历史污染土壤镉解吸过程影响因素研究

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2014年公布的《全国土壤污染状况调查公报》指出我国土壤污染以无机型为主,无机污染中重金属镉问题突出,点位超标率达7%,高于其他超标重金属。土壤镉通过食物链传递到人体,损害人体器官并造成痛痛病(Itai-itai disease),给人体健康、环境安全带来风险。评估土壤镉污染风险一方面需要调查土壤镉的空间分布,同时更需要掌握镉在土壤中的地球化学反应,从而准确预测镉在土壤中被植物吸收或淋溶至地下水的风险。镉在土壤系统中的运移主要取决于其在固液相交界面的吸附—解吸过程,固定钝化、淋洗及植物提取等重金属修复措施也与固液交界面处吸附—解吸反应有关,该过程受各种土壤性质和溶液条件的影响。目前国内外已有诸多文献报道人工添加镉污染土壤的吸附解吸理论。历史污染土壤镉与土壤结合时间长,镉离子由外层络合转变为内层络合,从土壤表面点位迁移至硅酸盐结构夹层内的点位,其解吸行为过程与人工配制土壤中的行为过程会有显著不同。因此研究历史污染条件下土壤镉解吸过程的影响因素有科学意义,并且能够为重金属污染修复提供理论支持。本文选取27个不同理化性质的历史镉污染土样为供试样品,分析其理化性质,并采用吸管法和热重法对理化性质进行验证;选取KNO3、Ca Cl2、DTPA(二乙基三胺五乙酸)和EDTA(乙二胺四乙酸二钠)为浸提剂,以破坏性取样和连续性取样为主要观测方法,设定不同的溶液p H值和浸提剂浓度条件,开展3天或15天的镉解吸批实验;利用混合效应模型建立解吸动力学方程并进行交叉验证,采用递归分析和标准回归系数法筛选镉解吸的影响因子,从而针对以下三方面内容开展研究:(1)研究浸提剂类型、溶液p H、浸提剂浓度对历史污染土壤镉解吸率的影响;(2)研究土壤p H值、有机质(OM)、粒径组成、阳离子交换量(CEC)、无定形氧化铁(Feo)含量对镉解吸率和土壤溶液分配系数(Kd)的影响;(3)研究OM、粒径组成、CEC、Feo、溶液p H和历史污染水平对镉解吸动力学速率的影响,建立解吸动力学速率的转换函数。具体结果和结论如下:(1)有机浸提剂对历史污染土壤镉的解吸效果好于无机浸提剂(EDTA的解吸率为98.59%,DTPA为53.53%,Ca Cl2为6.45%,KNO3为0.53%)。浸提剂浓度对镉解吸有明显影响。浸提剂溶液p H是影响镉解吸过程的重要因素,采用DTPA和EDTA浸提时,解吸率与浸提剂p H呈显著线性相关,p H升高会抑制镉的解吸。采用DTPA浸提时溶液p H对镉解吸率影响更大;(2)土壤理化性质对解吸率有影响。采用DTPA和EDTA浸提时,OM、CEC、粒径组分对镉解吸效果有明显影响,而土壤p H值和Feo对镉解吸效果影响不显著。镉解吸率随着OM和粘粒含量增加而增加,随粉粒和CEC的增加而降低。土壤性质对镉解吸率与d的影响大致呈现相反的趋势,d随OM、粘粒的增加而降低,随CEC和粉粒的增加而增加;(3)历史污染土壤镉解吸以4320 min为节点呈现先快后慢两阶段解吸趋势,快反应阶段解吸量超过全期解吸量的70%。与人工污染土壤相比,历史污染土壤镉解吸两阶段反应时间均较长。对数模型、Elovich模型和简化Elovich模型能够很好地拟合解吸实验数据。土壤理化性质、溶液p H、镉的历史污染水平影响镉解吸动力学速率。镉解吸动力学速率随始镉污染水平,OM和粘粒含量的增加而增加,随Feo、溶液p H、CEC和粉粒的增加而降低。基于筛选的影响因子,建立三个动力学模型拟合的解吸速率(B、1/、1/)的转换函数(R~2>0.7)。
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