阳极逼近电动力学法（AA-EK）去除土壤中重金属的研究

摘要

目前我国耕地受重金属污染的约为1/5,大多数城市近郊和矿山附近土壤的都受到了不同程度的污染.重金属的污染中Cd污染较普遍,污染面积近1000万hm<'2>.我国每年因土壤污染而减产粮食约1000万吨,另外还有1200万吨粮食污染物含量超标,两者的直接经济损失达200多亿元.土壤中重金属污染严重威胁人类健康和生态系统安全,对其进行控制与治理已十分必要. 电动力学修复技术是近年来发展起来的一种快速污染土壤修复技术,其所存在的能耗高和周期较长等缺点限制了其广泛应用.为节约能耗,本研究对修复装置及工艺进行了优化设计与改进,采用阳极逼近电动力学(AA-EK)法辅以阳离子交换膜和适当的缓冲液对模拟污染土壤和实际污染土壤及污泥进行了处理.AA-EK法工作过程为:电动力学修复过程中,每经过一段时间,阳极附近土壤修复较彻底后,将阳极向阴极方向移动适当距离,进而逐步缩短工作电极间的距离,以提高修复效率.利用连续萃取法对所研究土壤处理前后重金属及其他营养元素的化学形态和含量进行了分析.实验结果结合相关的数学理论对修复机理进行了研究,并建立了重金属在电场作用下的迁移分布模型.论文还对修复土壤的生态功能进行了评价. 与普通电动力学修复法相比,AA-EK法中土壤pH下降更快且比较均匀,氧化还原电位变化的范围较小,电导率较低.实验采用了1V.cm<'-1>的恒电势梯度,经过60h的电动处理,AA-EK法中镉的去除率为80﹪,能耗为31.52 kWh.m<'-3>;普通电动力学法中镉的去除率为68﹪,能耗为59.29kWh.m<'-3>.采用AA-EK法处理实际汞污染土壤,经过120h的处理,汞的去除率达90.5﹪.同样采用AA-EK法处理污泥,处理时间为120h,重金属的平均去除率分别为:Cd为83.7﹪、Cu为71.3﹪、Ni为64.8﹪、Pb为65.1﹪和zn为72.2﹪;而普通电动力学法中五种重金属的去除率分别为:Cd为57.4﹪、Cu为56.3﹪、Ni为44.5﹪、Pb为34.4﹪和zn为61.3﹪.结果表明AA-EK法可以高效快速去除土壤中重金属污染物,去除速率提高了18﹪,节能率达47﹪. 依据电动修复的实验数据,根据电动修复的机理建立了污染物在电场作用下迁移的瞬态平衡模型,由计算的结果与实验数据对照看出,模型都能够很好地反映重金属在电场作用下迁移规律.根据该模型,采用阳极逼近电动力学(AA-EK)法可以充分利用阳极附近的氢离子浓度高和阳极附近土壤镉含量下降陕的规律,从而提高氢离子与镉离子的置换率,加速去除重金属.即该模型可以初步提供AA-EK.法电动修复的理论基础.该模型可用用于探讨优化电动修复工艺,进一步地改进可望用于电动修复的设计和分析. 土壤修复不能以牺牲土壤质量和生产力为代价,本研究从生态学角度对修复效果进行了评价.研究了电动力学修复对土壤肥力指标(有机碳、速效氮、速效磷和速效钾)、土壤酶活性(过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶)以及微生物数量等的影响.结果显示电动力学修复可以提高土壤营养元素的生物可利用性,速效氮、磷和钾的提高率分别达0.44、3.31和1.25倍,有机碳的形态及含量变化不大.镉的几种形态中,可交换态镉的含量显著影响酶的活性和土壤微生物的数量,尤其对碱性磷酸酶的活性影响尤为显著,适度的电动力学修复有助于维护土壤酶的活性和促进细菌的繁殖.由此得出适度的电动力学修复不但可以成功地去除土壤中的重金属,而且还可能成为一种恢复生态的环境友好修复技术. 总之,本文的AA-EK适度的电动修复技术不但可以快速去除土壤中的重金属污染,而且本身还是一种环境友好的修复技术,该技术在处理重金属污染土壤方面具有潜在的应用前景.

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文原创性声明及版权使用授权书

第一章 绪论

1.1土壤重金属污染物来源、现状及特点

1.1.1土壤污染物及其来源

1.1.2土壤污染的特点及现状

1.2国内外已有的修复技术

1.2.1植物修复技术

1.2.2化学固化技术

1.2.3土壤淋洗技术

1.2.4电动力学修复技术

1.3国内外电动修复技术

1.3.1 Lasagna技术

1.3.2电动力学生物修复技术

1.3.3阳极陶土外罩法

1.3.4联合法

1.3.5电化学分离

1.3.6电化学地质氧化技术

1.3.7电化学离子交换

1.3.8电吸附

1.3.9阳离子选择性膜法

1.4电动力学修复控制类型

1.5本论文研究目标、内容和技术路线

1.5.1研究目标

1.5.2研究内容

1.5.3实验技术方案

第二章 实验方法及装置

2.1土壤理化性质分析测试

2.1.1土壤含水量测定

2.1.2土壤pH值的测定

2.1.3阳离子交换量测定

2.1.4土壤水力传导率测定

2.1.5土壤机械组成分析

2.1.6土壤粘土矿物组分测定

2.1.7土壤腐殖质组成测定

2.1.8重金属含量测定

2.2电动力学修复实验

2.2.1上海潮土电动修复实验

2.2.2污泥电动修复实验

2.2.3汞污染土壤电动修复实验

2.3修复效果评定实验

2.3.1修复肥力评定

2.3.2土壤酶活性测定

2.3.3土壤微生物学实验

2.4统计学分析

第三章 重金属污染土壤电动力学修复技术的工艺及优化

3.1电动法处理模拟污染土壤

3.1.1固定电极电动修复

3.1.2AA-EK法去除土壤中Cd研究

3.2AA-EK法处理汞污染土壤的尝试

3.2.1采样点选取

3.2.2实验设计

3.2.3结果与讨论

3.3电动法处理污泥

3.3.1污泥样品制备

3.3.2电动实验设计

3.3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 电动力学修复生态状况评价

4.1修复前后土壤肥力的变化

4.1.1电动修复前后速效氮变化情况

4.1.2电动修复前后速效磷变化情况

4.1.3电动修复前后速效钾变化情况

4.1.4电动修复前后腐殖质组分变化情况

4.1.5电动修复前后胡敏酸结构变化情况

4.2电动修复前后土壤酶活性变化结果

4.2.1电动修复前后土壤过氧化氢酶活性变化

4.2.2电动修复前后土壤转化酶活性变化

4.2.3电动修复前后土壤脲酶活性变化

4.2.4电动修复前后土壤碱性磷酸酶活性变化

4.3细菌总数及其DNA变化

4.3.1细菌数量变化

4.3.2土壤微生物总DNA纯度和产量检验

4.3.3电动处理前后目标DNA的变化

4.3.4讨论

4.4本章小结

第五章 电动力学修复的数学模型

5.1模型理论

5.2瞬态平衡模型

5.2.1传递过程

5.2.2质量和电荷守恒

5.2.3系统总物质传递模型

5.2.4酸/碱分布模型

5.2.5污染物迁移模型

5.2.6求解微分方程

5.3结果与讨论

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1创新之处

6.2全文总结

6.3展望

参考文献

符号与标记(附录一)

致谢

攻读博士学位期间发表或录用的论文