(环境管理)美国环境保护机构研究与发展办公室固废与紧急响应办公室EPA

美国环境保护机构研究与发展办公室固废与紧急响应办公室 EPA/540/S-92/018 1992年十月

地下水问题

土壤中金属元素的运移转化

Joan E. McLean* 和 Bert E.Bledsoe**

区域超基金地下水论坛是一群代表环境保护局超级基金办公室的科学家，他们被组织起来任务是交换关于在超级基金场地的地下水补灌的最新消息。其中一个关于这个论坛的主要议题是与地下水补偿相关的土壤中金属的移动性。

为了这个议题的目的，绝大部分在超基金场地发现的那些金属将就关于影响它们在土壤中的行为的进程以及能够评价这一行为的实验方法进行讨论。土壤的保水能力也将按照金属在包括地下水，地表水或大气水等不同的环境部分中的迁移转化进行讨论。由于补水系统或自然的风化过程导致土壤条件的长期改变，同时考虑到土壤中金属移动性的增强这些都将会讨论的。

要想得到更多的信息请联系Bert Bledsoe (405) 332-8800 or FTS 700-743-2324 at RSKERL –Ada.

介绍

这份文件的目的是给读者介绍在土壤环境中控制金属移动性的基础进程。这篇论文将侧重于土壤中金属的基本化学进程以及提供关于用来评价土壤中金属的行为的实验方法。这篇论文中用来讨论的金属元素通常大部分能在超基金场地中找到，将这些元素限制在铅(Pb)，铬（Cr），砷(As)，镉(Cd)，镍(Ni)，锌(Zn)，铜(Cu)，汞(Hg)，银(Ag)还有铯(Se)。

金属是这样定义的：有银色光泽，是热和电的良好导体的任何元素。有很多的术语用来对金属进行描述和分类，包括痕量金属，过渡金属，微量营养物，有毒金属，重金属。这些定义中的许多是武断的，这些术语在用法上很宽泛地包括了那些没有严格符合这些条款的规定。严格来讲，砷和铯不是金属而是准金属，它们都表现出金属和非金属的特性。对于这篇论文，词组金属将包括所有在讨论的元素。被挑选出来的土壤中的金属的平均浓度列在表1里。所有的土壤都自然地包含微量的各种金属。所以，土壤中存在某金属并不能表明土壤受这种金属污染。未受污染的土壤中金属的浓度主要跟形成土壤的母质层的地理概况有关。由于当地的地质情况，一片土壤的金属浓度可能超过表1所列的范围。例如，在美国未受铯污染的土壤中铯的浓度是0.1~2mg/kg。而在受铯污染的土壤中，铯的含量有1~80 mg/kg，有报道称能达到1200 mg/kg（McNeal和Balistrier,1989）。

用土壤中微量元素的通常含量和平均含量作为判断一片土壤是否受污染是不合理的，因为一块特定土壤中金属的当地浓度可能不在表中所列的范围之内。只有直接对未受污染的土壤进行分析所得的数据才能作为背景值来测金属所受的污染程度。

表1 土壤中各种元素的含量(Lindsay, 1979)

与土壤水相相关的金属跟随土壤水而流动，可能通过包气带进入地下水中。

金属，不像有毒的有机物那样可以被降解，它不能被降解。有些金属比如铬,砷,汞会被转移到土壤中其它的氧化介质中，使它们的移动性和毒性降低。

通过对金属的吸附和沉淀机制，金属的固定化将阻止金属进入到地下水中。金属与土壤的交互作用就是如此：当金属进入到土壤表面时，除非土壤吸附金属的量已经达到极限，否则金属进入到地下水的情况是不会发生的。随着时间的流动土壤环境也发生着变化，例如有机污染物的降解改变了土壤的pH，氧化还原电位或土壤溶液成分。由于各种补偿机制或自然风化过程也可能增强金属的移动能力。通过参考有问题的土壤和金属混合物的行为，土壤纵剖面的污染范围跟土壤溶液和土壤表面化学物质密切相关。

土壤环境中金属的行为

在土壤中，金属在土壤中的一个或更多的情况下——源自Shuman的描述（1911）这些情况如下：

1）在土壤溶液中溶解；

2）占用土壤无机成分中的交换场所；

3）特别吸附了无机土壤成分;

4）跟不能溶解的土壤有机物有关；

5）沉淀为纯净的混合的固体物质；

6）以次要的矿物质结构呈现；和/或

7）以主要的矿物质结构呈现。

在通过人类活动向环境中引进金属的情况下，金属与前五点相符合。当地的金属根据这块区域的地质历史可能跟上面几点中任意一点相符。水分含量和其它跟这含量相当的含量，例如交换含量，当考虑到金属相对于土壤的移动电位时它是至关重要的。多相均衡定义时，必须考虑金属在土壤中的行为（图1）。土壤溶液中的金属倾向于向地下水淋滤而逃出此系统，还有植物吸收或挥发等这些都是对于汞，铯和砷中潜在的重要机制。同时，金属参与与土壤固相之间的化学反应。在土壤溶液中金属的浓度，在任意给定的时间里是由一系列相关的进程决定的，包括无机和有机物的络合反应，氧化还原反应，沉淀/溶解反应和吸附、解吸反应。在土壤溶液中预测一个给定金属的浓度的能力取决于某个多相均衡介质的测定和计算的精确度。

图1.自由痕量金属浓度在土壤溶液中的基本控制

大部分土壤中金属行为的研究是在均衡条件下实施的。均衡的数据揭示了在特定的条件下什么反应可能发生，但不能告诉哪个时间段发生。该动力学方面的氧化/还原，沉淀/溶解，

和吸附/脱附反应涉及土壤中重金属

矩阵遭受公布的数据的缺乏。因此，动力学组成部分，在许多情况下是至关重要的预测土壤中重金属行为的，不能轻易进行评估。没有动力学部分，目前可接受的方法是假设本地均衡发生在土壤纵剖面上。均衡热动力数据接着不仅可以用在在给定的一套条件下预测哪些沉淀／溶解，吸附／解吸和／或氧化／还原反应可能发生，还可以用来估计在均衡介质中的溶液成分，也可以说是溶液中的金属浓度。这个方法非常依赖于在文献中所能够找到的热力学数据的精确度。

土壤溶液的化学反应

土壤溶液中存在的重金属作为无论是自由（非络合）金属离子（如镉，锌，三价铬），在各种可溶性络合物的无机或有机配体（例如，硫酸镉，氯化锌，氯化铬）中，或与可移动的无机物和有机胶状物质结合起来的物质。一个络合物是定义为一个单元，在这单元里一个中心金属离子跟一些原子和分子（如ZnSO4o,