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随着经济与工农业的发展,土壤重金属污染日趋严重,其在土-水生态系统中的迁移、转化、积累严重威胁陆生、水生动植物生命与环境健康,并最终威胁人类的生存。寻求土壤重金属污染修复途径,消除与降低其对生态与环境的威胁不仅具有理论价值,更具重要现实意义。本文以硅酸钙作为修复改良剂,通过等温吸附—解吸实验、形态分析、酸性淋溶土柱实验,初步探讨了硅酸钙对Cd、Pb、Cu、Zn污染土壤的修复效应。
等温吸附—解吸实验结果表明:供试土壤对Cd、Pb、Cu、Zn的最大吸附量为:Pb>Cu>Zn>Cd;吸附强度顺序为:Pb>Cd>Cu>Zn;四种元素中,供试土壤对Pb不仅吸附容量最大,而且吸附强度最高,其在土壤环境中活性相对较弱;供试土壤对铜吸附量相对较高,但吸附稳定性相对较弱,仍具较强环境风险;而供试土壤对Zn、Cd不但吸附容量有限,且吸附强度较弱,较易重新释放进入环境,具较强的生物、环境风险。与空白相比,硅酸钙的投加使供试土壤对四种重金属元素的吸附率、净吸附量均显著提高;解吸率与空白相比均极显著降低。该效应随硅酸钙投加量的增加而增强。硅酸钙对四种元素的土壤吸附性能的改善效应最优的是Pb,16g硅酸钙/kg土处理对土壤Pb吸附性能修复效应已达理想水平;其次是Cu,较差的是Cd与Zn。表明硅酸钙对四种元素的修复效应与元素自身活性密切相关,元素活性低,修复效应较优,元素活性高,则需较高处理水平的硅酸钙才能使其活性降至环境安全水平。
Tessier连续提取法对四种元素的形态分布特征研究结果表明:在供试土壤(硅酸钙空白处理)中,Cd、Zn以水溶交换态占据主导,而Cu则以水溶交换、碳酸盐结合态、铁锰氧化物态各占1/3,Pb以碳酸盐结合态和铁锰氧化物态为主。根据四种重金属元素形态分布及随时间变化规律,其在供试土壤中的环境活性大小依次为:Cd>Zn>Cu>Pb。硅酸钙作用下,供试土壤中四种重金属元素水溶交换态都比空白处理大幅下降,碳酸盐结合态则显著增长。Cd迅速从活性最高的水溶交换态向活性相对较低的碳酸盐结合态转化,使其成为Cd存在的最主要形态;Zn主要表现为水溶交换态向碳酸盐结合态及铁锰氧化物态转化,并使之成为供试土壤Zn存在的两种最主要形态,其中碳酸盐结合态占比70%以上,铁锰氧化物结合态占比13%-24%;Cu主要表现为水溶交换态向碳酸盐结合态转化,且随着时间的推移,碳酸盐结合态有向活性更低的铁锰氧化态缓慢转化的趋势,使碳酸盐结合态、铁锰氧化态成为Cu存在的主要形态,分别占比60%和30%左右。Pb主要表现为水溶交换态、有机硫化物态向碳酸盐结合态、铁锰氧化态及残渣态转化;硅酸钙对四种重金属元素形态转化的影响是一个较快速反应。由于Pb、Cu、Zn、Cd在土壤中的活性依次增加,为使其活性及环境毒性降至较低水平并保持稳定,所需硅酸钙投加量在Si/(Cd+Pb+Cu+Zn)=4-16(摩尔比)范围内渐次递增。
酸性淋溶条件下,四种重金属元素在未添加硅酸钙处理的供试土壤中均表现出了明显的迁移性,其中Zn、Cd存在极高的环境迁移风险,四种元素的迁移性大小依次为Zn、Cd>Cu>Pb。添加各处理水平硅酸钙作用下,均显著降低了四种元素的迁移率和淋出率,以对Cd、Zn迁移的抑制效应尤显突出。硅酸钙对Zn、Cd迁移性的抑制效应随硅酸钙投加量的增加而增强,由于Cd、Zn极高的迁移性,需较高硅酸钙处理水平才能有效抑制其酸性淋溶迁移。而由于Pb、Cu本身迁移性相对较弱,较低硅酸钙处理水平Si/(Cd+Pb+Cu+Zn)=8(摩尔比),其抑制外源Pb、Cu酸性淋溶迁移的效应已趋于稳定。