改良剂—植物联合修复对铅锌废渣重金属地球化学特征影响及作用机制

发布时间：2020-05-02 17:18

【摘要】：贵州黔西北水城-威宁-赫章矿带是贵州有色金属铅锌矿主产地。历史时期,该地区大规模的土法炼锌活动产生的大量炼锌废渣遍布山沟、河道,由此产生了一系列的环境污染问题,对当地生活、生产造成严重影响。近年来,国内外学者在矿山生态修复方面开展了大量的研究工作,其中植物修复被认为是最具经济效益和生态效益的治理方法。但是关于植物修复对重金属迁移转化特征的影响还存在一些争议,具体表现为修复植物根际微域中根系分泌物对地球化学性质不稳定的含硫尾矿及污染土壤中重金属生物有效性的影响是促进还是抑制还存在不一致的观点。而关于修复植物对地球化学性质较稳定的碱性炼锌废渣中重金属的生物有效性、地球化学特征及环境风险的影响及其作用机制尚不明晰。因此,本研究以改良剂和先锋草本植物联合修复的土法炼锌废渣为研究对象,共设置7个处理组,其中4个无植物存在的对照处理组:废渣(F)、废渣+低品位磷矿粉(FL)、废渣+沼渣(FZ)、废渣+改良剂(低品位磷矿粉与沼渣混合)(FG),以及3个有植物存在的处理组:废渣+改良剂+黑麦草(FGH)、废渣+改良剂+三叶草(FGS)、废渣+改良剂+黑麦草+三叶草(FGT);分别定期采集上述7个处理组的淋溶液(共5次),依次记为T1、T2、T3、T4、T5。系统研究了“废渣-淋滤液-植物”体系中重金属的地球化学特征及其影响机制,取得研究结果如下:(1)改良剂-植物联合修复明显影响废渣淋滤液的理化性质及重金属特征。与无植物的处理组(F、FL、FZ、FG)相比,有植物存在的处理组(FGH、FGS、FGT)的废渣淋滤液pH整体随着淋溶时间增加呈下降趋势,并且有植物的处理组与无植物的处理组pH在T5时存在显著差异(p?0.05)。有植物处理组废渣淋滤液的电导率(EC)均高于无植物处理组(除FZ组T1、T2),说明植物参与促进了废渣中易溶矿物溶解。有植物的处理组的废渣淋滤液氧化还原电位(ORP)在T4-T5时均低于无植物处理组。淋滤液中阴离子以SO_4~(2-)为主,其次是NO_3~-和Cl~-,F~-最少。F~-和Cl~-淋出量总体随着淋溶时间增加而减少,而NO_3~-和SO_4~(2-)则随着淋溶时间增加均出现先上升再下降趋势,且植物参与对废渣Cl~-、NO_3~-的淋出有促进作用。淋滤液中4种重金属离子总体淋出量表现出ZnPbCdCu,说明Zn相较于其他3种更易被淋出;4种重金属的淋出量总体上随淋溶时间增加呈降低的趋势。植物参与后期增加了Cu的淋出量,减少了Pb、Zn淋出量,而对Cd是随时间变化表现出增加或减少。相关性表明,改良剂-植物联合修复后废渣淋溶液理化性质的改变是影响其重金属淋出的重要原因。(2)改良剂-植物联合修复对废渣中重金属的生物有效性及赋存形态的影响因重金属元素种类而异。有植物的处理组(FGH、FGS、FGT)中Cu的可还原态和可氧化态所占比例分别增加和降低;Pb的酸可溶态有所增加,可还原态有所降低,说明改良剂-植物联合修复均增加了废渣中Cu和Pb的生物有效性。FGH、FGS、FGT处理组废渣Zn和Cd的有效态含量均不同程度低于FG处理组。与FG处理组相比,FGH、FGS、FGT处理组废渣中酸可溶态Zn所占比例均分别降低,而残渣态所占比例均分别增加。与FG处理组相比,FGH、FGS、FGT处理组废渣中酸可溶态Cd所占比例均分别增加,可还原态Cd均分别降低。说明改良剂-植物联合修复分别降低Zn,增加Cd的生物有效性。(3)黑麦草与三叶草套种修复增加其重金属的转运系数。黑麦草和三叶草单种和套种模式下重金属的富集系数无明显差异,相同植物不同种植方式对植物富集系数的影响低于0.70%。但是黑麦草和三叶草套种模式下其重金属的转运系数高于两种植物分别单种的模式(除黑麦草对Zn的转运),尤其三叶草在套种模式下重金属转运系数比单种模式增加了4.33%~9.02%。黑麦草和三叶草套种模式下,三叶草的转运系数是黑麦草的1.1~2.5倍,说明两种先锋草本植物套种模式修复效果优于单种模式,而三叶草对废渣的修复效果强于黑麦草。(4)改良剂-植物联合修复明显改变废渣的微观形貌及矿物组成。黑麦草单种模式(FGH)及其与三叶草套种(FGT)修复作用下,废渣的表面特征表现为大量的细小颗粒粘聚在一起形成较大的颗粒,说明植物根系对废渣中细小颗粒具有包裹和团聚作用。而三叶草单种模式(FGS)修复作用下,废渣的表面特征表现为存在大量的孔隙和坑洼,说明植物根系通过物理(根劈)、化学作用(根系分泌物溶解)促进废渣生物物理风化。与无植物存在的处理组(FG)相比,有植物存在的处理组(FGH和FGT)中废渣的O、Si、Fe、Al、Ca、Mg的原子百分比均不同程度增加,说明改良剂-植物(黑麦草、三叶草)联合修复促进炼锌废渣风化成土过程。废渣中矿物组成主要包括石英、石膏、长石、方解石、白云石、黄铁矿、磁铁矿及菱铁矿等矿物相。(5)改良剂-植物联合修复明显影响垂直剖面废渣的理化性质、养分及重金属形态特征。有植物和无植物存在的处理组废渣的pH和EC整体上表现为随着梯度增加呈增加的趋势。黑麦草单种(FGH)以及和三叶草套种(FGT)修复模式下,废渣的有效氮含量随着废渣剖面深度增加而增加,而三叶草单种(FGS)修复模式下,废渣有效氮含量随着废渣剖面深度增加而递减;无植物存在的处理组(FG)废渣有效磷含量随着废渣剖面深度增加而递减,而有植物存在的处理组(FGH、FGS及FGT)表层废渣(0-16 cm)的有效磷含量最高,说明黑麦草和三叶草单种及套种模式均促进了废渣磷素在表层富集。改良剂-植物联合修复的垂直剖面废渣重金属有效态含量在表层(0-8 cm)、亚表层(8-16 cm)、底层(32-40 cm)较高,而中层(16-32 cm)较低。且酸可溶态重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)的比例随着废渣剖面深度增加呈增加的趋势;黑麦草单种(FGH)以及和三叶草套种(FGT)修复模式下,深度为0-16 cm的废渣中Pb、Zn酸可溶态所占比例高于深度为16-24 cm的废渣,说明黑麦草修复增加了Pb、Zn的酸可溶态含量。(6)修复植物根系分泌物能有效促进细小颗粒废渣团聚形成大颗粒废渣并影响其重金属的生物有效性。基于黑麦草根系分泌物中~(13)C在不同粒径废渣中的分布特征可知,黑麦草根系分泌物修复处理后的不同粒径废渣(d≥2、2 mmd≥1 mm及d0.25 mm)中δ~(13)C比对照废渣分别高出3.16‰、1.85‰、1.47‰。说明根系分泌物主要分布在d≥2 mm、2 mmd≥1 mm和d0.25 mm粒径的废渣。结合不同粒径废渣团聚体质量分布特征可知,与对照废渣相比,根系分泌物参与下粒径为d0.25 mm、2 mmd≥1 mm的废渣团聚体质量占比分别减小1.76%和增加1.62%,说明黑麦草根系分泌物在促进细粒径废渣形成大粒径废渣方面具有重要作用。与对照组相比,添加根系分泌物增加了废渣d≥2 mm和d0.25 mm粒径中4种重金属的酸可溶态。综上,改良剂-先锋草本植物联合修复对土法炼锌废渣中重金属的地球化学特征的影响机制主要表现在以下几个方面:一是植物根系活动通过改变根际废渣的理化特性、阴离子与养分含量、以及赋存形态,增加Cu、Pb、Cd和降低Zn的生物有效性;二是植物根系及其分泌物促进细小颗粒团聚形成大颗粒团聚体,增加大颗粒团聚体的酸可溶态含量,增加重金属的生物有效性。
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示意图,铅锌矿山,开采过程,重金属污染

图 1.1 铅锌矿山开采过程中重金属污染环境示意图(黄泽宏等，2015)Fig. 1.1 Schematic map of heavy metal pollution during mining in lead-zinc mine黔西北土法炼锌已有 300 多年的历史，其主要产生的生态环境问题有：（1）对土地资源的的破坏。在开采过程中就破坏了矿区土地，并且产生大量的废渣占用大量的土地面积；矿山废水及矿渣扬尘等对矿区周边土地造成严重污染。黔西北土法炼锌给当地留下了 2000 万 t 废渣和 1200 hm2的废弃地(林文杰，2007)。我国因采矿累计占用、破坏土地达 743 万 hm2，且每年仍以 4 万hm2的速度递增(黄铭洪，2003)。（2）对水资源的破坏。无论露天开采还是地下开采，选矿废水及淋溶形成的 AMD 都对地表水及地下水产生严重污染，尤其是地下水，一旦污染，将是难以修复的。我国在矿业活动中每年产生废液 61.9 亿吨，年排放量 48.6 亿吨，95.55%的废液未经任何处理，直接排入周边环境(朱佳文，2012)。（3）对植被资源的破坏。矿区原有植被因采矿工程遭受破坏，开采后原本

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【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X758;X142;X173

【参考文献】