地球化学环境对土壤铬固化的影响及控制机理

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土壤中铬的固化是指外源铬进入土壤后由易迁移态向难迁移态转化的过程。铬在土壤中各种结合形态不同,其稳定性也不一样,进而其毒性和生物有效性也不相同,因而铬的沉积形态相比于价态更能真实的反映其在土壤中的存在形态。并且目前的修复技术难以保证修复效果的长期稳定性,造成土壤的二次污染;或者改变了土壤理化性质,使土壤质量降低。而通过合理的改变地球生物化学环境,在不改变土壤理化性质的条件下,减少了土壤二次污染,增强土壤中铬的惰性。因此研究天然的地球生物化学环境下铬在土壤中形态转化机制,有助于了解铬的地球生物化学循环及其对生态环境的影响,从而科学评估土壤铬污染的生态风险及人体健康风险。本文通过室内培养实验研究了:(1)在不改变土壤理化性质的自然条件下,研究外源铬在土壤中随培养时间自然固化过程;(2)研究了含水条件、温度变化以及粒径组分对铬在土壤中铬固化的影响;(3)研究了添加DOM和腐殖酸不同有机物条件下,铬在土壤中的固化过程;添加铁锰复合氧化物和铁氧化物不同氧化物条件下,铬在土壤中的固化过程,并与原土体系中铬的固化过程进行比较。获得的主要结论如下:(1)外源铬在土壤中的固化过程分为早期的快速阶段以及后期的慢速阶段,同时伴随着吸附和扩散作用。早期铬形态的快速转化主要受土壤颗粒外表面和水-土环境中铬离子浓度差所驱使,后期的慢速转化是铬离子向土壤中的微孔逐渐渗透和扩散过程。铬的固化过程表现为易迁移态向难迁移态的转化。固化作用在培养实验结束时仍在继续,说明了铬的固化过程是一个长期缓慢的持续过程。(2)含水条件通过改变土壤的pH、Eh、碳酸盐以及有机质含量,进而影响外源铬在土壤中的形态转化。含水量越高,增强了吸附性物质对重金属离子的吸附能力,但同时也阻碍了各形态铬向残渣态的转化,固化程度较低;而含水量越低,铬的固化程度越高,从而有效降低了外源铬的地下水污染和生态风险。(3)温度升高加快了土壤体系中的离子扩散速度,从而促进了易迁移态铬向难迁移态铬的转化,固化程度高,外源铬在土壤中的地下水污染和生态风险越小;而低温环境尤其是冻融时,残渣态铬有活化的风险,固化程度较低,外源铬在土壤中的地下水污染和生态风险较高。在不同粒径组分中,颗粒越细,铬的固化程度越高,外源铬在土壤中的地下水污染和生态风险越小。(4)添加铁锰复合氧化物和铁氧化物都能提高外源铬在土壤中的固化程度,从而降低土壤中铬的地下水污染和生态风险,而添加铁氧化物下,铬的固化程度更高,铁锰复合氧化物具有更强的活性和氧化能力。(5)添加DOM和腐殖酸这两种不同有机物对外源铬在土壤中的固化过程影响较小,略微增加了土壤中外源铬的地下水污染和生态风险,只是在培养后期,降低了土壤中外源铬的生态风险。两种有机混合体系中铬的固化过程有所不同,DOM促进了其它可迁移态向铁锰氧化物、残渣态的转化;腐殖酸促进了其它可迁移态向铁锰氧化物态和强有机态的转化。(6)影响研究区土壤铬固化的主要控制因素是含水条件和温度。采取一定措施在低温时增温,降雨或漫灌时排水,可以有效地提高铬的固化程度,从而降低地下水污染风险和生态风险。
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