化学稳定修复后土壤重金属再迁移行为及关键驱动机制研究

Chemical immobilization has been considered as a promising soil remediation technique, in which soluble heavy metals or organic contaminants are converted into stable forms by amendments, thus mobility and bioavailability of contaminants are reduced. The re-mobilization of initially stabilized contaminants is possible due to environmental changes under field conditions. This project will focus on the study of re-mobilization and its driving mechanism of the biochar-immobilized metals under rainfall，irrigation and freeze thawing. First of all, an incubation experiment will be conducted to determine how biochar induced immobilization of Pb and Cd. Second, a batch desorption experiment will be carried out to demonstrate the process and its key drive mechanisms of Pb and Cd remobilization in the biochar-amended soil in response to the changes of pH, ionic strength and freeze thawing. In addition, the column-based leaching experiment will be conducted to measure the downward migration of metals and biochar from biochar-treated soil under simulated rainfall and irrigation, which further reveal the synergistic effect between heavy metals and biochar. Finally，the transportation of heavy metals will be simulated by hydrus software.The study could highlight the assessment the long-term stability of biochar-amended heavy metals contaminated soil.

化学稳定法是向土壤中添加稳定化材料改变土壤重金属形态，以降低重金属生物可利用性的一种污染土壤修复方法。但污染场地修复后土壤环境会发生改变，可能引起已固定重金属的再次活化。本课题以土壤-生物炭-重金属为研究体系，研究在灌溉、酸雨、冻融等条件下，生物炭修复后的Pb、Cd再迁移行为及关键驱动机制。在生物炭修复污染土壤中Pb、Cd的稳定化效果的基础上，通过解吸实验研究在界面化学驱动力（pH、离子强度、DOC）或物理驱动力（冻融）作用下，被生物炭修复后的重金属再迁移行为及关键驱动因子；并进一步通过动态淋溶实验，研究在界面化学和水力学交互作用下，重金属及生物炭的迁移分布特征，阐述重金属及生物炭协同迁移作用机制；进而利用Hydrus软件模拟重金属的迁移行为。最终揭示降雨灌溉条件下，生物炭修复后重金属的再迁移行为及驱动机制，更科学的评价生物炭对土壤重金属修复的长期稳定性。

环境变化后，生物炭对重金属的吸附是否稳定，因此本课题通过人工模拟老化、解吸和柱淋溶实验研究生物炭修复重金属Pb、Cd的再迁移行为及关键驱动机制。研究结果表明：（1）经三种老化后，已吸附在生物炭表面Pb、Cd的TCLP提取态随着老化时间持续降低，老化作用促进了生物炭表面已吸附Cd和Pb的进一步稳定化，稳定机理为老化作用提高生物炭表面氧化性，增加含氧官能团，增加了生物炭表面的破碎化，而破碎的生物炭有利于生物炭内部的P、Mg、Ca等元素的溶解释放，为Cd、Pb提供更多的吸附点位，因此老化作用促进生物炭对Pb、Cd的进一步稳定化。（2）单一水力学条件下生物炭在石英砂柱迁移实验表明，流速增加生物炭颗粒在石英砂柱中的扩散性减弱，提前穿透现象明显，穿透曲线斜率增加，生物炭在石英砂柱中的滞留能力随着流速的增加而逐渐降低。（3）在水力学和界面化学双重作用下，生物炭在石英砂柱中的迁移实验表明离子强度的增加，生物炭和石英砂颗粒表面的ζ电位降低，双电层斥力降低，抑制生物炭内部碱性物质的释放；但是溶液中离子强度增加，生物炭颗粒的双电层被压缩，更多的生物炭颗粒通过活性碰撞进入第二极小势能处发生沉降。流速的增加，使生物炭表面的Zeta电位提高，生物炭的稳定性较好，不易吸附在石英砂颗粒表面；并且孔隙水流速的增加，产生的水动力剪切力促使生物炭颗粒向石英砂柱更深层迁移。（4）双重作用下，饱和吸附Cd、Pb的生物炭在饱和石英砂中的迁移实验，研究生物炭及已吸附的Pb、Cd在不同流速（1.06和5.96 ml/min）和离子强度（去离子水和0.05M NaNO3）条件下的再迁移行为、分布规律及关键驱动因子。结果表明：离子强度和流速的增加，增加了生物炭和重金属向下层土壤和淋溶液中的迁移，促使生物炭吸附Cd和Pb的活化，秸秆生物炭对Pb2+的吸附主要为离子交换作用，对Cd2+的吸附主要为阳离子-π键作用。流速增加，致使石英砂颗粒表面电负性增加，Pb2+和Cd2+在石英砂柱中的滞留量增加。