赤泥基复合材料对土壤铅污染的钝化效应

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铅等重金属对土壤造成的污染一直是个受关注的环境问题。人类的工业活动使土壤积累了含量超标的重金属,重金属通过植物的吸收进入食物链,引发严重的群体性中毒事件或疾病,危害人类的身体健康。赤泥是制铝工业提取铝后产生的废渣,随着市场对铝制品的需求日益增大,赤泥的产出量也日益增加。作为危险废物,在大量占用场地的同时,还会导致对周边环境的污染。作为世界农业生产大国,我国拥有着十分丰富的秸秆资源。本研究制备了一种赤泥基土壤重金属污染修复材料,该修复剂是以赤泥与玉米秸秆粉末、磷酸盐为原材料混合缺氧高温焙烧后制得。通过正交实验确定赤泥、玉米秸秆以质量比为1:1的条件下,两者经过600℃缺氧混合焙烧得到的钝化剂按2%的投加量施加在含500mg/kg Pb(II)污染土壤中,其修复效果最为显著,可以将原污染土壤有效态铅含量降低至其值的1/5左右。单因素静态实验结果表明原材料配比、材料焙烧温度、投加量和土壤p H都对钝化效果有重要影响,同时结合材料的表征分析(XRD、XPS、FTIR等)阐明了制备参数影响修复效果的机理:在最佳制备参数下,由赤泥和秸秆制得的复合材料中除了原材料自身具有的可钝化重金属的成分,还生成了更多的Fe(II)和金属有机配合物,增加了更多可固定铅的晶胞和交换位点。将含磷赤泥-生物炭复合材料(PRMBC)与赤泥-生物炭复合材料(RMBC)、赤泥(RM)、生物炭(BC)进行性能对比,通过盆栽实验探究了不同材料对植物体内累积重金属效应的影响。结果表明这几种材料都可以有效减轻土壤中Pb(II)向植物体内转移的风险。其性能效果排序从大到小依次为PRMBC、RMBC、RM、BC。另一方面,参考实验种植土壤和植株的理化性质参数得出PRMBC在显著降低重金属Pb(II)向食物链转移的风险的同时,对植物的生长和土壤环境无明显负面影响,RMBC的不利影响较低,而RM会致使土壤碱化严重,BC存在促使根系中Pb(II)向茎叶转移的风险。另外,对盆栽实验中的根际土壤以细菌16Sr RNA为测序类型进行微生物群落多样性分析。高通量测序结果显示磷、生物炭的添加促进了革兰氏阳性菌成为优势菌种。赤泥的添加会导致优势菌群发生从革兰氏阳性菌向革兰氏阴性菌的转变。相比于钝化效率更显著的赤泥,生物炭的环境风险性更低。就整体而言,PRMBC在钝化效果最为显著的同时,使细菌群落更适应重金属和外加材料引起的根系不利微生态环境。通过土柱淋溶实验,检测不同材料以2%的投加量在钝化土壤重金属过程中对地下水的污染风险。分别测得11次淋溶得到的淋溶液中Pb、K、N、P的浓度和p H、EC值。各实验组元素含量都在风险可控的范围内。通过浸出毒性鉴别评价材料在土壤中含有的有害元素的浸出毒性的浓度是否超过国家标准规定的红线,以免给土壤增加了额外的污染,考察了修复材料施加土壤中的实际应用可行性和安全性,结果表明该材料对土壤的毒性在规定标准内。综上,本研究通过将赤泥基复合材料应用于铅污染土壤中,结果证明该材料能够显著钝化土壤中的铅,此外,在进一步将修复后的土壤进行植物种植后,通过对土壤理化性质、植株生长情况和根际微生物群落结构的研究发现,该复合材料对植株的生长以及对土壤环境无不利影响。本研究明确了赤泥基复合材料对土壤中铅形态的钝化规律及对土壤环境的影响机制,能够为赤泥资源化利用和铅污染土壤治理提供新思路,相关研究结论可以为材料的进一步应用提供理论基础。
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