陕西典型铁尾矿库区土壤重金属迁移及其修复研究

发布时间：2017-11-01 16:04

  本文关键词：陕西典型铁尾矿库区土壤重金属迁移及其修复研究

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【摘要】：大量金属尾矿堆存于地表,在降水渗流、风沙扬尘等作用下,尾矿有害物质特别是重金属离子很容易进入水体、土壤和大气等环境中,造成重金属及类金属土壤环境污染,受到人们广泛的关注,但氧化性磁铁矿区土壤重金属污染、迁移及其修复等问题并未引起人们的高度重视。本文以陕南地区典型磁铁尾矿库区土壤为研究对象,采用重金属形态分析法、生态风险评价编码法、土壤微生物群落分析法和土柱模拟试验等研究方法,系统研究了尾矿库区土壤重金属污染状况以及典型重金属在土壤中的吸附迁移规律,并对尾矿库区土壤重金属修复做了相关研究。取得以下进展:(1)对比研究30a在用尾矿库区和10a闭库区周围土壤重金属污染的状况,结果表明:10a闭库区周围土壤中9种重金属(Fe、Zn、Mn、Ni、Co、Cd、Cu、V、Ti)均未达到污染程度,而30a在用库区周围土壤重金属除Ti外均达到中等污染;用地累积指数法对30a在用库区土壤重金属进行评价结果显示:Cd、Ni和Cu的污染程度较大,达到显著污染水平;风险评价编码法分析表明两个库区周围土壤中Mn处于中级潜在生态风险,其它重金属潜在生态风险较低;10a闭库尾矿库2m剖面内重金属全量均高于当地土壤背景值,尾矿中Mn的潜在迁移能力最强,对地下水存在潜在危害。(2)采用主成分分析法,分析米箭沟铁尾矿库区土壤微生物群落的代谢特征,结果表明:尾矿污染水平与土壤微生物群落的代谢特性密切相关,主要反映在微生物群落对碳源利用的差异上。重金属轻度和中度污染激活了土壤微生物对碳源的利用,而重度污染却抑制了土壤微生物对碳源的利用。土壤微生物均一度指数能很好地反映土壤重金属污染的程度,可作为矿区土壤重金属污染的敏感指标。土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脱氢酶活性均随土壤重金属污染加剧而迅速下降,土壤As含量与土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性呈显著的负相关。(3)利用等温静态吸附试验研究Mn~(2+)、Ni~(2+)、Cu~(2+)和Cd~(2+)4种重金属离子在两种典型土壤——黄褐土和水稻田沙土中的吸附规律,结果表明,Freundlich方程能很好地模拟Mn~(2+)和Ni~(2+)在土壤中的吸附规律,Langmuir方程却能很好地反映Cu~(2+)和Cd~(2+)在土壤中的吸附过程;4种重金属平衡吸附量与土壤有机质、阳离子交换量和粘粒含量呈显著正相关。(4)利用模拟土柱试验和平衡CDE模型研究了Mn~(2+)、Ni~(2+)、Cu~(2+)和Cd~(2+)在黄褐土和水稻田沙土中的迁移规律。结果表明:黄褐土对重金属吸附能力较强,重金属离子迁移缓慢,而沙土对重金属离子吸附能力较弱,重金属离子迁移较快;在土壤中Mn~(2+)离子迁移性强,而Cu~(2+)离子迁移性弱。除Cu~(2+)离子外,平衡CDE模型能很好模拟其他3种金属在两种土壤中的运移,且拟合结果与实测结果接近。(5)盆栽实验结果表明,金属Mn~(2+)和Ni~(2+)会对植物发芽、生长状况造成影响。低浓度金属离子可激活土壤磷酸酶和脲酶活性,高浓度却有抑制作用,土壤磷酸酶和脲酶活性受重金属污染程度和植株生长双重影响;Mn~(2+)对土壤微生物群落构成有一定的影响,Mn~(2+)浓度大于300mg/kg,土壤微生物群落结构稳定性会受到明显的影响。(6)通过施用土壤改良剂来改良尾矿砂的生态修复实验表明,城市污泥可作为土壤改良剂,改良后土壤质量达到二级标准,但需降低污泥重金属的有效性。
【关键词】：铁尾矿 土壤重金属 吸附与迁移 土壤修复
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X53;X751
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 文献综述12-23
• 1.1 问题的提出12-13
• 1.1.1 铁尾矿带来的环境问题12-13
• 1.1.2 选题依据13
• 1.2 尾矿库区土壤重金属研究13-21
• 1.2.1 尾矿库区土壤重金属污染研究14-16
• 1.2.2 土壤重金属污染与土壤微生物特征16-18
• 1.2.3 土壤重金属的吸附、迁移18-19
• 1.2.4 尾矿利用与库区土壤生态修复19-21
• 1.3 研究目的和内容21
• 1.3.1 研究目的21
• 1.3.2 研究内容21
• 1.3.3 论文研究技术路线图21
• 1.4 研究区概况21-23
• 第二章 尾矿库周围土壤重金属污染状况及生态风险评价23-45
• 2.1 尾矿库区简介23
• 2.2 材料与方法23-26
• 2.2.1 样品采集和分析23-25
• 2.2.2 样品分析方法25-26
• 2.3 尾矿砂的基本特性26-28
• 2.4 库区周围土壤理化性质28-29
• 2.5 土壤重金属污染状况29-37
• 2.5.1 土壤重金属污染状况30-31
• 2.5.2 土壤重金属与土壤理化性质的关系31-32
• 2.5.3 土壤重金属形态特征32-34
• 2.5.4 土壤重金属污染风险评价34-36
• 2.5.5 小结36-37
• 2.6 尾矿库矿砂剖面重金属分布37-45
• 2.6.1 矿砂剖面基本理化性质37-38
• 2.6.2 矿砂剖面重金属分布38-39
• 2.6.3 矿砂剖面重金属形态分布39-44
• 2.6.4 矿砂剖面重金属含量的相关性44
• 2.6.5 小结44-45
• 第三章 尾矿库区重金属与土壤微生物群落代谢和酶活性的影响45-57
• 3.1 材料与方法45-46
• 3.1.1 土壤样品采集45
• 3.1.2 测试与分析45-46
• 3.1.3 数据处理46
• 3.2 结果与讨论46-56
• 3.2.1 土壤理化性质与重金属污染特征46-48
• 3.2.2 土壤微生物群落代谢特征及其功能多样性48-54
• 3.2.3 土壤酶活性与重金属的相关分析54-55
• 3.2.4 讨论55-56
• 3.3 小结56-57
• 第四章 铁尾矿区典型土壤对Mn~(2+)、Cu~(2+)、Ni~(2+)和Cd~(2+)的吸附特征57-73
• 4.1 材料与方法57-59
• 4.1.1 土壤采集与测定57
• 4.1.2 试验方法57-58
• 4.1.3 数据处理58-59
• 4.2 结果与讨论59-72
• 4.2.1 供试土壤的理化性质59-60
• 4.2.2 Mn~(2+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)和Ni~(2+)的吸附动力学60-67
• 4.2.3 土壤重金属离子的等温吸附过程67-69
• 4.2.4 pH对土壤重金属离子吸附的影响69
• 4.2.5 pH对土壤重金属离子解吸的影响69-71
• 4.2.6 土壤理化性质对吸附动力学参数的影响71-72
• 4.3 小结72-73
• 第五章 Mn~(2+)、Cu~(2+)、Ni~(2+)和Cd~(2+)在矿区典型土壤中的迁移规律73-84
• 5.1 材料与方法73-75
• 5.1.1 供实土壤73
• 5.1.2 试验装置73
• 5.1.3 试验方法73-75
• 5.1.4 理论基础75
• 5.2 结果与分析75-83
• 5.2.1 示踪实验结果75-77
• 5.2.2 重金属在土柱中的运移结果77-82
• 5.2.3 运移实验结束后土柱中各土层重金属的含量82-83
• 5.3 小结83-84
• 第六章 重金属离子对土壤微生物群落和植物生长的影响84-102
• 6.1 试验材料和方法85-86
• 6.1.1 试验材料85
• 6.1.2 试验方法85
• 6.1.3 样品处理和分析方法85-86
• 6.1.4 数据处理86
• 6.2 Mn~(2+)对植物生长和土壤微生物群落的影响86-96
• 6.2.1 Mn~(2+)对种子发芽的影响87
• 6.2.2. Mn~(2+)对土壤酶活性的影响87-91
• 6.2.3 Mn~(2+)对植物生长的影响91-92
• 6.2.4 Mn~(2+)对土壤微生物群落的影响92-96
• 6.3 Ni~(2+)对植物生长和土壤酶活性的影响96-101
• 6.3.1 Ni~(2+)对种子发芽的影响96-97
• 6.3.2 Ni~(2+)对土壤酶活性的影响97-100
• 6.3.3 Ni~(2+)对植物生长的影响100-101
• 6.4 小结101-102
• 第七章 铁尾矿库砂土壤生态修复实验研究102-112
• 7.1 材料与方法102-103
• 7.1.1 尾砂改良盆栽试验102-103
• 7.1.2 样品处理和分析方法103
• 7.1.3 数据的处理和分析103
• 7.2 结果与讨论103-111
• 7.2.1 城市剩余污泥改良铁尾矿库矿砂土壤研究103-107
• 7.2.2 黄褐土改良铁尾矿库矿砂土壤研究107-109
• 7.2.3 粉煤灰改良铁尾库矿砂土壤研究109-111
• 7.3 小结111-112
• 第八章 结论112-115
• 8.1 结论112-114
• 8.2 主要创新点114
• 8.3 有待进一步研究的问题114-115
• 参考文献115-126
• 致谢126-127
• 作者简介127

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本文编号：1127504