| 题名 | 农田土壤中结合态镉和铜的溶出机制与清除方法研究 |
| 作者 | 杨帅 |
| 答辩日期 | 2022-06-23 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 骆永明 |
| 关键词 | 农田土壤 重金属 原位减量修复 增溶增排系统 废弃物浸提液 Farmland soil Heavy metals In-situ reduction remediation Solubilization and eluent drainage system Waste extract |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 其他题名 | The composite dissolution mechanisms and removal methods of bound Cadmium and Copper in farmland soils |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 农田重金属污染威胁着土壤资源的可持续利用和农产品的安全生产，而进入食物链的重金属会对人体健康带来风险，甚至危害。环境友好型去除土壤中重金属是农田土壤修复和安全利用的关键。温和的土壤淋洗是一种高效、经济且可永久性去除土壤中重金属的净化修复技术，但现行的农田土壤淋洗技术通常存在土壤结构难保持、肥力性能降低和洗脱废液难处理等问题。柠檬酸等小分子有机酸可有效去除土壤中的重金属，且生物降解性好，一般不会对土壤环境造成二次污染，可作为温和型土壤重金属淋洗剂，但目前相关研究多采用价格较高的分析纯柠檬酸开展室内振荡浸提参数优化试验，其野外应用成本较高，而关于低纯度下柠檬酸对土壤重金属增溶效果的研究还鲜有报道。近年来，农林工业生产过程产生的废弃物浸提液因易被生物降解、来源广泛和具有重金属去除效果被认为是传统人工合成淋洗剂的潜在替代品。然而，只有少数在高液土比下的废弃物浸提液（葡萄酒废渣、餐厨垃圾堆肥、秸秆废液等）被证明对污染土壤中的重金属有一定的去除能力，而对农林果皮废弃物材料研究较少，且缺乏简易有效的土壤重金属洗脱废液处理材料和方法。本论文采用环境友好型柠檬酸和农林废弃物浸提液作为绿色增溶剂，研发了一套土壤增溶-洗脱液增排-资源再利用相结合的农田重金属净土方法，系统探讨了绿色增溶剂在增溶增排净土方法下对土壤镉（Cd）和铜（Cu）的去除效果、溶出机理、形态分布、潜在生态风险、土壤肥力质量变化、土壤酶活性以及废弃物残渣处理洗脱废液可行性，以期为农用地重金属绿色节能低碳型修复技术体系的构建提供科学依据和新方法。本论文主要研究进展包括以下几个方面： （1）农用地增溶增排系统可有效去除土壤重金属，并可实现淋溶洗脱废液的回收再利用。两步梯度增溶法（工业级柠檬酸-水）较单一柠檬酸对土壤重金属的去除率显著增高，其对Cd和Cu的去除率分别为68.9%和41.4%，去除的土壤重金属主要以交换态和还原态为主。秸秆作为增排暗沟填料能有效地促进不同土层中Cd和Cu的溶出，柠檬酸-水梯度增溶后土壤中剩余Cd的潜在生态风险均由高风险降到低风险，降低约75%。两步柠檬酸-水洗梯度增溶显著缓解了单一柠檬酸造成的土壤酸化问题。不同增溶处理后大部分土壤肥力指标得以保持或显著增加，而秸秆暗沟填料下两步柠檬酸-水增溶后土壤有机质、速效铵和速效磷的平均含量分别提高了40.9%、57.3%、32.0%。废弃物花蛤贝壳粉可高效去除洗脱废液中的Cd（78.7%）和Cu（57.5%），而经废弃物贝壳粉处理回收的再生柠檬酸可实现对污染土壤中重金属的节能低碳快速去除。农用地重金属增溶增排净土方法可发展成为一种成本低、效率高、环境友好的具有应用潜力的土壤重金属污染修复技术。 （2）不同果皮和制酒废弃物浸提液可实现农用地土壤重金属的温和型修复。不同废弃物单一浸提液对农用地土壤重金属均具有一定的去除效果，且菠萝皮材料浸提液去除效果最佳，其中榨汁菠萝皮浸提液对土壤Cd平均去除率为15.9%，而粉碎菠萝皮浸提液为21.1%。通过粉碎菠萝皮浸提液增溶参数优化批试验，选定其最优土壤增溶参数为：菠萝皮浸提液浓度5.0%（50 g·L-1）、增溶反应时间180 min、菠萝皮浸提增溶液pH 3和固液比1:5。不同菠萝皮复配浸提液较单一菠萝皮浸提液对土壤的平均去除率显著增加。菠萝皮-柠檬酸复配浸提液两步梯度增溶方式较一步增溶对土壤Cd和Cu去除率分别增加2.2%-13.2%和3.1%-9.0%，其可有效降低农田土壤中重金属的潜在生态风险，缓解土壤酸化，同时提高大部分土壤养分指标，有利于修复后土壤的再利用。废弃物菠萝皮复配增溶液的两步梯度增溶方式在去除污染农用地土壤中的重金属方面具有潜在应用性。 （3）废弃菠萝皮浸提残渣可实现土壤增溶洗脱废液中重金属的简易友好型去除。浸提残渣在不同吸附条件下对洗脱废液中Cd的去除率存在较大差异，其对废液中重金属去除的最优化条件为：选用菠萝皮柠檬酸浸提改性残渣、材料投加量10 g L-1、废液pH＞3.5和吸附反应时间60 min。菠萝皮改性残渣通过物理吸附和化学络合共同作用对不同实际污染土壤洗脱废液中的重金属均具有较高的去除率，其中来自湖南长沙的旱地红壤增溶洗脱废液Cd和Cu平均去除率分别为60.1%和57.4%，来自甘肃白银的旱地灰钙土壤增溶洗脱废液Cd和Cu平均去除率分别为64.1%和53.8%，山东烟台果园棕壤的增溶洗脱废液Cd和Cu平均去除率分别为78.8%和75.6%，表明通过改性浸提残渣吸附可以实现废弃菠萝皮残渣资源节约化循环再利用。 （4）温和型菠萝皮废弃物浸提液具有田间原位重金属净土修复应用潜力。温和型菠萝皮复配浸提液可有效去除田间土壤中重金属，其中菠萝皮（PP）和柠檬酸（CA）复配浸提液两步（CA+PP-H2O）梯度增溶法对烟台果园棕壤和白银旱地灰钙土壤Cd去除率分别为38.2%和29.6%，且两步梯度增溶后两种土壤中Cd剩余浓度均可以降低到风险筛选值以下。两步（H2O+PP-H2O和CA+PP-H2O）梯度较柠檬酸（CA-H2O）增溶后在两种土壤中脲酶活性分别平均增加了22.8%和29.7%，β葡萄糖苷酶活性分别平均增加了14.8%和12.2%；两步（CA+PP-H2O）梯度增溶后两种土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮较原始土壤分别平均增加了151.65 mg kg-1和9.14 mg kg-1。不同菠萝皮复配浸提液两步梯度增溶后土壤较两种未增溶原始土壤生长的小麦发芽率、根长、芽长和生物量等指标均增加。菠萝皮改性残渣对烟台果园酸性棕壤和白银旱地碱性灰钙土壤增溶洗脱废液Cd平均去除率分别为65.0%和53.5%。温和型菠萝皮复配浸提液在农用地重金属增溶增排净土方法下可经济有效去除偏砂质酸碱性土壤和洗脱废液中重金属，其在农林废弃资源的综合利用和节能低碳型农用地重金属净土修复方面具有潜在的应用前景。 （5）废弃菠萝皮浸提液对农用地土壤重金属的溶出机制涉及多种因素。菠萝皮浸提液对农用地土壤中Cd和Cu的溶出去除过程可以分为快速反应阶段（0-3 h）和慢速反应阶段（3-24 h）。Elovich模型更适合描述菠萝皮浸提液对农用地土壤中Cd和Cu的溶出动力学特征，表明其溶出去除过程是非均相扩散过程，主要由扩散因子控制。不同废弃物浸提液对土壤重金属去除效率的差异与有机酸的浓度和组成有关，有机酸浓度在4715.5 mg L-1-15237.9 mg L-1，以柠檬酸作为主要有机酸组分时对土壤重金属的去除效率最好。羧基、羟基、胺基和羰基是菠萝皮浸提液与重金属离子络合的主要官能团。菠萝皮不同浸提处理后的增溶液含有与未浸提菠萝皮相似物理结构的物质，其破碎不规则状分布有利于与土壤中重金属的充分接触并溶出。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/30980]  |
| 专题 | 烟台海岸带研究所_中科院烟台海岸带研究所知识产出 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨帅. 农田土壤中结合态镉和铜的溶出机制与清除方法研究[D]. 中国科学院大学. 2022. |
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