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《首都师范大学》 2009年
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镉污染土壤原位修复剂及其机理研究

王立群  
【摘要】: 随着农药和化肥施用量的不断增加,工矿废弃污染物排放的日益加剧,含重金属的污染物通过各种途径进入土壤,造成土壤严重污染,导致农作物产量和质量的下降,并通过食物链危害人类的健康。目前,我国Cd污染农田目前已超过1.3×104 hm2,涉及11个省市的25个地区,因此对土壤Cd污染治理已成为当务之急。本文以富含巯基的新鲜植物残体、变性粘土、矿渣、工业废渣(纳米级)、有机物料(巯基化)等为基质对21种重金属钝化制剂进行了研究筛选,利用室内模拟培养和植物盆栽试验研究重金属钝化剂的效果和作用机制,并比较了不同生产工艺赤泥对土壤Cd的钝化效果。利用元素的拮抗原理,研究ZnSO4叶面喷施和拌种处理对土壤中Cd的单一及复合阻抗钝化效果。通过钝化剂作用下土壤性质的变化、土壤中各形态Cd转化以及对溶液Cd离子中Cd离子吸附解吸特性的研究,进一步探讨了钝化剂的作用机制。本论文得到的主要结论如下: 以土壤中可交换态Cd含量为指标,研究了羟基磷灰石(HA)、磷矿粉(PRX和PRH)、沸石、赤泥、新鲜植物残体、玉米秸秆粉末以及相应的处理共21种钝化剂的作用效果,结果表明:与空白相比,纳米化赤泥、羟基磷灰石、纳米化酸洗赤泥可使土中可交换态Cd减少比例达35%~55%,赤泥、酸洗赤泥、沸石可达15%~25%。富含巯基植物残体在土壤中可有效的与Cd离子螯合,降低可交换态Cd的含量。新鲜蒜苗、油菜、大葱植物残体效果相近,可达20%~25%。PRX、PRH、大葱粉末、相对较差。秸秆和巯基化秸秆钝化效果在8周以上时间段表现较好。 通过温室盆栽试验研究了钝化剂作用的生物效应,结果表明:与空白相比,赤泥、沸石、玉米秸秆和鲜蒜苗残体的加入对黄瓜生物量也有明显提高。赤泥类物质可使黄瓜植株内Cd的含量降低20.4%~60.2%,赤泥的纳米化处理明显提高了赤泥的钝化效果。沸石分别使植株内Cd的含量减少11.7%~48.0%,新鲜蒜苗残体钝化效果达到20.1%~59.4%。添加玉米秸秆可使黄瓜植株内Cd的含量减少20.3%~36.0%,巯基化秸秆使植株内Cd的含量减低20%~50%。随着各种钝化剂施入量的不断增加,黄瓜对Cd的富集系数呈明显减少的趋势。 通过钝化剂对土壤性质与土壤中各形态Cd含量的变化分析研究,结果表明:与空白相比,钝化剂的添加都显著减小了土壤可交换态Cd的含量;赤泥类钝化剂主要作用机制为升高pH值,增大易还原锰结合态、EDTA可提取态、碳酸盐结合态和Fe、Al氧化态Cd含量;沸石的添加主要是增大土壤CEC值和EDTA可提取态、碳酸盐结合态以及残渣态Cd含量;添加玉米秸秆、巯基化玉米秸秆和新鲜蒜苗残体后的栽培土壤中,有机质含量和CEC值增大, EDTA可提取态、有机结合态和残渣态Cd的含量增大是其钝化作用的主要机制。 通过第二季盆栽试验,比较了钝化剂效果的时间效应,其结果表明:第二季盆栽黄瓜植株的干重均高于第一季盆栽试验,添加钝化剂对植株干重的增大作用明显。在第二季盆栽中,各钝化剂作用下黄瓜植株中Cd的含量与空白相比显著减小。赤泥类物质的钝化效果好于第一季栽培,不同添加量秸秆类物质钝化效果的时间效应存在差异,沸石钝化效果的时间效应不明显,新鲜蒜苗残体表现为第二季好于第一季,且添加量变化对其影响较小。 利用元素间拮抗作用原理,研究了ZnSO4阻抗剂对土壤Cd的钝化效应,结果表明:与空白相比,叶面喷施ZnSO4溶液阻抗剂可使植株中Cd的含量减小20.7%~32.5%;ZnSO4溶液拌种处理的钝化效果为20.3%~37.2%。在钝化、阻抗复合试验中,叶面喷施也对Cd吸收表现出了一定的抑制效果,但作用率小于土壤钝化剂施加,为10%左右。ZnSO4叶面喷施,增大了植物对Zn的吸收,而ZnSO4溶液拌种处理,植株中的Zn含量并未明显增大。 利用盆栽试验,比较了不同生产工艺产生赤泥的钝化效果,其结果表明:各种施用量处理下,拜耳法工艺产生的赤泥其钝化效果要明显好于烧结法赤泥;其主要原因为拜耳法赤泥颗粒粒径小、表面积大以及氧化铁、铝含量高。 通过钝化剂对溶液中Cd离子的吸附解吸试验表明:赤泥、沸石对Cd离子具有很大的吸附容量和较强的吸附亲和力;只有不到25%的吸附镉为水溶态和可交换态,而绝大部分吸附的镉(50%以上)为与赤泥结合稳定的、不易为生物利用的形态。纳米粉碎能显著提高赤泥对镉的吸附能力,并提高吸附产物的稳定性,焙烧处理也提高了沸石对镉的吸附容量。玉米秸秆粉末、巯基化处理秸秆粉末以及新鲜蒜苗残体都显示出对Cd2+较高的吸附容量,都高于土壤对镉的吸附容量,其中蒜苗残体最大,巯基秸秆次之。与土壤相比,沸石、焙烧沸石和新鲜蒜苗残体吸附的镉中,被解吸为水溶态和可交换态吸收态组分比例显著减小,但其对Cd的吸附固定结合效果均小于赤泥类物质。赤泥类物质、沸石、秸秆和蒜苗残体对Cd的吸附符合Langmuir和Freundlich模式方程,Langmuir方程拟合相关性好于Freundlich方程。赤泥对Cd的吸附等温线受背景K+离子浓度变化明显,表明吸附可能存在外层和专性两种作用。 利用吸附动力学试验,研究了不同钝化剂对Cd离子吸附随时间变化的规律,其结果表明:不同钝化剂、不同的初始溶液浓度下对Cd离子的吸附过程基本上可分为两个阶段,即快速反应阶段和慢速反应阶段。赤泥类物质吸附速率较大,达到平衡时间较短,纳米化处理明显提高了赤泥的吸附速率,缩短平衡时间;沸石吸附Cd2+达到平衡时间较长,可能与其内部通道作用有关。对钝化剂吸附Cd离子的动力学曲线拟合较好的为准二级动力学方程和指数Ⅱ型方程,拟合参数基本上反映了不同的钝化剂的吸附动力学特征;从抛物线型拟合方程可以看出吸附作用可能存在两个扩散过程。 通过以上研究可以看出,赤泥类物质,特别是纳米化处理赤泥对土壤中Cd有很好的钝化效果,但对土壤pH升高作用较大;新鲜蒜苗残体、沸石和玉米秸秆的钝化效果较好,这些物质的施加也可以对土壤起到增肥、保水等改良作用;巯基化处理增强了玉米秸秆的钝化效果,表明了巯基物质对Cd螯合作用的增加,但其处理成本较高且在初期施用对植物生物量略有降低。因此,在Cd污染土壤原位修复剂的推广应用上,应针对不同区域的土壤类型,结合当地资源综合评估,进行科学选择。 本文系统的比较了21种不同种类钝化剂的作用效果,在富含巯基的植物残体、纳米化赤泥和巯基化玉米秸秆制剂的钝化效果的研究,与阻抗剂ZnSO4叶面喷施单一阻抗及与添加剂复合效果的研究上有所创新,为Cd污染土壤钝化剂的推广应用提供了科学指导。
【学位授予单位】:首都师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:X53

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