大豆秸秆生物炭对金属硫化物尾矿污染土壤的修复作用

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金属硫化物矿山尾矿污染不同于一般成因的重金属污染,还存在尾矿中硫化矿物氧化产酸并不断释放重金属的问题。由于氧化作用,硫化物尾矿产生大量含重金属和硫酸根离子的酸性矿山废水,对周边生态环境造成严重影响,并通过食物链作用对人体健康构成威胁。生物炭因具有独特物理化学性质,可以通过静电吸附、离子交换、表面络合及共沉淀等方式有效降低土壤重金属的活性和毒性,起到修复土壤的作用。为控制硫化物尾矿氧化带来的环境影响,本论文以江西银山矿业选矿厂尾矿为研究对象,采用生物炭处理尾矿的方式,抑制尾矿氧化,控制重金属和硫酸根离子的释放。并通过模拟金属矿山尾矿污染土壤为研究对象,采用盆栽试验和发芽试验,研究了生物炭施用于尾矿污染土壤,对植物生长及吸收土壤重金属的影响,探讨生物炭在金属硫化物矿山尾矿重金属污染土壤中的修复潜力。主要结论如下:(1)在500℃制备的大豆秸秆生物炭,pH值大于7,表现出碱性。傅立叶红外光谱分析可知生物炭含有羟基、芳香结构以及酸性含氧官能团等,扫描电镜观察其表面形貌可知生物炭具有多孔结构,微孔数量多且形状规则,比表面积大。(2)通过对铜尾矿的理化性质进行分析,尾矿主要成分有石英、针铁矿、赤铁矿与少量石膏、高岭石等,主要元素有Fe、Al、Si以及少量的S等。通过对铜尾矿重金属总量测定分析,铜尾矿中总金属Cu、Zn和Pb含量都很高,Cd含量相对较低。(3)在淹水条件下的氧化实验,结果表明,双氧水作为氧化剂能够加速尾矿氧化,使尾矿迅速氧化生成大量的Fe3+和SO42-,且使溶液中重金属含量明显增大。在双氧水加速氧化环境下,生物炭仍然能发挥良好的钝化效果。在自然氧化过程中,生物炭能够明显提高尾矿pH,抑制尾矿氧化,固化重金属。(4)在干湿交替条件下的氧化实验,结果表明,在尾矿污染土壤中,生物炭能提高土壤pH,降低土壤体系氧化性,抑制尾矿氧化产酸作用,降低重金属含量。而生物炭与油酸钠/硅酸钠协同处理在提高土壤pH值、降低氧化性、抑制硫酸根产生及钝化重金属效果上都比生物炭单独处理效果好。其中,硅酸钠与生物炭协同处理土壤pH值最大,油酸钠在降低硫酸根含量上效果最明显。在铜尾矿污染土壤组中,对于提高土壤pH、降低氧化性,抑制重金属释放效果生物炭不如油酸钠和硅酸钠。而在锌尾矿污染土壤组中,生物炭对重金属释放的抑制效果比油酸钠和硅酸钠好。(5)盆栽实验和发芽实验结果表明,添加生物炭能明显促进空心菜生长,其中生物炭对空心菜根部生长的影响比茎叶效果更为明显。空心菜组织中的Cu、Zn、Pb、Cd含量与土壤中Cu、Zn、Pb、Cd浓度呈现出显著的正相关性。生物炭明显降低空心菜中Cu、Zn、Pb、Cd的含量,钝化土壤重金属作用明显。生物炭能显著提高污染土壤pH值,明显缓解硫化矿物氧化产酸问题。在复合重金属污染土壤中,生物炭在减少空心菜植株含重金属Pb的效果最为显著。生物炭能减轻尾矿污染土壤对空心菜种子的毒害作用,提高种子的发芽率和成苗率。
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