铬渣中Cr（Ⅵ）溶解释放及其在土壤中迁移规律研究

论文摘要

我国是一个铬盐生产大国,每年产生铬渣达600万吨,由于缺乏有效处理设施导致堆存的铬渣释放Cr（Ⅵ）对土壤和地下水造成严重污染。湖南某企业铬盐生产过程中产生大量铬渣,导致目前被污染土壤累计达1250万吨,且随着铬渣中Cr（Ⅵ）的不断溶出,被污染土壤仍将不断增加。本论文以湖南某企业铬渣堆场及被污染土壤为研究对象,对铬渣中Cr（Ⅵ）溶解释放机理及其在土壤中的迁移规律进行了研究,从而预测Cr（Ⅵ）对地下水的影响。所得主要结论如下：针对不同因素对铬渣中Cr（Ⅵ）溶解释放的影响,研究铬渣中Cr（Ⅵ）的淋溶释放动力学机理,建立溶解释放模型,为定量预测铬渣中Cr（Ⅵ）对土壤的污染强度提供理论依据与技术支持。通过静动态淋溶铬渣实验后,得出铬渣中铬的淋溶释放影响因素为淋溶的时间、固液比、粒径大小、搅动与否；利用动态淋溶实验获得的参数推导铬渣中Cr（Ⅵ）的淋溶释放模型,预测到当地铬渣堆场中Cr（Ⅵ）最低释放浓度为31.04mg/L,超过我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）0.05mg/L的限值将近620倍。通过吸附特征和吸附动力学试验,研究土壤中Cr（Ⅵ）的吸附行为,为预测土壤中Cr（Ⅵ）的运移及控制其污染提供理论依据。不同温度下,Cr（Ⅵ）5h内均达到吸附平衡,符合拟二级动力学吸附模型,相关系数达到0.999以上；热力学分析可知土壤对Cr（Ⅵ）的吸附是自发吸热反应,且土壤吸附Cr（Ⅵ）固/液界面的随机无序性在土壤内部发生；吸附量随溶液pH的增加而下降,强碱性环境下吸附量很低。吸附量随Cr（Ⅵ）溶液初始浓度的增大而增大；不同温度下土壤对Cr（Ⅵ）的吸附与Langmiur等温吸附模型相拟合。通过室内土柱动态模拟试验,测定土壤介质和水动力模型参数,为模拟Cr（Ⅵ）在土壤中的迁移提供实测参数。结果表明Cr（Ⅵ）在土壤中较保守物质氯离子有明显的迟滞现象。稳定渗透时,土壤渗透系数Kt为63.36mm/d；非饱和土壤迁移条件下,土壤中Cr（Ⅵ）的吸附分配系数Kd为1.17×10-3m3/kg；由于土壤含水率并非常数,所以非饱和土壤的迟滞因子Rd也非定值；饱和土壤迁移条件下,土壤中Cr（Ⅵ）的吸附分配系数Kd为0.054×10-3m3/kg,迟滞因子Rd为1.17。依据吸附实验、迁移实验及研究区域水文地质结构,分别建立Cr（Ⅵ）在土壤非饱和及饱和区迁移的水动力数学模型,为预测与防控土壤及地下水Cr（Ⅵ）污染提供理论依据。根据铬渣中Cr（Ⅵ）的淋滤释放模型模拟结果和研究区域地下水位钻井数据,利用HYDRUS-1D（V3.00）软件中的对流一弥散模型分别模拟了Cr（Ⅵ）在土壤厚度分别为50、100、150厘米时的迁移变化情况：铬渣淋滤液中的Cr（Ⅵ）要完全穿透土壤层分别需175天,700天,1800天。由于研究区域地下水位较浅,一般距地表仅数厘米至数十厘米,因而铬渣淋溶液很容易穿透土壤进入地下水,并污染该企业以外的区域,对当地的居民饮用水和工农业用水产生潜在威胁,应该引起当地相关部门的重视。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及存在问题
• 1.2.1 铬渣的来源与铬渣中Cr（Ⅵ）的存在形态
• 1.2.2 铬渣对土壤污染的研究现状
• 1.2.3 铬渣中淋溶污染组分在土壤中迁移规律
• 1.2.4 饱和-非饱和土壤溶质迁移模拟
• 1.2.5 存在的问题
• 1.3 本文的研究内容、方法和创新点
• 1.3.1 主要研究思路
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 本文主要创新点
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 铬渣
• 2.1.2 土壤
• 2.1.3 实验试剂
• 2.1.4 实验仪器及设备
• 2.2 分析方法
• 2.2.1 溶液Cr（Ⅵ）浓度分析方法
• 2.2.2 氯离子的测定
• 2.2.3 土壤中总铬、铁、锰的测定
• 2.2.4 溶液体系pH的测定
• 2.2.5 扫描电镜与能谱分析
• 2.2.6 傅立叶红外光谱分析
• 2.2.7 X射线衍射分析
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 静态淋溶铬渣实验
• 2.3.2 模拟酸雨动态淋溶铬渣实验
• 2.3.3 Cr（Ⅵ）的吸附实验
• 2.3.4 Cr（Ⅵ）在非饱和土壤中的迁移实验
• 2.3.5 Cr（Ⅵ）在饱和土壤中的迁移实验
• 第三章 静动态淋溶作用下铬渣中Cr（Ⅵ）溶解释放规律
• 3.1 引言
• 3.2 静态淋溶条件下铬渣中Cr（Ⅵ）溶解释放特性
• 3.2.1 固液比对铬渣中Cr（Ⅵ）溶解释放的影响
• 3.2.2 铬渣粒径对Cr（Ⅵ）溶解释放的影响
• 3.2.3 搅动与静置对铬渣中Cr（Ⅵ）溶解释放的影响
• 3.3 模拟酸雨动态淋溶下铬渣中Cr（Ⅵ）的溶解释放特性
• 3.3.1 酸雨pH值对Cr（Ⅵ）的淋出影响
• 3.3.2 铬渣粒径对Cr（Ⅵ）的淋出影响
• 3.3.3 淋溶前后铬渣的矿物组成、形貌及能谱分析
• 3.4 铬渣中Cr（Ⅵ）的淋溶释放量预测
• 3.4.1 建模的目的和基础
• 3.4.2 工业固体废弃物中重金属释放模型与参数的选定
• 3.4.3 铬渣中Cr（Ⅵ）释放数量的模拟预测
• 3.5 本章小结
• 第四章 Cr（Ⅵ）在土壤中的吸附动力学和吸附特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 Cr（Ⅵ）吸附的因素
• 4.2.1 土壤对Cr（Ⅵ）吸附平衡时间
• 4.2.2 pH对Cr（Ⅵ）吸附的影响
• 4.2.3 不同固液比对Cr（Ⅵ）吸附的影响
• 4.3 Cr（Ⅵ）的等温吸附线
• 4.4 Cr（Ⅵ）吸附动力学
• 4.5 Cr（Ⅵ）吸附热力学
• 4.6 本章小结
• 第五章 Cr（Ⅵ）在土壤中迁移规律
• 5.1 引言
• 5.2 氯离子穿透迁移规律
• 5.2.1 氯离子在非饱和土壤中的穿透迁移规律
• 5.2.2 氯离子在饱和土壤中的穿透迁移规律
• 5.3 Cr（Ⅵ）穿透迁移规律
• 5.3.1 Cr（Ⅵ）在非饱和土壤中的穿透迁移规律
• 5.3.2 Cr（Ⅵ）在饱和土壤中的穿透迁移规律
• 5.4 非饱和土壤迁移实验土壤的红外光谱分析
• 5.5 土壤渗透系数的测量
• 5.6 Cr（Ⅵ）在土壤中的吸附分配系数和迟滞因子
• 5.6.1 Cr（Ⅵ）在非饱和土壤中的吸附分配系数和迟滞因子
• 5.6.2 Cr（Ⅵ）在饱和土壤中的吸附分配系数和迟滞因子
• 5.7 本章小结
• 第六章 Cr（Ⅵ）在非饱和土壤中迁移模型
• 6.1 引言
• 6.2 HYDRUS模型
• 6.3 模型原理
• 6.3.1 水分运动模型
• 6.3.2 土壤介质中溶质的迁移转化模型
• 6.4 模型参数的率定
• 6.4.1 土壤水分运动参数
• 6.4.2 非饱和土壤水弥散系数D的计算
• 6.5 模型验证
• 6.5.1 保守溶质氯离子的迁移模拟
• 6.5.2 Cr（Ⅵ）的迁移模拟
• 6.6 模型的应用
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论及建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的成果
• 附件1 论文
• 附件2 专利