江西某铜矿废石堆周边土壤对重金属的吸附——解吸行为_张鹏飞.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-26基金项目 国家重点研发计划项目(编号:2019YFC1805001);矿物加工科学与技术国家重点实验室开放基金项目(编号:BGRIMM-KJSKL-2022-07)。作者简介 张鹏飞(1999)男,硕士研究生。通信作者 董颖博(1983)女,教授,博士研究生导师。江西某铜矿废石堆周边土壤对重金属的吸附解吸行为张鹏飞1 董颖博1,2,3 林 海1,2 昝金雨1(1.北京科技大学能源与环境工程学院,北京 100083;2.工业典型污染物资源化处理北京市重点实验室,北京 100083;3.矿物加工科学与技术国家重点实验室,北京 102628)摘 要 金属矿废石堆作为重金属污染源头之一,产生的污染具有长期性。从废石中溶出释放的重金属向堆场及周边外环境迁移扩散造成污染,吸附解吸过程是影响重金属在废石堆周边土壤中迁移的重要因素。以江西某铜矿废石堆周边土壤为对象,研究了土壤 pH 值、铁氧化物含量和微生物对土壤中 Cu、Cd 和 Cr 吸附解吸行为的影响。结果表明,pH 值与土壤中 Cu、Cd 的吸附量呈正相关,土壤 pH 值越低对 Cu 和 Cd 的吸附量越小,越易于解吸;而 Cr 呈相反规律,低 pH 值会提升土壤对 Cr 的吸附量,降低解吸量。土壤中 Fe2O3含量的升高能有效提高土壤对 3 种重金属的吸附效果,可起到钝化重金属的作用,当 Fe2O3添加量为 20%时,土壤对重金属 Cr 的吸附率相比对照组提升了19.27%。氧化亚铁硫杆菌及氧化硫硫杆菌的存在对 3 种重金属在土壤中的吸附均起到一定的抑制作用,且有效促进了吸附在土壤中重金属的解吸。研究结果可为重金属在废石堆周边土壤中迁移扩散规律研究及污染调控提供指导。关键词 铜矿废石 土壤 重金属吸附解吸 pH 值 铁氧化物 微生物 中图分类号X53 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-239-08DOI 10.19614/ki.jsks.202302033Adsorption and Desorption Behavior of Heavy Metals on Soils around a Copper Mine Waste Dump in Jiangxi ProvinceZHANG Pengfei1 DONG Yingbo1,2,3 LIN Hai1,2 ZAN Jinyu1(1.School of Energy and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;2.Beijing Key Laboratory on Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants,Beijing 100083,China;3.State Key Laboratory of Mineral Processing,Beijing 102628,China)Abstract The metal ore waste rock dump is one of the main sources of the heavy metal pollution.The heavy metals re-leased from waste rock can migrate and spread into the dump site and the surrounding environment.Adsorption-desorption is a major factor affecting heavy metal migration of heavy metals in soil.In this paper,the soil of a waste rock dump of a copper mine was taken as the object,and the effects of soil pH,iron oxides contents and microorganisms on the adsorption-desorption behavior of different heavy metals in the soil were studied.The results showed that pH was positively correlated with the ad-sorption of Cu and Cd in the soil.The lower the soil pH,the smaller the adsorption amounts of Cu and Cd,and the more desorp-tion.In contrast to Cr,low soil pH will increase the adsorption of Cr in the soil and reduce the desorption capacity.The increase of Fe2O3 content in soil can effectively improve the adsorption effect of soil on heavy metals and play a role in passivating heavy metals.When the Fe2O3 adding content was 20%,the soil adsorption rates of heavy metals Cr were increased by 19.27%,com-pared with the control group.Thiobacillus ferrooxidans and Thiobacillus thiooxidans inhibited the adsorption of three kinds of heavy metals in soil to a certain extent,and effectively promoted the desorption of heavy metals adsorbed in soil.The results can provide guidance for the migration and diffusion law of heavy metals in the soil and regulation of the contaminated soil.Keywords copper mine waste rock,soil,adsorption and desorption of heavy metals,pH value,iron oxides,microorgan-isms932 伴随着工业发展与城市化水平的提升,人类对矿产资源的开采与利用需求与日俱增,导致矿区土壤重金属污染日趋严重1。重金属进入土壤后难以被微生物分解,并不断在土壤中积累、迁移和转化2,可以被农作物吸收进入食物链中,对人类健康造成严重危害3。我国金属矿产资源丰富,但品位普遍较低,在开采过程中易产生大量废石,对矿区周边土壤造成污染4。通过对土壤中重金属迁移特征和土壤对重金属吸附解吸特性研究可以掌握被污染土壤中重金属的迁移规律和空间分布,对风险管控、污染场地修复具有重要意义5。吸附解吸过程是影响重金属在土壤中迁移、扩散的重要因素之一6-7。污染物在土壤中的吸附取决于土壤理化性质(如土壤 pH 值、土壤质地和阳离子交换能力)和土壤成分(如有机质、黏土矿物和金属氧化物)8-9。pH 值是影响土壤吸附重金属的重要因素,pH 值可以改变土壤表面胶体所带电荷量和重金属离子特性从而影响吸附解吸效果,研究表明可以通过调控土壤 pH 值改善重金属的污染问题10。铁氧化物是土壤可变电荷的重要载体,对部分重金属离子有专性吸附功能,一些特定重金属也可以扩散到黏土矿物或金属氧化物的晶格结构中,强化土壤吸附效果。土壤中的微生物可以通过分泌胞外酶和有机酸等物质来活化土壤中的重金属离子,使重金属在土壤中的迁移性增强11-12。本文以江西某铜矿废石堆周边土壤为研究对象,重点考察了土壤 pH 值、铁氧化物含量以及土著微生物对土壤吸附解吸重金属行为的影响规律,研究结果为探明重金属在废石堆周边土壤的迁移行为,有针对性地控制土壤重金属污染具有重要意义。1 试验材料与方法1.1 供试验土壤、菌种与试剂采集江西某铜矿废石堆周边土壤作为供试土壤,土壤呈弱酸性(pH=5.60),电导率为 109.5 S/cm,土壤中有机物含量为 12.60 g/kg,Fe2O3含量为15%。将采集所得土壤过0.25 mm 筛,去除石块及植物残骸后备用。试验用微生物为氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌混合菌群,从铜矿废石堆周边土壤中筛选培育获得,培养基主要成分为 FeSO47H2O 50.0 g/L,(NH4)2SO4 3.0 g/L,K2HPO4 0.5 g/L,MgSO47H2O 0.5 g/L,KCl 0.1 g/L,钙盐补充剂 3.0 g/L,采用稀硫酸调整培养基 pH=3。本 试 验 采 用 分 析 纯Cu(NO3)23H2O、Cd(NO3)24H2O、K2Cr2O7配制含重金属溶液,采用NaNO3配制电解质溶液。1.2 吸附试验1.2.1 土壤 pH 值对重金属吸附影响试验称取 40 份 1.00 g 土壤样品分别置于 50 mL 离心管中。使用 0.01 mol/L NaNO3电解质溶液配制同时含 Cu2+、Cd2+和 Cr6+的混合液,3 种重金属离子浓度相同,将配制好的重金属溶液加入离心管中,调整为 10 组不同重金属浓度,分别为 0、10、20、50、80、100、150、300、400、1 000 mg/kg,每组 4 个试验离心管。然后使用 HCl 调节同一组的 4 个离心管体系 pH值至3、4、5、6,充分混匀后在25 恒温、180 r/min 条件下在摇床中振荡 24 h 后以 4 000 r/min 离心 20 min,取上清液通过 0.45 m 滤膜过滤后,测试其中重金属浓度。1.2.2 土壤 Fe2O3含量对重金属吸附影响试验采集土壤样品中 Fe2O3含量为 15%,为了探究土壤中 Fe2O3含量对重金属吸附解吸行为的影响,向采集的土壤样品中额外添加不同质量(添加量分别为 5%、10%、20%)的 Fe2O3,配制成 Fe2O3含量不同的土壤样品。分别称取 1.00 g Fe2O3添加量不同的土壤样品和不额外添加 Fe2O3的对照组土壤样品(即Fe2O3添加量为 0)置于 50 mL 离心管中,调至体系pH 值为 3,其余各项试验方案与 pH 因素影响试验相同。1.2.3 微生物对重金属吸附影响试验设计两组试验:一组向 250 mL 锥形瓶中加入1.00 g 土壤和 100 mL 含重金属的培养液;另一组向250 mL 锥形瓶中加入 1.00 g 土壤、10 mL 氧化亚铁硫杆菌与氧化硫硫杆菌混合菌群的菌液和 90 mL 含重金属的培养液,每组设一个平行样。设置 2 组试验体系中重金属浓度相同,分别为 Cu 25 mg/L,Cr 5 mg/L,Cd 5 mg/L。两组试验体系在 25 恒温、180 r/min 条件下在摇床中振荡 24 h 后以 4 000 r/min 离心 20 min,取上清液通过 0.45 m 滤膜过滤后,测试其中重金属浓度。1.3 解吸试验土壤 pH 值和 Fe2O3含量因素影响的解吸试验。将上述 1.2.1 节和 1.2.2 节吸附试验离心管中的上清液弃去,再向离心管中分别加入 50 mL 浓度为0.01 mol