氣化渣與沙土復(fù)配土壤中重金屬的淋溶特征研究

付 咪 ,路 培 ,何林衛(wèi) ,楊 斌 ,孫利鵬 ,李 強(qiáng)

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 榆林 719000;2.陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 榆林 719000)

作為支柱性產(chǎn)業(yè),煤炭在中國能源中占有最主要的地位。直到今天,中國能源的近3/4 生產(chǎn)總量都是來自煤炭[1]。目前煤炭的開采主要有露天和井工兩種方式,其中露天開采時(shí)會造成土壤的剝離,而井工開采則容易造成土地表塌陷,無論以上哪種方式都會對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成影響[2]。煤氣化是指煤在一定溫度及壓力下與蒸汽、空氣或O2等氣化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將煤轉(zhuǎn)化成CO 和H2,同時(shí)會產(chǎn)出蒸汽、焦油、灰渣等副產(chǎn)品的過程[3]。由于煤氣化過程的高溫(800～1 300 ℃)和激冷作用,氣化渣呈現(xiàn)出比表面積大、多孔均孔特性,這為氣化渣在荒漠化防治中的應(yīng)用提供了可能和潛力[4-6]。氣化殘?jiān)瘜W(xué)組成的差異與煤的灰分組成、助熔劑類型和引入量以及氣化工藝等因素有關(guān),SiO2、Al2O3、CaO 和Fe2O3共四種氧化物構(gòu)成主要化學(xué)成分,其含量均大于85%,除此之外,氣化殘?jiān)兴嵝匝趸?SiO2+Al2O3)含量超過45%,而堿性氧化物含量小于30%[7]。土壤中的重金屬具有持久性和累積性[8],危害人類生活和健康。

基于以上論述,本文通過對氣化渣與沙土復(fù)配土壤中重金屬在垂直方向的淋溶變化規(guī)律探究,從而系統(tǒng)的評估氣化渣生態(tài)化利用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

該試驗(yàn)在榆林學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。將取自榆陽區(qū)本地的沙土與某化工企業(yè)在煤氣化過程中產(chǎn)生的氣化渣通過不同比例進(jìn)行復(fù)配,試驗(yàn)以沙土和氣化渣和沙土復(fù)配土(復(fù)配比為:15%、20%、25%、30%、35%和40%)為研究對象,分析重金屬在自然淋溶狀態(tài)下(鎘、鉻、砷)隨土壤深度和復(fù)配比的分布特征。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

本試驗(yàn)依據(jù)土壤學(xué)中“質(zhì)地結(jié)構(gòu)理論”將氣化渣和沙土進(jìn)行配比。設(shè)置15%、20%、25%、30%、35%、40%共6 個(gè)處理,靜置一段時(shí)間后,用專用土壤取樣器采集0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm 和20～30 cm 土層土樣以供重金屬檢測,重金屬采用X 熒光元素分析儀。共30 個(gè)土樣,每個(gè)試驗(yàn)同時(shí)設(shè)三個(gè)重復(fù)。通過公式計(jì)算重金屬含量,并分析不同復(fù)配土中重金屬含量及復(fù)配土中重金屬隨土壤深度變化特征。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和作圖采用Microsoft Excel 2019 軟件進(jìn)行,柱狀圖、折線圖在Excel 中輸入數(shù)據(jù)完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 重金屬鉻元素隨土壤深度和復(fù)配比的分布特征分析

從圖1 可看出,重金屬鉻含量隨著土壤土層深度的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢,即5 cm<10 cm<15 cm<20 cm<30 cm。氣化渣配比為25%的處理在5 cm處和10 cm 處的鉻元素含量分別為8.5 mg、9.6 mg。6 個(gè)不同配比的復(fù)配土在10 cm 和5 cm 處含量差別分別為為:4 mg、16 mg、20 mg、21 mg、21 mg、28 mg。10 cm～20 cm 鉻元素差量隨著復(fù)配比逐漸增大,差量最大的是氣化渣含量40%的復(fù)配土為28 mg,差量最小的是15%的復(fù)配土為4 mg。圖2 是10 cm 和20 cm 兩個(gè)不同土層鉻元素隨復(fù)配比的變化。從圖中可看出鉻元素含量在兩個(gè)土層中隨著氣化渣含量的增加而增加,即15%<20%<25%<30%<35%<40%。具體表現(xiàn)為:10 cm 處的土層鉻元素含量分別為:15 mg、17 mg、21 mg、25 mg、33 mg、40 mg。20 cm 處的鉻元素含量分別為:19 mg、33 mg、41 mg、46 mg、54 mg、68 mg。2 個(gè)不同土層鉻元素含量差分別為:71 mg、118 mg,鉻元素差量20 cm>10 cm。

圖1 重金屬鉻隨土層深度的分布變化特征

圖2 重金屬鉻隨復(fù)配比的變化特征

2.2 重金屬鎘元素隨土壤深度和復(fù)配比的分布特征分析

圖3 可看出,重金屬鎘含量隨著土壤土層深度的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢,即5cm<10cm<15cm<20cm<30 cm。氣化渣含量為20%的配比土樣在5 cm 處和10 cm 處的鎘元素含量分別為7.4 mg、8.8 mg。6 個(gè)不同配比復(fù)配土在10 cm 和5 cm 這2 個(gè)土層間鎘元素含量差量分別為:2.2 mg、1.4 mg、1.1 mg、0.7 mg、2 mg、2 mg。氣化渣為15%的復(fù)配土,10 cm～20 cm 鎘元素含量差最大,為2.2 mg。差量最小的是30%的復(fù)配土,為0.7 mg,在氣化渣配比為15%～30%之間,隨著氣化渣含量的增大,鎘元素5cm 和10cm 之間的差量在逐漸減小。由圖4 可看出10 cm 和20 cm 兩個(gè)土層鎘元素含量隨復(fù)配比的變化,即復(fù)配土中鎘元素含量隨著氣化渣含量的增加而增加。10 cm 處的土層鎘元素含量分別為:5.9 mg、7.4 mg、8.5 mg、9.5 mg、10.7 mg、11.4 mg,20 cm 處的鎘元素含量分別為:8.1 mg、8.8 mg、9.6 mg、10.2 mg、12.7 mg、13.4 mg。2 個(gè)不同土層鉻元素含量差分別為:8.8 mg、8.6 mg。

圖3 鎘隨土層深度的分布變化特征

圖4 重金屬鎘隨復(fù)配比的變化特征

2.3 重金屬砷元素隨土壤深度和復(fù)配比的分布特征分析

圖5 可看出,重金屬砷含量隨著土壤土層深度的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢,即5 cm<10 cm<15 cm<20 cm<30 cm。氣化渣含量35%的處理在5 cm 處和10 cm 處的砷元素含量分別為0.74 mg、1.71 mg。6個(gè)不同復(fù)配土的在2 個(gè)土層砷元素差量分別為:0.32 mg、1.01 mg、0.72 mg、0.8 mg、0.97 mg、1.02 mg。差量最大的是氣化渣含量40%的復(fù)配土,為1.02 mg,其次是20%的復(fù)配土,差量為1.01 mg,在氣化渣含量25%～40%之間,隨復(fù)配比的增大,砷元素含量增加,在此區(qū)間,含量最小的是25%的復(fù)配土,砷含量差量為0.72 mg。圖6 可看出,10 cm 和20 cm 兩個(gè)不同土層砷含量隨氣化渣復(fù)配比的變化,即含量隨著氣化渣含量的增加而增加,具體表現(xiàn)為:15%<20%<25%<30%<35%<40%。10 cm 處的土層砷元素含量分別為:0.06 mg、0.09 mg、0.53 mg、0.70 mg、0.74 mg、1.11 mg,20 cm 處的砷元素含量分別為:0.38 mg、1.10 mg、1.25 mg、1.50 mg、1.71 mg、2.13 mg。2 個(gè)不同土層種復(fù)配比砷元素含量差分別為:1.91 mg、1.83 mg。砷元素差量10 cm>20 cm。

圖5 砷元素隨土層深度的分布變化特征

圖6 砷元素隨復(fù)配比的變化特征

3 結(jié)論與討論

(1)復(fù)配土重金屬(鉻、鎘、砷)隨著復(fù)配比例的增加呈增加趨勢,且重金屬含量在較深土層內(nèi)具有一定的富集現(xiàn)象,對于同一種重金屬而言,復(fù)配比愈高,富集比也愈大。20 cm 土層與10 cm 土層含量之比的倍數(shù)分別為:鉻Cr(1.26～1.95 倍)、鎘Cd(1.13～1.37 倍)、砷As(1.92～2.82 倍)。

(2)同一氣化渣復(fù)配比條件下,復(fù)配土重金屬元素(鉻、鎘、砷)含量隨土層深度逐漸增加。其中,鉻元素在氣化渣復(fù)配比為15%時(shí)10 cm 和20 cm 兩個(gè)土層含量差量最小,隨復(fù)配比兩土層差量變化幅度10 cm<20 cm;鎘元素在氣化渣復(fù)配比為30%時(shí),10 cm 和20 cm 兩土層含量差量最小,隨復(fù)配比兩土層差量變化幅度10 cm>20 cm;砷元素在氣化渣復(fù)配比為25%時(shí),10 cm 和20 cm 兩土層含量差量最小,隨復(fù)配比兩土層差量變化幅度10 cm>20 cm。說明氣化渣復(fù)配比越小,重金屬遷移越小,穩(wěn)定性越大,越利于固化穩(wěn)定重金屬。