基于微生物和化学修复的铬渣堆场土壤质量及生态风险评价

摘要

土壤重金属污染日益严重，其地下水和人类健康危害极大，特别是土壤的铬污染备受关注。近年来铬污染土壤修复工作得到了世界各国广泛重视，而各类修复技术也有了很大的进展并已逐渐进入现场应用阶段。然而，有关铬污染土壤修复效果评价则缺乏研究和探讨，反过来影响了铬污染土壤修复理论和技术的进一步发展。
　　 本研究以高效Cr(Ⅵ)还原菌循环淋洗修复的铬渣污染土壤为研究对象，并与FeSO4淋洗修复铬渣污染土壤相比较，从土壤肥力质量、地下水安全和植物生长安全三个方面，对修复后土壤的生态安全评价开展研究。主要结论如下：
　　 1)铬渣污染土壤采用微生物法修复后，土壤有机质含量变化不大，全氮和有效氮含量随时间波动没有明显的规律，而土壤中全磷和速效磷含量明显增加；而化学修复法使土壤有机质和速效磷含量有一定程度的降低，对全氮、速效氮和全磷含量影响不大。与化学修复法相比，微生物修复法能提高土壤多酚氧化酶、脱氢酶、脲酶和碱性磷酸酶的活性。
　　 2)利用模糊数学和相关分析原理，对修复前后的铬渣污染土壤的化学肥力和生物学肥力质量进行评价。铬渣污染土壤水溶性Cr(Ⅵ)的含量为1276mg/kg，修复前化学肥力质量指数是0.260，经微生物修复后变为化学肥力质量指数为0.264，化学修复后土壤肥力质量指数为0.166，微生物修复对土壤化学肥力水平的高低影响较小，而化学法修复会一定程度地降低土壤化学肥力质量。铬渣污染土壤修复前的生物学肥力为0.082，化学修复后降低至0.062，下降了25％，微生物修复后上升为0.704，提高了9倍。微生物修复能大幅度提高土壤的生物学肥力。
　　 3)模拟酸雨淋溶作用下，修复土壤铬释放量随酸雨淋溶量的增加而缓慢上升，第6年后趋于稳定。微生物法修复后的土壤铬的释放过程比化学法修复后的土壤铬的释放过程要慢。微生物修复和化学修复后的土壤经pH=3的酸雨淋溶后的第6年土壤总铬的累积释放量分别为29.8mg/kg和80.87mg/kg;而其六价铬释放数量很少，微生物修复和化学修复的重污染土壤初期滤液中Cr(Ⅵ)的含量分别为0.69mg/L和1.35mg/L，酸雨淋溶三年后没有检测出Cr(Ⅵ)。土壤中释放铬的主要来自于碳酸盐结合态和有机结合态铬。微生物修复和化学修复的土壤经酸雨淋溶后其碳酸盐结合态减少的百分比分别高达65.7％和59.58％，其有机结合态减少的百分比分别为22.7％和10.89％。
　　 4)利用模糊综合评价模型评价修复后土壤对地下水安全的影响。修复前土壤风险等级为Class11;微生物修复后土壤的风险等级为Class5；化学法修复后土壤的风险等级为Class6，土壤经过修复后，对地下水的风险得到有效降低。
　　 5)采用盆栽试验研究修复土壤中植物生长情况及体内铬含量。铬渣重污染土壤修复前土壤中黑麦草和狗牙根地上部分干重分别为3.981g/盆和1.064g/盆，而体内铬含量分别达到135.34mg/kg和156.86mg/kg;在化学法修复土壤中分别达到4.951g/盆和4.358g/盆，而其体内铬含量分别为88.173mg/kg和85.25mg/kg;在微生物修复土壤中生物量分别达到17.273g/盆和10.909g/盆，而其体内铬含量分别为81.28mg/kg和90.36mg/kg。铬渣污染土壤经过修复后黑麦草和狗牙根的生物量明显增加，而植物体内铬含量明显减少。微生物修复后的土壤中狗牙根长势更好。修复后的土壤可以用于种植牧草或者一些水土保持作物，更利于生态恢复。
　　 6)利用模糊综合评价模型对修复土壤中的植物生长风险进行评价，修复前土壤风险等级为Class11，严重影响植物生长的安全；经微生物修复和化学法修复后的土壤的风险等级都为Class6。土壤对植物生长安全系数上升了5个等级。土壤经过修复后，有效地降低了污染土壤对周边环境和植物生长的风险。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状和进展

1.2.1 土壤铬污染现状

1.2.3 铬污染土壤修复进展

1.2.4 铬污染治理标准现状

1.2.5 土壤质量评价方法进展

1.2.6 重金属污染土壤的修复效果评价现状

1.3 研究目的和内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 技术路线

第二章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 铬污染土壤

2.1.2 实验仪器与设备

2.1.3 实验试剂

2.2 实验方法

2.2.1 铬污染土壤的修复实验

2.2.2 修复后土壤在模拟酸雨条件下的影响实验

2.2.3 修复后土壤生态恢复实验

2.3 分析方法

2.3.1 土壤理化生物学性质测定

2.3.2 土壤铬含量分析

2.2.3 土壤中各种形态铬的分析

第三章 铬渣堆场土壤修复前后的肥力特征

3.1 修复前后土壤基本理化性质的变化特征

3.1.1 土壤容重变化特性

3.1.2 土壤阳离子量变化特性

3.1.3 土壤pH值变化特性

3.1.4 土壤中六价铬含量变化特征

3.2 修复前后土壤主要养分的变化

3.2.1 土壤有机质含量变化特性

3.2.2 土壤氮含量变化特性

3.2.3 土壤磷含量变化特征

3.3 修复前后土壤酶活性特征

3.3.1 土壤脱氢酶活性

3.3.2 过氧化氢酶活性

3.3.3 脲酶活性

3.3.4 碱性磷酸酶活性

3.3.5 多酚氧化酶活性

3.4 修复前后土壤肥力质量评价

3.4.1 土壤肥力质量评价步骤和方法

3.4.2 土壤化学肥力质量评价

3.4.3 土壤生物学肥力综合指数

3.5 本章小结

第四章 模拟酸雨下土壤中铬的释放特征

4.1 模拟酸雨淋溶对土壤pH值和土壤铬释放的影响

4.1.1 模拟酸雨淋溶下土壤pH值的变化

4.1.2 模拟酸雨淋溶下土壤铬释放特征

4.2 土壤铬形态变化特征

4.2.1 修复前土壤铬的形态

4.2.2 修复后土壤铬形态

4.2.3 模拟酸雨淋溶下修复后土壤铬的形态变化

4.3 铬污染土壤修复前后对地下水安全风险评价

4.3.1 地下水安全风险评价方法

4.3.2 地下水安全风险评价结果

4.4 本章小结

第五章 修复土地再用生态风险评价

5.1 铬污染土壤修复前后潜在生态危害指数

5.1.1 潜在生态危害指数法

5.1.2 土壤中铬的潜在生态危害指数分析

5.2 修复前后土壤植物生长状况

5.2.1 小白菜和萝卜发芽率

5.2.2 黑麦草和狗牙根生物量

5.2.3 黑麦草和狗牙根体内铬含量

5.3 铬污染土壤修复前后植物生长安全风险评价

5.3.1 植物生长安全风险评价方法

5.3.2 土壤中植物生长安全风险评价结果

5.4 本章小结

第六章 结论和建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文