【摘 要】
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农地土壤重金属污染严重影响农产品安全和人体健康,治理和修复农地土壤重金属污染已成为我国“土十条”中迫切的任务之一。目前农地土壤重金属污染修复技术林林总总,但“边修复、边生产”的原位修复具有广阔的市场应用前景。其中淋洗-稳定化的原位修复技术以其修复效率高、修复时间短、二次污染小等特点而倍受青睐。本文以农地Cd污染为对象,通过模拟试验,根据淋洗-稳定化原理,将表层土壤重金属活化后淋洗至土壤深层稳定化,
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农地土壤重金属污染严重影响农产品安全和人体健康,治理和修复农地土壤重金属污染已成为我国“土十条”中迫切的任务之一。目前农地土壤重金属污染修复技术林林总总,但“边修复、边生产”的原位修复具有广阔的市场应用前景。其中淋洗-稳定化的原位修复技术以其修复效率高、修复时间短、二次污染小等特点而倍受青睐。本文以农地Cd污染为对象,通过模拟试验,根据淋洗-稳定化原理,将表层土壤重金属活化后淋洗至土壤深层稳定化,降低农作物对表层重金属的吸收,保证农产品质量安全,同时阻止重金属向稳定化下层土壤和地下水迁移。研究结果可为农地土壤Cd污染的原位修复提供理论依据与技术支撑。论文首先通过批处理试验,研究了淋洗剂的筛选及其复配效能与机理;然后制备生物炭基稳定化材料,通过吸附-解吸试验考察其对重金属Cd的稳定效果;最后采用土柱模拟试验,探讨表层淋洗-深层稳定化修复的效能。取得的主要结果如下:(1)淋洗剂的浓度筛选试验表明,柠檬酸、酒石酸、草酸、苹果酸、氯化铁、柠檬酸-柠檬酸钠等6种淋洗剂中,淋洗效果较好的为柠檬酸、酒石酸、氯化铁、柠檬酸-柠檬酸钠,其对土壤Cd的淋洗率分别为44.10%、41.52%、61.61%和56.19%。淋洗剂复配试验表明,复配效果较好的淋洗剂为:0.1 mol·L-1柠檬酸-0.02 mol·L-1氯化铁(CA-Fe Cl3)和0.1 mol·L-1柠檬酸-0.4 mol·L-1柠檬酸钠(CA-CAS),两者对土壤Cd的淋洗率分别为73.28%和67.19%。(2)尽管两种复合淋洗剂对镉的淋洗效能比较接近,但其活化机理差异较大,CA-CAS活化镉的主要机理为酸根和官能团的络合作用,占比达74.64%,而CA-Fe Cl3主要为酸溶作用,占比达69.42%。两种复合淋洗剂均在固液比为1:10时淋洗率达到最大,且均在淋洗过程中0~60 min对Cd的去除率增长迅速,60~360 min淋洗率增速减缓,360~1440 min淋洗率趋于平稳。淋洗液pH的升高显著降低CA-Fe Cl3的淋洗率,而CA-CAS的淋洗率受pH的影响小。(3)以水稻秸秆为原料,采用先负载再烧炭的方式制备重金属稳定化材料生物炭负载纳米羟基磷灰石(n HAP@BC)。纳米羟基磷灰石(n HAP)和生物炭(BC)的比例为1:20。BET、SEM、XRD、FTIR结果显示,n HAP成功负载在生物炭上,负载之后形态没有明显的变化且团聚性减弱,比表面积增大。在中性、碱性和弱酸性(<0.1 mol·L-1)条件下,材料可保持在一个较稳定状态,其对Cd2+的吸附量与pH值呈正相关。nHAP@BC对溶液中的Cd2+有较好的吸附效果,吸附过程反应速率快,符合准二级动力学模型和langmuir模型,在15℃、25℃和35℃条件下,n HAP@BC对溶液中的Cd2+的理论吸附容量为116.22、121.18、126.76 mg·g-1。当添加量为10g·L-1时,n HAP@BC对CA-Fe Cl3淋出液中镉的去除率达到70.24%,对CA-CAS淋出液中镉的去除率达到50.25%。(4)淋洗-稳定化联合修复中,低中高三种不同程度的污染土壤在CA-Fe Cl3处理下,耕层土壤全镉含量分别降低了44.54%、60.13%和47.71%,经稳定化层拦截后,稳定化下层土壤全Cd含量分别降低了22.07%、30.82%和58.28%;在CA-CAS处理下,耕层土壤全镉含量分别降低了39.83%、57.98%和39.72%,稳定化下层土壤全Cd含量分别降低了15.77%、27.00%和46.25%。中、低浓度污染土壤经联合修复后,耕层土壤中全Cd含量均低于《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618-2018)中筛选值,修复后渗滤液中镉的浓度分别达到《地下水质量标准》(GBT 14848-2017)的Ⅲ、Ⅳ级标准。(5)淋洗-稳定化修复后耕层土壤的pH、CEC、有机质、全磷、速效磷均有不同程度的降低,CA-Fe Cl3淋洗比CA-CAS淋洗对土壤的理化性质影响更大,可以考虑修复后用碱性肥料调节土壤pH,使其恢复到淋洗前的酸碱度,同时补充土壤可能流失的养分。
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