水效果因電壓梯度或電極間距不同而出現(xiàn)差異，總體趨勢是，電壓梯度越大，電極間距越小，電動脫水效果越好。

(3)土壤中Cd的電動脫除率和單位脫除率的能耗與電壓梯度的大小呈正相關(guān)，與電極間距大小呈負相關(guān)。