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《清华大学》 2017年
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污泥堆肥土地利用中重金属的释放及分配研究

方文  
【摘要】:土地利用是符合循环经济和生态友好理念的污水处理厂污泥处理方式,但污泥中含有一定量的重金属,重金属浸出释放带来的环境风险成为制约我国污泥土地利用的主要障碍。本论文以苏州、昆明两地不同特性的土壤为代表,在对污泥堆肥与土壤中重金属的赋存特性进行比较分析基础上,通过液-固平衡的静态浸出试验、传质限制的动态浸出试验、种植作物的田间试验以及基于LeachXS平台的地球化学模拟,系统分析土壤酸碱条件、氧化还原条件、有机物降解等地球化学条件对污泥堆肥中重金属释放的影响机制,揭示有机物组分含量变化对污泥堆肥中重金属释放的控制作用,阐明重金属在堆肥-土壤-水分-植物构成的复杂系统中迁移转化的共性规律,为我国污泥堆肥土地利用环境安全保障提供科学依据。污泥堆肥中各重金属总量均高于空白土壤,但其赋存的化学形态基本一致。Cr、Cu和Cd主要吸附在固体有机物表面,Ni和Pb主要吸附在固体有机物和铁铝氧化物表面,As主要吸附在铁铝氧化物表面,同时易与钙离子和磷酸根形成共沉淀。pH、有机物组成含量变化、氧化还原条件改变是影响污泥堆肥中重金属释放的主要因素。在污泥堆肥土地利用的土壤pH范围内(5pH9),重金属As、Cd、Cu、Ni的最大浸出量低于总量的6%,Cr、Pb最大浸出量低于总量的1%。碱性条件下颗粒态有机物向溶解性有机物转化,重金属与溶解性有机物络合,释放能力增强。旱田的氧化性条件促进了溶解性有机碳的降解(180d内降低了45~49%),强化了Cd和Cu在颗粒态有机碳上的吸附固定。水田的还原性条件下,Fe(III)被还原为Fe(II),铁的水合氧化物含量降低,对As的吸附能力减弱。污泥堆肥的多次施用增加了土壤有机质含量,提升了微生物活性对土壤中氧气的消耗能力,强化了还原性条件的形成。在还原性条件下,As的浸出浓度上升约1个数量级,累积释放量可达到最大可释放量的55.3%,因此在降雨丰富及连续灌溉等易形成还原性条件的土壤中,不宜施用富含As的污泥堆肥。对于有机质含量低的土壤,污泥堆肥多次施用可增强有机质对重金属Cd、Cu、Pb的吸附固定。污泥堆肥的3年田间施用显著提升了污泥堆肥施用层(0~10 cm)土壤中溶解性有机质、腐殖酸、铁水合氧化物含量,有机物含量的上升及其在碱性条件的溶解,导致重金属在偏碱性环境中释放能力显著高于空白土壤。污泥堆肥的施用对小麦及水稻中重金属含量无显著影响。表层0~10 cm土壤对重金属的阻滞固定能力强,10~20 cm的土壤中重金属含量及释放特性未受到污泥堆肥施用的影响。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S141.4;X703

【参考文献】
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