土壤重金属污染一直是受到广泛关注的环境问题.在诸多土壤重金属污染的治理方法中，土壤淋洗修复技术是一种行之有效的污染土壤治理技术，具有修复效果稳定、易于操作等优点，适合于快速修复受高浓度重金属和有机物污染的土壤与沉积物.土壤淋洗技术通常通过振荡等强化措施，提高土壤中重金属转移到洗脱液中的效果.常用的洗脱剂有无机酸(HCl、HNO₃等)、螯合剂(EDTA、柠檬酸等)、表面活性剂(SDS、鼠李糖脂等)、氧化剂(O₃、ClO₂等)等(李玉双等，2011).其中，EDTA(乙二胺四乙酸二钠盐)是目前最常用的洗脱剂之一，它能有效地去除污染土壤中的重金属元素，与强酸相比，其对土壤结构和理化性质影响较小，且容易回收和再生利用(Zhang et al., 2007；Hong et al., 2002).但是，传统的洗脱方法时间较长且容易造成地下水污染，使土壤淋洗技术很难大范围应用.如能找到一种可以在较短时间内高效去除土壤重金属的洗脱方法，将是非常有意义的.

超声波是频率高于2 kHz的声波，它具有方向性好、穿透能力强等特点.工业上，利用超声波进行清洗、干燥、杀菌、雾化等，是一种非常成熟且广泛应用的技术.超声波可直接作用于样品内部，且超声波作用于液体时会产生激烈而快速变化的机械运动，有利于土壤颗粒与洗脱剂的充分混合，比一般的机械搅拌更有效(金余其等，2012；席细平等，2007).另一方面，超声空化作用可改变土壤结构以及细胞壁释放胞内物质，明显改变液体中的溶解态和颗粒态物质的特征，可以解吸附着在土壤颗粒及表面的固着态重金属离子而成为游离态，因而增加重金属的去除率(刘丽丽，2010).利用超声波的这些特点，近年来已有一些应用超声波进行土壤重金属形态分析方面的研究.Benita Pérez-Cid等(Benita et al., 1999)将超声波加速应用到底泥样品的重金属形态提取，发现在第一和第二个阶段，振荡时间从1 h和5 h分别减少到1 min和7 min；在第三和第四个阶段，提取时间从6 h和5 h减少到9 min，并且不需要温度控制过程；最后加醋酸铵提取只需要2 min.彭靖茹等(2011)建立了超声波提取-火焰原子吸收光谱法快速测定土壤提取液中有效态Cu、Fe、Zn、Mn的方法，前处理时间由120 min缩短至15 min，提高了分析效率.He等(2011)发现，相比机械振动，超声波强化了底泥沉积物中Hg向水相的释放；藻类存在的情况下，超声作用15 min之内，Hg²⁺的洗脱率与机械振动作用60 min后Hg²⁺的洗脱率相同.然而利用超声波辅助洗脱土壤中重金属的研究却鲜有报道.本研究采用正交实验研究超声波强化EDTA洗脱土壤重金属的最优条件，并采用Tessier 连续提取法(Tessier et al., 1979)分析洗脱前后土壤中重金属形态变化，以期为超声波在土壤重金属洗脱方面的应用提供科学参考.

土壤样品采自湘南某矿区附近农田土壤.土样经风干去除杂质，研磨后分别过2 mm尼龙筛和0.149 mm尼龙筛，在塑料封口袋中保存待测.供试土壤基本理化性质见表 1.选用EDTA作为洗脱剂，在超声波(超声波细胞粉碎机：JY92-ⅡDN，宁波新芝生物科技股份有限公司，频率20~25 kHz；功率60~650 W)作用下，对供试土壤进行实验室洗脱实验.

表1(Table 1)

表1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil

表1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the tested soil 土壤类型 pH 有机质/(g·kg-1) CEC/(cmol·kg-1) 黏粒 粉粒 细砂 重金属总量/(mg·kg-1) 内梅罗污染指数 Pb Cd Cu Zn 注：本文内梅罗污染指数法(涂剑成等，2012)评价均采用《土壤环境质量标准GB15618—1995》(夏家淇等，1996)Ⅲ级标准. 菜园土 6.25 12.07 10.82 20% 46% 30% 1067 28.8 79.0 1571 15 土壤Ⅲ级标准 >6.5           500 1.0 400 500       交换态       15.3 6.35 0.41 115     碳酸盐结合态 179 1.14 4.48 189   供试土壤重金属形态分布 铁锰结合态 169 2.13 18.6 745     有机结合态 53.3 0.43 4.22 48.5     残渣态 650 18.7 51.4 474

选用EDTA作为洗脱剂，参照L₁₆(4⁵)型正交表进行实验设计，选择对土壤重金属Pb、Cd、Cu和Zn洗脱效率有影响的5个因素：EDTA浓度、固液比(g : mL)、超声波作用时间、超声波功率和洗脱次数进行分析，每个因素均设置4个水平，共16个实验处理，每个处理设3次重复.1～16号实验为正交实验，17号实验采用振荡2 h的洗脱方法，18号实验采用超声波强化洗脱方法.实验设计详见表 2.

表2(Table.2)

表2 正交实验设计与结果L16(45) Table.2 Design and results of the orthogonal experiment L16(45)

表2 正交实验设计与结果L16(45) Table.2 Design and results of the orthogonal experiment L16(45) 编号 EDTA浓度(A) /(mmol·L-1) 固液比(B) /g∶mL 时间(C) /min 功率(D) 洗脱次数(E)/次 洗脱率 温度/℃ 内梅罗污染指数 Cd Cu Pb Zn 注：表示各因素4个水平下的平均值，R为同一因素各水平下平均值的极差. 1 20 1/5 0 2% 1 68.6% 38.8% 76.5% 21.3% 15.0 4.8 2 20 1/10 4 6% 2 73.9% 47.2% 84.1% 29.5% 18.5 4.0 3 20 1/15 8 18% 3 80.4% 53.0% 90.5% 36.7% 20.8 3.0 4 20 1/20 16 54% 4 83.6% 58.8% 98.0% 43.0% 29.5 2.5 5 50 1/5 4 18% 4 68.2% 50.2% 82.6% 34.3% 26.1 4.8 6 50 1/10 0 54% 3 66.0% 47.4% 77.9% 30.5% 19.0 5.1 7 50 1/15 16 2% 2 69.5% 47.9% 80.4% 29.5% 22.5 4.6 8 50 1/20 8 6% 1 63.0% 40.9% 71.9% 22.5% 20.0 5.6 9 100 1/5 8 54% 2 61.8% 47.7% 75.7% 28.3% 38.0 5.8 10 100 1/10 16 18% 1 60.7% 44.0% 72.0% 23.6% 29.9 5.9 11 100 1/15 0 6% 4 66.1% 49.7% 76.6% 30.0% 19.1 5.1 12 100 1/20 4 2% 3 52.4% 41.2% 62.7% 27.1% 17.0 7.2 13 200 1/5 16 6% 3 60.4% 49.9% 75.3% 29.6% 30.7 6.0 14 200 1/10 8 2% 4 58.2% 47.7% 70.7% 28.0% 20.6 6.3 15 200 1/15 4 54% 1 53.1% 40.3% 62.7% 18.4% 23.0 7.1 16 200 1/20 0 18% 2 56.4% 45.7% 68.2% 26.6% 17.0 6.6 17 50 1/10 0 0% 1 42.8% 26.4% 15.8% 11.1% 16.5 8.7 18 50 1/10 10 20% 1 79.8% 44.0% 61.8% 16.9% 24.7 3.1 温度 21.0 27.5 17.5 18.8 22.0             21.9 22.0 22.1 22.1 24.0             26.0 21.4 23.4 23.4 21.9             22.8 20.9 28.1 27.4 23.8             5.0 6.6 10.6 8.6 2.1             内梅罗污染指数 3.56 5.33 5.40 5.71 5.84             5.04 5.33 5.75 5.16 5.23             6.00 4.95 5.16 5.08 5.31             6.48 5.46 4.76 5.12 4.69             2.92 0.51 1.00 0.64 1.16

准确称取一系列10.00 g土样分别置于一系列250 mL离心瓶中，按照正交实验设计表中所列实验条件进行超声波强化洗脱实验.然后 180 r · min^-1振荡2 h(室温)，4000 r · min^-1离心15 min，过0.45μm微孔滤膜，保存滤液待测.

采用Tessier 连续提取法(Tessier et al., 1979)，对最优条件下洗脱后的土壤中重金属进行形态分析.对比超声波强化EDTA洗脱前后土壤中5种形态的重金属含量变化.

土壤pH值测定用酸度计(pHs-3C，上海精密科学仪器)测定，固液比为m(固)∶ V(液)=1 : 2.5；有机质含量采用水合热重铬酸钾氧化-比色法测定(鲍士旦，2005)；土壤中Pb、Cd、Cu和Zn总量采用王水-高氯酸消煮.所有样品中重金属Pb、Cd、Cu和Zn含量用ICP-OES测定(ICP 6300，Thermo)，同时全程做空白实验.

不同的重金属对人体健康的危害程度不同.为综合评价超声波强化EDTA对土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的洗脱效果，本文根据《土壤环境质量标准GB15618-1995》(夏家淇等，1995)Ⅲ级标准，采用内梅罗污染指数法(涂剑成等，2012)评价了超声强化洗脱后各土壤的污染状况，结果列于表 2.

采用综合平均法(庄楚强，2005)对正交实验结果进行直观分析，结果列于表 2.从表 2可以看出，4号实验(A₁B₄C₄D₄E₄)条件下，土壤重金属的综合洗脱效果最好.对污染土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的洗脱率分别达到83.6%、58.8%、98.0%和43.0%.综合洗脱效果随着EDTA溶液浓度减小而变得更好，随着固液比、超声波作用时间、超声波功率和洗脱次数增大而变得更好.比较5个因素4个水平下洗脱后各土壤内梅罗污染指数平均值的极差，可知R_A>R_E> R_C> R_D> R_B，说明EDTA溶液浓度对土壤重金属的综合洗脱效果影响最大，其次是洗脱次数，再其次是超声波作用时间和超声波功率，固液比对土壤重金属的综合洗脱效果的影响最小.方差分析结果(表 3)表明，EDTA浓度对综合洗脱效果影响极显著，固液比、超声波作用时间、超声波功率和洗脱次数对土壤重金属综合洗脱效果的影响未达显著水平.

表3(Table.3)

表3 超声波强化EDTA洗脱后土壤内梅罗污染指数的方差分析 Table.3 Variance analysis for Nemerow pollution index of washed soil with ultrasound-enhanced EDTA solutions

表3 超声波强化EDTA洗脱后土壤内梅罗污染指数的方差分析 Table.3 Variance analysis for Nemerow pollution index of washed soil with ultrasound-enhanced EDTA solutions 方差来源 平方和 自由度 均方和 F P 注：F0.05(3，12)= 4.50. 洗脱液浓度(A) 19.920 3 6.638 11.89 <0.05 固液比(B) 0.615 3 0.205 0.095 >0.05 时间(C) 2.205 3 0.735 0.361 >0.05 功率(D) 1.100 3 0.367 0.172 >0.05 洗脱次数(E) 2.775 3 0.925 0.466 >0.05

重金属在土壤中的移动能力越强，其环境风险越大，而重金属的移动性直接与其在土壤中的存在形态相关(Mulligan et al., 2001；雷鸣等，2005).人们普遍认为，生物可利用态主要指水溶态和交换态，这部分重金属易被作物吸收；生物潜在可利用态主要是碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态和有机物结合态之和，该形态的重金属在较强酸性介质及适当的环境条件下会释放出来，是生物可利用态重金属的直接提供者；不可利用态一般指残渣态(Jung and Thornton，1996；何孟常和云影，2003).为分析超声波强化EDTA洗脱对土壤中重金属形态的影响，采用Tesseir连续提取法分析了洗脱前及采用最优条件(A₁B₄C₄D₄E₄)洗脱后土壤中重金属Cd、Cu、Pb、Zn各形态的含量.从图 1可以看出，洗脱前土壤中Cu、Pb和Zn的生物可利用态都不高，但是潜在生物可利用态较高，存在潜在生物可利用风险.洗脱前，土壤中Cd主要以残渣态存在，其次是交换态，其含量分别占土壤总Cd含量的65.1%和22.1%；采用最优条件洗脱后，土壤中Cd的残渣态和交换态去除率分别为81.6%和95.2%，剩余含量分别为3.44 mg · kg^-1和0.31 mg · kg^-1.Cu在土壤中主要以残渣态存在，其次是铁锰氧化物结合态，其含量分别占土壤总Cu含量的65.0%和23.5%；采用最优条件洗脱后，土壤中Cu的残渣态和铁锰氧化物结合态去除率分别为62.3%和71.9%，剩余含量分别为19.3 mg · kg^-1和5.22 mg · kg^-1.Pb在土壤中主要以残渣态存在，其含量占土壤中Pb含量的60.9%；采用最优条件洗脱后，土壤中残渣态Pb的去除率为93.8%，剩余含量为40.15 mg · kg^-1.Zn在土壤中主要以铁锰结合态和残渣态存在，其含量分别占土壤总Zn含量的47.4%和30.1%；采用最优条件洗脱后，土壤中Zn的残渣态和铁锰氧化物结合态去除率分别为5.7%和63.1%，剩余含量分别为446.6 mg · kg^-1和274.8 mg · kg^-1.

图 1(Fig. 1)

图 1 超声波强化EDTA洗脱作用前后土壤中重金属形态分布 Fig. 1 Species of heavy metals in the tested soil before and after washing with ultrasound-enhanced EDTA solutions

洗脱后的土壤中，Cu总量为28.06 mg · kg^-1，Pb总量为77.87 mg · kg^-1，分别达到国家土壤环境质量一级标准和二级标准(GB15618—1995)(夏家淇等，1995).Cd和Zn总量分别为4.91 mg · kg^-1和811.7 mg · kg^-1，仍然超过土壤环境质量三级标准.主要原因可能是原土污染程度太高(内梅罗污染指数为15)，其中Cd和Zn总量分别为28.8 mg · kg^-1和1571 mg · kg^-1.

EDTA 是一种非选择性金属螯合剂，其分子能和绝大部分重金属离子形成稳定的1 : 1的螯合物(Sun et al., 2001；许超等，2009).本实验中，在EDTA浓度为50 mmol · L^-1，固液比1 : 20的条件下，采用常规方法振荡2 h后，Cd、Cu、Pb、Zn的去除率分别为42.8%、26.4%、15.8%和11.1%，而在相同条件下，采用超声波作用振荡2 h后，Cd、Cu、Pb、Zn的平均去除率分别为79.8%、44.0%、61.8%和16.9%.这说明超声波对土壤中重金属的洗脱有强化作用，促进了重金属向洗脱液的扩散，能提高土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的解吸率.

许多研究结果表明，在一定的浓度范围内，EDTA溶液浓度越高，洗脱效果越好，最后达到平衡(董汉英等，2010；可欣等，2007).本实验中，随着EDTA浓度的增加，4种金属的洗脱率均呈现下降趋势.出现这种情况的原因目前尚不明确.超声波作用时间和超声波功率这2个与超声波作用相关的参数，对土壤重金属综合洗脱效果的影响未达显著水平.这可能是由于，随着超声波作用时间的延长和功率的增大，超声波产生的热效应明显增大，即损失的超声波能量越大.也有可能是由于实验所选用的EDTA溶液浓度偏高，在一定程度上掩盖了超声波作用时间和功率对洗脱率的提高效果.

有研究表明，EDTA能有效地去除土壤中交换态、碳酸盐结合态和氧化物结合态重金属，而对有机态和残余态部分重金属作用效果不明显(Newman et al., 1997).本实验中，超声波强化EDTA洗脱不仅对4种重金属前4种形态去除率较高，对其残渣态去除率也很高.这说明超声波可提高固体颗粒表面的剪切力，破坏土壤颗粒表面，与土壤结合较为稳定的重金属也被释放出来.

1)超声波对EDTA洗脱土壤中重金属有强化作用，在实验所设EDTA浓度范围内(20~200 mmol · L^-1)，供试土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的洗脱率随着EDTA浓度降低而增大.

2)超声波强化EDTA洗脱土壤中重金属的最优条件为：EDTA 浓度20 mmol · L^-1，固液比1 : 20，超声波作用时间16 min，超声波功率54%，洗脱4次.此时，土壤中Cd、Cu、Pb、Zn的洗脱率最高分别为83.6%、58.8%、98.0%和43.0%.

3)超声波强化EDTA洗脱不仅能有效去除交换态、碳酸盐结合态和氧化物结合态重金属，也有助于有效去除有机结合态和残渣态重金属.本实验中，除土壤中Zn残渣态去除率只有5.7%以外，超声波强化EDTA洗脱对土壤中残渣态Cd、Cu、Pb的去除率分别达到81.6%、62.3%、93.8%.