王振華湯顯強(qiáng)李青云胡 園

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 流域水環(huán)境研究所, 武漢 430010；2.長(zhǎng)江科學(xué)院 流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

目前，我國(guó)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(guó)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(dòng)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(shí)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(dāng)一部分殘留在土壤孔隙水中，較難排出，特別是對(duì)于滲透性系數(shù)低的土壤[13]；電動(dòng)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(shí)現(xiàn)重金屬?gòu)耐寥乐腥コ?，但單一電?dòng)脫水效率不高[14]。針對(duì)土壤淋洗和電動(dòng)脫水各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的角度，將土壤淋洗和電動(dòng)脫水進(jìn)行優(yōu)化集成，對(duì)于高效去除和削減稻田土壤重金屬具有重要實(shí)踐價(jià)值，然而目前對(duì)土壤淋洗-電動(dòng)脫水聯(lián)合治理稻田土壤重金屬污染研究較少[15]。

電動(dòng)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(dòng)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(diǎn)，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]?；谏鲜鎏匦裕珽KG電極有應(yīng)用于電動(dòng)脫水的潛力，但目前有關(guān)EKG在電動(dòng)脫水去除土壤重金屬中的應(yīng)用研究未見報(bào)道。

本研究以FeCl3為淋洗劑、以EKG為電動(dòng)脫水的電極材料，在自制的電動(dòng)脫水實(shí)驗(yàn)裝置中對(duì)Cd污染稻田土壤進(jìn)行了土壤淋洗-電動(dòng)脫水室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，重點(diǎn)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(diǎn)和電動(dòng)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(zhǎng)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(yàn)田。采用5點(diǎn)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(yùn)回實(shí)驗(yàn)室之后，首先置于油布上風(fēng)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(yàn)，過0.149 mm篩的用于測(cè)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(shí)驗(yàn)裝置

電動(dòng)脫水裝置采用有機(jī)玻璃自制加工而成，電動(dòng)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(zhǎng)度尺寸的裝置,長(zhǎng)度分別為10,20,30,40,50 cm。電動(dòng)脫水實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。電動(dòng)脫水裝置兩端EKG電極分別接陽(yáng)極和陰極，陰極底部設(shè)計(jì)一個(gè)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?gòu)U水在電滲析的作用下從陽(yáng)極遷移至陰極，經(jīng)陰極側(cè)的出水閥收集到燒杯。從陽(yáng)極到陰極將土壤平均分為5個(gè)截面，分別為S1，S2，S3，S4，S5。

圖1 電動(dòng)脫水實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of electricdehydration experimental device

2.3 土壤淋洗-電動(dòng)脫水實(shí)驗(yàn)

在電動(dòng)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(wú)積水為準(zhǔn))，土壤孔隙水中的重金屬采用電動(dòng)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(jì)不同電極梯度、不同電極間距進(jìn)行電動(dòng)脫水同步脫除重金屬Cd效果研究。電動(dòng)脫水期間，測(cè)定電流密度、電滲析流量等；電動(dòng)脫水后，原位測(cè)定各截面土壤pH值，并取樣分析。具體實(shí)驗(yàn)方案見表2。

表2 基于EKG電極電動(dòng)脫水實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental schemes of electrokineticdehydration based on EKG electrode

2.4 測(cè)定分析方法

(1)土壤pH值測(cè)定。電動(dòng)脫水后，采用丹麥Unisence微電極系統(tǒng)在土壤各截面實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)。

(2)電流密度。電動(dòng)脫水過程中、通過萬(wàn)用電表實(shí)時(shí)讀取。

(3)電滲析流量。用秒表計(jì)時(shí)，量筒讀取燒杯中脫出水體積，單位時(shí)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(fēng)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(cè)定[21]。

3 結(jié)果與討論

3.1 電動(dòng)脫水對(duì)土壤各截面pH值的影響

電動(dòng)脫水過程中，陽(yáng)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(yáng)極方向遷移，陽(yáng)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(yáng)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(dòng)脫水前土壤pH值)，電動(dòng)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(dòng)脫水前，土壤pH值約為2.36，電動(dòng)脫水后，土壤各截面pH值在2.2～2.5之間波動(dòng)，各截面土壤pH值并不是嚴(yán)格按著從陽(yáng)極向陰極遞增的趨勢(shì)，而是呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低的趨勢(shì)?？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(dòng)幅度也不同。這主要是因?yàn)?，電壓梯度越大，電?chǎng)拖動(dòng)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(chǎng)力小，電滲析和電遷移較慢，土壤各截面土壤酸化相對(duì)明顯。

3.2 土壤電動(dòng)脫水效果比較

3.2.1 電壓梯度對(duì)土壤電動(dòng)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(shí)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(shí)間增長(zhǎng)呈現(xiàn)先衰減后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，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?yàn)殡妷禾荻仍酱?，土壤顆粒表面電荷受到的電場(chǎng)力越大，顆粒表面的孔隙水受到的拖動(dòng)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?yàn)樵陔娮枰欢ǖ那闆r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(shí)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(duì)土壤電動(dòng)脫水效果影響

不同電極間距下，電滲脫水體積和電流與時(shí)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(shí)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(shí)間越長(zhǎng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)殡姌O間距越大，土壤孔隙水遷移的時(shí)間越長(zhǎng)，電滲析流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間也就越長(zhǎng)[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(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)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(dòng)脫除效果比較

3.3.1 不同電壓梯度下土壤Cd的電動(dòng)去除率

不同電壓梯度下的土壤Cd的電動(dòng)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(dòng)去除率和Cd的單位去除率的能耗均呈增加的趨勢(shì)，其中電動(dòng)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?？梢姡黾与妷禾荻饶芴岣咄寥乐兄亟饘貱d的電動(dòng)去除率，但同時(shí)也增加了重金屬Cd單位去除率的能耗。這與文獻(xiàn)[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(dòng)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(dòng)去除率

不同電極間距下，土壤Cd的電動(dòng)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(dòng)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(dòng)去除率和處理單位質(zhì)量土壤的能耗均呈減小的趨勢(shì)。

圖6 不同電極間距下土壤中重金屬Cd的電動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)和電動(dòng)脫水同步脫除土壤Cd的效果。主要結(jié)論如下：

(1)電動(dòng)脫水前后，各截面土壤pH值均在2.1～2.5之間波動(dòng)，未出現(xiàn)明顯的酸化和堿化現(xiàn)象?？梢奅KG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(dòng)脫除。

(2)土壤電動(dòng)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(shì)是，電壓梯度越大，電極間距越小，電動(dòng)脫水效果越好。

(3)土壤中Cd的電動(dòng)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(fù)相關(guān)。