镉锌污染土壤化学固定—土壤生物质改良耦合修复效应及生态安全评价

摘要

镉是一种应用极广而毒性又极强的非生物必需的重金属，且常与其他重金属一起构成复合污染。人类的生产活动导致土壤镉污染越来越严重，目前我国镉污染的农田已经超过20万hm2，每年生产镉含量超标农产品1.46×109 kg。亟需探索出一种土壤镉污染高效稳定的治理方法。
　　 本文提出了一种重金属化学固定-土壤生物质改良耦合修复技术，可实现重金属污染土壤的无害化处理以及土壤功能的恢复。通过对污染土样进行调研，确定污染土壤为酸性红壤，污染因素为重金属镉和锌，其总量超标严重，且主要以活性较大的弱酸提取态存在。采用土壤单项污染指数法对污染土壤进行评价，Cd的平均污染指数为261.2，Zn为14.5，属于极度污染。通过优化化学固定技术以及有机肥修复技术的工艺参数，确定最优的修复方案为:以碳酸钙和硫化钠作为复合固定剂，其用量为重金属离子总摩尔量∶碳酸钙摩尔量∶硫化钠摩尔量为4∶4∶1;水的用量为最大田间持水量的60％;土壤的粒径5mm以下;经过24 h、360 h水溶态镉和水溶态锌的固定分别达到平衡。添加的有机肥为猪粪时效果最好，其最佳添加量为2％。采用此方案，土壤中水溶态镉的去除率达100％，水溶态锌的去除率达99.7％。
　　 对该方案进行实际应用，修复后土壤中重金属水溶态镉去除率达100％，水溶态锌去除率达92％; DTPA浸提态镉去除率达92％，DTPA浸提态锌去除率为43％。浸出毒性镉含量由4.12 mg/L降至0.02mg/L，锌的浸出毒性含量也由98 mg/L降低至46 mg/L。修复后土壤pH提高1个单位。土壤有机质含量提高了4.4倍，速效氮含量提高了1.2倍，速效磷含量提高了6.8倍。采用模糊数学理论对土壤肥力进行综合评价，结果表明经过化学固定后土壤综合肥力指数由0.119提高至0.181，而经过耦合修复后土壤综合肥力指数提高至0.551，从低提升至中等水平。
　　 化学固定剂的添加促使土壤中弱酸提取态的镉完全转化为残渣态、可氧化态和可还原态。生物质的加入促使重金属的弱酸提取态和可还原态向可氧化态和残渣态转变，强化了化学固定的修复效果。
　　 采用模拟酸雨淋溶来评价修复方法的长期稳定性，淋滤液的pH为6～7间。未经处理的污染土壤不论是在自来水还是模拟酸雨淋溶下，其第一年都能将大量的Cd从土壤中淋出。自来水第一年淋出的Cd量为11.31 mg，模拟酸雨第一年淋出的Cd量为11.16 mg。经过十年的模拟酸雨淋溶，污染土壤中镉的淋溶总量为12.39 mg，锌的淋溶总量为843.03 mg;化学固定后的土壤中镉的淋溶总量为0 mg，锌的淋溶总量为290.82 mg，修复后土壤中镉的淋溶总量为0 mg，锌的淋溶总量为196.56 mg。
　　 采用模糊数学理论对地下水安全风险性进行评价，结果表明经过化学固定后土壤对地下水安全的影响水平从Absolutely high减小至Low，土壤对地下水的安全系数提高了7个等级。完全修复后，其安全系数提高了8个等级，影响水平为Quite low，采用本文提出的修复方案修复完后对周边地下水水质安全几乎没有影响。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 土壤中镉、锌污染的来源及危害

1．1．1 土壤中Cd、Zn污染概况

1．1．2 土壤中Cd、Zn的来源

1．1．3 土壤中Cd、Zn污染的危害

1．2 重金属污染土壤修复技术进展

1．2．1 物理修复法

1．2．2 化学修复方法

1．2．3 电动修复法

1．2．4 生物修复方法

1．2．5 农业修复方法

1．3 镉、锌污染土壤化学固定技术研究进展

1．3．1 化学固定剂的来源与分类

1．3．2 化学固定机理分析

1．3．3 化学固定效果评价方法

1．4 土壤生物质应用及其影响

1．4．1 有机肥种类及其对土壤的作用

1．4．2 有机肥在修复土壤重金属污染中的应用

1．4．3 有机肥的施用对环境的影响

1．5 土壤生态安全评价研究现状

1．6 本研究的意义及主要内容

1．6．1 研究目的及意义

1．6．2 主要研究内容

1．6．3 技术路线

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 重金属镉锌污染土壤

2．1．2 有机肥

2．1．3 实验仪器及设备

2．1．4 实验试剂

2．2 实验方法

2．2．1 化学固定剂的筛选

2．2．2 重金属污染土壤的修复实验

2．2．3 模拟酸雨淋溶实验

2．3 分析方法

2．3．1 土壤理化性质的测定

2．3．2 土壤中Cd、Zn含量分析方法

2．3．3 重金属浸出毒性分析方法

2．3．4 重金属形态分析

第三章 化学固定及生物质改良耦合修复工艺研究

3．1 浏阳土壤污染情况

3．1．1 浏阳土样基本理化性质分析

3．1．2 浏阳土样重金属污染调查

3．1．3 浏阳土样中重金属Cd、Zn的形态分布

3．1．4 浏阳土样重金属污染评价

3．2 重金属镉锌污染土壤化学固定工艺研究

3．2．1 固定剂的筛选

3．2．2 固定剂作用方式的选择

3．2．3 固定剂用量的实验

3．2．4 用水量对固定效果的影响

3．2．5 土壤粒径的影响

3．2．6 固定所需反应时间的确定

3．3 生物质对污染土壤的作用

3．3．1 猪粪对污染土壤中重金属的作用

3．3．2 鸡粪对污染土壤中重金属的作用

3．4 化学固定与生物质耦合修复研究

3．5 本章小结

第四章 基于化学固定-生物质改良修复的土壤理化特性

4．1 修复前后土壤中重金属含量及pH变化特征

4．1．1 重金属水溶态含量的变化

4．1．2 DTPA浸提态重金属含量的变化

4．1．3 重金属浸出毒性含量的变化

4．1．4 土壤pH的变化

4．2 修复前后土壤主要养分变化特征

4．2．1 土壤有机质含量的变化

4．2．2 土壤氮素含量的变化

4．2．3 土壤磷素含量的变化

4．3 修复前后土壤肥力质量评价

4．3．1 各肥力指标值的确定

4．3．2 各肥力指标权重的确定

4．3．3 土壤综合肥力评价结果的确定

4．4 本章小结

第五章 基于化学固定-生物质改良修复的生态安全性评价

5．1 重金属形态的变化

5．1．1 化学固定剂对土壤重金属形态分布的影响

5．1．2 生物质添加对土壤重金属形态分布的影响

5．2 模拟酸雨条件下镉、锌淋溶特征及pH值变化特征

5．2．1 模拟酸雨淋溶对土壤Cd的释放特征

5．2．2 模拟酸雨淋溶对土壤Zn释放特征的影响

5．2．3 模拟酸雨对土壤淋滤液pH值的影响

5．3 土壤修复前后对地下水安全风险评价

5．3．1 评价体系的建立

5．3．2 模糊数学评价步骤

5．3．3 地下水安全评价结果

5．4 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果