重金屬污染土壤與地下水一體化修復(fù)新技術(shù)研究.pdf

1、污染物在土壤及地下水中遷移轉(zhuǎn)化，容易導(dǎo)致土壤與地下水雙重污染，過(guò)去研究主要集中在土壤與地下水的單獨(dú)修復(fù)，本論文將聯(lián)合地下水抽出處理與土壤化學(xué)穩(wěn)定方法，構(gòu)建重金屬污染土壤與地下水一體化修復(fù)新技術(shù)，研究一體化修復(fù)系統(tǒng)的可行性、修復(fù)效果、修復(fù)機(jī)理以及植物生長(zhǎng)對(duì)一體化處理的影響。采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究含磷材料和生物炭與重金屬Pb、Cu、Zn、Cd在土壤固-液界面反應(yīng)過(guò)程及穩(wěn)定化效果。借助SEM、XRD等儀器手段，研究一體化修復(fù)

2、前后重金屬形態(tài)變化，從而揭示重金屬在一體化修復(fù)系統(tǒng)中的環(huán)境行為和重金屬穩(wěn)定的分子作用機(jī)理。主要結(jié)果如下：
　　（1）通過(guò)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了重過(guò)磷酸鈣、磷灰石尾礦、牛糞生物炭和秸稈生物炭對(duì)土壤中重金屬的穩(wěn)定化效果研究。與對(duì)照相比，添加含磷材料可使 Pb、Cu和Zn復(fù)合污染土壤中TCLP提取態(tài)重金屬濃度最高分別降低89.2％、24.4%和34.3%。添加含磷材料或生物炭，可使 Pb、Zn和Cd復(fù)合污染土壤中TCLP提取態(tài)重金屬分別降低35

3、.8-77.6%、25.0-31.5%和4.4-27.9%，四種材料中以重過(guò)磷酸鈣穩(wěn)定化效果最佳。XRD分析顯示含磷材料穩(wěn)定Pb和Cd主要通過(guò)形成磷酸鹽沉淀，而生物炭是由沉淀、吸附、離子交換等共同作用。含磷材料和生物炭均可作為理想的土壤重金屬修復(fù)材料。
　　（2）通過(guò)柱淋溶實(shí)驗(yàn)研究模擬降雨淋溶對(duì)修復(fù)后土壤中重金屬穩(wěn)定性的影響。經(jīng)10個(gè)孔體積的模擬降雨淋溶，表層（0-10 cm）污染土壤中的Pb、Cu和Zn均有向下層（10-20 c

4、m）土壤遷移的風(fēng)險(xiǎn)。添加含磷材料可抑制重金屬遷移。與對(duì)照相比，含磷材料使 Pb、Cu和Zn向下層土壤的遷移量分別下降了45.2-99.5%、49.2-99.0%和17.8-84.9%。至淋溶結(jié)束，經(jīng)含磷材料處理的土柱中仍有92.5-99.9%的Pb、88.9-99.7%的Cu和73.5-99.8%的Zn被鎖定于表層污染土層中。含磷材料有效地抑制表層土壤中重金屬向下層移動(dòng)。
　?。?）通過(guò)模擬地下水抽出處理與土壤化學(xué)穩(wěn)定耦合方法構(gòu)建

5、了重金屬污染土壤和地下水一體化修復(fù)技術(shù)。添加含磷材料的一體化修復(fù)體系中，模擬污染地下水中Pb、Zn和Cd的去除率分別為96.4%、44.6%和49.2%；同時(shí)，與對(duì)照相比，土壤中CaCl2提取態(tài)Pb、Zn和Cd分別被降低60.5%、9.3%和12.3%。添加牛糞生物炭的一體化修復(fù)體系中，模擬污染地下水中Pb、Zn和Cd的去除率分別為97.5%、53.4%和54.5%。同時(shí)土壤中CaCl2提取態(tài)Pb、Zn和Cd分別降低了98.2%、72.

6、6%和67.8%。借助XRD和SEM-Mapping分析發(fā)現(xiàn)，在一體化修復(fù)系統(tǒng)中，含磷材料穩(wěn)定Pb以沉淀機(jī)制為主，穩(wěn)定Cd可能是Cd與Pb、P、Ca等發(fā)生共沉淀作用；而生物炭穩(wěn)定Pb以吸附-沉淀機(jī)制為主，穩(wěn)定Cd以吸附機(jī)制為主。一體化修復(fù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)地下水中重金屬Pb、Cd、Zn的去除，同時(shí)實(shí)現(xiàn)土壤中原有的和從地下水中截留的Pb、Cd、Zn的穩(wěn)定化，實(shí)現(xiàn)了重金屬污染土壤和地下水同時(shí)修復(fù)。
　?。?）運(yùn)用Hydrus軟件模擬重金屬在

7、一體化系統(tǒng)中的遷移。非平衡兩點(diǎn)模型（TSM）可以較好的模擬重金屬Cd和Zn在一體化系統(tǒng)中的遷移（r2≥0.98）。在水動(dòng)力淋失和土壤吸附交互作用下，一體化系統(tǒng)中添加含磷材料或生物炭可提高系統(tǒng)中Cd和Zn的處理容量和處理效率，其原因：一方面是土壤中加入穩(wěn)定化材料可提高水動(dòng)力彌散度，增加土壤的飽和含水量，降低水力淋溶速度，增加土壤與污水接觸時(shí)間，提高系統(tǒng)對(duì)污水中重金屬的阻滯能力；另一方面是穩(wěn)定化材料可與重金屬發(fā)生吸附、沉淀、離子交換等作用，

8、從而提高土壤對(duì) Cd和Zn的吸附容量和吸附速度。數(shù)值模擬得出的Cd、Zn吸附分配系數(shù)（Kd）小于吸附實(shí)驗(yàn)所得到的值，主要原因可能為吸附試驗(yàn)是吸附平衡時(shí)的固-液分配系數(shù)，主要受吸附熱力學(xué)控制；而在一體化動(dòng)態(tài)模擬淋溶實(shí)驗(yàn)中，水流較快，固-液接觸時(shí)間小于達(dá)到吸附平衡所需時(shí)間，吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)共同控制重金屬在溶液和土壤中的分配，因而吸附分配系數(shù)小于平衡實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)值。
　?。?）通過(guò)種植蘆葦研究植物生長(zhǎng)對(duì)一體化系統(tǒng)中重金屬處理效率及重

9、金屬形態(tài)的影響。系統(tǒng)運(yùn)行120天，種植蘆葦?shù)囊惑w化系統(tǒng)提高了模擬污染地下水中重金屬的處理效率，Pb和Cd的去除率分別達(dá)98.6-99.7%和92.1-96.5%。重金屬主要被表層土壤吸附滯留，僅有0.03%Pb和0.01%Cd遷移到蘆葦?shù)牡厣喜糠?。根系生長(zhǎng)易形成導(dǎo)水通道，提高污水的下滲速度；根系分泌物可提高土壤DOC，并降低土壤pH，從而減少了土壤對(duì)重金屬的吸附阻滯，促進(jìn)重金屬的徑向遷移，但添加含磷材料和生物炭材料可抑制重金屬在一體化系