針對(duì)混合石油烴污染土壤快速修復(fù)方法的比較研究與應(yīng)用

陳果，殷鐘意，劉安平，鄭旭煦

(1.重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067；2.重慶大學(xué) 環(huán)境物理研究所，重慶 400067)

土壤是一個(gè)國(guó)家的根本，是最關(guān)乎人民生活的物質(zhì)。但據(jù)全國(guó)土壤污染調(diào)查公報(bào)顯示，全國(guó)土壤污染總超標(biāo)率為16.1%[1]。工業(yè)及制造業(yè)設(shè)備都有使用常規(guī)機(jī)械油的要求，因此由石油烴類物質(zhì)造成的土壤污染已成為國(guó)內(nèi)典型場(chǎng)地污染之一。而此類污染場(chǎng)地中，95%進(jìn)入環(huán)境的污染源自于潤(rùn)滑油[2]。直接暴露于此類污染環(huán)境，會(huì)對(duì)人體的皮膚及臟器造成傷害[3-4]，此類油成分中的長(zhǎng)鏈部分比重大，乳化性能低，在土壤中有很強(qiáng)的滯留性，嚴(yán)重影響土壤結(jié)構(gòu)與微生物群落[5-7]，其特定的組分能富集于植物中[8]不僅會(huì)引起植物病變，甚至進(jìn)入食物鏈，直接對(duì)人們的健康造成威脅。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)石油烴類物質(zhì)污染場(chǎng)地的處理研究大多集中在如何提高去除率上，而忽略了處理手段是否會(huì)對(duì)土壤本身造成的影響。筆者認(rèn)為，對(duì)土壤修復(fù)的目的應(yīng)該歸結(jié)到恢復(fù)土壤的原始質(zhì)量上，不能僅僅是單一的提升去除率。因此，本研究不僅通過(guò)工藝比較篩選出高效的石油烴去除方法，而且通過(guò)比較土壤有機(jī)質(zhì)在處理前后的變化以及對(duì)植株種植的影響，來(lái)評(píng)價(jià)溶劑提取方法對(duì)土壤的修復(fù)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

原始土樣，來(lái)源于重慶市九龍坡區(qū)某裝配廠儲(chǔ)油車間中收集池龜裂處右側(cè)地表以下70～100 mm的深褐色土壤。樣品采出時(shí)，石油烴氣味明顯，其原始含量由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)江蘇格林勒斯檢測(cè)科技有限公司進(jìn)行分析，見表1。土壤樣品采集后，用自封袋密封保存，帶到實(shí)驗(yàn)室后置于通風(fēng)櫥內(nèi)風(fēng)干處理72 h，隨后挑出雜質(zhì)、石頭顆粒等并研磨成粉，過(guò)40目篩后，盛裝于試劑瓶中；二氯甲烷、三氯甲烷、石油醚(60～90 ℃)、正己烷、無(wú)水碳酸鈉、丙酮、重鉻酸鉀、鄰菲咯啉(1，10-菲咯啉)、硫酸、硫酸亞鐵均為分析純。

表1 污染土壤的總石油烴含量及部分農(nóng)業(yè)指標(biāo)Table 1 Total petroleum hydrocarbon content ofcontaminated soil and partly agricultural indicators

RE-3000旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；Chem Vac真空泵；Sartorius分析天平(萬(wàn)分之一)；KQ5200DA超聲波清洗器；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；SU1510掃描電子顯微鏡；TQ8040氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)。

1.2 模擬污染土壤的配制

在工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，采用模擬污染土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工藝優(yōu)化研究，目的是減少集中堆放場(chǎng)地對(duì)自然土壤環(huán)境里，石油烴污染物質(zhì)分布不均造成的影響。此模擬污染土壤的土壤部分來(lái)源于同污染土裝配廠，取樣自檢測(cè)達(dá)標(biāo)地塊，根據(jù)采樣檢測(cè)報(bào)告測(cè)定的污染物種類及濃度，按照齒輪油∶廢液壓油∶柴油為5∶3∶2質(zhì)量比配制模擬污染土壤。三種污染物先用石油醚混合后加入土壤中，再移至通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行石油醚揮發(fā)回收處理；使配制的模擬污染土壤含油率符合原始的10%左右，濃度(100±20)mg/g。放入試劑瓶中，陰涼處保存。

1.3 兩種提取方法

1.3.1 傳統(tǒng)浸泡提取法 充分混勻待實(shí)驗(yàn)的土壤，精確稱取10 g土壤，放至150 mL離心瓶中，加入適量提取劑，靜止放置一段時(shí)間；然后在4 000 r/min下離心10 min，移取上清液于烘至恒重的燒瓶中，于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中蒸發(fā)至恒重，稱重，計(jì)算提取率。

1.3.2 超聲提取法 土壤的前處理與檢測(cè)同1.3.1節(jié)，加入適量提取劑，采用功率為40 kHz的超聲波清洗器超聲提取一段時(shí)間。

1.4 土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定

以重鉻酸鉀法檢測(cè)有機(jī)質(zhì)含量，設(shè)3組對(duì)照，2個(gè)空白組以灼燒浮石粉代替土樣。

1.5 土壤微觀結(jié)構(gòu)表征

取1.0 g土壤于燒杯中并加入100 mL無(wú)水乙醇，隨后使用超聲使其分散均勻，吸取少量懸濁液滴至5 mm×5 mm單晶硅片上，待乙醇揮發(fā)后進(jìn)行噴金處理，置于SEM中觀察。

1.6 植株種植質(zhì)量的評(píng)估

取紫花苜蓿凈籽于燒杯中，先以3%過(guò)氧化氫溶液浸泡除菌后，以去離子水浸泡8 h，取出放置于浸潤(rùn)后的濾紙上，待發(fā)芽后每組播撒50粒種，周期45 d(以實(shí)際成株情況而定)。本實(shí)驗(yàn)分室內(nèi)培養(yǎng)與室外培養(yǎng)兩個(gè)階段，室內(nèi)階段10 d(以實(shí)際生長(zhǎng)情況而定)，以此鞏固植株根系對(duì)土壤環(huán)境的適應(yīng)，對(duì)植株進(jìn)行定期澆灌，確定正常生長(zhǎng)后移至室外自然環(huán)境，進(jìn)行生長(zhǎng)情況與整株發(fā)育情況的放置觀察。在完成飽和澆灌后，僅進(jìn)行必要補(bǔ)水，不再定期澆灌。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取劑的選擇

采用石油醚、正己烷、二氯甲苯和三氯甲苯等4種有機(jī)溶劑各50 mL，分別浸泡提取12 h和超聲提取20 min；同時(shí)分別設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn)，四種提取劑下的提取情況見表2、圖1和圖2。

表2 不同提取劑對(duì)提取液狀態(tài)的影響Table 2 Effect of different extracting agents on theextraction solution state

由表2可知，不論是浸泡提取還是超聲提取，石油醚和正己烷提取液中的石油烴純度較高，對(duì)土壤中的石油烴類物質(zhì)提取效果較好；而二氯甲烷和三氯甲烷提取液中除了含有石油烴外，還含有一些雜質(zhì)。這是由于二氯甲烷和三氯甲烷自身極性較大，對(duì)土壤中的一些極性物質(zhì)也有提取作用，造成提取液渾濁、易分層，并含有懸浮物質(zhì)。

圖1 不同提取劑和提取方法對(duì)提取率的影響Fig.1 Effect of different extractants and extraction methods on extraction rate

由圖1可知，浸泡提取時(shí)，四種提取劑的提取率高低順序?yàn)槿燃淄?石油醚>正己烷>二氯甲烷；超聲提取時(shí)，四種提取劑的提取率高低順序?yàn)槿燃淄?石油醚>二氯甲烷>正己烷。即無(wú)論是浸泡提取還是超聲提取，都是三氯甲烷的提取率最高，石油醚的提取率次之。

圖2 不同提取劑和提取方法對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響Fig.2 Effect of different extractants and extraction methods on soil organic matter content

由圖2可知，提取之后的土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈現(xiàn)石油醚>正己烷>二氯甲烷>三氯甲烷，表明極性溶劑造成土壤有機(jī)質(zhì)的損失高于非極性溶劑。對(duì)比圖2中的浸泡提取和超聲提取結(jié)果可知，超聲提取對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的損失更小一些?？赡艿脑蚴浅曁崛〉臅r(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于浸泡提取的時(shí)間。

綜合表2、圖1和圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鑒于三氯甲烷和二氯甲烷提取了土壤中較多的極性物質(zhì)，造成土壤中更多有機(jī)質(zhì)成分的損失，而石油醚不僅提取率相對(duì)較高，而且提取后土壤有機(jī)質(zhì)損失相對(duì)最少，所以實(shí)驗(yàn)選取適宜的提取溶劑為石油醚。

2.2 提取時(shí)間的影響

在土樣與適宜提取劑的固液比為1∶5 g/mL、提取次數(shù)為1次的條件下，選取浸泡提取時(shí)間分別為2，6，12，24 h，超聲提取時(shí)間分別為5，10，15，20，25 min；同時(shí)分別設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn)，浸泡提取和超聲提取時(shí)間對(duì)土壤中石油烴提取率的影響見圖3。

圖3 浸泡提取(a)和超聲提取(b)時(shí)間對(duì)提取率的影響Fig.3 Effect of soaking extraction and ultrasonic extraction time on extraction rate

由圖3可知，不論是浸泡提取還是超聲提取，石油烴提取率均先隨提取時(shí)間的增長(zhǎng)而快速上升，然后分別在浸泡提取時(shí)間為12 h和超聲提取時(shí)間為20 min后逐漸放緩。這是因?yàn)樵谔崛〔僮鞒跗?，固液間污染物濃度差很大，物質(zhì)傳遞速率大，提取率增幅大；隨著提取時(shí)間的延長(zhǎng)，固液間污染物濃度趨近平衡，物質(zhì)傳遞速率很小，提取率增幅降低。而且，由于浸泡提取環(huán)境中的物質(zhì)傳遞速率很小，所以浸泡提取接近平衡所需時(shí)間很長(zhǎng)；而超聲大大加快了污染物的溶出速率，所以超聲提取接近平衡所需時(shí)間很短。但在相同提取劑用量下，超聲提取率小于浸泡提取率，主要原因是超聲環(huán)境中的固液混合更加均勻，部分污染物重新被土壤吸附。因此，實(shí)驗(yàn)選取浸泡提取時(shí)間為12 h，超聲提取時(shí)間為20 min。

2.3 固液比的影響

在浸泡提取時(shí)間為12 h和超聲時(shí)間為20 min、提取次數(shù)為1次的條件下，選取土樣與適宜提取劑的固液比為1∶1，1∶2.5，1∶5，1∶7.5，1∶10 g/mL；同時(shí)分別設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn)，浸泡提取和超聲提取的固液比對(duì)土壤中石油烴提取率的影響見圖4。

圖4 浸泡提取和超聲提取的固液比對(duì)提取率的影響Fig.4 Effect of soild-liquid ratio of soaking extraction and ultrasonic extraction on extraction rate

由圖4可知，兩種提取方法的提取率均是先隨提取劑用量的增加(固液比的降低)而快速上升，并都在固液比為1∶5 g/mL后增幅放緩。這是由于在提取初期，固液間污染物濃度差大，提取速率隨著提取劑用量的增加而增大，所以提取率上升快；但在提取后期，固液間濃度差很小，物質(zhì)傳遞趨于平衡，提取速率不再隨著提取劑用量的增加而增大，所以提取率增幅放緩。因此，實(shí)驗(yàn)選取浸泡提取和超聲提取兩種方法的固液比均為1∶5 g/mL。

2.4 提取次數(shù)的影響

在固液比為1∶5 g/mL、浸泡提取時(shí)間為12 h和超聲時(shí)間為20 min下，分別選取浸泡提取和超聲提取次數(shù)為1次、2次、3次；同時(shí)分別設(shè)置三組平行實(shí)驗(yàn)，浸泡提取和超聲提取的提取次數(shù)對(duì)土壤中石油烴提取率的影響見圖5。

圖5 浸泡提取與超聲提取的提取次數(shù)對(duì)提取率的影響Fig.5 The influence of extraction times of soaking extraction and ultrasonic extraction on extraction rate

由圖5可知，兩種提取方法的提取率都是隨著提取次數(shù)的增多而增大，其中，浸泡提取3次提取差異不大；而超聲提取的第2次比第1次增幅較大(達(dá)7.59%)，之后基本持平。這是由于單次浸泡提取所用提取時(shí)間很長(zhǎng)，第1次浸泡提取后固液間的污染物濃度已接近平衡，即固體中污染物濃度很小，第2次提取時(shí)可提取出來(lái)的污染物量很少，累加后的提取率增幅不大；但在超聲提取中，第1次提取時(shí)因超聲的充分混合造成土壤重新吸附了部分污染物，即固體中污染物濃度較大，因此第2次提取時(shí)可提取出來(lái)的污染物量較多，累加后的提取率增幅較大。因此，實(shí)驗(yàn)選取浸泡提取次數(shù)為1次，超聲提取次數(shù)為2次。

綜上所述，利用石油醚浸泡提取土壤中的石油烴類物質(zhì)，在固液比為1∶5 g/mL、提取時(shí)間為12 h、提取次數(shù)為1次的條件下，總石油烴的提取率達(dá)95.25%；利用石油醚超聲提取土壤中的石油烴類物質(zhì)，在超聲功率為40 kHz、固液比為1∶5 g/mL、提取時(shí)間為20 min、提取次數(shù)為2次的條件下，總石油烴的提取率達(dá)96.85%。

2.5 土壤處理前后的變化及其植株種植的情況對(duì)比

鑒于超聲提取比浸泡提取的時(shí)間大大縮短，本文以采用石油醚為提取劑的超聲提取為例，對(duì)比考察原始污染土壤處理前后的變化及其植株種植情況。

2.5.1 土壤石油烴含量的變化 超聲處理前后的土壤中石油烴含量的GC-MS測(cè)定結(jié)果見圖6。

圖6 GC-MS檢測(cè)處理前后土壤中石油烴含量Fig.6 GC-MS detection of petroleum hydrocarbon content in soil before and after treatment

由圖6可知，處理后的波峰強(qiáng)度和峰面積較處理前的整體大幅下降。即經(jīng)超聲提取2次(共40 min)后，土壤中的石油烴含量大幅降低，經(jīng)計(jì)算，去除石油烴污染物97.03%。

2.5.2 土壤微觀結(jié)構(gòu)的變化 見圖7。

圖7 處理前后土壤的SEM鏡檢圖Fig.7 SEM micrograph of soil before and after treatment

由圖7可知，處理前的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較為致密，但仍有不規(guī)則與松散的現(xiàn)象，處理后的土壤更加平整，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)整體宛如一體，表面除少量殘余碎屑以外，幾乎沒有任何不規(guī)則的隆起與開裂現(xiàn)象。這是因?yàn)樵纪寥缊F(tuán)粒結(jié)構(gòu)因含有石油烴類物質(zhì)而形成，而此類團(tuán)粒結(jié)構(gòu)顆粒之間結(jié)合較為緊密，形成土壤結(jié)塊，但正因?yàn)轭w粒之間的結(jié)合因石油烴類物質(zhì)的存在，使得顆粒與顆粒之間存在間隙，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)受到了內(nèi)部石油烴物質(zhì)的影響，而相對(duì)脆弱不穩(wěn)定；而利用石油醚等溶劑提取土壤中石油烴類物質(zhì)的同時(shí)，也將損失土壤中的有機(jī)質(zhì)(見圖2)，此類團(tuán)粒結(jié)構(gòu)顆粒與顆粒之間沒有額外的物質(zhì)支撐，此時(shí)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)受內(nèi)部影響小，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這與現(xiàn)有關(guān)于土壤容重以及有機(jī)質(zhì)含量與土壤板結(jié)現(xiàn)象發(fā)生的論述相符[8-10]。同時(shí)，與處理前由于疏水物質(zhì)存在導(dǎo)致土壤持水性降低不同，板結(jié)的土壤團(tuán)粒，如圖7c、7d所示，接種之后使得土壤結(jié)構(gòu)緊實(shí)，降低了處理后的孔隙率，使得土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)更加粗糙平整，并削弱了土壤自身的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)持水性[11-13]。

2.6 植株種植情況的比較

植株室內(nèi)階段處理前后見圖8。

圖8 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤10 d(室內(nèi)階段)Fig.8 Plants are planted in soil before(a) and after(b) treatment for 10 d (indoor stage)

由圖8可知，在室內(nèi)階段，植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤10 d，植株的生長(zhǎng)狀況，除處理后土壤的植株更加茂密外，土壤處理前后的植株生長(zhǎng)沒有太大的差異。植株正常生長(zhǎng)后，移至室外自然環(huán)境，只進(jìn)行必要補(bǔ)水，不再定期澆灌，但脫離室內(nèi)理想環(huán)境后，植株僅在48 h后就出現(xiàn)較大的差異，見圖9。

由圖9a可知，生長(zhǎng)于原始土壤中的植株出現(xiàn)大面積的倒伏與枯萎現(xiàn)象，而在圖9b中，除有輕微倒伏外，植株整體生長(zhǎng)情況與室內(nèi)保持一致。處理前的植株雖在12 d 時(shí)，仍有新葉出芽，但整體體積偏小，在生長(zhǎng)情況上與圖b存在明顯的滯后現(xiàn)象，這與Li[14]和Ravanbakhsh[15]關(guān)于石油烴對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制論述相符。

圖9 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤48 h(室外階段)Fig.9 Plants are planted in soil 48 h before(a) and after(b) treatment for 48 h (outdoor)

圖10 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤48 h后的發(fā)育情況(室外階段)Fig.10 The development of plants are planted in soil before(a) and after(b) treatment for 48 h (outdoor stage)

由圖10的整株發(fā)育情況看，圖10a的植株主根短小，無(wú)側(cè)根出現(xiàn)，根莖交匯處出現(xiàn)明顯膨脹腫塊結(jié)構(gòu)，可能是土壤中的石油烴類物質(zhì)進(jìn)入植物體造成的阻塞或病變；而圖10b中的植株迅速發(fā)育出側(cè)根以保證水的充足供給。而且通過(guò)繼續(xù)觀察，45 d后植株生長(zhǎng)質(zhì)量與48 h相似(圖11)。

圖11 植株種植于處理前(a)和處理后(b)土壤45 d后的發(fā)育情況(室外階段)Fig.11 The development of plants are planted in soil before(a) and after(b) treatment for 45 d (outdoor stage)

由此可知，雖然利用石油醚提取土壤中的石油烴類污染物，損失了土壤的原始有機(jī)質(zhì)，使土壤容易板結(jié)，但植株種植研究發(fā)現(xiàn)，處理后土壤的植株生長(zhǎng)情況遠(yuǎn)比有機(jī)質(zhì)含量高但受污染的原始土壤中更好。所以，本實(shí)驗(yàn)利用石油醚提取土壤中的石油烴類污染物，具有實(shí)際意義的修復(fù)作用。

3 結(jié)論

(1)利用石油醚浸泡提取土壤中的石油烴類物質(zhì)，在固液比為1∶5 g/mL、提取時(shí)間為12 h、提取時(shí)間為1次的條件下，總石油烴的提取率達(dá)95.25%。

(2)利用石油醚超聲提取土壤中的石油烴類物質(zhì)，在超聲功率為40 kHz、固液比為1∶5 g/mL、提取時(shí)間為20 min、提取次數(shù)為2次的條件下，總石油烴的提取率達(dá)96.85%。

(3)盡管溶劑提取法修復(fù)總石油烴類污染場(chǎng)地將對(duì)土壤中的原始有機(jī)質(zhì)造成80%以上的損失，且隨著溶劑極性的增加而增加，土壤可持續(xù)性方面存在弊端，但是相對(duì)石油烴類污染物對(duì)土壤質(zhì)量及其植株種植質(zhì)量的損害而言，該方法短期內(nèi)仍具有修復(fù)作用。

利用有機(jī)溶劑的修復(fù)方案是現(xiàn)今化學(xué)土壤修復(fù)主要技術(shù)手段之一，但在高效去除率的背后隱藏的是對(duì)土壤質(zhì)量的損害。土壤修復(fù)不僅僅是一個(gè)短期工程，而是關(guān)乎一個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)長(zhǎng)久延續(xù)的重點(diǎn)問(wèn)題。以降低土壤使用壽命工程方案，與破壞土壤并無(wú)實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，如何在保留土壤質(zhì)量的前提下，高效地去除污染物質(zhì)，應(yīng)是今后科研成果轉(zhuǎn)化時(shí)應(yīng)該考慮的標(biāo)志。