氟磷灰石用于底泥重金属污染物就地稳定化的应用基础研究

摘要

底泥污染与整治作为城市河流污染的难点之一，是目前全世界普遍存在的突出环境问题。底泥中累积的大量有毒有害污染物通过一定的交换作用重新释放，是影响和制约上覆水质的主要二次污染源。 疏浚作为现行的底泥主要处理方式，表现出了成本高，易二次污染等缺陷。为了有效处理底泥中的污染物，本文结合苏州河低流速感潮河流特性，模拟就地帽封和稳定化技术来处理底泥中的重金属污染物。 本文的关键是利用新兴的环境矿物材料氟磷灰石作为帽封材料的主体，以底泥中重金属污染物为主要目标，结合氟磷灰石特殊晶体结构对不同价态阳离子的吸附交换作用的特性，在对苏州河污染底泥性质的深入了解和氟磷灰石稳定固化重金属机制的探讨基础上，采用重金属化学形态分析方法(BCR)、生物有效性指标(SEM/AVS)和美国EPA的浸出毒性实验(TCLP)等技术指标来定量表征稳定化过程中重金属的化学形态变化、生物有效性、毒理性的强弱和TCLP浸出特性。结果表明： (1)苏州河底泥7个采样点中，中山路桥的重金属污染最为严重，长寿路桥和昌化路桥污染较轻；砷、镉、镍、铅为主要的重金属污染物，其中砷的最高含量为265mg/kg，镉的最高含量为61mg/kg，镍的最高含量为170mg/kg，铅的最高含量为335mg/kg，最大超标3-12倍。 (2)BCR形态分析显示镍、镉和锌主要存在于非稳定态中，而砷、铬和锰主要存在于残渣态中。铜主要和有机物硫化物结合，铅的形态随着采样点的不同而变化。苏州河底泥重金属的生物有效性和毒理性较低，SEM/AVS比值均低于一。BCR形态分析可以作为一种辅助手段结合挥发性硫化物(AVS)来评价底泥重金属的生物有效性和毒理性，如果大量重金属结合非硫化物相，SEM/AVS的结果可能会高估重金属的生物有效性。 (3)当pH=7，投加量为2g/l时，氟磷灰石对铅的最大吸附容量达到64.9mg/g；当pH=7时，投加量为4g/l时，氟磷灰石对锌的最大吸附容量为2.6mg/g；TCLP浸出试验表明，氟磷灰石对铅的稳定作用强于锌，锌的最大浸出率超过铅20％左右。当铅进入磷灰石的晶格内，它的残渣态达到了近80％；而当铅被磷灰石耦合在表面时，它的残渣态降低到了55％左右。比较发现，磷灰石通过晶格置换作用所产生的稳定效果优于表面耦合作用。 (4)磷灰石对于底泥中重金属的稳定具有积极作用，促使重金属由非稳定态向稳定态逐步转变，转变过程主要是碳酸盐结合态向残渣态迁移，铅和锌的稳定态比例最高分别增加了19％和15％。磷灰石的加入量对于最终稳定底泥重金属稳定态的提高无显著影响；磷灰石稳定过程中对底泥环境的pH影响很小，基本不变，但是会引起水体的氧化还原电位波动，进一步导致底泥中挥发性硫化物减少，增强了重金属的生物有效性。 (5)磷灰石稳定剂的加入并未引起其他重金属形态的剧烈变化。铬仍然以残渣态稳定存在于底泥中，铜主要结合氧化态和残渣态。镉和镍的碳酸盐结合态有一定量的减少，显示了磷灰石对镉和镍也具备一定的稳定作用。磷灰石的加入会引起部分钙的释放，而磷释放很少。 (6)不同稳定剂的比较发现，磷灰石对铅锌的稳定效果总体好于针铁矿和水铁矿。针铁矿和水铁矿的加入有效阻止了挥发性硫的减少，BCR、SEM/AVS和TCLP等一系列指标表明底泥与稳定剂经过2个月左右的反应后基本达到稳定。 (7)TCLP的浸出率与形态分析表现出了一定的相关性，铅和锌的TCLP浸出率与碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态都表现出了很好的正相关性，最高达到r=0.8389。同时铅和锌的TCLP浸出率与残渣态表现出了较好的负相关性，表明随着稳定态的比重增加，TCLP的浸出不断减少。研究通过TCLP的浸出率与形态分析比重的比较，揭示了不同重金属形态与TCLP浸出的内在联系。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图形清单、表格清单及缩略词

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章前言

第二章实验过程及方法

第三章苏州河底泥污染现状及评价

第四章磷灰石对重金属束缚稳定化作用

第五章底泥重金属稳定化模拟研究

第六章结论与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间从事的项目