铬渣中Cr(Ⅵ)溶解释放及其在土壤中迁移规律研究

摘要

我国是一个铬盐生产大国，每年产生铬渣达600万吨，由于缺乏有效处理设施导致堆存的铬渣释放Cr(Ⅵ)对土壤和地下水造成严重污染。湖南某企业铬盐生产过程中产生大量铬渣，导致目前被污染土壤累计达1250万吨，且随着铬渣中Cr(Ⅵ)的不断溶出，被污染土壤仍将不断增加。本论文以湖南某企业铬渣堆场及被污染土壤为研究对象，对铬渣中Cr(Ⅵ)溶解释放机理及其在土壤中的迁移规律进行了研究，从而预测Cr(Ⅵ)对地下水的影响。所得主要结论如下：
　　 针对不同因素对铬渣中Cr(Ⅵ)溶解释放的影响，研究铬渣中Cr(Ⅵ)的淋溶释放动力学机理，建立溶解释放模型，为定量预测铬渣中Cr(Ⅵ)对土壤的污染强度提供理论依据与技术支持。通过静动态淋溶铬渣实验后，得出铬渣中铬的淋溶释放影响因素为淋溶的时间、固液比、粒径大小、搅动与否；利用动态淋溶实验获得的参数推导铬渣中Cr(Ⅵ)的淋溶释放模型，预测到当地铬渣堆场中Cr(Ⅵ)最低释放浓度为31.04mg/L，超过我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)0.05mg/L的限值将近620倍。
　　 通过吸附特征和吸附动力学试验，研究土壤中Cr(Ⅵ)的吸附行为，为预测土壤中Cr(Ⅵ)的运移及控制其污染提供理论依据。不同温度下，Cr(Ⅵ)5h内均达到吸附平衡，符合拟二级动力学吸附模型，相关系数达到0.999以上；热力学分析可知土壤对Cr(Ⅵ)的吸附是自发吸热反应，且土壤吸附Cr(Ⅵ)固/液界面的随机无序性在土壤内部发生；吸附量随溶液pH的增加而下降，强碱性环境下吸附量很低。吸附量随Cr(Ⅵ)溶液初始浓度的增大而增大；不同温度下土壤对Cr(Ⅵ)的吸附与Langmiur等温吸附模型相拟合。
　　 通过室内土柱动态模拟试验，测定土壤介质和水动力模型参数，为模拟Cr(Ⅵ)在土壤中的迁移提供实测参数。结果表明Cr(Ⅵ)在土壤中较保守物质氯离子有明显的迟滞现象。稳定渗透时，土壤渗透系数Kt为63.36mm/d；非饱和土壤迁移条件下，土壤中Cr(Ⅵ)的吸附分配系数Kd为1.17×10-3m3/kg；由于土壤含水率并非常数，所以非饱和土壤的迟滞因子Rd也非定值；饱和土壤迁移条件下，土壤中Cr（Ⅵ）的吸附分配系数Kd为0.054×10-3m3/㎏，迟滞因子Rd为1.17。
　　 依据吸附试验、迁移试验及研究区域水文地质结构，分别建立Cr（Ⅵ）在土壤非饱和及饱和区和迁移的水动力数学模型，为预测与防控土壤及地下水Cr（Ⅵ）污染提供理论依据。根据铬渣中Cr（Ⅵ）的淋滤释放模拟结果和研究区域地下水位钻井数据，利用HYDRUS-ID（V3.00）软件中的对流—弥散模型分别模拟了Cr（Ⅵ）在土壤厚度分别为50、100、150厘米时的迁移变化情况：铬渣淋滤液中的Cr（Ⅵ）要完全穿透土壤层分别需要175天，700天，1800天由于研究区域地下水位较浅，一般距地表仅数厘米至数十厘米因而铬渣淋溶液很容易穿透土壤进入地下水，并污染该企业以外的区域，对当地的居民饮用水和工农业用水产生潜在威胁，应该引起当地相关部门重视。

目录

文摘

英文文摘

第一章 文献综述

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1 铬渣的来源与铬渣中Cr(Ⅵ)的存在形态

1.2.2 铬渣对土壤污染的研究现状

1.2.3 铬渣中淋溶污染组分在土壤中迁移规律

1.2.4 饱和-非饱和土壤溶质迁移模拟

1.2.5 存在的问题

1.3 本文的研究内容、方法和创新点

1.3.1 主要研究思路

1.3.2 研究内容

1.3.3 本文主要创新点

第二章 头验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 铬渣

2.1.2 土壤

2.1.3 实验试剂

2.1.4 实验仪器及设备

2.2 分析方法

2.2.1 溶液Cr(Ⅵ)浓度分析方法

2.2.2 氯离子的测定

2.2.3 土壤中总铬、铁、锰的测定

2.2.4 溶液体系pH的测定

2.3.3 扫描电镜与能谱分析

2.3.4 傅立叶红外光谱分析

2.3.5 X射线衍射分析

2.3 实验方法

2.3.1 静态淋溶铬渣实验

2.3.2 模拟酸雨动态淋溶铬渣头验

2.3.3 Cr(Ⅵ)的吸附头验

2.3.4 Cr(Ⅵ)在非饱和土壤中的迁移实验

2.3.5 Cr(Ⅵ)在饱和土壤中的迁移实验

第三章 静动态淋溶作用下铬渣中Cr(Ⅵ)溶解释放规律

3.1 引言

3.2 静态淋溶条件下铬渣中Cr(Ⅵ)溶解释放特性

3.2.1 固液比对铬渣中Cr(Ⅵ)溶解释放的影响

3.2.2 铬渣粒径对Cr(Ⅵ)溶解释放的影响

3.2.3 搅动与静置对铬渣中Cr(Ⅵ)溶解释放的影响

3.3 模拟酸雨动态淋溶下铬渣中Cr(Ⅵ)的溶解释放特性

3.3.1 酸雨pH值对Cr(Ⅵ)的淋出影响

3.3.2 铬渣粒径对Cr(Ⅵ)的淋出影响

3.3.3 淋溶前后铬渣的矿物组成、形貌及能谱分析

3.4 铬渣中Cr(Ⅵ)的淋溶释放量预测

3.4.1 建模的目的和基础

3.4.2 工业固体废弃物中重金属释放模型与参数的选定

3.4.3 铬渣中Cr(Ⅵ)释放数量的模拟预测

3.5 本章小结

第四章 Cr(Ⅵ)在土壤中的吸附动力学和吸附特性研究

4.1 引言

4.2 Cr(Ⅵ)吸附的因素

4.2.1 土壤对Cr(Ⅵ)吸附平衡时间

4.2.2 pH对Cr(Ⅵ)吸附的影响

4.2.3 不同固液比对Cr(Ⅵ)吸附的影响

4.3 Cr(Ⅵ)的等温吸附线

4.4 Cr(Ⅵ)吸附动力学

4.5 Cr(Ⅵ)吸附热力学

4.6 本章小结

第五章 Cr(Ⅵ)在土壤中迁移规律

5.1 引言

5.2 氯离子穿透迁移规律

5.2.1 氯离子在非饱和土壤中的穿透迁移规律

5.2.2 氯离子在饱和土壤中的穿透迁移规律

5.3 Cr(Ⅵ)穿透迁移规律

5.3.1 Cr(Ⅵ)在非饱和土壤中的穿透迁移规律

5.3.2 Cr(Ⅵ)在饱和土壤中的穿透迁移规律

5.4 非饱和土壤迁移实验土壤的红外光谱分析

5.5 土壤渗透系数的测量

5.6 Cr(Ⅵ)在土壤中的吸附分配系数和迟滞因子

5.6.1 Cr(Ⅵ)在非饱和土壤中的吸附分配系数和迟滞因子

5.6.2 Cr(Ⅵ)在饱和土壤中的吸附分配系数和迟滞因子

5.7 本章小结

第六章 Cr(Ⅵ)在非饱和土壤中迁移模型

6.1 引言

6.2 HYDRUS模型

6.3 模型原理

6.3.1 水分运动模型

6.3.2 土壤介质中溶质的迁移转化模型

6.4 模型参数的率定

6.4.1 土壤水分运动参数

6.4.2 非饱和土壤水弥散系数D的计算

6.5 模型验证

6.5.1 保守溶质氯离子的迁移模拟

6.5.1 Cr(Ⅵ)的迁移模拟

6.6 模型的应用

6.7 本章小结

第七章 结论及建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

附件1 论文

附件2 专利