某金矿区高浓度砷污染土壤的稳定化修复及机理研究

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土壤砷(As)污染对动植物的危害极大,采取有效措施降低As污染危害已成为环境科学领域研究的热点课题。本研究以清远市某金矿废渣场高浓度As污染土壤为研究对象,采用粉煤灰、干化污泥、花生壳、硫酸亚铁、磷酸二氢钾(KH2PO4)为稳定剂对土壤进行稳定化处理。通过室内试验研究稳定剂对土壤理化性质、As形态变化、As浸出浓度变化的影响;同时通过盆栽试验研究不同稳定剂处理对蜈蚣草、香根草、苎麻生长情况、生物量、地上部分和地下部分As含量变化的影响,分析稳定剂对As污染土壤的稳定化效果,并探讨其稳定化修复机理。主要研究结果如下:(1)添加稳定剂可以显著的提高土壤pH值、有机质含量、阳离子交换量。土壤阳离子交换量与土壤pH值、有机质含量呈显著正相关。(2)土壤中各形态As含量:残渣态>铁锰氧化物结合态>碳酸盐结合态>可交换态>有机结合态。粉煤灰、干化污泥、花生壳、硫酸亚铁对土壤中的As有较好的稳定化作用,使其从活性较高、迁移性较强的形态向活性较低、稳定性较高的形态转化,其中硫酸亚铁对土壤中As的稳定效果最好。当同时添加10%粉煤灰、10%干化污泥和1%硫酸亚铁后,土壤中可交换态As、碳酸盐结合态As、铁锰氧化物结合态As、有机结合态As含量显著降低,降幅分别为62.3%、55.2%、29.6%、58.2%,残渣态As含量增加8.1%;而添加KH2PO4会活化土壤中As,当添加10%粉煤灰、10%干化污泥和1%KH2PO4后,与对照相比,土壤中可交换态As、碳酸盐结合态As含量显著增加,最大增幅为26.9%、101.9%。在所有不同组合处理中,添加10%粉煤灰、10%干化污泥、1%花生壳和1%硫酸亚铁后,可交换态As含量下降最显著,最大降幅为73.3%。土壤pH值、有机质含量、阳离子交换量是影响土壤中As形态变化的主要因素。(3)粉煤灰、干化污泥、硫酸亚铁能显著的降低土壤中As的浸出浓度,当同时添加粉煤灰、干化污泥、花生壳和硫酸亚铁后,As浸出浓度最低,为0.93mg/L,稳定化效率达到了74.8%。添加KH2PO4会使土壤中As浸出浓度增加,移动性增强,而且KH2PO4对土壤中As的活化作用大于粉煤灰、干化污泥、花生壳对As的钝化作用;硫酸亚铁对As的钝化作用大于KH2PO4对As的活化作用,但KH2PO4的存在会抑制硫酸亚铁对As的稳定。土壤中可交换态As、碳酸盐结合态As含量与As浸出浓度呈显著正相关,是影响As浸出浓度变化的主要因素。(4)添加稳定剂对土壤的修复能不同程度的增加植物生物量。其中,粉煤灰、干化污泥和花生壳处理中蜈蚣草、苎麻地上部分生物量干重增加最显著,与对照相比分别增加了4.4倍、2.9倍;粉煤灰、干化污泥、花生壳、硫酸亚铁和KH2PO4处理中香根草地上部分生物量干重增加最显著,增加了14.9倍。粉煤灰、干化污泥、硫酸亚铁组合处理使蜈蚣草、香根草、苎麻地上部分As含量均下降最大,降幅分别为45.5%、29.5%、53.9%;而粉煤灰、干化污泥、KH2PO4的组合处理使蜈蚣草、香根草、苎麻地上部分As含量均显著增加,增幅分别为:12.8%、25.2%、62.7%。蜈蚣草中As含量:地上部分>地下部分,香根草、苎麻中As含量:地下部分>地上部分。不同植物对As的富集能力:蜈蚣草>香根草>苎麻,对As的耐受性:蜈蚣草>苎麻>香根草。土壤中可交换态As、碳酸盐结合态As含量是影响植物中As含量变化的主要因素。(5)添加稳定剂能一定程度上增加植物对As的累积量。在所有处理中,粉煤灰、干化污泥、花生壳、硫酸亚铁、KH2PO4组合处理使得蜈蚣草、香根草、苎麻地上部分对As的累积量都达到最大值,与对照相比,分别增加了3.7倍、12.8倍、3.3倍。添加稳定剂处理高浓度As污染土壤,既能降低As的毒性、迁移扩散性,又能促进植物的生长,增加植物对As的累积量,实现矿区生态恢复,达到吸收去除As的效果。
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