金属硫化物矿区稻田土壤中硫素的迁移转化及次生硫酸盐矿物中重金属的溶出机制
本文关键词:金属硫化物矿区稻田土壤中硫素的迁移转化及次生硫酸盐矿物中重金属的溶出机制 出处:《华南理工大学》2016年博士论文 论文类型:学位论文
更多相关文章: 金属硫化物矿区 酸性矿山废水 硫 SO_4~(2-)迁移 黄钾铁矾
【摘要】:酸性矿山废水(acid mining drainage,AMD)具有低p H、高硫酸盐、高铁及富含重金属等特征。AMD通过地表径流、下渗及农业灌溉等途径污染下游农田,导致土壤严重酸化、重金属污染以及富含重金属次生矿物的生成。一直以来,学者们对于AMD污染土壤中重金属的分布、迁移以及毒性进行了大量的研究工作,但是对重金属主要伴生元素硫的种类、分布、迁移转化以及富含重金属次生矿物的稳定性研究尚不多见。虽然硫无毒性,但是硫的迁移转化对于土壤酸化以及重金属的释放等具有重要影响。本论文以广东省大宝山多金属硫化物矿区受AMD污染的稻田为研究对象,从稻田土壤中硫的种类、形态分布特征、硫酸根的迁移转化、硫同位素的分馏特征以及不同酸度对次生矿物中重金属释放行为等方面研究金属硫化物矿区稻田土壤中硫素的迁移转化及次生铁硫酸盐矿物中重金属的溶出机制。论文取得主要研究成果如下:(1)AMD灌溉污染稻田土壤中硫的时空及形态分布特征:从上游到下游受AMD污染的横石河水中总硫呈现逐渐递减的趋势,但是沿河两岸稻田土壤中从上游凉桥(S1)至下游徐屋(S5)交换性硫和全硫未呈现规律性的分布。虽然S1~S5已经不采用横石河水灌溉,但是土壤中交换性硫和全硫是未受AMD灌溉的双石村(S6)土壤的2~20倍和1.5~2.8倍,因此交换性硫和全硫可以作为AMD灌溉的标记。另外在上坝村(S3)土壤剖面20~30cm深度存在交换性硫的峰值(934 mg/kg)。2012-2014年的研究发现S3土壤剖面交换性硫的周期性变化不显著,2014年20~30cm深度交换性硫含量最高为1207mg/kg。分析土壤的理化性质发现土壤的p H低、比表面积大、无定形铁氧化含量高和粉粒含量高是硫酸根被赋存的主要原因。在S3土壤剖面中,还原态无机硫(铬还原态硫化物为主)主要分布在表层(0~20 cm),原因是表层丰富的全碳和全氮为硫酸盐的还原提供了能量和电子。不同形态硫在土壤剖面的赋存差异显著:还原态无机硫硫和碳键硫主要分布在表层土壤,吸附态硫主要在20~30cm深度,酯键硫在每一层都有较高含量630~1065 mg/kg,AMD灌溉进入的硫在土壤剖面主要形成了交换性硫和酯键硫。(2)AMD污染土壤中SO_4~(2-)的迁移转化途径:SO_4~(2-)(0~1000 mg/kg)吸附实验,发现上坝村AMD灌溉土壤(0~80 cm深度的5层土壤剖面)都未发生SO_4~(2-)的吸附,反而有大量SO_4~(2-)被解吸,表层土壤(0~20cm)解吸量比率最高达52%~86%。这主要是因为SO_4~(2-)在土壤剖面的赋存形态不同,在表层土壤中高浓度的有机质和磷酸根(450 mg/kg)通过竞争吸附占据了SO_4~(2-)吸附位点,SO_4~(2-)赋存形态主要为水溶态(88%);在中间层土壤(20~40 cm)羟基(νH-O-H)和无定形铁氧化物内层络合吸附了大量的SO_4~(2-),赋存形态主要是吸附态。另外每一层土壤SO_4~(2-)的吸附已经达到饱和且含未被吸附的水溶态硫,其主要来源为有机硫(酯键硫)的矿化作用。同位素分析结果表明:表层土壤中水溶态硫和吸附态硫的δ34S值为-4.60‰和-5.67‰,低于横石河水的最低值-1.03‰,由于植物的吸收和微生物的还原都只会提高土壤中SO_4~(2-)-δ34S,而有机硫的矿化释放出大量的SO_4~(2-)-δ32S,从而降低土壤中水溶态硫和吸附态硫的δ34S值。因此当前的清水灌溉,硫酸根主要的迁移转化途径主要为:吸附态和水溶态解吸进入土壤溶液,前期赋存的酯键硫在矿化作用下也会释放SO_4~(2-)到土壤溶液。(3)矿区河流及农田硫素的分馏特征:由于次生铁硫酸盐矿物的生成及其对SO_4~(2-)的吸附,从上游拦泥坝(RS2)到水楼下(RS5)河段河水中SO_4~(2-)含量从2250 mg/kg降低至250 mg/kg,显著降低。但是在RS2~RS5河段河水和沉积物中δ34S为-1.24‰至-1.16‰,这说明次生铁硫酸盐矿物的生成和吸附过程,不会产生明显的分馏效应。另外在农田(S1至S5)中交换性硫的δ34S变化介于-3.23‰~+3.40‰,未呈现规律性的分布特征,并且后期的耕作方式(旱地与稻田)对SO_4~(2-)的含量和分馏特征影响不显著。(4)次生铁硫酸盐矿物中重金属的溶出机制:在AMD环境中,次生铁硫酸盐矿物(黄钾铁矾)形成过程中其化学结构中的Fe3+和SO_4~(2-)易被其他离子(如Cu2+和Cr O42-)所取代。实验合成了Cu2+和Cr O42-分别取代部分Fe3+和SO_4~(2-)的黄钾铁矾矿物。研究发现,p H变化对次生铁硫酸盐矿物的稳定性和重金属的溶出影响较大:铜铬在p H=1的溶出量显著高于p H=10;两个p H条件下,铬的溶出在大约4 d达到平衡,溶解的Cr O42-在p H=1和10的情况下分别与溶液中高浓度的Fe3+(1.74 mmol/L)与磁赤铁矿络合吸附在矿物表面从而阻碍了矿物的进一步溶解。铜铬元素的溶出摩尔比发现,Cr O42-在矿物中的溶出速率显著高于Cu2+,这种溶解的不一致性主要是因为铜溶后会先形成高稳定Cu O6八面体存在,后于铬的溶出。Cr O42-能够较快被溶出,但是溶出后易被吸附或者络合,阻碍矿物及自身的溶出;Cu2+溶出存在滞后性,但是不易于质子化或形成络合物,随着矿物溶解会持续溶出。因此黄钾铁矾矿物中重金属的溶出主要是受到酸度、取代离子的性质以及取代位点的结构稳定性的影响。综上所述,AMD中高浓度的硫进入土壤后会增加土壤中各种形态硫含量并主要以交换态和酯键硫的形式被赋存到土壤之中,清水灌溉促进了土壤中交换性硫酸根的解吸以及酯键硫的矿化;次生铁硫酸盐矿物中重金属的溶出主要受酸度、取代重金属离子的性质以及取代位点的影响。
[Abstract]:Acid mine wastewater (acid mining drainage, AMD) has the characteristics of low P H, high sulphate, high iron and heavy metal. AMD pollute downstream farmland through surface runoff, infiltration and agricultural irrigation, resulting in serious acidification, heavy metal pollution and heavy metal secondary mineral generation. Since, scholars have conducted a lot of research work on the distribution of heavy metals in contaminated soil, AMD and the migration of heavy metal toxicity, but the main companion species, sulfur distribution, migration and transformation and stability of heavy metal rich secondary minerals are rare. Although sulfur is not toxic, the transfer and transformation of sulfur has an important effect on soil acidification and the release of heavy metals. This paper takes Guangdong province Dabaoshan Polymetallic Sulfide mine in AMD contaminated paddy field as the research object, from the type, the paddy soil sulfur speciation, migration, transformation of sulfate fractionation of sulfur isotope and different acidity on the secondary minerals in the aspects such as the release of heavy metals for paddy soil in mining area of metal sulfide sulfur the migration of heavy metals in secondary iron sulfate mineral dissolution mechanism. The main research results are as follows: (1) AMD pollution in paddy soil irrigation of sulfur in time and space and form distribution characteristics: total sulfur from upstream to downstream of AMD contaminated the Heng Shi River showed a gradually decreasing trend, but in the paddy soil along the river from upstream to downstream cold bridge (S1) Xu Wu (S5) exchange of sulfur and total sulfur did not show the regularity of distribution. Although S1~S5 has not used the Heng Shi River irrigation, the exchangeable sulfur and total sulfur in the soil are 2~20 times and 1.5~2.8 times of the soil of the double stone village (S6) which is not irrigated by AMD, so exchangeable sulfur and total sulfur can be used as markers for AMD irrigation. In addition, there is a peak of exchangeable sulfur (934 mg/kg) in the depth of 20~30cm in the soil profile of the upper dam village (S3). The 2012-2014 year study found that the periodic change of exchangeable sulfur in S3 soil profile was not significant, and the highest exchange sulfur content in 20~30cm in 2014 was 1207mg/kg. Analyzing the physical and chemical properties of soil, it is found that the main reason for the occurrence of sulfate is the low P H, the large specific surface area, the high content of amorphous iron and the high content of powder. In the S3 soil profile, reduced inorganic sulfur (mainly chromium reduction sulfide) is mainly distributed on the surface (0~20 cm). The reason is that the surface total carbon and total nitrogen provide energy and electrons for sulfate reduction. Different forms of sulfur in the soil profile was significantly difference in reducing inorganic sulfur sulfur and carbon sulfur bond is mainly distributed in the surface soil, the adsorbed sulfur mainly in the depth of 20~30cm, ester sulphur in each layer has a higher content of 630~1065 mg/kg AMD, the sulfur in the soil profile into the irrigation main form of sulfur and exchange ester sulphur. (2) AMD in SO_4~ contaminated soil (2-) migration pathway: SO_4~ (2-) (0~1000 mg/kg) adsorption experiment, found on the dam of AMD village irrigation (5 layer soil 0~80 cm depth) are not SO_4~ (2-) adsorption, but a large number of SO_4~ (2-) by desorption the surface soil (0~20cm) desorption ratio up to 52%~86%. This is mainly because the SO_4~ (2-) in different forms of soil profile, in the surface soil of the high concentration of organic matter and phosphate (450 mg/kg) by competitive adsorption to occupy the SO_4~ (2-) adsorption sites, SO_4~ (2-) forms the main water soluble (88%); in the middle layer (soil 20~40 cm (H-O-H) - V) and amorphous iron oxide layer complex adsorption amounts of SO_4~ (2-), speciation is mainly adsorbed. In addition, the adsorption of SO_4~ (2-) in each layer has reached saturation and contains water soluble sulfur, which is not adsorbed, and its main source is the mineralization of organic sulfur (ester bond sulphur). The isotope analysis results show that the 34S surface soil water soluble sulfur and adsorbed sulfur value of -4.60% and -5.67%, is lower than the minimum value of the stone cross -1.03%, due to the reduction of plant uptake and microbial will only improve soil SO_4~ (2-) - 8 34S, and organic sulphur mineralization the release of a large number of SO_4~ (2-) - Delta 32S, Delta 34S and reduce the content of water soluble sulfur and adsorbed sulfur value. Therefore, the main way of migration and transformation of the current sulfate irrigation is: desorption of adsorbed state and water soluble state into the soil solution. The ester bond sulfur released in the early stage also releases SO_4~ (2-) to the soil solution under mineralization. (3) the fractionation characteristics of sulfur in river and farmland of mining area: due to the formation of secondary iron sulfate minerals and their adsorption on SO_4~ (2-), the content of SO_4~ (2-) in the river from upstream to RS2 (RS5) reaches 250 mg/kg, decreasing from 2250 mg/kg to 250 mg/kg. But in the RS2~RS5 River and river sediments, the delta 34S is -1.24 per thousand to -1.16 per thousand, which indicates that the generation and adsorption process of secondary iron sulfate minerals will not produce obvious fractionation effect. In addition, in the farmland (S1 to S5), the change of the delta 34S of exchangeable sulfur is -3.23% ~+3.40 per thousand, showing no regular distribution characteristics. Moreover, the late farming mode (dry land and paddy field) has no significant effect on the content and fractionation characteristics of SO_4~ (2-). (4) the dissolution mechanism of heavy metals in secondary iron sulphate minerals: in the AMD environment, the Fe3+ and SO_4~ (2-) in its chemical structure are easily replaced by other ions, such as Cu2+ and Cr O42-, during the formation of secondary iron sulphate minerals. The potassium ferric vitriol minerals, Cu2+ and Cr O42-, which were substituted for partial Fe3+ and SO_4~ (2-) respectively, were synthesized. The study found that P H changes on the secondary iron sulfate mineral stability and leaching of heavy metals affected: copper chromium in P H=1 dissolution rate was significantly higher than that of P H=10; two P H under the condition of chromium dissolution in about 4 d to reach equilibrium, the dissolution of Cr O42- in P H=1 and 10. Respectively with high concentration of Fe3+ (1.74 mmol/L) and Magnetic Hematite adsorption on the mineral surface and thus hinder the further dissolution of minerals. Dissolving mole ratio of copper and chromium elements
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X53;X753
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 汪晶晶;;水稻重金属富集规律研究[J];农业灾害研究;2012年06期
2 李双文;;重金属进入人体的渠道[J];百科知识;2011年01期
3 袁旭音,陶于祥,王润华,姜月华,王爱华;湖州市不同土壤重金属的污染现状[J];上海地质;2002年03期
4 胡省英,冉伟彦,范宏瑞;土壤—作物系统中重金属元素的地球化学行为[J];地质与勘探;2003年05期
5 陈芳,董元华,安琼,钦绳武;长期肥料定位试验条件下土壤中重金属的含量变化[J];土壤;2005年03期
6 谢宝贵,刘洁玉;重金属在三种食用菌中的累积及对其生长的影响[J];中国食用菌;2005年02期
7 薛艳,沈振国,周东美;蔬菜对土壤重金属吸收的差异与机理[J];土壤;2005年01期
8 张炜鹏;陈金林;黄全能;王擎运;赵好;薛丹;;南方主要绿化树种对重金属的积累特性[J];南京林业大学学报(自然科学版);2007年05期
9 孙嘉龙;肖唐付;周连碧;何立斌;宁增平;李航;彭景权;;微生物与重金属的相互作用机理研究进展[J];地球与环境;2007年04期
10 刘晓辉;吕宪国;刘惠清;;沟谷地不同植被下土壤重金属纵向分异研究[J];环境科学;2007年12期
相关会议论文 前10条
1 何文珊;陆健健;;迁徙滨鹬对重金属的富集及其环境检测意义[A];中国动物科学研究——中国动物学会第十四届会员代表大会及中国动物学会65周年年会论文集[C];1999年
2 褚武英;俞膺浩;袁维佳;;淡水动物体内重金属的生态化学特征[A];动物学专辑——上海市动物学会2002年年会论文集[C];2002年
3 张文英;;福州市蔬菜地重金属污染状况调查[A];食品安全的理论与实践——福建省科协第四届学术年会“食品安全与农民增收”分会场暨福建省农学会第五届青年学术年会论文集[C];2004年
4 李绪平;吴堑虹;戴塔根;;地貌及风向对长沙-株洲-湘潭地区土壤重金属富集的影响[A];中国矿物岩石地球化学学会第11届学术年会论文集[C];2007年
5 高洁;刘文英;陈卫军;;电镀污染区植物对复合重金属的富集、转移和修复潜力[A];十一五农业环境研究回顾与展望——第四届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2011年
6 罗永婷;钱忠英;盛春;李新国;;上海地区几种淡水动物体内重金属的富集[A];2008年上海市动物学会学术会议论文集(二)[C];2008年
7 李薇;肖翔林;吴文如;;药用动、植物重金属富集作用的利与弊[A];2007年中华中医药学会第八届中药鉴定学术研讨会、2007年中国中西医结合学会中药专业委员会全国中药学术研讨会论文集[C];2007年
8 杨刚;伍钧;;甘洛废弃铅锌矿区几种草本植物的重金属耐性研究[A];四川省第十次环境监测学术交流会论文集[C];2005年
9 王爱霞;张敏;方炎明;;重金属在南京城市树木中的富积及大气污染评价[A];中国植物学会植物结构与生殖生物学专业委员会、江苏省植物学会2007年学术年会学术报告及研究论文集[C];2007年
10 张乃明;李阳红;;污水灌区土壤-作物系统对三种重金属吸收富集特征研究[A];首届全国农业环境科学学术研讨会论文集[C];2005年
相关重要报纸文章 前5条
1 张芳;成都经济区生态研究获多项重要成果[N];中国矿业报;2007年
2 范玲 刘应平;长江水质受流域内特殊地质体影响明显[N];地质勘查导报;2007年
3 本报记者 康传义 陈艳 实习生 赵佳 陈欢;我们的土地被污染了吗?[N];陕西日报;2011年
4 本报记者 童光来;蜈蚣草拯救“中毒”土壤[N];北京科技报;2004年
5 本报记者 郑荣 罗会江 本报特约记者 金光;农业地质开路 品牌农业强省[N];地质勘查导报;2009年
相关博士学位论文 前10条
1 康薇;微生物—蓖麻联合修复铜污染土壤的机理与应用研究[D];中国地质大学;2014年
2 潘峗;我国生活垃圾焚烧飞灰毒性行为及其资源化利用过程的风险评估[D];上海大学;2015年
3 万甜;超声溶胞污泥回流-SBR工艺典型重金属再分配及累积的研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
4 杨婷;微生物细胞表面的化学/基因改性调控用于重金属分离及(形态)分析[D];东北大学;2013年
5 杨玉荣;丛枝菌根真菌(AMF)提高植物修复土壤重金属Pb污染的作用机制[D];西北农林科技大学;2015年
6 刘小雪;松花江干流沉积物中重金属和多环芳烃污染特征[D];吉林大学;2016年
7 杨成方;金属硫化物矿区稻田土壤中硫素的迁移转化及次生硫酸盐矿物中重金属的溶出机制[D];华南理工大学;2016年
8 张海燕;大蒜重金属抗性基因的克隆及其功能分析[D];中国科学院研究生院(植物研究所);2005年
9 李其林;重庆市土壤—作物系统重金属特征研究[D];西南大学;2008年
10 薛红喜;黄河包头段沉积物重金属吸附机制及污染生态学研究[D];内蒙古大学;2007年
相关硕士学位论文 前10条
1 宋昱璇;滇池疏浚底泥中重金属在四种蔬菜中的累积效应及其风险评价[D];昆明理工大学;2015年
2 高丽洁;海带内非蛋白巯基化合物的检测分析及重金属诱导转化研究[D];中国地质大学(北京);2015年
3 侯运楠;重金属抗性菌的生物吸附特性及抗性基因CzcA的克隆表达[D];西北农林科技大学;2015年
4 王毓秀;电厂燃煤烟尘成分谱的研究及重金属风险评价[D];太原理工大学;2016年
5 李晓旭;土壤铜、锌、铅污染对上海草本植物群落的影响[D];华东师范大学;2016年
6 丁玲;电动增强技术修复重金属Cd(Ⅱ)污染土壤的研究[D];广东工业大学;2016年
7 王秋营;富硒红壤中硒与重金属关系及作物对硒的吸收规律研究[D];福建农林大学;2016年
8 范玉强;我国部分煤中重金属含量、赋存及排放控制研究[D];辽宁科技大学;2016年
9 葛慧敏;泰安市大气PM_(2.5)中重金属的检测及污染特征分析[D];山东大学;2016年
10 赵芙;厌氧消化污泥动电处理对土壤及玉米植株重金属累积的影响[D];东北农业大学;2016年
,本文编号:1347516
本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/kuangye/1347516.html