受電石渣污染土壤的適宜改良劑研究①

程衛(wèi)國(guó)

(1.沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院 遼寧沈陽(yáng) 110167；2.遼寧省城市生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧沈陽(yáng) 110167)

1 引言

截至2018年末，我國(guó)聚氯乙烯的總產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到2404萬(wàn)噸，總產(chǎn)量約1874萬(wàn)t。目前制備氯乙烯單體的方法主要有電石乙炔法和石油乙烯氧氯化法兩種，我國(guó)聚氯乙烯產(chǎn)能約80%依賴(lài)于電石法裝置[1]，采用該工藝生產(chǎn)聚氯乙烯過(guò)程中產(chǎn)生大量電石渣，我國(guó)電石渣存量已達(dá)到數(shù)千萬(wàn)噸[2]。電石渣屬于高濕度、高堿性的固體廢渣，在進(jìn)行回收利用時(shí)主要是將其作為低附加值的水泥原料[3]，但回收率很低（約10%）。我國(guó)東北地區(qū)某聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)將生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的電石渣堆放在租用的荒地上，堆放時(shí)間為15年，雖然后來(lái)企業(yè)對(duì)電石渣進(jìn)行了清理，但長(zhǎng)期堆放對(duì)土壤造成了影響，導(dǎo)致土壤pH值明顯升高（＞11），各農(nóng)藝指標(biāo)較周邊土壤有所下降。

目前針對(duì)鹽堿地土壤改良劑的研究很多，也形成了很多不同類(lèi)型的改良劑產(chǎn)品[4]，其中包括天然改良劑[5]、人工改良劑[6-7]和生物改良劑[8]等，但這些已有研究主要是針對(duì)天然鹽堿地土壤（pH值在8.0～9.0之間），對(duì)于受堿性固體廢物影響的高pH值低營(yíng)養(yǎng)型土壤的適用性較差[9-11]。本研究針對(duì)受電石渣污染土壤，為使其恢復(fù)利用功能，開(kāi)發(fā)了一種適宜于pH值明顯高于一般天然鹽堿地土壤的酸性營(yíng)養(yǎng)型改良劑。

2 材料和方法

2.1 供試土壤

試驗(yàn)土壤在某聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)的電石渣堆放場(chǎng)地采集，采樣土壤為電石渣清理后的表層土壤（0～0.5m）。本次共在3個(gè)不同區(qū)域內(nèi)分別采集了3組土壤樣品，并將其混為1組混合土壤樣品，兩組供試土壤pH值和各項(xiàng)農(nóng)藝指標(biāo)如表1所示。

從原土和受污染土壤的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，污染土壤的pH值升高明顯，鈣含量大大提升，有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀等營(yíng)養(yǎng)成分下降明顯，陽(yáng)離子交換量低于10cmol(+)/kg，難以滿足作物正常生長(zhǎng)需要。

2.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)本次試驗(yàn)的受試土壤理化性質(zhì)，試驗(yàn)?zāi)康氖墙档褪茉囃寥纏H值，恢復(fù)受污染土壤營(yíng)養(yǎng)水平。因此在選擇改良劑時(shí)主要考慮三個(gè)方面因素：（1）改良劑要呈現(xiàn)酸性（pH值小于5.0），但不能存在其他有害成分；（2）改良劑各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)明顯高于當(dāng)?shù)睾谕粒唬?）改良劑要具有一定的黏性，利于對(duì)營(yíng)養(yǎng)成分和水分的保持。

表1 試驗(yàn)土壤的基本理化性質(zhì)

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表3 樣品測(cè)試結(jié)果

基于以上原則，單一材料很難滿足各項(xiàng)改良劑理化性質(zhì)，本次試驗(yàn)采用多種改良劑混合后的酸性營(yíng)養(yǎng)型綜合改良劑作為試驗(yàn)材料，此次選擇的材料包括：木醋液、草甸土、雞糞土和小顆粒膨潤(rùn)土。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)前對(duì)土壤樣品進(jìn)行了簡(jiǎn)單的過(guò)篩處理，按照不同改良劑的添加比例，共設(shè)計(jì)了6組試驗(yàn)，同時(shí)設(shè)計(jì)1組空白組試驗(yàn)。

每組試驗(yàn)準(zhǔn)備好200g待試土壤，然后根據(jù)比例調(diào)制好6組改良劑，并將改良劑與待試土壤充分混合并攪拌均勻，加水養(yǎng)護(hù)10d，在養(yǎng)護(hù)期間保持土壤含水率在60%以上。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，對(duì)6組樣品的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，包括pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量、有效磷和速效鉀等。

在確定各改良劑的添加比例時(shí)，主要考慮了待試土壤和各改良劑的理化性質(zhì)，結(jié)合土壤改良成本，分析在成本可控的基礎(chǔ)上，能夠達(dá)到土壤改良效果的最大改良劑添加比例，并在此基礎(chǔ)上調(diào)整不同改良劑的添加量，以期達(dá)到效果/成本最大化。

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品測(cè)試結(jié)果

對(duì)空白組和6個(gè)試驗(yàn)組養(yǎng)護(hù)10d之后的樣品進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)包括pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、陽(yáng)離子交換量（CEC）、有效磷和速效鉀，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果討論

3.2.1 改良劑對(duì)pH和電導(dǎo)率的影響

（1）土壤pH。

從樣品測(cè)試結(jié)果可以看出，施加改良劑后，各試驗(yàn)組土壤pH值均有明顯降低，說(shuō)明本次選用的改良劑，尤其是其中含有的木醋液成分對(duì)降低土壤pH值有明顯作用。隨著木醋液的添加比例增加，土壤pH值整體上逐漸降低，其中S5試驗(yàn)組改良效果最明顯，土壤pH從原來(lái)的11.65降低到8.03，降幅達(dá)到30%以上；S6試驗(yàn)組的木醋液添加量為4%，但土壤pH降幅并沒(méi)有S5試驗(yàn)組大，主要是由于S5試驗(yàn)組的草甸土和雞糞土添加比較高于S6試驗(yàn)組，而這兩種改良劑也呈現(xiàn)酸性，對(duì)土壤pH的改良也具有一定效果。

（2）土壤電導(dǎo)率。

在試驗(yàn)組中，土壤電導(dǎo)率相比對(duì)照組下降十分明顯，說(shuō)明本次選用的改良劑對(duì)于土壤鹽分的抑制作用明顯，除改良劑起到的作用外，對(duì)土壤的養(yǎng)護(hù)過(guò)程也起到了關(guān)鍵作用，S0對(duì)照組在經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后的電導(dǎo)率下降也十分明顯（從6244·cm-1下降到4878·cm-1）；相對(duì)來(lái)說(shuō)，草甸土和雞糞土添加含量高，土壤電導(dǎo)率下降更為明顯。

3.2.2 改良劑對(duì)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的影響

（1）土壤有機(jī)質(zhì)。

土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)是表征土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo)，是植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源之一，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的重要源與匯。較高的SOM含量能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育，明顯改善土壤質(zhì)量，并促進(jìn)微生物和其他土壤生物的活動(dòng)，促使土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素的分解，并大大提高土壤的保肥性。本次通過(guò)在受污染土壤中添加改良劑，使原土壤有機(jī)質(zhì)含量大大提升，其中S5組試驗(yàn)的有機(jī)質(zhì)含量提升近5倍，其次為S4組試驗(yàn)。從各不同改良劑原料添加情況來(lái)看，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)提升起主要作用的為雞糞土和草甸土，兩種物質(zhì)的添加量越高，有機(jī)質(zhì)提升越明顯。

（2）土壤有效磷含量。

磷是影響作物生長(zhǎng)和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，土壤中磷含量保持在較高水平是農(nóng)作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要基礎(chǔ)。土壤中磷素的豐缺狀況，表征了土壤肥力水平的高低，而土壤有效磷是作物在生長(zhǎng)過(guò)程中從土壤中獲得磷養(yǎng)分資源的最重要途徑。在本次所選取的受電石渣污染土壤中，磷元素虧缺嚴(yán)重，有效磷含量約11.78mg/kg，處于較低水平，會(huì)影響作物生長(zhǎng)，但磷素的累積則可能會(huì)影響到其他元素的的生物有效性，造成營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)失衡，甚至引起土壤肥力退化。因此，需要通過(guò)在受污染土壤中添加改良劑使得土壤有效磷控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)結(jié)合日常耕作過(guò)程中磷肥的施加，保證作物正常生長(zhǎng)需要。本次所選用的改良劑對(duì)土壤有效磷含量增加有一定的促進(jìn)作用，添加改良劑的試驗(yàn)組土壤有效磷含量均提升至20mg/kg以上，起主要作用的成分仍然是雞糞土和草甸土。

（3）土壤速效鉀。

鉀元素是參與植物生物化學(xué)過(guò)程并貫穿整個(gè)生命周期不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)作物健康乃至農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。很大程度上，土壤中原始速效鉀含量是由基巖和母質(zhì)決定的，人為因素也同樣會(huì)影響速效鉀的分布和土壤中鉀元素的供輸平衡，例如施用鉀肥等。本次所選取的受電石渣污染土壤在長(zhǎng)期電石渣的淋濾作用下，土壤中鉀元素含量流失明顯，速效鉀含量低于80mg/kg，在添加改良劑之后，速效鉀含量明顯提升，在162-256mg/kg之間，依據(jù)全國(guó)二次土壤普查土壤肥力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判斷其土壤肥力處于中上等水平，基本能夠滿足當(dāng)?shù)赜衩鬃魑锏纳L(zhǎng)需要。

3.2.3 改良劑對(duì)CEC的影響

土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)是土壤膠體和土壤肥料的重要特征之一，是土壤物理、化學(xué)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，它直接反映土壤保蓄、供應(yīng)和緩沖陽(yáng)離子養(yǎng)分的能力。土壤中CEC處于較低水平時(shí)，土壤保持養(yǎng)分的能力大大降低，對(duì)于作物生長(zhǎng)也會(huì)有很大影響。本次所選取的受電石渣污染土壤在養(yǎng)護(hù)完成后的CEC含量?jī)H為5.05 cmol(+)/kg，已經(jīng)不能滿足作物生長(zhǎng)需要。影響CEC值變化的因素包括土壤pH值、土壤黏粒含量和有機(jī)質(zhì)含量等，本次對(duì)受污染土壤的改良包括降低pH值（加入木醋液），提高土壤黏粒含量（加入膨潤(rùn)土）和提升有機(jī)質(zhì)含量（加入雞糞土和草甸土）等。試驗(yàn)組土壤CEC值均明顯提升，且都達(dá)到了10 cmol(+)/kg以上，其中S5試驗(yàn)組提升至15.79 cmol(+)/kg，達(dá)到中上等水平，能夠滿足作物生長(zhǎng)需要。

4 結(jié)論

（1）我國(guó)電石渣存量已達(dá)到數(shù)千萬(wàn)噸，很多企業(yè)的電石渣被直接露天堆放，導(dǎo)致堆放地土壤受到污染，主要表現(xiàn)為pH值升高和營(yíng)養(yǎng)流失。

（2）目前針對(duì)天然鹽堿地土壤（pH值在8.0～9.0之間）的改良劑研究很多，但對(duì)于受堿性固體廢物影響的高pH值低營(yíng)養(yǎng)型土壤的適用性較差。本研究針對(duì)受電石渣污染，堿性明顯增強(qiáng)（pH值大于11.0），營(yíng)養(yǎng)嚴(yán)重流失的土壤，開(kāi)發(fā)了一種由幾種物質(zhì)按照不同比例混合而成的酸性營(yíng)養(yǎng)型改良劑。

（3）通過(guò)試驗(yàn)組和對(duì)照組的試驗(yàn)研究，改良劑的添加可明顯降低土壤pH值和電導(dǎo)率，提升有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，并使土壤CEC值明顯提高。

（4）以S5組試驗(yàn)（木醋液3%、草甸土和雞糞土4%、膨潤(rùn)土2%）的效果最為明顯，pH值由11.65降至8.03，電導(dǎo)率由4878·cm-1降到了174.7·cm-1，有機(jī)質(zhì)含量從4.51g/kg提升至21.1g/kg，有效磷含量由11.75mg/kg提升到25.82mg/kg，速效鉀含量從79.11mg/kg提高到256.1mg/kg，CEC值從5.05cmol(+)/kg提升到15.79cmol(+)/kg，各項(xiàng)土壤指標(biāo)均可以滿足當(dāng)?shù)赜衩鬃魑锏恼ＩL(zhǎng)需要。